CN102746524A

CN102746524A - 一种材料表面低温等离子体改性方法及其装置

Info

Publication number: CN102746524A
Application number: CN2011101017114A
Authority: CN
Inventors: 王红卫
Original assignee: SUZHOU OPS PLASMA TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU OPS PLASMA TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2012-10-24

Abstract

本发明提供一种材料表面低温等离子体改性方法，所述方法为：采用负压、电容耦合等离子体放电，待处理物料放置于放电区之外，真空腔壁接地，真空腔内设内电极，内电极上开孔，以利于气体分布和各种活性粒子的流通。一种材料表面低温等离子体改性装置，所述装置包括抽气口、腔体外壁电极、内壁孔、腔体内壁电极、喂气口、处理材料以及等离子体发生电源。本发明所述方法及其装置，等离子体聚合反应温和、副反应少、可控性强，极大地满足了工业生产的需要。

Description

一种材料表面低温等离子体改性方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种材料表面低温等离子体改性方法及其装置。

背景技术

材料表面改性处理技术是目前普遍使用的材料制备技术之一，其基本原理是在一定外界条件下，材料外部物质与材料表面发生物理或化学反应，从而是材料表面状态发生变化或在材料表面生产新的元素和新的基团，最终满足实际应用的需要。目前实现材料表面处理的方法通常为液相反应法，由于液相反应法存在能耗大，对环境有污染的缺点，急需一种节能环保的方法来替代。

低温等离子体表面处理是：在负压(真空)下，给反应气体环境施加高频电场，气体在高频电场的激励下电离，产生等离子体。等离子体是物质的第四态，其中含有大量的电子、离子和自由基等各种活性粒子，活性粒子与材料表面发生物理和化学反应，从而使材料表面的结构、成分和基团发生变化，得到满足实际使用要求的表面。等离子体反应速度快、处理效率高，而且改性仅发生在材料表面，对材料内部本体材料的性能没有影响，是理想的表面改性手段。

在负压状态高频电场激励产生的等离子体的温度接近于室温，因此又称低温等离子体。由于其工作温度低，所以可以处理包括塑料在内的所有材料。

在等离子体状态反应下，激发态粒子起到了十分重要的作用。首先激发态粒子夺取高分子主链上的氢原子形成自由基，然后主链自由基与其他激发态粒子或者自由基发生反应，使得在高分子材料表面生产拒水或者亲水基团，从而使材料具有拒水或者亲水性。通常，待处理样品是放置于等离子体放电区内的，此时等离子体状态下的其它粒子(如电子、离子等)在反应过程中不断轰击材料表面，在材料表面引发降解和刻蚀。结果在材料表面生成了大量低分子产物，而且还侵蚀了材料表面。在对材料表面粗糙度要求较高的场合，常规等离子体处理存在表面被刻蚀的弊端。

因此，在等离子体表面改性的过程中，材料表面同时发生着引入基团反应和降解反应。而降解反应是希望尽量避免的。

远程等离子体可以克服以上所述常规等离子体存在的弊端，即可以实现材料的表面改性又避免了对材料表面的刻蚀和降解。

远程等离子体是将试样放置在远离等离子体放电区域的位置上。等离子体中包含电子、离子和激发态粒子。这些粒子在复合的过程(电子与正离子复合、正离子和负离子复合、激发态粒子和激发态粒子复合)中消失，它们的复合速率分别是：10^-7、10^-7、10^-33cm³/s。所以，在等离子体中激发态粒子比电子和离子的寿命更长。远程等离子体技术正是基于等离子体气氛中各种活性粒子的存活寿命不同的特点而提出的。与常规等离子体一样，远程等离子体区含有激发态的原子、离子、分子以及分子碎片等活性粒子，但是由于处理区域与放电区域被适当分离，短寿命的电子、离子的浓度迅速衰减，所以长寿命的亚稳态原子、活性自由基等具有化学活性的离子的浓度较高]。同时，还将电子、离子等粒子对材料表面的有害影响尽可能的降低。

国内曾见有关远程等离子体进行材料表面改性的文献报道，如陈杰瑢等，但其采用的是电感耦合远程等离子体的方法，该方法明显存在以下缺点：由于电感耦合结构的限制，其处理腔体的体积不能做大，无法满足工业应用的需要。

发明内容

为了实现利用远程等离子体批量处理材料表面，克服现有常规等离子体改性技术存在的不足，本发明提供了一种即能够实现材料的表面改性又避免了对材料表面的刻蚀和降解的等离子体表面处理方法。

一种材料表面低温等离子体改性方法，所述方法为：采用负压、电容耦合等离子体放电，待处理物料放置于放电区之外，真空腔外壁接地，真空腔内设内电极，内电极接高频电源。内电极真空腔壁形状相同，彼此间间距在5mm---50mm之间。内电极平面上开孔，以利于气体分布和各种活性粒子的流通。

一种材料表面低温等离子体改性装置，所述装置包括抽气口、腔体外壁电极、内壁孔、腔体内壁电极、喂气口、处理材料以及等离子体发生电源。

为了上述目的，本发明采用以下技术方案：

与现有技术相比，本发明具有以下显著特点：

1、远程区域中活性粒子的能量适中，等离子体聚合反应温和、副反应少、可控性强；

2、放电区域与处理区域相分离，减轻了因离子轰击、紫外辐射及激发源(如微波)的电磁场对载体材料及沉积聚合物的损伤；

3、可以在敏感载体材料表面上进行等离子体聚合；

4、由于单体可以在等离子体的下游区域引入，避免了等离子体放电区域中高能态活性粒子对单体分子的直接作用，

5、沉积膜的结构容易控制，纯度较高；

6、降低了单体在容器壁或内电极表面上的聚合。

附图说明

图1为本发明的原理示意图

图中标号为：

1-抽气口 2-腔体外壁电极 3-内壁孔

4-腔体内壁电极 5-喂气口

6-处理材料 7-等离子体发生电源

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

一种材料表面低温等离子体改性方法，所述方法为：采用负压、电容耦合等离子体放电，待处理物料放置于放电区之外，真空腔壁接地，真空腔内设内电极，内电极接高频电源。内电极真空腔壁形状相同，彼此间间距在5mm---50mm之间。内电极平面上开孔，以利于气体分布和各种活性粒子的流通。

一种材料表面低温等离子体改性装置，所述装置包括抽气口1、腔体外壁电极2、内壁孔3、腔体内壁电极4、喂气口5、处理材料6以及等离子体发生电源7。

实施例1：远程低温等离子体处理PVC薄片

将PVC薄片(厚1mm，长15mm，宽20mm)放置于远区等离子体区域内(内电极内)。对真空腔抽真空到5帕，定量喂入氧气，维持真空腔的真空度在35帕。开启电源施加高频电场，在真空腔内形成等离子体，维持放电功率100W，处理时间5分钟后，停止抽真空，停止喂气。向真空腔内充入纯净空气，使真空腔内外压力相等，此时打开转鼓，取出已经处理好的物料，处理结束。

实施例2：远程低温等离子体处理PET薄片

将PET薄片(厚1mm，长15mm，宽20mm)放置于远区等离子体区域内(内电极内)。对真空腔抽真空到5帕，定量喂入氩气和氧气，氩气和氧气的流量比为20∶80，维持真空腔的真空度在30帕。开启电源施加高频电场，在真空腔内形成等离子体，维持放电功率100W，处理时间5分钟后，停止抽真空，停止喂气。向真空腔内充入纯净空气，使真空腔内外压力相等，此时打开转鼓，取出已经处理好的物料，处理结束。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims

1.一种材料表面低温等离子体改性方法，其特征在于：所述方法为：采用负压、电容耦合等离子体放电，待处理物料放置于放电区之外，真空腔壁接地，真空腔内电极接高频电源。

2.根据权利要求1所述的一种材料表面低温等离子体改性装置，其特征在于：所述装置包括抽气口、腔体外壁电极、内壁孔、腔体内壁电极、喂气口、处理材料以及等离子体发生电源。

3.据权利要求1所述的一种材料表面低温等离子体改性装置，其特征在于：内电极真空腔壁形状相同，彼此间间距在5mm---50mm之间。

4.根据权利要求1所述的一种材料表面低温等离子体改性装置，其特征在于：内电极平面上开孔，以利于气体分布和各种活性粒子的流通。