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O2、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-,NM(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
1、具有完全的“在线”集成能力(不干扰原有的工艺运行) 节能、低成本、环保
2、不会改变铝箔的机械特性
3、可实现选择性的、局部清洗
4、可对铝箔进行双面处理
5、处理工序可以集成在卷绕装置前
等离子处理技术,采用等离子表面处理机对包装盒表面薄膜、UV涂层或者塑料片材进行一定的物理化学改性,提高表面附着力,使它能和普通纸张一样容易粘结。
常压等离子处理是最有效的对表面进行清洗、活化和涂层的处理工艺之一,可以用于处理各种材料,包括塑料、金属或者玻璃等。
表面清洁、活化、涂层处理 等离子处理机对表面清洗,可以清除表面上的脱模剂和添加剂等,而其活化过程,则可以确保后续的粘接工艺和涂装工艺等的品质,对于涂层处理而言,则可以进一步改善复合物的表面特性。使用这种等离子技术,可以根据特定的工艺需求,高效地对材料进行表面预处理。
空军工程大学教授,博士生导师何立明近日表示,近几年经过科研人员的共同努力,我国等离子体技术的研究队伍和研究平台已初步建立,我国已经进入等离子体动力学研究的前沿领域。
何立明介绍说,等离子体在航空领域的应用主要体现在减阻增升,提高推进效能,材料表面改性等方面。我国首个等离子体动力学国家级实验室,于2011年5月12日在空军工程大学挂牌成立。该实验室的建立是推进我国将等离子体动力学在航空飞行器及动力领域的应用,实现理论和技术创新的重要举措,也为国内相关领域开展学术研究和交流活动提供了共享平台。
近年来,等离子体强化燃烧技术研究团队,在课题组组长何立明的带领下,开展了在燃烧室中产生等离子体的条件、机理、方法的理论分析、参数控制及实验测试方法的研究,等离子体助燃效果计算、等离子体点火与助燃过程的数值仿真和影响因素分析,建立了较为完善的等离子体点火与助燃实验系统,设计了原理性和基础性实验的等离子体点火器;联合研制了等离子体点火驱动电源,进行了等离子体点火器特性和助燃激励器的激励特性及点火与助燃特性实验,为等离子体强化燃烧技术在工程实际中的应用研究奠定了一定的技术基础。该课题研究团队自2007年起,在国家自然科学基金及其他相关项目的资助下,结合重点实验室建设,在国内率先开展了航空发动机燃烧室等离子体点火与助燃技术研究,探索等离子体点火与助燃的机理及在燃烧室中实现的技术途径,还开展了发动机尾喷口等离子体红外隐身技术、等离子体气动激励改善燃烧室气膜冷却效果的探索性研究,和等离子体点火起爆脉冲爆震发动机以及加力燃烧室等离子体点火探索性研究,为推动我国航空航天事业的发展作出了重要贡献。
何立明说,等离子体在航空动力上,可以有效地增强燃烧稳定性和提高燃烧效率,降低排气污染,且能极大改善航空发动机压气机增压比升高后的工作稳定性;而在飞机气动力上,等离子体可以减少飞机阻力,增加升力,提高战机的失速攻角和机动性,而且还具有隐身能力。美国、前苏联等军事强国上世纪60年代便开始了等离子体研究。何立明课题组以等离子体动力学、燃烧学和飞机推进系统原理为理论基础,围绕提高航空发动机动力装置燃烧室的点火可靠性,扩大稳定燃烧范围,开展等离子体强化燃烧技术研究,极大地推动了国家重点学科“航空宇航推进理论与工程”的建设和发展。2005年,以课题组成果为重要支撑的“建设特色鲜明学科专业培养新型军事航空工程人才”教学成果荣获国家教学成果二等奖。同时也提升了《飞机推进系统原理》课程建设的水平。
“目前看来,我国与发达国家之间确实存在不小差距,但要想成为后起之秀也不是不可能,这需要有上至国家,下至科研院所、高校的支持和共同努力。我国未来应大力发展航空等离子体动力学与技术研究,从而为航空装备研制和维修提供重要的技术支撑。”何立明说,“我们相信,随着我国在等离子体动力学研究上的不断深入,中国在研制大推重比先进航空发动机的技术积累方面,将会更为深厚,从而也会为先进战机、航天飞行器等装备的发展奠定坚实基础。”
1.技术内容及技术关键
等离子体化学气相沉积技术原理是利用低温等离子体(非平衡等离子体)作能量源,工件置于低气压下辉光放电的阴极上,利用辉光放电(或另加发热体)使工件升温到预定的温度,然后通入适量的反应气体,气体经一系列化学反应和等离子体反应,在工件表面形成固态薄膜。它包括了化学气相沉积的一般技术,又有辉光放电的强化作用。
由于粒子间的碰撞,产生剧烈的气体电离,使反应气体受到活化。同时发生阴极溅射效应,为沉积薄膜提供了清洁的活性高的表面。因而整个沉积过程与仅有热激活的过程有显著不同。这两方面的作用,在提高涂层结合力,降低沉积温度,加快反应速度诸方面都创造了有利条件。
等离子体化学气相沉积技术按等离子体能量源方式划分,有直流辉光放电、射频放电和微波等离子体放电等。随着频率的增加,等离子体强化CVD过程的作用越明显,形成化合物的温度越低。
PCVD的工艺装置由沉积室、反应物输送系统、放电电源、真空系统及检测系统组成。气源需用气体净化器除去水分和其它杂质,经调节装置得到所需要的流量,再与源物质同时被送入沉积室,在一定温度和等离子体激活等条件下,得到所需的产物,并沉积在工件或基片表面。所以,PCVD工艺既包括等离子体物理过程,又包括等离子体化学反应过程。
PCVD工艺参数包括微观参数和宏观参数。微观参数如电子能量、等离子体密度及分布函数、反应气体的离解度等。宏观参数对于真空系统有,气体种类、配比、流量、压强、抽速等;对于基体来说有,沉积温度、相对位置、导电状态等;对于等离子体有,放电种类、频率、电极结构、输入功率、电流密度、离子温度等。以上这些参数都是相互联系、相互影响的。
1.直流等离子体化学气相沉积(DC-PCVD)
DC-PCVD是利用高压直流负偏压(-1~-5kV),使低压反应气体发生辉光放电产生等离子体,等离子体在电场作用下轰击工件,并在工件表面沉积成膜。
直流等离子体比较简单,工件处于阴极电位,受其形状、大小的影响,使电场分布不均匀,在阴极附近压降最大,电场强度最高,正因为有这一特点,所以化学反应也集中在阴极工件表面,加强了沉积效率,避免了反应物质在器壁上的消耗。缺点是不导电的基体或薄膜不能应用。因为阴极上电荷的积累会排斥进一步的沉积,并会造成积累放电,破坏正常的反应。DC-PCVD装置如图1。
该设备由于工件仅靠离子和高能粒子轰击提供能量,在进行产品的批量生产时就不可避免的暴露出一些缺点:
1)各工艺参数在沉积时相互影响、互相制约、无法独立控制,使工艺调整和控制困难。
2)不同工件在离子轰击加热过程中,由于其表面积不同,则产生一定的温差,同时,沉积室内壁是阳极,温度低,使其附近的工件与中心部分的工件也有一定的温差。
3)当装炉量大,工件体积大或沉积温度要求较高,需要离子能量较大时,直流辉光放电的工作区域在异常辉光放电的较强段,很容易过渡到弧光放电,引起电源打弧、跳闸、工艺过程不能正常进行。
为了解决以上问题,有的学者采用双阴极辉光放电装置,增加一个阴极作为辅助阴极,虽然有一定效果,但还不够完善。
目前,国内外研究者更多的是采用辅助加外热方式沉积技术来解决以上问题,改变了单纯依靠离子轰击加热而带来的弊端,将反应时等离子体放电强度与放电工件温度分离,从而提高了工艺的稳定性和重复性
等离子体清洗还具有以下几个特点:容易采用数控技术,自动化程度高;具有高精度的控制装置,时间控制的精度很高;正确的等离子体清洗不会在表面产生损伤层,表面质量得到保证;由于是在真空中进行,不污染环境,保证清洗表面不被二次污染。