等离子清洗机是如何对高分子材料表面进行改性

等离子清洗机对高分子材料的表面改性包括等离子体聚合和等离子体表面处理，上篇详细介绍了等离子体聚合，接下来让我们看看等离子体表面处理：

工作中的等离子体表面处理是指非聚合性气体对高分子材料表面作用所发生的物理和化学过程。非聚合性气体包括反应性气体和非反性气体,选用的气体分类的不同对高分子材料表面作用的机理也不相同。

1、选用反应性气体的作用机理

选用反应性气体（常见的反应性气体是O_2、N₂）时，高分子材料在反应性气体的等离子体作用下，材料表面微观结构发生变化；而且由于O₂，N₂的化学活性，可直接结合到大分子链上，从而改变了高分子材料表面的化学组分，如高分子材料在含氧等离子体基团作用下发生氧化反应。

发生的表面氧化反应与通常的热氧化反应不同，它在反应过程中生成大量的自由基，并借助于自由基进行连锁反应。不仅引入了大量的含氧基团，如羧基（COOH）,羰基（C=O）,羟基（OH）等；而且由于氧对材料表面的氧化分解，还产生刻蚀作用，亲水性明显增强。对于不同的材料所引入的基团的数目和形式也不同。此外 CO₂，CO，H₂O及空气中一些含氧的气体在等离子体状态下也可分解为原子氧，同样具有氧等离子体的作用。举例氧等离子体处理PEEK前后的接触角对比，如图1、图2所示：

图1 氧等离子体处理PEEK接触角80.5°

 图2 氧等离子体处理后PEEK接触角16°

N等离子体中有N，N⁺，N^-，N^M（亚稳态），N*，N等活性粒于参与反应，一部分活性N使大分子解体形成HCN，NH₃以及其他低分子物质，另一部分则与材料表面形成自由基或不饱和基反应，并结合到大分子链上；同样NO，NO₂和N有类似作用。除O₂，N₂外，F等离子体也具有较高的反应性,可以迅速地使聚烯烃表面氟化，降低表面自由能。

 
2、选用非反应性气体的作用机理

使用的工艺气体如Ar，He，H₂等是非反应性气体。这些气体原子不直接进入到高分子材料表面的大分子链中，但由于这些非反应性气体等离子中的高能粒子对材料表面的轰击，进行能量传递，产生大量的自由基，借助于这些自由基在材料表面形成双键和交联的结构，所以非反应性气体等离子体在材料表面形成薄薄的致密的交联层，不仅改变了材料表面的自由能，而且还可以减少高分子内部低分子物质（增塑剂、抗氧剂等）的渗出。氢等离子体放电如图3 所示：

图3 氢气等离子体放电状态

当选用惰性气体进行等离子表面处理时，如果被处理的高分子材料本身含有氧，则会因大分子断裂分解而形成大分子碎片进入等离子体内，向等离子体系统提供了氧，也将产生氧等离子体的效果。如果材料本身不含氧，用惰性等离子体处理之后新生的自由基（半衰期可达2~3天）和空气中的氧作用也会导致氧结合到大分子链上,所以惰性气体等离子体处理含氧的高分子材料时，将出现交联刻蚀，引入极性基团三者的竞争反应，对于不含氧的高分子材料，只是处理后与空气中的氧作用而引进含氧基团。氩等离子体如图4所示：

图4 氩气等离子体放电状态