等离子体概述

早在20世纪20年代,有人就提出了等离子体的基本概念。从20世纪60年代至今,等离子体逐渐发展成为一门涉及化学、物理、电子、材料、反应控制、计算机和表面学等学科的交叉学科,在金属材料上的应用已相当广泛;但在橡胶方面的应用远不及金属材料。随着科学技术和现代工业的发展，对橡胶表面进行改性，有效地引入等离子技术，可以提高金属和橡胶之间的粘合力，扩大工艺适用范围，增加产品品种，提高产品质量，节省原材料和能源，降低操作者劳动生产率，和减轻以致免除环境污染等方面产生了良好效果。

一般来说，传统的处理方法是采用酸洗处理来提高橡胶的表面极性，从而提高粘接强度。但是这种工艺方法存在着很大的缺陷，如大量使用强酸会造成环境污染(空气污染及废酸的处理等)，影响生产工人的健康;处理橡胶的程度(深度、均匀性、时间等)在大批量生产时不易拿捏，等等。因此，有必要研究用一种新的工艺方法来对橡胶表面进行改性处理。等离子体表面技术在提高橡胶与金属材料的粘结方面发挥了重要作用。在多种可供选择的表面改性处理技术中，等离子体技术，特别是低温等离子体技术是一种较为理想的新技术。这种技术具有常温工作、状态稳定、处理均匀、无污染等优点，特别是能够提供高电离度、高活性的等离子体，已被广泛地用于处理各种材料的表面，在电子、机械、塑料、橡胶等工业和生物医学工程方面有重要的应用。

目前，用于表面改性处理的等离子体系统主要使用三个频段:小于100KHz的低频、13.56MHz的射频和2.45GHz的微波，其中射频和微波最为常用。现在，等离子体在工艺上已比较容易控制，对环境污染小，因此有可能作为橡胶表面改性处理的新一代方法。虽然应用低温等离子体对聚合物表面进行改性处理的文献报道不少，但利用微波低温等离子体对非极性橡胶材料表面进行改性处理以增加粘合力的工作在国内外却还未见报道。本实验对等离子体技术在改善非极性橡胶表面性能方面的应用做了探索性研究。

等离子体物理概念

等离子体是电离到一定程度的气体 ，即电离度超过0.1%的气体，是由离子、电子和中性离子(原子和分子)所组成的集合体。等离子体整体呈中性，但有相当数量的电子和离子，表现相应的电磁学等性能，如等离子中有带电粒子的热运动和扩散，也有电场作用下的迁移。等离子体是一种物质能量较高的聚集状态，它的能量范围比气态、液态、固态物质都高，所以被称为物质的第四态。

按等离子的温度，可分为热等离子体和冷等离子体。热等离子体的高温和高焓特性和收缩效应所产生的能量集中的特点，将其用作热喷涂时传递热量的工作介质，形成了等离子喷涂工艺。从一般的中性气体转化为等离子体，需要经过升高温度、双原子分子分解和原子电离等大量吸收能量的过程。热等离子体中的重离子(离子和中性原子)的温度与电子的温度相同，又称为热平衡等离子体。热等离子体又可分为高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体温度可达一亿到十亿K，低温者也在2000～20000K。在冷等离子体中，重离子的温度远低于电子的温度，前者接近常温，而后者却高达1000～10000K。冷等离子体因此也称为非热平衡等离子体。等离子体物理学研究促进了低温等离子体技术的迅猛发展,使其在天然高分子材料和合成高分子材料及其它应用领域有广泛的应用,在非极性橡胶制品的表面改性中,引入了多种含氧基团,使表面由非极性转化为有一定极性和亲水性,从而有利于粘结和涂覆。

等离子体的形成是气体在相对的高温下热电离的结果。热等离子体是气体在大气压下电弧放电产生的;冷等离子体可在低压气体辉光放电时形成。等离子体在形成过程中吸收大量能量，因此等离子体又是物质的一种能量较高的聚集状态。许多气体都可以用于产生等离子体,但在聚合物的表面等离子体处理中,一般选用的气体或气体混合物包括:O2、Ar、CF4和空气。产生等高子体的方法包括火焰、放电、激光、电子束和核聚变等。用辉光放电法产生的低温等离子体，又叫做非平衡等离子体。其体系中电子温度(Ts)大大高于本体气体温度(Tg)，一般Ts/Tg为10/100。电子能量约为1～10 eV，恰好同一般化学键键能相近，适合于化学反应，由此产生了低温等离子体化学这门新兴的边缘学科。

辉光放电在减压反应器中进行，在直流、低频交流、射频，或者微波电场或磁场的作用下产生。反应装置有内极式、外极式和无极感应式等3种。低温等离子体化学反应的优点在于：在常规下不能进行或难以进行的反应，在等离子体状态下能够顺利进行，如全氟苯的聚合、氮化硅的淀积等。等离子体表面轰击力强，穿透力弱，适合于表面改性。等离子体表面改性时，主要是利用各种能量粒子与固体表面作用，达到改变表面化学结构的目的。它包括3方面内容： 在A r、He、N2、O2和NH3等气体的辉光放电中对聚合物表面进行等离子体处理;进行等离子体接枝;在聚合物表面淀积超薄等离子体聚合膜。与常规化学改性方法相比，等离子法具有干法、不破坏材质、低温、快速、污染小和效率高等优点。

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