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等離子體清洗技術(shù)借助電離產(chǎn)生反應(yīng)活性粒子,通過高能粒子的物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)結(jié)合作用,將吸附在材料表面上的大分子碳?xì)湮廴疚锎驍嗌尚》肿拥臍鈶B(tài)有機(jī)污染物。小分子從材料表面逸出,實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的去除。

面對材料表面殘留的有機(jī)污染物,等離子體清洗技術(shù)可以產(chǎn)生大面積彌散的反應(yīng)活性粒子,去除復(fù)雜形貌下的深層的有機(jī)污染物。等離子體具有高電子能量和低離子溫度的特性,非常適合與有機(jī)污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。等離子體清洗清洗后物體不需要干燥處理而避免了二次污染,能夠針對不同基體材料和不同的污染物特定去除。能夠改善表面特性(潤濕性和粘附性等),清洗產(chǎn)物為對環(huán)境無害的氣體分子,清洗效率高,能去除顆粒和有機(jī)污染。

等離子清洗去除材料表面殘留有機(jī)物原理

在等離子清洗機(jī)低壓腔室中,經(jīng)射頻電源激勵,形成激活的氧原子、氮原子、自由電子和未反應(yīng)氣體的等離子體,當(dāng)這些等離子體轟擊到材料表面時,除撞擊這一物理過程外,同時伴隨離子化氧氣以及電離的氧原子與材料表面殘留的有機(jī)物發(fā)生化學(xué)氧化反應(yīng),從而達(dá)到材料表面包含有機(jī)污染物的分子級污漬的去除作用

等離子清洗過程可以分為以下幾個步驟:

等離子體產(chǎn)生:通過電場或電磁場激發(fā)氣體分子,形成等離子體。氣體等離子體中包含電子、離子,中性粒子。

表面反應(yīng):等離子體中的高能粒子與表面有機(jī)污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理轟擊,使污染物解離、氧化反應(yīng),形成揮發(fā)性產(chǎn)物。

污染物去除:形成的揮發(fā)性產(chǎn)物通過真空系統(tǒng)被排出,達(dá)到清洗效果。

在等離子體清洗有機(jī)污染物的過程中,由于氧元素具有高活性和強(qiáng)氧化性,因此在清洗過程中起主要作用,在等離子體清洗過程中將有機(jī)物變?yōu)槎趸己退肿?排出材料表面。電子和氧分子作用產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的氧,激發(fā)態(tài)物質(zhì)不穩(wěn)定,產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)氧原子便會和有機(jī)物中的氫原子相結(jié)合,奪取后形成羥基。剩余部分的有機(jī)物會和高能氧分子繼續(xù)反應(yīng),生成化學(xué)單鍵或雙鍵氧基團(tuán),改變有機(jī)物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,促進(jìn)有機(jī)物分解,最終含碳的有機(jī)分子在高能氧原子和氧自由基等作用下,生成二氧化碳和水排出表面,實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的去除。發(fā)生的反應(yīng)如下圖1所示:

圖一 等離子清洗有機(jī)物化學(xué)反應(yīng)式

等離子體清洗過程涉及許多化學(xué)反應(yīng)路徑,圖2給出了有機(jī)物分子被氧自由基破壞的主要反應(yīng)路徑。氧自由基首先奪取有機(jī)物分子上不飽和碳鏈中的氫原子,并進(jìn)一步氧化碳原子形成醛基。同時,六元碳環(huán)中的氫原子也被氧原子奪取,與其它化學(xué)鍵相比,有機(jī)物分子中C-H鍵最容易斷裂。碳原子失去三個氫原子后,六元碳環(huán)結(jié)構(gòu)失去共軛穩(wěn)定性,被破壞形成新的碳鏈。氧原子從有機(jī)物中得到一個氫原子形成羥基,進(jìn)一步氧化生成水分子。最終,C-H鍵全部斷裂,碳原子被氧化成羰基后,解離為CO和CO2分子團(tuán)。這些小分子團(tuán)與材料表面的吸附能力較弱從表面解吸,被真空系統(tǒng)收集,最終實(shí)現(xiàn)材料表面有機(jī)殘留污染物的去除。

氧自由基破壞有機(jī)物分子的反應(yīng)路徑