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粉體等離子表面改性是以特定方法在專門的等離子處理裝置中對(duì)粉體材料進(jìn)行表面處理使粉體表面特性發(fā)生改變從而賦予粉體材料新的功能滿足粉體各種性能的應(yīng)用要求。粉體表面改性的目的可以概括為:改善或改變粉體粒子在使用介質(zhì)中的分散性;彌補(bǔ)粉體自身的缺陷?改善其耐久性?如耐光、耐熱、耐蝕、耐候性等;賦予粒子表面以新的功能?如電、光、磁、力學(xué)及化學(xué)性能。從而可擴(kuò)大產(chǎn)品用途、開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品及提高粉體材料的附加價(jià)值。因此?粉體表面改性是材料制備過(guò)程工程的重要手段?也是新材料、新工藝和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要內(nèi)容。

低溫等離子體處理改性粉體的原理

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(guò)斷開(kāi)或激活材料表面的化學(xué)鍵并形成新的化學(xué)鍵才能實(shí)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(kāi)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(duì)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。

由于等離子體的能量特點(diǎn),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(duì)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(duì)粉體表面處理時(shí)，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(duì)粉體表面處理時(shí),則在其表面形成聚合物膜并與粉體形成牢固的化學(xué)鍵。

粉體低溫等離子體處理方法

低溫等離子體對(duì)粉體表面處理主要有兩個(gè)方面:可以用非聚合性氣體(Ar、He、H2O等)的等離子體處理粉體表面,除去粉體表面吸附的雜質(zhì),并引入各種活性基團(tuán);也可以用聚合性氣體的等離子體對(duì)粉體進(jìn)行表面處理,即等離子體聚合,在粉體表面形成聚合薄膜。近年來(lái)低溫等離子體對(duì)粉體的表面改性主要是利用等離子體聚合技術(shù)。這一技術(shù)是通過(guò)激勵(lì)活化有機(jī)化合物單體,形成氣相自由基,當(dāng)氣相自由基吸附在固體表面時(shí)形成表面自由基,表面自由基與氣相原始單體或等離子體中產(chǎn)生的衍生單體在固體表面發(fā)生聚合反應(yīng),生成大分子量的聚合物薄膜。在等離子體有機(jī)聚合中,能量主要集中在材料表面,幾乎不改變基體的性質(zhì),而傳統(tǒng)方法的表面改性對(duì)基體影響較大。等離子體聚合適用范圍廣,除乙烯基單質(zhì)氣體和環(huán)狀化合物外,常規(guī)方法難以聚合的飽和烴化合物、芳香族化合物、有機(jī)金屬化合物都極容易發(fā)生等離子體聚合。等離子體聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)也不同于傳統(tǒng)的聚合物。

等離子體改性粉體的應(yīng)用

改變粉體的分散性能

在制備復(fù)合材料時(shí),常將無(wú)機(jī)粉體作為填料加入到有機(jī)高聚物中,由于粉體粒徑小、表面能高,容易形成團(tuán)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(duì)無(wú)機(jī)粉體進(jìn)行表面改性,通過(guò)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(tuán)聚生成的傾向。同時(shí)聚合物層還可以增加粉體與有機(jī)高聚物的相容性,從而改善了粉體在其中的分散性能。

提高粉體的親水性能

等離子體儀器可以產(chǎn)生大量活性分子與材料表面發(fā)生非彈性碰撞。這種基于表面的物理化學(xué)效應(yīng)可以打斷基體主鏈并形成自由基。另一方面,高能電子束可以將能量傳遞到基體材料表面并提高表面能。具有較高表面能和自由基的材料與空氣接觸時(shí),自由基產(chǎn)生相關(guān)的化學(xué)反應(yīng),生成含氧官能團(tuán)如羥基以及羧基等,使粉體表面水接觸角減小,親水性得到改善。

改變粉體的催化性能

等離子體系統(tǒng)中含有大量的自由電子等活性物質(zhì),可以實(shí)現(xiàn)一些在常規(guī)條件下無(wú)法完成的物理化學(xué)反應(yīng),所以等離子體技術(shù)在材料及化學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)受到了越來(lái)越多的關(guān)注.近年來(lái),等離子體技術(shù)在催化劑的制備與改性領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。在納米催化劑制備和改性等應(yīng)用中,等離子體技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)材料物相的轉(zhuǎn)化、元素的摻雜、微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控，通過(guò)低溫等離子體高能粒子的直接或間接作用氧化或還原催化劑,得到更適宜的催化劑化學(xué)形態(tài),或通過(guò)高能粒子轟擊產(chǎn)生更多表面活性位。

低溫等離子體粉體表面改性可使粉體表面產(chǎn)生一系列物理、化學(xué)變化,從而提高粉體的表面性能,而粉體的基體性能幾乎不受影響。相對(duì)于其他方法低溫等離子體技術(shù)還具有工藝簡(jiǎn)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(diǎn),并可以得到傳統(tǒng)化學(xué)方法難以達(dá)到的處理效果。