摘 要：利用介質(zhì)阻擋放電設(shè)計并制作等離子體射流源，通入氣體放電產(chǎn)生均勻等離子體，調(diào)整氣體流速與流量將等離子體吹出放電裝置外，裝置外等離子體處于通常的大氣壓下，即可得到大氣壓下的低溫等離子體，將有機(jī)物材料置于放電裝置噴嘴口附近，通過等離子體中的高能粒子改變材料表面化學(xué)鍵，等離子體氧化反應(yīng)引進(jìn)了大量的含氧極性基團(tuán)——羥基、羧基等，使得纖維材料表面的吸水性有明顯的提高。并指出低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用的前景和目前存在的問題。
2.2 實驗過程
將氬氣和其他反應(yīng)氣體混合物饋入兩個套管之間的環(huán)形空間，使用石英作為介質(zhì)絕緣層產(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電，宏觀上在兩個電極之間產(chǎn)生柔和的輝光且均勻無明顯起弧。將氣體以流速11slpm饋入兩個套管之間的環(huán)形空間，等離子體由噴嘴噴出裝置，在裝置外，氣體處于通常的大氣壓下。高分子材料聚丙烯（晴綸）置于放電裝置噴嘴附近，用前得到的大氣壓下的低溫等離子體對其進(jìn)行處理，采用不同的實驗條件分別處理，觀察其親水性的處理效果。聚丙烯材料的親水性即接觸角的大小與放電等離子體所用的氣體種類、處理時間、氣體壓力、樣品溫度、放電功率、氣體流速等多種因素有關(guān)［1］。在本文中控制其他因素，僅改變氣體種類、氣體含量比例以及放電時間三個變量，觀察處理效果。具體實驗條件見下表。
表2-1 實驗條件
三、結(jié)果與分析
以氬氣作為工作氣體，得到穩(wěn)定的放電，放電裝置中的等離子體呈均勻的乳白色，加大氣體流速可將等離子體吹出石英管約1cm左右,如圖3-1所示。
3.1 射頻等離子體放電光譜分析
僅以氬氣作為工作氣體，等離子體的光譜如圖3-2，
在電壓4000V的條件下對氬氣和0.1%的氧氣放電進(jìn)行光譜掃描，如下圖3-3（a）在相同條件下對氬氣和0.2%的氧氣放電進(jìn)行光譜掃描，如下圖3-3(b)
(a) (b)
圖3-3 不同流量的氧氣與氬氣混合氣體放電發(fā)射光譜圖
由圖中可以看出大部分譜線相同，圖3-3（b）中Ar的譜線強(qiáng)度較高，且O(777)的譜線強(qiáng)度較高。
在電壓5360V的條件下對氬氣和0.1%的氧氣放電進(jìn)行光譜掃描，如圖3-4（a），在相同條件下對氬氣和0.2%的氧氣放電進(jìn)行光譜掃描，如圖3-4（b）
(a) 氬氣和0.1%的氧氣放電 (b)氬氣和0.2%的氧氣放電
圖3-4 不同流量的氧氣與氬氣混合氣體放電發(fā)射光譜圖
由圖中可以看出大部分譜線相同，圖3-4（b）中Ar的譜線強(qiáng)度較高，且O(777)的譜線強(qiáng)度較高。比較圖3-3和圖3-4，我們可以得出當(dāng)提高放電強(qiáng)度，所有譜線強(qiáng)度均增強(qiáng)。
3.2 纖維表面吸濕改性效果分析
對于編號01僅以氬氣作為工作氣體時，用等離子體進(jìn)行處理后可觀察到表面明顯的吸濕性改變，為處理時水滴在晴綸表面成圓球形，接觸角很大，表現(xiàn)出不親水性，而經(jīng)過處理后水滴可以完全浸潤晴綸表面。過一段時間后在對處理過的晴綸材料再進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)退化效應(yīng)很明顯，材料的表面體現(xiàn)出不親水性。
（2） 對于編號02、03及04，以氬氣和氧氣作為工作氣體時，當(dāng)氧氣體積濃度為0.1%則放電時間對于處理效果無明顯影響，都能使材料呈現(xiàn)親水性，且將處理后的晴綸材料靜置一段時間后，至完成論文前再進(jìn)行測試，并沒發(fā)現(xiàn)退化效應(yīng)，處理效果仍存在，材料表面體現(xiàn)出親水性。
(a) 處理前 (b) 處理后
圖3-6 以氬氣和0.1%的氧氣放電處理效果
（3） 對于編號05,以氬氣和氧氣作為工作氣體，氧氣體積濃度為0.2%，放電時間為2分鐘，等離子體對材料表面能產(chǎn)生影響，呈現(xiàn)對水的親潤性，經(jīng)過一段時間后在對處理過的晴綸材料再進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)有退化效應(yīng)，材料的表面的親水性減弱，接觸角有明顯增大。
（4） 對于編號06,以氬氣和氧氣作為工作氣體，氧氣體積濃度為0.2%，放電時間為5分鐘，等離子體對材料表面能產(chǎn)生影響，呈現(xiàn)對水的親潤性，且將處理后的晴綸材料靜置一段時間后，至完成論文前再進(jìn)行測試，并沒發(fā)現(xiàn)退化效應(yīng)，處理效果仍存在，材料表面體現(xiàn)出親水性。
且將處理后的晴綸材料靜置一段時間后，至完成論文前再進(jìn)行測試，并沒發(fā)現(xiàn)退化效應(yīng)，處理效果仍存在，材料表面體現(xiàn)出親水性。
四、 結(jié)論
以氬氣作為工作氣體我們可以得到穩(wěn)定的放電的射頻等離子體源，放電裝置中的等離子體呈均勻的乳白色，加大氣體流速可將等離子體吹出石英管約1cm左右。以氬氣為工作氣體放電對材料進(jìn)行處理時，等離子體對材料主要是刻蝕作用，材料經(jīng)等離子體處理后表面產(chǎn)生了大量的自由基，從處理區(qū)域取出后與空氣中的氧氣等物質(zhì)反應(yīng)，產(chǎn)生含氧親水基團(tuán)。所以聚丙烯表面的親水性有很大改變。但是空氣中的氧以分子形式存在，材料表面的自由基于其作用不夠穩(wěn)定容易產(chǎn)生退化，在靜置一段時間后表面的親水基團(tuán)消失，聚丙烯仍呈現(xiàn)出對水的不浸潤性。
當(dāng)氣體混合物中含有氧氣這種反應(yīng)氣體時，產(chǎn)生氧等離子體，由于O的化學(xué)活性，直接與有機(jī)大分子鏈結(jié)合，產(chǎn)生大量含氧的親水基團(tuán)，讓聚丙烯對水浸潤。然而在氧等離子體中，反應(yīng)氣體氧的比例會對處理后親水性的退化有很大影響。當(dāng)氧氣含量為0.1%時，聚丙烯處理過后基本不產(chǎn)生退化效應(yīng)，然而當(dāng)氧氣含量為0.2%時，聚丙烯處理過后很快會產(chǎn)生退化效應(yīng)，且放電時間也有影響，時間長者處理效果退化效應(yīng)不明顯。因此可以得出雖然由于氧的化學(xué)活性反應(yīng)引進(jìn)了大量的含氧極性基團(tuán)——羥基、羧基等，對材料表面有刻蝕作用，使得纖維材料表面的吸水性有明顯的提高，但并不是反應(yīng)氣體含量越高越好，對于不同材料的刻蝕條件是不同的。由于氧氣對放電過程是起到抑制的作用，氧氣含量越高放電效果越弱，所以當(dāng)氧氣含量為0.2%時處理有效果但退化非常明顯，此時增加放電時間將有助于減小退化效應(yīng)的影響。就本實驗的結(jié)果，可以看出要使得聚丙烯親水性得到改善，并退化效應(yīng)最小，我們應(yīng)使用11slpm氬流、0.1%的氧氣。
五、 目前等離子體處理材料表面的展望及仍存在的問題
非平衡等離子體中的電子成分和離子成分雖然都分別地達(dá)到能量的麥?zhǔn)戏植迹麄€系統(tǒng)處于非熱平衡狀態(tài)即電子的溫度比較高，粒子的溫度很低（相當(dāng)于工作氣體的溫度），將這種等離子體應(yīng)用于材料表面改性，優(yōu)點很多。等離子體的高能電子與中性原子碰撞能斬斷化學(xué)鍵、激發(fā)和激活工作氣體。傳統(tǒng)表面改性所需的化學(xué)反應(yīng)離不開高溫，但非平衡等離子體的化學(xué)反應(yīng)在接近室溫的條件下就可以進(jìn)行，這對于節(jié)約能源和簡化裝置，尤其是保護(hù)基體性質(zhì)不變起著重要作用［2］，同時，等離子體的離子可被鞘層電場加速到幾百以至幾千電子伏的能量，這種高能粒子轟擊基體表面進(jìn)行刻蝕，從而極大的改變了表面的性能。
但在低溫等離子體技術(shù)的研究及開發(fā)應(yīng)用中，需要完成對低溫等離子體產(chǎn)生機(jī)理、加工工藝過程、工藝結(jié)果評價、工藝控制技術(shù)和裝置及工藝優(yōu)化的研究，由于低溫等離子體是一個有多種粒子組成的復(fù)雜系統(tǒng)，其內(nèi)部及等離子體與固體表面存在多種物理、化學(xué)過程，而且易于受各種外場與自生場（電場、磁場、電磁場、光場）的影響，與加工工藝有關(guān)的因素多、參數(shù)范圍大、過程復(fù)雜，因而大多數(shù)過程的機(jī)理圖像還不夠清晰、完整，難以確定用以在線反饋控制的內(nèi)部參量，還不能解決一些非線性變化及不穩(wěn)定性造成的重復(fù)性差的問題［3］。在反映初始條件與最后工藝結(jié)果的因果分析中，工藝結(jié)果的評價需要采用先進(jìn)、可靠的再現(xiàn)檢測及分析技術(shù)，這在一定程度上增加了研究經(jīng)費(fèi)的投入和技術(shù)難度。在裝置和工藝的優(yōu)化中，雖然以流體力學(xué)、動力學(xué)方法為基礎(chǔ)的數(shù)值分析可以描述等離子體產(chǎn)生、輸運(yùn)過程，但目前多數(shù)數(shù)值分析模型不夠完善，不能藉此進(jìn)行計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD），裝置設(shè)計和工藝優(yōu)化中的大部分工作仍然以實驗探索為主，因而裝置的開發(fā)周期長，耗資大［4］。在應(yīng)用中，低溫等離子體技術(shù)還存在工藝局限或技術(shù)極限，如在特征尺寸小于0.1μm深亞微米集成電路制造工藝中，荷電粒子不僅在刻蝕過程和薄膜沉積中帶來表面損傷，而且限制了刻蝕寬度［5］。高分子材料經(jīng)過等粒子表面改性后，易發(fā)生退化效應(yīng)。
