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等离子体射流源处理材料表面研究(3)
2006年8月8日 9:13  
3.2 纤维面吸湿改性效果分析

对于编号01仅以氩气作为工作气体时,用等离子体进行处理后可观察到表面明显的吸湿性改变,为处理时水滴在晴纶表面成圆球形,接触角很大,表现出不亲水性,而经过处理后水滴可以完全浸润晴纶表面。过一段时间后在对处理过的晴纶材料再进行测试,发现退化效应很明显,材料的表面体现出不亲水性。


图3-5 氩气放电处理效果

(2) 对于编号02、03及04,以氩气和氧气作为工作气体时,当氧气体积浓度为0.1%则放电时间对于处理效果无明显影响,都能使材料呈现亲水性,且将处理后的晴纶材料静置一段时间后,至完成论文前再进行测试,并没发现退化效应,处理效果仍存在,材料表面体现出亲水性。


(a) 处理前 (b) 处理后
图3-6 以氩气和0.1%的氧气放电处理效果

(3) 对于编号05,以氩气和氧气作为工作气体,氧气体积浓度为0.2%,放电时间为2分钟,等离子体对材料表面能产生影响,呈现对水的亲润性,经过一段时间后在对处理过的晴纶材料再进行测试,发现有退化效应,材料的表面的亲水性减弱,接触角有明显增大。


图3-7 以氩气和0.2%的氧气放电2分钟处理效果

(4) 对于编号06,以氩气和氧气作为工作气体,氧气体积浓度为0.2%,放电时间为5分钟,等离子体对材料表面能产生影响,呈现对水的亲润性,且将处理后的晴纶材料静置一段时间后,至完成论文前再进行测试,并没发现退化效应,处理效果仍存在,材料表面体现出亲水性。


图3-8以氩气和0.2%的氧气放电5分钟处理效果

且将处理后的晴纶材料静置一段时间后,至完成论文前再进行测试,并没发现退化效应,处理效果仍存在,材料表面体现出亲水性。

四、 结论

以氩气作为工作气体我们可以得到稳定的放电的射频等离子体源,放电装置中的等离子体呈均匀的乳白色,加大气体流速可将等离子体吹出石英管约1cm左右。以氩气为工作气体放电对材料进行处理时,等离子体对材料主要是刻蚀作用,材料经等离子体处理后表面产生了大量的自由基,从处理区域取出后与空气中的氧气等物质反应,产生含氧亲水基团。所以聚丙烯表面的亲水性有很大改变。但是空气中的氧以分子形式存在,材料表面的自由基于其作用不够稳定容易产生退化,在静置一段时间后表面的亲水基团消失,聚丙烯仍呈现出对水的不浸润性。

当气体混合物中含有氧气这种反应气体时,产生氧等离子体,由于O的化学活性,直接与有机大分子链结合,产生大量含氧的亲水基团,让聚丙烯对水浸润。然而在氧等离子体中,反应气体氧的比例会对处理后亲水性的退化有很大影响。当氧气含量为0.1%时,聚丙烯处理过后基本不产生退化效应,然而当氧气含量为0.2%时,聚丙烯处理过后很快会产生退化效应,且放电时间也有影响,时间长者处理效果退化效应不明显。因此可以得出虽然由于氧的化学活性反应引进了大量的含氧极性基团——羟基、羧基等,对材料表面有刻蚀作用,使得纤维材料表面的吸水性有明显的提高,但并不是反应气体含量越高越好,对于不同材料的刻蚀条件是不同的。由于氧气对放电过程是起到抑制的作用,氧气含量越高放电效果越弱,所以当氧气含量为0.2%时处理有效果但退化非常明显,此时增加放电时间将有助于减小退化效应的影响。就本实验的结果,可以看出要使得聚丙烯亲水性得到改善,并退化效应最小,我们应使用11slpm氩流、0.1%的氧气。

五、 目前等离子体处理材料表面的展望及仍存在的问题

非平衡等离子体中的电子成分和离子成分虽然都分别地达到能量的麦氏分,但整个系统处于非热平衡状态即电子的温度比较高,粒子的温度很低(相当于工作气体的温度),将这种等离子体应用于材料表面改性,优点很多。等离子体的高能电子与中性原子碰撞能斩断化学键、激发和激活工作气体。传统表面改性所需的化学反应离不开高温,但非平衡等离子体的化学反应在接近室温的条件下就可以进行,这对于节约能源和简化装置,尤其是保护基体性质不变起着重要作用[2],同时,等离子体的离子可被鞘层电场加速到几百以至几千电子伏的能量,这种高能粒子轰击基体表面进行刻蚀,从而极大的改变了表面的性能。

但在低温等离子体技术的研究及开发应用中,需要完成对低温等离子体产生机理、加工工艺过程、工艺结果评价、工艺控制技术和装置及工艺优化的研究,由于低温等离子体是一个有多种粒子组成的复杂系统,其内部及等离子体与固体表面存在多种物理、化学过程,而且易于受各种外场与自生场(电场、磁场、电磁场、光场)的影响,与加工工艺有关的因素多、参数范围大、过程复杂,因而大多数过程的机理图像还不够清晰、完整,难以确定用以在线反馈控制的内部参量,还不能解决一些非线性变化及不稳定性造成的重复性差的问题[3]。在反映初始条件与最后工艺结果的因果分析中,工艺结果的评价需要采用先进、可靠的再现检测及分析技术,这在一定程度上增加了研究经费的投入和技术难度。在装置和工艺的优化中,虽然以流体力学、动力学方法为基础的数值分析可以描述等离子体产生、输运过程,但目前多数数值分析模型不够完善,不能藉此进行计算机辅助设计(CAD),装置设计和工艺优化中的大部分工作仍然以实验探索为主,因而装置的开发周期长,耗资大[4]。在应用中,低温等离子体技术还存在工艺局限或技术极限,如在特征寸小于0.1μm深亚微米集成电路制造工艺中,荷电粒子不仅在刻蚀过程和薄膜沉积中带来表面损伤,而且限制了刻蚀宽度[5]。高分子材料经过等粒子表面改性后,易发生退化效应。

参 考 文 献
1梁素珍等.低温等离子体对有机物表面改性的实验研究.真空科学与技术15,(3) 212-214
2 马腾才.低温等离子体物理进展.力学进展.1990,20,(8);373-379
3 Tepermeister,T.et al.J.Vac.Sci. Tech.,1994;B12;2310
4 任兆杏,丁振峰.低温等离子体技术.自然杂志.Vol.18,No.4,1996
5 Murakawa,S,Mcvitte.J.P,Jpn.J.Appl.Phys.1994,33;2184
 
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