等離子體是分子、原子及其被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的氣體狀物質(zhì),它是除固、液、氣三態(tài)外,物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體分為高溫等離子體和低溫等離子體。高溫等離子體只有在溫度足夠高時才能發(fā)生,太陽和恒星不斷地發(fā)出這種等離子體,其粒子溫度高達(dá)千萬甚至上億℃,可用于能源領(lǐng)域中的可控核聚變;低溫等離子體在常溫下就可以發(fā)生,其電子溫度也可達(dá)上千乃至數(shù)萬℃,能使分子或原子激發(fā)、離解、電離、化合。
低溫等離子體又可分為熱等離子體和冷等離子體。熱等離子體裝置是利用帶電體尖端(如刀狀或針狀尖端和狹縫式電極)造成不均勻電場,稱電暈放電;冷等離子體裝置是在密封容器中設(shè)置2個電極形成電場,用真空泵實現(xiàn)一定的真空度,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,這時會發(fā)出輝光,故稱為輝光放電處理。
冷等離子體的一個重要特點是其熱力學(xué)的非平衡性,即其電子溫度遠(yuǎn)高于其離子和原子等重粒子的溫度,此種非平衡性對等離子體化學(xué)與工藝過程非常重要。這意味著:一方面電子有足夠高的能量使反應(yīng)物分子激發(fā)、離解和電離;另一方面反應(yīng)體系又得以保持低溫乃至接近室溫。
低溫等離子體中粒子的能量一般為幾eV至幾十eV,大于聚合物材料的結(jié)合鍵能(幾eV至十幾eV),完全可以破裂有機大分子的化學(xué)鍵而形成新鍵;但其能量又遠(yuǎn)低于高能放射性射線,因而只涉及材料表面,不影響基體的性能。利用低溫等離子體這一特點,可進(jìn)行材料的表面改性。通過低溫等離子體表面處理,材料表面發(fā)生多重的物理、化學(xué)變化,或產(chǎn)生刻蝕而粗糙,或形成致密的交聯(lián)層,或引入含氧極性基團,使親水性、粘結(jié)性、可染色性、生物相容性及電性能分別得到改善。由于低溫等離子體技術(shù)具有工藝簡單、操作方便、加工速度快、處理效果好、環(huán)境污染小、節(jié)能的優(yōu)點,低溫等離子體在材料表面改性中的研究與應(yīng)用近年來顯示出強大的生命力,正處于蓬勃發(fā)展的時期。
低溫等離子體表面改性應(yīng)用
紡織材料表面等離子體改性
羊毛纖維改性
羊毛纖維表面具有鱗片結(jié)構(gòu),纖維的彈性也很好,因此在洗滌或濕加工時產(chǎn)生定向摩擦效應(yīng)而使紗線和織物發(fā)生氈縮。為了改善羊毛紡織品的這種氈縮性能,可利用低溫等離子體處理羊毛。實驗證明,羊毛纖維經(jīng)電暈放電等離子體處理后,它在濕態(tài)順鱗片方向的摩擦系數(shù)明顯變大,也就是說順鱗片方向和逆鱗片方向的摩擦系數(shù)差減小,因此降低了定向摩擦效應(yīng)。
用低溫等離子體處理羊毛不僅可改善其氈縮性能,還能提高染料對羊毛的上染速率。羊毛纖維經(jīng)等離子體處理,其半染時間變化和除去鱗片的羊毛很接近,證明了等離子體的主要作用是破壞鱗片層的結(jié)構(gòu),使染料易于擴散進(jìn)入纖維內(nèi)部,因為鱗片層是羊毛染色的重要障礙。
棉纖維改性
將等離子體用于棉纖維改性的研究較為廣泛,這包括改善棉纖維的可紡性和強力、改善纖維的粘合性能和潤濕性能、改善纖維的染色性能、進(jìn)行等離子體接枝變性和功能整理等。
合成纖維改性
滌綸在等離子體處理時,表面受到各種高能粒子作用后,會發(fā)生分裂、刻蝕和明顯的失重。隨著纖維表面的裂解、氧化和交聯(lián),纖維的許多性能也隨之變化,失重率越大,性能變化一般也越大。滌綸纖維的半制品織物先經(jīng)等離子體處理,然后進(jìn)行染色或整理加工,可以改善染色和整理加工性能;將染色或整理后的滌綸織物進(jìn)行等離子體處理,則可以增加顏色深度,改善纖維的潤濕性、粘著性、抗靜電性和親水性等。其他合成纖維包括錦綸、維綸、丙綸等也曾采用等離子體進(jìn)行改性,所得結(jié)果與滌綸改性類似。其中丙綸纖維的等離子體改性以增進(jìn)可染性尤其受到重視,不過由于等離子體改性只是發(fā)生在纖維表面,因此改善丙綸染色性能受到很大限制,目前只是處于探索之中。
金屬材料表面等離子體改性
等離子體用于金屬材料表面改性可以提高材料的耐磨性、抗腐蝕性,從而提高金屬材料的使用壽命和使用效率,也可用于提高材料的裝飾性、光滑度等。
塑料、橡膠材料表面等離子體改性
在塑料、橡膠等成形品表面上實施涂裝或印刷等表面加工時,為了改善涂料、墨水與樹脂之間的密合性,人們一般會實施表面處理作業(yè)。表面處理方法有多種,其中電暈放電處理、等離子體蝕刻處理是常用的手段。
用低溫等離子體在適宜的工藝條件下處理PE,PP,PVF2,LDPE等材料時,材料表面形態(tài)發(fā)生了顯著變化,引入的多種含氧基團,使材料表面性能由非極性、難粘性轉(zhuǎn)為有一定極性、易粘性和親水性,有利于粘結(jié)、涂覆和印刷。
生物醫(yī)用材料表面等離子體改性
低溫等離子體對醫(yī)用材料表面處理,可引入氨基、羰基等基團,生物活性物質(zhì)與這些基團接枝反應(yīng)可固定于材料表面。
低溫等離子體中粒子的能量一般約為幾個至幾十電子伏特,大于聚合物材料的結(jié)合鍵能(幾個至十幾電子伏特),完全可以破裂有機大分子的化學(xué)鍵而形成新鍵;但遠(yuǎn)低于高能放射性射線,只涉及材料表面,不影響基體的性能。處于非熱力學(xué)平衡狀態(tài)下的低溫等離子體中,電子具有較高的能量,可以斷裂材料表面分子的化學(xué)鍵,提高粒子的化學(xué)反應(yīng)活性(大于熱等離子體),而中性粒子的溫度接近室溫,這些優(yōu)點為熱敏性高分子聚合物表面改性提供了適宜的條件。低溫等離子體在材料表面改性方面的許多應(yīng)用充分顯示了其廣闊的應(yīng)用前景24334