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等離子體清洗技術借助電離產生反應活性粒子,通過高能粒子的物理轟擊和化學反應結合作用,將吸附在材料表面上的大分子碳氫污染物打斷生成小分子的氣態有機污染物。小分子從材料表面逸出,實現有機污染物的去除。

面對材料表面殘留的有機污染物,等離子體清洗技術可以產生大面積彌散的反應活性粒子,去除復雜形貌下的深層的有機污染物。等離子體具有高電子能量和低離子溫度的特性,非常適合與有機污染物發生化學反應。等離子體清洗清洗后物體不需要干燥處理而避免了二次污染,能夠針對不同基體材料和不同的污染物特定去除。能夠改善表面特性(潤濕性和粘附性等),清洗產物為對環境無害的氣體分子,清洗效率高,能去除顆粒和有機污染。

等離子清洗去除材料表面殘留有機物原理

在等離子清洗機低壓腔室中,經射頻電源激勵,形成激活的氧原子、氮原子、自由電子和未反應氣體的等離子體,當這些等離子體轟擊到材料表面時,除撞擊這一物理過程外,同時伴隨離子化氧氣以及電離的氧原子與材料表面殘留的有機物發生化學氧化反應,從而達到材料表面包含有機污染物的分子級污漬的去除作用

等離子清洗過程可以分為以下幾個步驟:

等離子體產生:通過電場或電磁場激發氣體分子,形成等離子體。氣體等離子體中包含電子、離子,中性粒子。

表面反應:等離子體中的高能粒子與表面有機污染物發生化學反應或物理轟擊,使污染物解離、氧化反應,形成揮發性產物。

污染物去除:形成的揮發性產物通過真空系統被排出,達到清洗效果。

在等離子體清洗有機污染物的過程中,由于氧元素具有高活性和強氧化性,因此在清洗過程中起主要作用,在等離子體清洗過程中將有機物變為二氧化碳和水分子,排出材料表面。電子和氧分子作用產生激發態的氧,激發態物質不穩定,產生的激發態氧原子便會和有機物中的氫原子相結合,奪取后形成羥基。剩余部分的有機物會和高能氧分子繼續反應,生成化學單鍵或雙鍵氧基團,改變有機物的結構穩定性,促進有機物分解,最終含碳的有機分子在高能氧原子和氧自由基等作用下,生成二氧化碳和水排出表面,實現有機物的去除。發生的反應如下圖1所示:

圖一 等離子清洗有機物化學反應式

等離子體清洗過程涉及許多化學反應路徑,圖2給出了有機物分子被氧自由基破壞的主要反應路徑。氧自由基首先奪取有機物分子上不飽和碳鏈中的氫原子,并進一步氧化碳原子形成醛基。同時,六元碳環中的氫原子也被氧原子奪取,與其它化學鍵相比,有機物分子中C-H鍵最容易斷裂。碳原子失去三個氫原子后,六元碳環結構失去共軛穩定性,被破壞形成新的碳鏈。氧原子從有機物中得到一個氫原子形成羥基,進一步氧化生成水分子。最終,C-H鍵全部斷裂,碳原子被氧化成羰基后,解離為CO和CO2分子團。這些小分子團與材料表面的吸附能力較弱從表面解吸,被真空系統收集,最終實現材料表面有機殘留污染物的去除。

氧自由基破壞有機物分子的反應路徑