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等離子清洗機的基本結構大致相同,一般由真空室、真空泵、高頻電源、電極、氣體導入系統、工件傳送系統和控制系統等部分組成。可以通過選用不同種類的氣體和調整裝置的特征參數等方法滿足不同的清洗用途和要求,使工藝流程實現最佳化。

等離子體清洗方式主要分為物理清洗和化學清洗。物理清洗的原理是,由射頻電源電離氣體產生等離子體,具有很高的能量等離子體通過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。化學清洗的原理是,活性粒子與材料表面的有機物分子結合在一起形成新的不穩定基團,最終分解成具有揮發性的氣體和水離開材料表面。

等離子清洗機改性原理

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

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,一方面對材料表面進行刻蝕,表面吸附的氣體或其他物質的分子會發生解吸附;一部分粒子可能發生自濺射,特別是一些電子、亞穩態粒子會貫穿到材料內部;材料表面分子受到撞擊后,電子層在激發的作用下發生躍遷,淺表層的電子因濺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

等離子清洗機改性是利用等離子體轟擊材料表面,其中高速運動的電子與放電腔中的氣體分子、原子發生碰撞,這些分子和原子能量增大,會激發產生新的離子、電子、亞穩態粒子或生成自由基,產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鍵打開,生成自由基,分子鍵甚至發生斷裂和分解。

在對聚合物材料利用等離子體表面改性時,當利用非反應氣體(如氬氣、氫氣等)放電對材料表面改性時,理論上氣體不參與表面反應,只是把能量傳給表面分子,活化生成鏈自由基,然后相互反應生成表面交聯層。若是反應型氣體(如氮氣、氧氣等)放電等離子體對材料表面改性時,則氧氣可以在高分子材料表面引入大量的含氧官能團,如羧基、羥基、羰基等,使得表面發生化學反應,從而達到改性目的。此外,在等離子體表面改性過程中,由于離子碰撞材料表面的刻蝕作用,在材料表面會形成凹凸狀的凸起。濺射產生的物質受到等離子體的激勵,在表面上逆向擴散,形成大量突出物,材料表面形貌發生改變。

一般認為,在經過等離子清洗機改性后,材料表面主要表現4種物理化學變化:

(1) 生成自由基:活性粒子撞擊材料表面,表面分子化學鍵打開,產生大分子的自由基團,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材料表面的化學侵蝕,從而使材料表面變得粗糙;

(3) 引入極性基團:表面的自由基與等離子體放電區域的氧、氮等活性粒子結合從而引入了一些極性基團,具有較強的反應活性;

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

在等離子體與材料的作用中,各種粒子的密度、能量都是關鍵的參數。一旦等離子體本身的特性發生變化,化學平衡狀態被改變,則其中的電子、離子、活性基團等各種粒子密度、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。