【文章內(nèi)容簡介】 穿透力弱，適合于表面改性。等離子體表面改性時，主要是利用各種能量粒子與固體表面作用，達到改變表面化學結(jié)構(gòu)的目的。它包括 3 方 面內(nèi)容： 在 A r、He、 N O2 和 NH3 等氣體的輝光放電中對聚合物表面進行等離子體處理；進行等離子體接枝；在聚合物表面淀積超薄等離子體聚合膜。與常規(guī)化學改性方法相比，等離子法具有干法、不破壞材質(zhì)、低溫、快速、污染小和效率高等優(yōu)點。 低溫等離子體的特點 低溫等離子體含有大量的電子、激發(fā)態(tài)原子和分子以及自由基等活性粒子 ,這些活性粒子使材料表面引起蝕刻、氧化、還原、襲解、交聯(lián)和聚合等物理和化學反應 ,對材料表面進行改性。由于低溫等離子體中粒子的能量一般為幾個至幾十個電子伏特 ,大于高分子材料的結(jié)合鍵能 (幾個至十幾個電子伏特 ),完全可以使有機大分子材料的結(jié)合鍵斷裂而形成新鍵 。但其健能遠低于高能放射線的能量 ,故表面等離子體處理只發(fā)生在材料的表面 ,在不損傷基體的前提下 ,賦予材料表面新的性能。 低溫等離子體在高分子材料上的應用，大致可以分為兩類：一是等離子體聚山東化工職業(yè)學院畢業(yè)設計（ 2021 年 12 月） 11 合，另一是等離子體改性。等離子體聚合是利用聚合性氣體，在基底表面生成具有特殊功能 (如防水、防腐蝕、結(jié)構(gòu)致密具有特殊物理性能等 )的聚合物；等離子體改性是利用各種等離子體系作用于物質(zhì)表面，在物質(zhì)表面發(fā)生各種物理和化學的作用，如架橋、降解、交聯(lián)、刻蝕、極性基團的 引入及接枝共聚等，從而達到對物質(zhì)表面改性的目的。用高分子膜作為等離子體聚合物的沉積基質(zhì)會引起材料表面的交聯(lián)、化學物理性質(zhì)以及形態(tài)的改變，從而起到了對原高分子膜改性的作用。 機理分析 等離子體處理橡膠表面是利用氣體 (空氣或氧氣 )電離產(chǎn)生氧等離子體，氧等離子體中大量的 O+、 O、 O+ O O、 O臭氧離子、亞穩(wěn)態(tài) O2 和自由電子等粒子與橡膠表面發(fā)生物理和化學反應，在橡膠表面產(chǎn)生大量的極性基團，使碳原于從 C— H 結(jié)合變?yōu)? 、 、 等，從而提高橡膠表面的親水性，改善橡膠與金屬的粘合性能。 等 離子體粒子的能量一般約為幾個到幾十個電子伏特，如電子的能量為 0—20eV，離子為 0— 2eV，亞穩(wěn)態(tài)粒子為 0— 20eV，紫外光／可見光為 3— 40eV。而橡膠中常見化學鍵的鍵能為： C— H ； C＝ 0 ； C— C ； C＝ C 。由此可見，等離子體中絕大部分粒子的能量均略高于這些化學鍵能，這表明等離子體是完全有足夠的能量引起橡膠內(nèi)的各種化學鍵發(fā)生斷裂或重新組合的。以聚丁二烯橡膠為例來說明： 盡管反應僅在表面幾個單分子層發(fā)生 (只限于橡膠表面最外層 10— 1000的范圍內(nèi)，不會改變橡膠的 整體特性 )，但是其密度和強度的增加卻說明表面能的改變。 低溫等離子體處理的過程 對聚合物的低溫等離子體處理包括以下 4 個過程 :脫離 (Ablaton)。交聯(lián)(Crosslinking)。活化 (Activation)和沉積 (Deposition)。 （ 1）脫離：等離子體處理過程中 ,利用高能粒子轟擊聚合物 ,使弱的共價鍵斷裂 ,稱為脫離。脫離使得暴露在等離子體中基質(zhì)的最外分子層離開基體 ,由真空裝置除去。由于基質(zhì)表面污染層的化學鍵一般由較弱的 CH 鍵構(gòu)成 ,故等離子體處理可以除去像油薄膜一樣的污染物 ,使基質(zhì)表 面清潔 ,并留下活性的聚合物表面。 （ 2）交聯(lián)：交聯(lián)是聚合物分子鏈間化學鍵的形成過程。用惰性氣體的等離子體處理使經(jīng)脫離的聚合物交聯(lián) ,形成強硬的基質(zhì)微表面。在合適的條件下 ,通過等離子體處理 ,可以提高乳膠導尿管、隱形眼鏡等的耐磨耗和化學穩(wěn)定性。 （ 3）活化：聚合物表面基團同來自等離子體的化學基團的置換稱為活化在活化期間，等離子體使聚合物中的弱化學鍵斷裂，并由高活性的撥基、梭基和輕基基團取代。活化也可由氨基基團或其他功能團完成。基質(zhì)特性的最終變化將視山東化工職業(yè)學院畢業(yè)設計（ 2021 年 12 月） 12 引入基質(zhì)表面的化學基團的類型而定。 （ 4）沉積：在等離子體的沉積階 段，通過處理氣體在基質(zhì)表面的聚合形成一層薄的聚合物覆蓋層，根據(jù)氣體和處理參數(shù)的選擇情況，這些覆蓋層賦予基質(zhì)各種各樣的性能和物理特性。通過用等離子體沉積的方法產(chǎn)生的覆蓋層，比用常規(guī)方法聚合所獲得的薄膜涂層具有高的交。 等離子體處理條件 本實驗設計在 40～ 100 KHz 的頻率范圍內(nèi)，功率 200W 不變，氣流量可調(diào)節(jié)的條件下通入氣體（空氣、氮氣、氧氣），處理時間在 ～ 30 分鐘的范圍內(nèi)變化，之后，用儀器檢測橡膠表面等離子體處理之后的變化情況。 等離子體實驗設備 低溫等離子體裝置是在密封容器 中設置兩個或三個電極形成電場 ,用真空泵實現(xiàn)一定的真空度 (1～ ),隨著氣體愈來愈稀薄 ,分子間距及分子或離子的自由運動距離也愈來愈長 ,受電場作用 ,它們發(fā)生碰撞而形成等離子體。 等離子體表面改性裝置 ,包括 CGP 和 GPT 兩個系列。 CGP 系列等離子體處理儀具有電暈和輝光兩種放電類型。使電暈放電不僅能在大氣中進行 ,也可在各種不同氣體 (如 Ar、 NH H2 等 )中進行。這一系列等離子體處理儀主要用于科研和教學。 GPT 系列等離子體處理儀主要用于工廠產(chǎn)品的小批量生產(chǎn) ,僅有輝光放電裝置 ,因而反應室較大 ,便于盡可能多地放 置改性產(chǎn)品。國外對等離子體處理儀也有過相關的報道。 平板式雙電極型等離子體反應器 ,它一般用 射頻電源產(chǎn)生等離子體 ,利用電容耦合或感應耦合的方式 ,將射頻電源的能量傳遞給等離子體 ,射頻電源加在其中的一個電極上。但這種裝置不能獨立調(diào)節(jié)一定真空度下等離子體中的離子能量和離子流量 ,因而便產(chǎn)生了一種改進型的三電極型反應器。除接地電極外 ,另外兩個電極板上均加有射頻電源 ,它們通常相位相反 ,一個用來調(diào)節(jié)離子能量 ,一個用來調(diào)節(jié)離子流量。比利時 Europlasma 生產(chǎn)廠生產(chǎn)的一種架式等離子體處理系統(tǒng)的氣體等離子體 室。等離子體處理系統(tǒng)一般由 5 個主要部分組成： (1)真空室； (2)泵組； (3)氣體導入和氣體控制系統(tǒng) 。(4)高頻發(fā)生器 。(5)用于系統(tǒng)控制的微處理器。 等離子體的局限性 改良聚合物材料的主要方法涉及到激發(fā)態(tài)化學工藝，如等離子體輝光放電、電暈放電、或火焰處理等。目前，正在對等離子體輝光放電工藝進行認真的研究，日本和歐洲已經(jīng)采用一些能批量生產(chǎn)的工藝。但是，這些工藝由于需要高度真空來產(chǎn)生操作時所需的等離子體 (離子化氣體 )而費用昂貴，工藝復雜。因此，等離子體輝光放電工藝只能用于高附加值材料。 相反，電暈放 電則屬于一種環(huán)境空氣工藝，不需要真空。但是，這種工藝不山東化工職業(yè)學院畢業(yè)設計（ 2021 年 12 月） 13 大適用于三維物體?；鹧嫣幚矸m然是一項費用較低的工藝，但用于三維物體時處理效果卻不均勻，而且，也不適用于對高溫敏感的材料。 紫外線、臭氧表面處理概述 對橡膠進行表面處理的目的是，清除表面雜質(zhì)，提高橡膠表面的粗糙度，增加表面積，并在橡膠表面引人極性或反應性官能團，