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在氣體被施加強(qiáng)電場或者被施加其他能量時，部分原子被剝奪電子形成的離子，與未剝奪電子的原子，分子，分子形成的基團(tuán)，電子等組成的混合氣體，這就是等離子體。當(dāng)氣體被施加強(qiáng)電場或者其他能量時，電子會受到電場的作用而成為自由電子，電離過程就是電子擺脫原子核約束的過程。這時，氣體會形成“漿液”，漿液主要由正電粒子與負(fù)電粒子組成。這就是人們稱等離子體為電漿的原因。等離子體不同于物質(zhì)的其他三種狀態(tài)，等離子體整體上呈現(xiàn)準(zhǔn)中性，這是由于在等離子體中正負(fù)電荷的數(shù)目基本相等。等離子體與固體，液體，氣體一起被稱為物質(zhì)存在的四種形態(tài)。

等離子親水處理原理

等離子體化學(xué)活性高、一般不產(chǎn)生有毒物質(zhì)或污染物，可以在不影響材料基體性能的前提下實現(xiàn)表面親水化改性，是一種綠色的表面親水化改性手段。

低溫等離子體內(nèi)含有大量高能粒子，如電子（1-20ev，平均約5ev）、離子（0-2ev）、激發(fā)態(tài)基團(tuán)（0-20ev）和光子（3-40ev）。表1.1列舉了部分典型化學(xué)鍵的鍵能，由此可知，低溫等離子體中大多數(shù)活性成分的能量高于多數(shù)化學(xué)鍵鍵能，因此，等離子作用于固體表面后，足以打斷表面物質(zhì)大多數(shù)分子鏈的化學(xué)鍵，使表面發(fā)生一系列物理化學(xué)過程，如刻蝕、官能團(tuán)引入、聚合沉積、交聯(lián)、接枝等。

表1.1 典型化學(xué)鍵鍵能

等離子體對固體表面的親水化改性是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，往往是多種物理化學(xué)過程的協(xié)同作用或互相競爭的結(jié)果，其中等離子親水化原理主要包含以下幾類：

（1）表面官能團(tuán)引入

固體表面暴露在等離子體氛圍中時，其最外層分子鏈的化學(xué)鍵會在等離子體作用下斷裂，表面分子鏈上因此出現(xiàn)大量懸空鍵，形成表面自由基，然后和等離子體中的活性成分發(fā)生反應(yīng)生成一系列新的官能團(tuán)，實現(xiàn)材料表面官能團(tuán)的引入。該方法對固體表面形成的處理深度一般小于10nm，因此可認(rèn)為是一種對材料基體性能無影響的表面改性技術(shù)。采用等離子進(jìn)行表面親水化改性時，等離子體中的O、OH等自由基和表面自由基結(jié)合，形成含氧親水基團(tuán)，如—OH、—CO和COO等，是等離子親水化改性的主要原因之一。

（2）表面刻蝕

等離子體作用于固體表面時發(fā)生的刻蝕現(xiàn)象主要包含物物理刻蝕和化學(xué)刻蝕兩類。物理刻蝕多發(fā)生于非反應(yīng)性氣體（如Ar、He等）產(chǎn)生的等離子體中，其中的高能重離子（如Ar⁺、He⁺等）轟擊固體表面后產(chǎn)生濺射效應(yīng)，將表面材料去除?；瘜W(xué)刻蝕一般發(fā)生在含有反應(yīng)性粒子（如O、F原子等）的等離子體中，這些活性成分和固體表面成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成揮發(fā)性氣態(tài)物質(zhì)，從而形成材料去除。物理刻蝕可實現(xiàn)材料的逐層剝離，屬于各向同性刻蝕，而化學(xué)刻蝕對材料結(jié)晶相和非晶相往往具有不同的刻蝕速率，可實現(xiàn)對表面的各向異性刻蝕，因此化學(xué)刻蝕對形成表面粗糙結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。大多數(shù)材料（尤其是聚合物材料）表面在等離子處理過程中會發(fā)生刻蝕現(xiàn)象，使表面粗糙化。由Wenzel理論可知，表面粗糙化可使親水表面更親水，因此，結(jié)合等離子體處理在表面引入的親水性基團(tuán)，可使表面親水性進(jìn)一步提高。

（3）交聯(lián)

等離子體將固體表面分子鏈上的化學(xué)鍵打斷后形成的自由基除了和等離子體中的活性成分發(fā)生反應(yīng)外，還會和其他相鄰的表面自由基結(jié)合，發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。等離子親水化改性中，交聯(lián)的主要作用是降低表層分子鏈的遷移率，從而抑制表面親水性的恢復(fù)。

低溫等離子體因其宏觀溫度低、操作簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于固體表面親水化改性，尤其是在溫度敏感材料、復(fù)雜形狀工件表面處理方面，更是具有獨(dú)特的優(yōu)勢。