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等離子體表面修飾技術是將材料暴露在非聚合氣體(例如稀有氣體)的等離子體中,等離子體中的活性粒子與材料表面進行相互作用,引起材料表面的一些變化,或產生刻蝕而粗糙,或形成致密的交聯層,或引入含氧極性基團,使親水性、粘結性、可染色性、生物相容性及電性能分別得到改善。

等離子體和材料表面相互作用

由于等離子體中含有大量的電子、離子和自由基等活性粒子,當它們與材料表面相互作用時,就會使材料表面發生許多復雜的物理和化學變化。

1. 物理變化

刻蝕:等離子體中的粒子和材料表面的分子原子結合形成揮發性的產物從表面揮發掉,使表面形成許多“錨”狀的凹坑,表面被粗糙化。解吸:等離子體中粒子的能量傳給材料表面的分子、原子,使這些原子分子被解吸離開材料表面。濺射:等離子體中的高能粒子穿過材料表面進入材料內部,并把能量傳遞給材料內部的原子、分子,使它們從表面濺射出來。注入:具有一定能量的離子或中性粒子轟擊材料表面,并打入材料內部和材料內部的分子原子相結合,即離子注入。激發和電離:材料表面的中性粒子在高能粒子的轟擊下,被激發到高能態或者被電離成電子和離子。

2. 化學變化

氧化:等離子體中高能態的原子態氧或分子態氧對材料表面的作用使其發生氧化反應,生成氧化物和過氧化物,并使材料表面引進含氧基團,氧化分解又使表面的刻蝕加重。分解和裂解:在等離子體的作用下分子分解,大分子鏈發生斷裂,產生大量的自由基,另一些分子量下降,并形成揮發性的產物。交聯:在冷等離子體的作用下產生大分子自由基,由于大分子自由基的加成作用,使大分子之間產生交聯,在材料表面形成一層薄薄的交聯層。

聚合:等離子體聚合有兩種形態:一種是等離子體態聚合(PSP),即聚合性的氣體(單體)在等離子體狀態下形成一群化學活性粒子,其中一些活性粒子再聚合并沉積在材料表面,形成一層聚合膜;另一種是等離子體誘導聚合(PIP),即材料表面在等離子體的轟擊下,表面產生很多自由基,這些自由基與單體結合,在材料表面形成一層聚合膜。接技:為了使材料表面引進所需要的官能團,可對材料進行等離子體處理,使其表面活化,產生大量的自由基(這些自由基是極不穩定的),然后浸入單體溶液中與單體結合(液相接技),甚至可在等離子體中直接充入氣態單體,使材料表面邊處理邊接枝(氣相接技)。

等離子體表面修飾技術具有工藝簡單、操作方便、加工速度快、不損傷材料基質、處理效果好、環境污染小、節能節水等優點,更為重要的一點它能實現在傳統化學反應中不能實現的反應,在表面改性中應用廣泛,而且隨著人們對等離子體的不斷研究,其應用領域也會越來越廣泛。