等離子表面處理為什么能提高材料親水性和粘接...

低溫等離子體等離子體的一種，主要成分為電中性氣體分子或原子，含有高能電子、正、負(fù)離子及活性自由基等，可用于破壞化學(xué)鍵并形成新鍵，實(shí)現(xiàn)材料的改性處理。并且，其電子溫度較高，而氣體溫度則可低至室溫，在實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體表面處理要求的同時(shí)，不會(huì)影響材料基底的性質(zhì)，適合于要求在低溫條件下處理的生物醫(yī)用材料。低溫等離子體可在常溫常壓下產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)條件簡(jiǎn)單、消耗能量小、對(duì)環(huán)境和儀器系統(tǒng)要求低，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用。低溫等離子體技術(shù)是一種安全、綠色、環(huán)保的技術(shù)，可滿足當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的要求。

低溫等離子體表面處理改性的原理

低溫等離子體在對(duì)材料表面處理過程中，材料表面會(huì)暴露在由等離子體形成的活性環(huán)境中，其中包含大量的活性粒子如高能電子、處于激發(fā)態(tài)的原子、分子及活性自由基等。

當(dāng)?shù)入x子體或材料表面含有揮發(fā)性的單體分子時(shí)，就會(huì)在材料表面產(chǎn)生聚合反應(yīng)。而等離子體氣體為空氣、氧氣、水蒸氣、惰性氣體及二氧化碳等不可產(chǎn)生聚合物單體分子的氣體時(shí)，則主要發(fā)生對(duì)材料表面的官能團(tuán)引入，使表面具有不同的性質(zhì)。采用較高功率或等離子體具有的高能粒子數(shù)量較多時(shí)，這些粒子及等離子體中的紫外射線會(huì)對(duì)材料表面產(chǎn)生轟擊作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料表面的刻蝕、交聯(lián)及表面活化等。當(dāng)來自聚合物表面一個(gè)鏈的自由基與來自另一個(gè)鏈的自由基結(jié)合形成鍵時(shí)，就會(huì)在聚合物表面發(fā)生交聯(lián)。表面活化作用涉及表面自由基與原子或化學(xué)官能團(tuán)的重組，形成與材料表面官能團(tuán)不同的基團(tuán)，進(jìn)而獲得具有不同性質(zhì)的表面，實(shí)現(xiàn)表面改性。等離子體誘導(dǎo)的材料表面功能化可以為表面改性和后續(xù)處理過程提供基礎(chǔ)，如嫁接、黏接以及其他的生物應(yīng)用等，以獲得具有不同特殊性能的材料表面。

目前，常用的低溫等離子體進(jìn)行塑料表面改性的方法主要有極性基團(tuán)的引入、等離子體引發(fā)的表面聚合反應(yīng)和接枝反應(yīng)，主要目的為改善塑料表面的親水性、提高難黏塑料的黏合度、提高塑料的生物相容性、改善塑料表面的導(dǎo)電性等。

改變塑料材料表面的親水性

等離子體氣體組分的不同會(huì)導(dǎo)致等離子體中含有不同的粒子種類，這些粒子與塑料材料表面產(chǎn)生改性作用，使其親水性或疏水性能發(fā)生變化。采用不同組分的氣體可以使等離子體產(chǎn)生不同的活性物種，如采用含氫、含氮或含氧組分作為等離子體氣體或?qū)⒌入x子體氣體載入飽和水蒸氣，則在空氣中對(duì)塑料材料進(jìn)行處理時(shí)，就會(huì)在塑料表面產(chǎn)生大量的極性基團(tuán)，一般高分子材料經(jīng)NH3、O2、CO、Ar、N2、H2等氣體等離子體處理后接觸空氣,會(huì)在表面引入—COOH, —C=O ,—NH2,—OH 等基團(tuán),增加其親水性。

提高材料表面粘接性能

塑料高分子材料的表面一般為非極性表面，等離子體處理能很容易在高分子材料表面引入極性基團(tuán)或活性點(diǎn),它們或者與被粘合材料、粘合劑面形成化學(xué)鍵,或者增加了與被粘合材料、粘合劑之間的范得華作用力,達(dá)到改善粘接的目的。
目前，對(duì)等離子體提高塑料粘接性能的機(jī)理為：（1）對(duì)等離子體處理使表面具有更高的活性和更大的表面能；（2）表面引入的極性集團(tuán)可與黏合劑形成化學(xué)鍵合作用；（3）由于等離子體中高能電子的轟擊作用，材料表面的粗糙度有所增加；（4）等離子體處理可以去除表面的弱邊界層，避免黏合后形成力學(xué)性能差的弱邊界層。

目前，低溫等離子表面處理技術(shù)作為一種新型的表面處理方法，具有綠色、環(huán)保、快捷及高效等優(yōu)點(diǎn)，已在各種塑料聚合物材料的表面處理過程中得到廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了基于聚合物材料的各類特殊性能，也間接拓寬了聚合物分子的應(yīng)用范圍，具有廣闊的應(yīng)用前景。