粉体粉末等离子体处理原理及其应用

低温等离子体表面改性发展于20世纪60年代,现今已得到广泛的研究和应用。低温等离子体材料表面改性可使材料表面产生一系列物理、化学变化,从而提高材料的表面性能,而材料的基体性能几乎不受影响。相对于其他方法,低温等离子体技术还具有工艺简单、操作方便、加工速度快、处理效果好、环境污染小、节能的优点,并可以得到传统化学方法难以达到的处理效果。近年来的相关研究表明,利用低温等离子体技术对无机粉体进行处理可在无机粉体表面引入活性基团或聚合一层有机膜,提高粉体与聚合物基体的相容性,从而改善复合材料的力学性能。
等离子体处理无机粉体的原理
低温等离子体是一种非热平衡等离子体,其粒子能量的参数范围如下:电子(0～20eV),亚稳态粒子(0～20eV),离子(0～2eV),光子(3～40eV)。材料的表面改性需要通过断开或激活材料表面的化学键并形成新的化学键才能实现,这就首先需要低温等离子体中的各类粒子能够具有足够的能量以断开材料表面的化学键。表1为各类材料中一些代表性化学键的键能,将两者对比可以看出,除离子外,低温等离子体中大多数粒子的能量均高于这些化学键的键能,这表明:利用低温等离子体完全可以破坏材料表面的化学键而形成新键,从而赋予材料表面新的特性。
表 1 一些代表性化学键的键能
由于等离子体的能量特点,等离子体处理后粉体的表面形态以及表面结构都发生了明显的变化。对粉体表面形态及结构的影响与等离子体处理所用的气体(聚合性气体、非聚合性气体)的特性有关。用非聚合性气体的等离子体对粉体表面处理时,主要是利用等离子体中高能粒子轰击,使材料表面产生大量自由基,这些自由基与空气中含氧和含氮成分作用,从而改变材料表面化学结构;而用聚合性气体的等离子体对粉体表面处理时,则在其表面形成聚合物膜并与粉体形成牢固的化学键。
等离子体改性无机粉体的应用
等离子体改性对粉体润湿性的影响
无机粉体表面通常含有亲水性较强的羟基,呈现较强的碱性。其亲水疏油的性质使粉体与有机基体的亲和性差。为了改善二者之间的相容性,可对粉体进行表面改性。粉体经等离子体处理后,其表面将生成一层有机包覆层,导致表面润湿性发生变化。
等离子体改性对粉体分散性的影响
在制备复合材料时,常将无机粉体作为填料加入到有机高聚物中,由于粉体粒径小、表面能高,容易形成团聚体,造成在高聚物内部分散不均匀,从而易在两材料间界面处产生缺陷,导致复合材料的力学性能下降。为此,可采用低温等离子体对无机粉体进行表面改性,通过反应在其表面形成聚合物层,这样可以降低粉体的表面能,从而减小团聚生成的倾向。同时聚合物层还可以增加粉体与有机高聚物的相容性,从而改善了粉体在其中的分散性能。
低温等离子体聚合是对无机粉体表面进行改性的一种行之有效的方法,它可以在无机粉体表面生成纳米级聚合物膜,由此降低粉体的表面能,改善其在有机载体中的分散性,有助于提高粉体与聚合物基体的结合强度,从而改善其复合材料的力学性能。24797