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等離子體是物質(zhì)除了固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的第四態(tài),通常由電子、離子、自由基以及中性粒子組成,可以部分電離,也可以完全電離,整體呈準(zhǔn)電中性的物質(zhì)。低溫等離子體是等離子體的一種,在其系統(tǒng)中,電子的溫度遠(yuǎn)大于離子和中性粒子的溫度,但體系宏觀上處于低溫狀態(tài),是一種熱力學(xué)非平衡狀態(tài),因此,低溫等離子體在反應(yīng)中具有更高的能量利用效率,在實驗室和工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛使用。

低溫等離子體概述

低溫等離子體中含有多種組分,但主要還是電子對接觸的材料表面起作用,當(dāng)?shù)入x子體與材料表面作用時,粒子會將攜帶的能量傳遞給材料表面,這些能量的傳遞會引起材料性能的改變。等離子體中電子所攜帶的能量范圍一般為0-20eV,與常見的構(gòu)成有機分子的原子間共價鍵鍵能處于一個能級,這表明無論有機物是否具有不飽和鍵,等離子體處理可以打開有機物的舊共價鍵,并形成新的化學(xué)鍵。也正是因為兩者處于同一能級,使得等離子體處理的過程只是直接的能量轉(zhuǎn)移。

膜材料的低溫等離子體表面改性理論

將膜材料置于非聚合性氣體等離子體氛圍中,在膜表面進(jìn)行低溫等離子體處理,利用低溫等離子體中的帶能量的活性粒子轟擊膜材料表面,使膜材料中的高分子聚合物發(fā)生斷鍵重組,從而達(dá)到改性的目的。根據(jù)選擇的氣體的不同,可以分為兩個部分。第一種是如氬氣、氦氣等惰性氣體等離子體,它們在低溫等離子體處理過程中,不會在膜表面引入新的元素,而是在膜表面形成大量的自由基后,由自由基引發(fā)膜材料本身發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),從而引起材料表面微觀結(jié)構(gòu)和物化性質(zhì)的變化。另一種是如氮氣、氧氣等反應(yīng)性等離子體,不僅會發(fā)生上述的交聯(lián)反應(yīng),使膜發(fā)生結(jié)構(gòu)的變化,還會直接引入含氮和含氧的官能團,從而改變膜表面的化學(xué)成分。

等離子體處理過程復(fù)雜,不是由一種反應(yīng)主導(dǎo),而是會發(fā)生一系列的競爭反應(yīng),主要包括等離子體刻蝕反應(yīng)、等離子體引發(fā)的交聯(lián)反應(yīng)和活化反應(yīng)。活化反應(yīng)是指,等離子體在膜表面作用產(chǎn)生活性位點,在這些活性位點上引入功能性基團的反應(yīng),等離子體處理引入的基團主要是反應(yīng)性氣體產(chǎn)生的。因此,等離子體處理對膜材料表面的微觀結(jié)構(gòu)、物化性能和化學(xué)組成都會產(chǎn)生重大影響,而過長時間的等離子體刻蝕反應(yīng),甚至?xí)茐哪さ慕Y(jié)構(gòu)。

低溫等離子體表面處理工藝屬于干式工藝,操作簡單,無二次污染物,節(jié)能環(huán)保,而且能量效率高,處理時間短,可以處理各種材料,具有普遍適應(yīng)性。對于膜材料表面處理,等離子體處理具有處理效果均勻的優(yōu)點,而且作用的深度僅在膜表面幾納米到幾百納米的范圍,不影響膜材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu),可以充分發(fā)揮原膜材料的優(yōu)點。因此,低溫等離子體技術(shù)在膜材料修飾和改性方面,應(yīng)用的范圍越來越廣泛。