按等離子的溫度,可分為熱電漿和冷電漿。熱電漿的高溫和高焓特性和收縮效應所產生的能量集中的特點,將其用作熱噴塗時傳遞熱量的工作介質,形成了等離子噴塗工藝。從一般的中性氣體轉化為電漿,需要經過升高溫度、雙原子分子分解和原子電離等大量吸收能量的過程。熱電漿中的重離子(離子和中性原子)的溫度與電子的溫度相同,又稱為熱平衡電漿。熱電漿又可分為高溫電漿和低溫電漿。高溫電漿溫度可達一億到十億k,低溫者也在xx~xx0k。在冷電漿中,重離子的溫度遠低於電子的溫度,前者接近常溫,而後者卻高達1000~10000k。冷電漿因此也稱為非熱平衡電漿。電漿物理學研究促進了低溫電漿技術的迅猛發展,使其在天然高分子材料和合成高分子材料及其它套用領域有廣泛的套用,在非極性橡膠製品的表面改性中,引入了多種含氧基團,使表面由非極性轉化為有一定極性和親水性,從而有利於粘結和塗覆。
電漿的形成是氣體在相對的高溫下熱電離的結果。熱電漿是氣體在大氣壓下電弧放電產生的;冷電漿可在低壓氣體輝光放電時形成。電漿在形成過程中吸收大量能量,因此電漿又是物質的一種能量較高的聚集狀態。許多氣體都可以用於產生電漿,但在聚合物的表面電漿處理中,一般選用的氣體或氣體混合物包括:o2、ar、cf4和空氣。產生等高子體的方法包括火焰、放電、雷射、電子束和核聚變等。用輝光放電法產生的低溫電漿,又叫做非平衡電漿。其體系中電子溫度(ts)大大高於本體氣體溫度(tg),一般ts/tg為10/100。電子能量約為1~10 ev,恰好同一般化學鍵鍵能相近,適合於化學反應,由此產生了低溫電漿化學這門新興的邊緣學科。
輝光放電在減壓反應器中進行,在直流、低頻交流、射頻,或者微波電場或磁場的作用下產生。反應裝置有內極式、外極式和無極感應式等3種。低溫電漿化學反應的優點在於:在常規下不能進行或難以進行的反應,在電漿狀態下能夠順利進行,如全氟苯的聚合、氮化矽的澱積等。電漿表面轟擊力強,穿透力弱,適合於表面改性。電漿表面改性時,主要是利用各種能量粒子與固體表面作用,達到改變表面化學結構的目的。它包括3方面內容: 在a r、he、n2、o2和nh3等氣體的輝光放電中對聚合物表面進行電漿處理;進行電漿接枝;在聚合物表面澱積超薄電漿聚合膜。與常規化學改性方法相比,等離子法具有乾法、不破壞材質、低溫、快速、污染小和效率高等優點。
1.1.2 低溫電漿的特點
低溫電漿含有大量的電子、激發態原子和分子以及自由基等活性粒子,這些活性粒子使材料表面引起蝕刻、氧化、還原、襲解、交聯和聚合等物理和化學反應,對材料表面進行改性。由於低溫電漿中粒子的能量一般為幾個至幾十個電子伏特,大於高分子材料的結合鍵能(幾個至十幾個電子伏特),完全可以使有機大分子材料的結合鍵斷裂而形成新鍵;但其健能遠低於高能放射線的能量,故表面電漿處理只發生在材料的表面,在不損傷基體的前提下,賦予材料表面新的性能。
低溫電漿在高分子材料上的套用,大致可以分為兩類:一是電漿聚合,另一是電漿改性。電漿聚合是利用聚合性氣體,在基底表面生成具有特殊功能(如防水、防腐蝕、結構緻密具有特殊物理性能等)的聚合物;電漿改性是利用各種電漿系作用於物質表面,在物質表面發生各種物理和化學的作用,如架橋、降解、交聯、刻蝕、極性基團的引入及接枝共聚等,從而達到對物質表面改性的目的。用高分子膜作為電漿聚合物的沉積基質會引起材料表面的交聯、化學物理性質以及形態的改變,從而起到了對原高分子膜改性的作用。
1.1.3 機理分析
電漿處理橡膠表面是利用氣體(空氣或氧氣)電離產生氧電漿,氧電漿中大量的 o+、o-、o+2、o-2、o、o3、臭氧離子、亞穩態 o2 和自由電子等粒子與橡膠表面發生物理和化學反應,在橡膠表面產生大量的極性基團,使碳原於從c—h結合變為 、 、 等,從而提高橡膠表面的親水性,改善橡膠與金屬的粘合性能。
電漿粒子的能量一般約為幾個到幾十個電子伏特,如電子的能量為0—20ev,離子為0—2ev,亞穩態粒子為0—20ev,紫外光/可見光為3—40ev。而橡膠中常見化學鍵的鍵能為:c—h 4.3ev;c=0 8.0ev;c—c 3.4ev;c=c 6.1ev。由此可見,電漿中絕大部分粒子的能量均略高於這些化學鍵能,這表明電漿是完全有足夠的能量引起橡膠內的各種化學鍵發生斷裂或重新組合的。以聚丁二烯橡膠為例來說明: