等离子体表现出与其他物质状态不同特异性能的气体,被称为物质的第四态。等离子体状态形成时,电子和离子的能量状态是重要参数,往往用电子温度Te和离子温度Ti表示,当Te>>Ti时的状态称为非平衡等离子体或者低温等离子体。产生低温等离子体的方法主要有辉光放电、电晕放电、射频和微波等。

电晕等离子体处理的原理

电晕是产生低温等离子体的重要方法之一,电晕等离子体的本质是由电子、激发态分子、激发态原子、自由基、电荷数相等的正负离子以及各种能量的光量子组成的复杂体系。在高压电极与接地电极之间通过电晕放电电离空气产生混合等离子体,在电场作用下加速打击到电极之间的高分子材料表面,从而引起材料表面的物理和化学性能改变。

使用适当功率的电晕放电处理聚合物,一方面会在聚合物表面产生物理刻蚀,使其表面的粗糙度增加;另一方面,使聚合物表面的分子链断裂并降解,在表面形成有活性端基或者自由基的分子链状态,同时电晕空气放电产生的臭氧在聚合物表面高浓度聚集,把表面分子变为氧化物,这样就获得了不同性能的聚合物表面。

电晕等离子体处理后聚合物表面性能的变化

聚合物经电晕等离子处理后,表面的物理状态(如表面形貌,表面张力)和化学结构都会发生明显变化。

表面形貌

电晕等离子处理会使聚合物表面的粗糙度增大,电晕等离子处理后聚合物表面粗糙度变大的原因主要有:(1)电晕放电时产生的等离子体气体的冲刷作用;(2)放电产生的臭氧使表面部分分子氧化成低级小分子而挥发掉;(3)等离子体的刻蚀作用使材料表面的弱物理结合消解,同时断裂的分子链间相互结合,形成“峰”和“谷”。

表面张力与润湿性能的变化

对电晕等离子处理前后聚合物表面对液体(如水、乙二醇、二碘甲烷等)的接触角测量,进而计算出聚合物的表面张力。大量的试验结果显示,聚合物电晕等离子处理后与水的接触角减小,临界表面张力增大。研究发现,经电晕等离子处理后聚合物表面对液体接触角的变化有2个影响因素:(1)表面粗糙度的影响。接触角的变化量与表面的粗糙度增大是相关的;(2)聚合物表面极性的增加。在接触角测量中发现,表面张力的增加往往是因为表面张力组成中的极性分量值的变化。

电晕等离子处理后聚合物表面化学组成的变化

表面自由基的产生

空气介质下电晕等离子处理会在聚合物表面引入大量自由基。

聚合物表面基团的变化

聚合物经电晕等离子处理后,无论是惰性气体介质、反应性气体介质都会引起聚合物表面的化学基团变化,对于惰性气体介质,材料表面分子链的断裂和重组是形成化学基团的主要原因,如空气、乙烯等气体介质,电晕作用的结果是材料表面引入羧基、羰基等含氧基团或烷烃支链。

电晕等离子处理对聚合物粘接性能的影响

应用于复合材料的增强体纤维(如芳纶纤维、PBO纤维、UHMWPE纤维等)常因为其较低的表面能和表面惰性化学结构,与基体的粘接性能较差。所制得的复合材料剪切强度低,影响了纤维强度的发挥。采用电晕等离子处理的方法处理纤维可以明显改善这种状况,分析以往的研究结果,聚合物在电晕处理以后粘接性能提高的原因可以归纳为3个方面:(1)电晕处理去除了聚合物表面的弱边界层;(2)聚合物表面在电晕放电中被粗糙化,改变了原有的光滑状态;(3)电晕等离子处理后在表面引入了大量的极性基团,使粘接过程产生共价键结合的可能性大幅提高。

电晕等离子体处理技术可以在常温、非液态情况下,改变聚合物表面的物理和化学状态,从而赋予聚合物表面新的性能。与传统的湿态化学方法相比,其成本低且处理效果较好,在传统工业处理领域,可以部分代替化学处理方法,如改善PE膜的粘结性、纤维的染色性能等。在环境安全与资源再利用方面,在处理污染性气体、辅助分解难降解聚合物方面也有广阔的前景。