等離子清洗機(jī)的基本結(jié)構(gòu)大致相同,一般由真空室、真空泵、高頻電源、電極、氣體導(dǎo)入系統(tǒng)、工件傳送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成。可以通過(guò)選用不同種類的氣體和調(diào)整裝置的特征參數(shù)等方法滿足不同的清洗用途和要求,使工藝流程實(shí)現(xiàn)最佳化。

等離子體清洗方式主要分為物理清洗和化學(xué)清洗。物理清洗的原理是,由射頻電源電離氣體產(chǎn)生等離子體具有很高的能量等離子體通過(guò)物理作用轟擊金屬表面,使金屬表面的污染物從金屬表面脫落。化學(xué)清洗的原理是,活性粒子與材料表面的有機(jī)物分子結(jié)合在一起形成新的不穩(wěn)定基團(tuán),最終分解成具有揮發(fā)性的氣體和水離開材料表面。

等離子清洗機(jī)改性原理

表1-2給出了幾種典型的聚合物化學(xué)鍵解離能。由表1-3中等離子清洗機(jī)放電產(chǎn)生的粒子能量可知.輝光放電中電子轟擊能量不高于20eV,高于聚合物中常見(jiàn)的化學(xué)鍵能,因此等離子體具有足夠的能量引起聚合物表面各種化學(xué)鍵的斷裂或重組,實(shí)現(xiàn)改性。

等離子體中粒子與材料表面相互作用的示意圖如圖1.3所示。等離子體與材料相互接觸,一方面將自身能量傳給材料表面分子,一方面對(duì)材料表面進(jìn)行刻蝕,表面吸附的氣體或其他物質(zhì)的分子會(huì)發(fā)生解吸附;一部分粒子可能發(fā)生自濺射,特別是一些電子、亞穩(wěn)態(tài)粒子會(huì)貫穿到材料內(nèi)部;材料表面分子受到撞擊后,電子層在激發(fā)的作用下發(fā)生躍遷,淺表層的電子因?yàn)R射和輻射作用也可能逃逸到材料表面以上的空間。

圖1.4 等離子體中粒子與材料表面相互作用示意圖

等離子清洗機(jī)改性是利用等離子體轟擊材料表面,其中高速運(yùn)動(dòng)的電子與放電腔中的氣體分子、原子發(fā)生碰撞,這些分子和原子能量增大,會(huì)激發(fā)產(chǎn)生新的離子、電子、亞穩(wěn)態(tài)粒子或生成自由基,產(chǎn)生各種不同活性粒子,如果活性粒子的能量大于材料表面分子的鍵能,就能將材料表面分子間的化學(xué)鍵打開,生成自由基,分子鍵甚至發(fā)生斷裂和分解。

在對(duì)聚合物材料利用等離子體表面改性時(shí),當(dāng)利用非反應(yīng)氣體(如氬氣、氫氣等)放電對(duì)材料表面改性時(shí),理論上氣體不參與表面反應(yīng),只是把能量傳給表面分子,活化生成鏈自由基,然后相互反應(yīng)生成表面交聯(lián)層。若是反應(yīng)型氣體(如氮?dú)狻⒀鯕獾?放電等離子體對(duì)材料表面改性時(shí),則氧氣可以在高分子材料表面引入大量的含氧官能團(tuán),如羧基、羥基、羰基等，使得表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而達(dá)到改性目的。此外,在等離子體表面改性過(guò)程中,由于離子碰撞材料表面的刻蝕作用,在材料表面會(huì)形成凹凸?fàn)畹耐蛊稹R射產(chǎn)生的物質(zhì)受到等離子體的激勵(lì),在表面上逆向擴(kuò)散,形成大量突出物,材料表面形貌發(fā)生改變。

一般認(rèn)為,在經(jīng)過(guò)等離子清洗機(jī)改性后,材料表面主要表現(xiàn)4種物理化學(xué)變化:

(1)生成自由基:活性粒子撞擊材料表面,表面分子化學(xué)鍵打開,產(chǎn)生大分子的自由基團(tuán),使材料表面具有活性;

(2)表面刻蝕:等離子體中高能粒子不斷轟擊材料表面,一是大量的電子離子等活性粒子撞擊材料表面引起了濺射侵蝕二是等離子體中的活性種粒子對(duì)材料表面的化學(xué)侵蝕,從而使材料表面變得粗糙:

(3)引入極性基團(tuán):表面的自由基與等離子體放電區(qū)域的氧、氮等活性粒子結(jié)合從而引入了一些極性基團(tuán).具有較強(qiáng)的反應(yīng)活性:

(4)表面交聯(lián):表面的部分自由基相互發(fā)生反應(yīng),在材料表面生成一種致密的交聯(lián)層,使表面層得以強(qiáng)化。

在等離子體與材料的作用中,各種粒子的密度、能量都是關(guān)鍵的參數(shù)。一旦等離子體本身的特性發(fā)生變化,化學(xué)平衡狀態(tài)被改變,則其中的電子、離子、活性基團(tuán)等各種粒子密度、能量等均隨之而改變,直接影響到等離子體與材料表面的相互作用,造成被處理材料性能和表面特征上的差異。

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