氣體等離子體占我們宇宙的99％，主要存在于恒星中。雖然地球上很少見，但天然等離子體包括閃電，北極光和圣埃爾莫的火焰。表40.1列出了某些等離子體，并通過粒子密度和溫度來表征它們。

等離子體可以通過用足夠功率的電磁場電離氣體來生產和控制。氣體等離子體的一種有用形式是通過將氣體引入到反應室中，保持壓力在0.1和10托之間，然后施加射頻（rf）能量來制造的。一旦電離，被激發的氣體與放置在輝光放電中的材料表面發生反應。

等離子體的物理和化學性質取決于許多變量;化學，流量，分布，溫度和氣體壓力。此外，射頻激發頻率，功率水平，反應器幾何形狀和電極設計也同樣重要。當等離子體的電源關閉時，分解的氣體分子迅速重新結合到它們的自然狀態。

等離子體的類型

等離子體在寬范圍的溫度和壓力下發生，然而，所有等離子體具有大致相等的正和負電荷載流子濃度，以使它們的凈空間電荷接近零。

一般情況下，所有等離子體都屬于三種分類之一。高壓等離子體元素，也稱為熱等離子體，處于熱平衡狀態（通常能量> 10,000°C）。表40.1所示的例子1包括恒星內部和熱核等離子體。混合等離子體在中溫氣體（?100至1000℃）中具有高溫電子并且在大氣壓下形成。電弧焊機和電暈表面處理系統使用混合等離子體。本章重點討論的冷等離子體不處于熱平衡狀態。當大量氣體處于室溫時，離子化氣體中自由電子的溫度（動能）可以高出10至100倍（高達10,000℃），從而產生一種不尋常的，非常化學反應性的環境環境溫度。

有兩種類型的冷等離子體，由電極配置決定。 初級等離子體直接由反應室電極之間的射頻能量產生。 次級等離子體存在于能量場的下游，由氣流和擴散攜帶。 次級等離子體對表面改性不太稱心，因為在rf場下游的待處理部件越遠，等離子體反應越少。 一部分可能會屏蔽另一部分，造成不均勻性，并且在所有活性物質局部耗盡之前可以處理較少的表面積，從而降低較大負載下的有效性。

等離子化學

冷等離子體的三種性質 - 化學離解，離子加速動能和光化學 - 使這種獨特的環境對表面處理有效。

將氣體暴露于足夠的電磁能量會使其分解，形成化學反應氣體，從而快速修改暴露的表面。在原子級別，等離子體包含許多不同能級的離子，電子和各種中性物質。形成的激發物種之一是自由基，其可以直接與有機材料表面反應，導致其化學結構和性質的顯著改變。當轟擊表面的離子和電子從變化的電磁場獲得足夠的動能以從表面敲擊原子或原子團時，也會發生修飾位點。此外，氣相碰撞傳遞能量 - 形成更多的自由基，原子和離子。

離解的物質組合在光子回到基態時發出光子。這種輝光放電的光譜包括高能量的紫外光子，這些紫外光子將被吸收到基底的頂層表面，從而產生更多的活性位點。輝光放電的顏色取決于等離子體的化學性質，其強度取決于處理變量。

等離子體工藝僅改變幾個分子層，因此外觀和整體性質通常不受影響。另外，等離子體通過切斷（分子長度減小），分支和交聯有機材料來改變表面層的分子量。等離子體的化學性質決定了它對聚合物的影響。

表面處理方法

表面處理適用于許多聚合物工藝，等離子體是一種化學工藝。 在處理聚合物中使用三種冷等離子體處理：

1.激活等離子體使用與產物反應的氣體或氣體來改變其化學性質。 這樣的等離子體使用氧氣，氨氣，空氣，鹵素和其他氣體來清潔表面污染物，對表面進行微結合，并將各種化學基團取代到聚合物鏈上。

以下討論激活等離子體。

2.接枝等離子體處理首先通過暴露于化學惰性等離子體來激活表面，然后將表面浸入不飽和單體的蒸氣中（不產生等離子體）。 先前在聚合物表面形成的自由基引發與反應性單體的接枝反應。

3.等離子體聚合利用等離子體能量引發氣相聚合反應，導致有機物沉積在等離子體室內的表面上。

等離子體激活塑料

激活等離子體有三個競爭分子反應，可以同時改變塑料。各自的范圍取決于化學和過程變量。他們如下：

1.消融（微蝕刻），或通過蒸發表面材料來清除或清除表面形貌

2.交聯，或在平行長鏈分子鏈之間產生共價鍵或鏈接

3.替代，用等離子體中的原子替換分子中的原子

燒蝕是蒸發反應，其中等離子體破壞烴聚合物的碳 - 碳鍵。隨著分子變得越來越短，它們的揮發性單體或低聚物沸騰（消融），并且它們被排出。燒蝕對于表面清潔是重要的，并且在需要時用于表面蝕刻。清潔從聚合物表面除去諸如液壓油和脫模劑之類的外部有機污染物。同樣重要的是去除內部污染物，如加工助劑和內部潤滑劑已經開到表面。通常，選擇含氧等離子體以促進可疑污染物迅速分解成揮發性副產物。

等離子清潔比通過蒸汽除油或其他方法清潔更有效。等離子體產生“超潔凈”表面;但是如果存在嚴重的污染，部件可能會通過超聲波清洗或溶劑 - 蒸氣脫脂預清潔，從而將等離子體處理時間保持在最低限度，從而保持成本效益。

一旦清洗完畢，等離子體開始燒蝕聚合物的頂部分子層。非晶態，填充態和結晶態部分將以不同的速率去除，從而提供有效增加表面形貌的技術，以增加機械粘附力或去除在成型過程中形成的弱邊界層。

另一方面，交聯用無氧惰性氣體（氬氣或氦氣）完成。等離子體產生表面自由基后，它們與鄰接分子或分子片段上的基團反應形成交聯。該工藝增加了表面的強度，耐溫性和耐溶劑性。

與消融或交聯不同，取代用血漿中的活性物質代替表面上的一個原子或基團。在這種情況下，表面上的自由基位點可以自由地與等離子體中的物質反應，包括但不限于自由基，從而通過添加共價鍵合的官能團來改變表面化學性質。處理氣體的選擇決定了將在改性聚合物上形成哪些基團。用于聚合物等離子體處理的氣體或氣體混合物包括氮氣，氬氣，氧氣，一氧化二氮，氦氣，四氟甲烷，水和氨。每種氣體產生獨特的等離子體化學。通過等離子體誘導的氧化，硝化，水解或胺化可以快速增加表面能。

非常積極的等離子體可以從相對良性的氣體中產生。例如，氧和四氟甲烷（氟利昂14）等離子體含有氟的自由基。已知氟自由基的氧化與更強的無機酸蝕刻劑溶液的氧化同樣有效，其中一個重要區別是：不使用有害和腐蝕性材料。一旦關閉等離子體，激發的物種重新組合成它們最初的穩定和非反應形式。在大多數情況下，不需要處理廢氣排放物。

含有氧氣的氣體通常在增加表面能方面更有效。例如，聚丙烯的等離子體氧化在幾秒鐘內使初始表面能量增加29達因/厘米，遠超過73達因/厘米。在73達因/厘米時，聚丙烯表面完全是水可潤濕的。

增加的表面能導致產生極性基團的等離子體，例如羧基，羥基，氫過氧基和氨基。更高能量（親水）表面轉化為更好的潤濕性和改性表面對粘合劑，油漆，油墨和沉積的金屬膜的更大化學反應性，從而提供改進的粘合性和長久性。

通過研究水潤濕性在實驗室中表征增強的表面反應性。潤濕性描述了鋪展和滲透表面的能力;它是通過液體和表面之間的接觸角來測量的。接觸角與表面能之間的關系是相反的 - 接觸角隨著表面能的增加而減小。在通常不潤濕的材料如聚烯烴，工程熱塑性塑料，含氟聚合物，熱固性材料，橡膠和含氟彈性體上可以很容易地產生潤濕性。

惰性氣體（氬氣，氦氣等）會產生表面自由基，當表面自由基與表面上的其他自由基發生反應時，會產生分子量變化，或與空氣發生反應，從而將部件從腔室中移出，從而增加表面能。

諸如碳氟化合物之類的過程氣體通常通過用氟或三氟甲基取代抽象氫而形成較低能量或疏水表面以形成氟碳表面。氟化在一些醫療應用中是有利的，其中不希望導管被血液弄濕。不可潤濕的阻擋層也抑制化學滲透，這對于專業包裝是重要的。

附著力

制造過程中的粘合是一個專業領域，但通常，良好粘合需要清潔和潤濕性。

單憑高表面能并不能保證更好的附著力; 然而，該工藝的多功能性可以調整表面化學成分以獲得很好的附著力或很好的產品性能。 將失敗的焦點從粘合線轉移到粘合劑或粘合劑中并不少見，粘合劑增加了許多倍。 表40.2和表40.3列出了環氧樹脂粘合材料和涂層材料范圍的典型等離子體改進實例。

非常活潑的聚合物，如彈性體，具有以分鐘或小時計量的保質期。 柔性分子鏈將高能官能團轉變為大塊。 一旦活性表面經過處理并正確涂上粘合劑，修飾就會長久地粘附在表面上。 因此，處理過的彈性體的底涂固定了表面化學。

總結

等離子體表面處理是修飾各種聚合物和彈性體表面的有效方法。 處理過的材料的粘合強度通常超過粘合劑的粘合強度。 等離子體過程不是操作者敏感的; 其他重要特征包括再現性，清潔度以及更一致地提供高可靠性債券的能力。

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