低溫等離子體表面改性發(fā)展于20世紀(jì)60年代,現(xiàn)今已得到廣泛的研究和應(yīng)用。低溫等離子體材料表面改性可使材料表面產(chǎn)生一系列物理、化學(xué)變化,從而提高材料的表面性能,而材料的基體性能幾乎不受影響。相對于其他方法,低溫等離子體技術(shù)還具有工藝簡單、操作方便、加工速度快、處理效果好、環(huán)境污染小、節(jié)能的優(yōu)點,并可以得到傳統(tǒng)化學(xué)方法難以達到的處理效果。近年來的相關(guān)研究表明,利用低溫等離子體技術(shù)對無機粉體進行處理可在無機粉體表面引入活性基團或聚合一層有機膜,提高粉體與聚合物基體的相容性,從而改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。
等離子體處理無機粉體的原理
低溫等離子體是一種非熱平衡等離子體,其粒子能量的參數(shù)范圍如下:電子(0～20eV),亞穩(wěn)態(tài)粒子(0～20eV),離子(0～2eV),光子(3～40eV)。材料的表面改性需要通過斷開或激活材料表面的化學(xué)鍵并形成新的化學(xué)鍵才能實現(xiàn),這就首先需要低溫等離子體中的各類粒子能夠具有足夠的能量以斷開材料表面的化學(xué)鍵。表1為各類材料中一些代表性化學(xué)鍵的鍵能,將兩者對比可以看出,除離子外,低溫等離子體中大多數(shù)粒子的能量均高于這些化學(xué)鍵的鍵能,這表明:利用低溫等離子體完全可以破壞材料表面的化學(xué)鍵而形成新鍵,從而賦予材料表面新的特性。
表 1 一些代表性化學(xué)鍵的鍵能
由于等離子體的能量特點,等離子體處理后粉體的表面形態(tài)以及表面結(jié)構(gòu)都發(fā)生了明顯的變化。對粉體表面形態(tài)及結(jié)構(gòu)的影響與等離子體處理所用的氣體(聚合性氣體、非聚合性氣體)的特性有關(guān)。用非聚合性氣體的等離子體對粉體表面處理時,主要是利用等離子體中高能粒子轟擊,使材料表面產(chǎn)生大量自由基,這些自由基與空氣中含氧和含氮成分作用,從而改變材料表面化學(xué)結(jié)構(gòu);而用聚合性氣體的等離子體對粉體表面處理時,則在其表面形成聚合物膜并與粉體形成牢固的化學(xué)鍵。
等離子體改性無機粉體的應(yīng)用
等離子體改性對粉體潤濕性的影響
無機粉體表面通常含有親水性較強的羥基,呈現(xiàn)較強的堿性。其親水疏油的性質(zhì)使粉體與有機基體的親和性差。為了改善二者之間的相容性,可對粉體進行表面改性。粉體經(jīng)等離子體處理后,其表面將生成一層有機包覆層,導(dǎo)致表面潤濕性發(fā)生變化。
等離子體改性對粉體分散性的影響
在制備復(fù)合材料時,常將無機粉體作為填料加入到有機高聚物中,由于粉體粒徑小、表面能高,容易形成團聚體,造成在高聚物內(nèi)部分散不均勻,從而易在兩材料間界面處產(chǎn)生缺陷,導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。為此,可采用低溫等離子體對無機粉體進行表面改性,通過反應(yīng)在其表面形成聚合物層,這樣可以降低粉體的表面能,從而減小團聚生成的傾向。同時聚合物層還可以增加粉體與有機高聚物的相容性,從而改善了粉體在其中的分散性能。
低溫等離子體聚合是對無機粉體表面進行改性的一種行之有效的方法,它可以在無機粉體表面生成納米級聚合物膜,由此降低粉體的表面能,改善其在有機載體中的分散性,有助于提高粉體與聚合物基體的結(jié)合強度,從而改善其復(fù)合材料的力學(xué)性能。24797