Активация плазмы - Plasma activation

Активация плазмы (или же функционализация плазмы) - метод модификация поверхности использование плазменная обработка, улучшающая поверхность адгезия свойства многих материалов, включая металлы, стекло, керамику, широкий спектр полимеров и тканей, и даже натуральные материалы, такие как дерево и семена. Функционализация плазмы также относится к введению функциональных групп на поверхность экспонируемых материалов. Он широко используется в промышленных процессах для подготовки поверхностей к склеиванию, склеиванию, покрытию и окраске. Плазменная обработка достигает этого эффекта за счет сочетания восстановления оксидов металлов, сверхтонкого очистка поверхностей от органических загрязнений, изменения топографии поверхности и отложения функциональных химических групп. Важно отметить, что активация плазмой может выполняться при атмосферном давлении с использованием воздуха или обычных промышленных газов, включая водород, азот и кислород. Таким образом, функционализация поверхности достигается без дорогостоящего вакуумного оборудования или влажной химии, что положительно сказывается на ее стоимости, безопасности и воздействии на окружающую среду. Высокая скорость обработки еще больше упрощает многочисленные промышленные применения.

Вступление

Качество клеевого соединения, такого как склеивание, покраска, лакирование и покрытие, сильно зависит от способности клея к эффективности покрытия (смачивать ) область подложки. Это происходит, когда поверхностная энергия подложки больше, чем поверхностная энергия клея. Однако высокопрочные клеи обладают высокой поверхностной энергией. Таким образом, их применение проблематично для материалов с низкой поверхностной энергией, таких как полимеры. Чтобы решить эту проблему, обработка поверхности используется в качестве подготовительного этапа перед приклеиванием. Он очищает поверхность от органических загрязнений, удаляет слабый пограничный слой, химически связывает с подложкой прочный слой с высокой поверхностной энергией и химическое сродство к клею и изменяет топографию поверхности, обеспечивая капиллярное действие клея. Важно отметить, что подготовка поверхности обеспечивает воспроизводимость поверхности, позволяющую получить стабильные результаты склеивания.^[1]

Во многих отраслях промышленности используются методы подготовки поверхности, включая влажную химию, воздействие УФ-излучения, обработку пламенем и различные типы плазменной активации. Преимущество плазменной активации заключается в ее способности достичь всех необходимых целей активации за один этап без использования химикатов. Таким образом, активация плазмой проста, универсальна и экологически безопасна.

Типы плазмы, используемой для активации поверхности

Для активации поверхности можно использовать много типов плазмы. Однако по экономическим причинам плазма атмосферного давления нашла наибольшее применение. К ним относятся дуговый разряд, коронный разряд, диэлектрический барьерный разряд и его разновидность пьезоэлектрический прямой разряд.

Дуговый разряд

Дуговые разряды при атмосферном давлении являются самоподдерживающимися постоянным током. электрические разряды с большими электрическими токами, обычно выше 1 А, в некоторых случаях до 100000 А, и относительно низкими напряжениями, обычно порядка 10-100 В. Из-за высокой частоты столкновений плазменных частиц дуги атмосферного давления находятся в тепловом равновесие с температурами порядка 6.000 - 12.000 ° C. Большая часть объема дуги электрически нейтральна, за исключением тонких слоев анода и катода, где присутствуют сильные электрические поля. Эти обычно бесстолкновительные слои имеют падение напряжения около 10-20 В. Ионы, которые образуются внутри катодного слоя, ускоряются при этом напряжении и ударяют по поверхности катода с высокой энергией. Этот процесс нагревает катод, стимулируя тепловую эмиссию электронов, которая поддерживает высокие токи разряда. На поверхности катода электрические токи концентрируются в быстро движущихся пятнах размером от 1 до 100 мкм. Внутри этих пятен материал катода достигает локальной температуры 3000 ° C, что приводит к его испарению и медленной эрозии катода.^[2]

Технология импульсной атмосферной дуги улучшает стабильность дуги при низких электрических токах, максимизирует объем разряда и вместе с этим производство реактивных частиц для активации плазмы, в то же время уменьшая размер управляющей высоковольтной электроники. Эти факторы делают его экономически очень привлекательным для промышленного применения.

Типовой генератор плазмы атмосферного давления на основе дугового разряда высокого напряжения. Дуга горит между внутренним анодом, смещенным высоким напряжением, и заземленным внешним катодом. Вихревой воздушный поток стабилизирует дугу и выталкивает плазму через отверстие в катоде.

Есть два способа использования электрических дуг для активации поверхности: непереносимые и переданные электрические дуги. В методе без переноса оба электрода являются частью источника плазмы. Одно из них также действует как газовое сопло, производящее поток плазмы. После того, как поток плазмы покидает область дуги, ионы быстро рекомбинируют, оставляя горячий газ с высокими концентрациями химически активных атомов водорода, азота и кислорода и их соединений, что также называется удаленная плазма. Температура этого газового потока составляет порядка 200-500 ° C. Этот газ очень реактивен, что обеспечивает высокую скорость обработки поверхности, когда для достижения активационного эффекта достаточно лишь кратковременного контакта с подложкой. Этот газ может активировать все материалы, включая термочувствительные пластмассы. Кроме того, он электрически нейтрален и не имеет электрических потенциалов, что важно для активации чувствительной электроники.

В перенесенной технике использования электрических дуг роль катода играет сама подложка. В этом случае подложка подвергается воздействию не только химически активных веществ, но и их ионов с энергией до 10-20 эВ, высоких температур, достигающих в катодных пятнах 3000 ° C, и УФ-излучения. Эти дополнительные факторы приводят к еще большей скорости активации. Этот метод обработки подходит для проводящих подложек, таких как металлы. Он восстанавливает оксиды металлов за счет их реакции с частицами водорода и оставляет поверхность свободной от органических загрязнений. Более того, несколько быстро движущихся катодных пятен создают микроструктуру на подложке, улучшая механическое связывание клея.

Коронный разряд

Коронные разряды возникают при атмосферном давлении в сильно неоднородных электрических полях. Острые края высоковольтных электродов создают такие поля вблизи них. Когда поле в остальном пространстве незначительно - это происходит на больших расстояниях от электрического заземления - может возникнуть коронный разряд. В противном случае высоковольтные электроды могут искрить землю.

В зависимости от полярности высоковольтного электрода различают отрицательную корону, сформированную вокруг катода, и положительную корону, образованную вокруг анода. Отрицательная корона похож на Выписка из Таунсенда, где электроны, испускаемые катодом, ускоряются в электрическом поле, ионизируют газ в столкновениях с его атомами и молекулами, высвобождая больше электронов, создавая таким образом лавину. Вторичные процессы включают эмиссию электронов с катода и фотоионизацию в объеме газа. Отрицательная корона создает однородную плазму, светящуюся вокруг острых краев электродов. С другой стороны, электроны, инициирующие лавины в положительная корона производятся фотоионизацией газа, окружающего высоковольтный анод. Фотоны излучаются в более активной области вблизи анода. Затем электронные лавины распространяются к аноду. Плазма положительной короны состоит из множества постоянно движущихся нитей.

Коронные разряды создают электрические токи порядка 1 - 100 мкА при высоких напряжениях порядка нескольких кВ. Эти токи и соответствующая мощность разряда малы по сравнению с токами и мощностью дуги и разрядов диэлектрического барьера. Однако преимуществом коронного разряда является простота высоковольтной электроники постоянного тока. В то время как электрические искры ограничивают высокое напряжение и, следовательно, мощность коронного разряда, последняя может быть дополнительно увеличена с помощью импульсно-периодических высоких напряжений. Однако это усложняет систему высокого напряжения.^[3]

Диэлектрический барьерный разряд

Разряд диэлектрического барьера с частотой 30 кГц в воздухе между металлическими электродами, разделенными двумя листами диэлектрической слюды с зазором 4 мм. «Фундаментом» разряда является накопление заряда на поверхности преграды.

Диэлектрический барьерный разряд возникает между двумя электродами, разделенными диэлектриком. Из-за наличия диэлектрического барьера такие источники плазмы работают только с синусоидальными или импульсными высокими напряжениями. Физические принципы разряда не ограничивают диапазон рабочих частот. Типичные частоты обычно используемых твердотельных источников высокого напряжения составляют 0,05 - 500 кГц. Амплитуды напряжения порядка 5-20 кВ создают электрические токи в диапазоне 10-100 мА. Мощность диэлектрического барьерного разряда значительно выше, чем у коронного разряда, но меньше по сравнению с дуговым разрядом. Разряд обычно состоит из нескольких микроразрядов, хотя в некоторых случаях также создаются равномерные разряды.^[3] Для увеличения однородности и разрядного промежутка в случае VBDB можно использовать систему предварительной ионизации. ^[4].

Другие типы DBD, используемые для функционализации, представляют собой плазменные струи. Обрабатываемая площадь меньше по сравнению с поверхностными или объемными разрядами ДБР. Плазменные микроструи, производимые в капиллярных трубках с диаметром наконечника менее 1 мкм, представляют собой сверхтонкие плазменные струи при атмосферном давлении и зарекомендовали себя как отличные инструменты для обработки и функционализации таких материалов, как углеродные нанотрубки. ^[5] или полимеры ^[6].

Пьезоэлектрический прямой разряд

Пьезоэлектрический прямой разряд можно рассматривать как специальную техническую реализацию диэлектрического барьерного разряда, которая объединяет генератор высокого напряжения переменного тока, высоковольтный электрод и диэлектрический барьер в один элемент. А именно, высокое напряжение создается пьезопреобразователем, вторичная цепь которого действует также как электрод высокого напряжения.^[7]^[8] Поскольку пьезоэлектрический материал трансформатора, например цирконат титанат свинца, часто является диэлектриком, возникающий электрический разряд напоминает свойства диэлектрического барьерного разряда. Кроме того, при работе вдали от электрического заземления он также вызывает коронный разряд на острых краях пьезопреобразователя.

Благодаря уникальным принципам конструкции, пьезоэлектрический барьерный разряд является экономичным и компактным источником диэлектрической барьерной и коронной плазмы. Хотя его мощность ограничена примерно 10 Вт на блок, низкая стоимость и небольшие размеры блоков позволяют создавать большие массивы, оптимизированные для конкретных приложений.

Другие виды плазмы

Плазма, пригодная для поверхностной активации, также была создана с помощью индукционного нагрева с помощью радиочастот и микроволновых частот, искровых разрядов, резистивных барьерных разрядов.^[9] и различные виды микроразрядов.

Физико-химические механизмы активации

Задача генераторов плазмы - преобразовывать электрическую энергию в энергию заряженных и нейтральных частиц - электронов, ионов, атомов и молекул, - которые затем производили бы большие количества химических соединений водорода, азота и кислорода, в частности короткоживущих. высокореактивные виды. Бомбардировка субстрата всеми составляющими частицами плазмы очищает и химически активирует поверхность. Кроме того, в местах контакта разрядных нитей поверхность может локально нагреваться до высоких температур. Это изменяет топографию поверхности, улучшая механическое связывание клея.

Процессы в объеме плазмы

При атмосферном давлении высокая частота столкновений электронов с молекулами газа не позволяет электронам достигать высоких энергий. Типичные энергии электронов составляют порядка 1 эВ, за исключением электродных слоев толщиной 10–30 мкм, где они могут достигать 10–20 эВ. Из-за низких электрических токов отдельных нитей в коронных и диэлектрических барьерных разрядах газ, присутствующий в объеме разряда, не достигает теплового равновесия с электронами и остается холодным. Его температура обычно повышается всего на несколько 10 ° C выше комнатной. С другой стороны, из-за высоких электрических токов дугового разряда весь объем дуги термически уравновешивается, и электроны достигают температуры 6000–12000 ° C. Однако после выхода из объема дуги этот газ быстро охлаждается до нескольких 100 ° C, прежде чем он коснется подложки.

Хотя неправильно говорить о температурах неравновесных электронных и ионных газов, концепция температуры иллюстрирует физические условия разряда, поскольку температура определяет среднюю энергию частиц. Средняя энергия электронов в 1 эВ, обычно реализуемая в объеме плазмы, равна средней энергии электронов при температурах 10 000 ° C. В тонких катодных и анодных слоях ионы и электроны достигают средней энергии в 10 раз выше, что соответствует температурам 100 000 ° C. В то же время молекулярный газ может оставаться холодным.

Химические реакции во влажном воздухе, инициируемые электрическими разрядами при атмосферном давлении.^[10]

Из-за высокой энергии столкновения электронов с ионами и электронов с молекулами плазменный объем действует как эффективный химический реактор, позволяющий быстро производить химические соединения водорода, азота и кислорода. Среди них короткоживущие высокореактивные частицы являются основными агентами плазменной активации поверхностей. Они включают атомарные частицы H, N и O, радикалы OH и ON, озон, азотистую и азотную кислоты, а также различные другие молекулы в метастабильных возбужденных состояниях.^[10] Более того, когда разряд напрямую контактирует с подложкой, ионы этих разновидностей, а также электроны, имеющие высокие энергии, бомбардируют поверхность.

Поверхностные процессы

Плазма атмосферных разрядов или образующийся из нее газ, богатый высокореактивными химическими соединениями, инициирует множество физических и химических процессов при контакте с поверхностью. Он эффективно удаляет органические загрязнения с поверхности, восстанавливает оксиды металлов, создает механическую микроструктуру на поверхности и откладывает функциональные химические группы. Все эти эффекты можно регулировать, выбирая типы разряда, их параметры и рабочий газ. Следующие процессы приводят к активации поверхности:

Ультратонкая очистка. Реактивные химические вещества эффективно окисляют органические поверхностные загрязнения, превращая их в углекислый газ и воду, которые испаряются с поверхности, оставляя ее в ультратонком чистом состоянии.
Удаление слабых пограничных слоев. Плазма удаляет поверхностные слои с наименьшим молекулярный вес, в то же время это окисляет самый верхний атомный слой полимера.
Сшивка поверхностных молекул. Кислородные радикалы (и УФ-излучение, если есть) помогают разрушить узы и продвигать трехмерную перекрестная связь молекул.
Восстановление оксидов металлов. Плазменные разряды, воспламеняемые в образующемся газе, обычно содержащем 5% водорода и 95% азота, производят большие количества химически активных форм водорода. При контакте с окисленными металлическими поверхностями они вступают в реакцию с оксидами металлов. сокращение их к атомам металлов и воды. Этот процесс особенно эффективен при горении электрической дуги непосредственно на поверхности подложки. Он оставляет поверхность чистой от оксидов и загрязнений.
Модификация топографии поверхности. Электрические разряды, непосредственно контактирующие с подложкой, вызывают эрозию поверхности подложки в микрометрическом масштабе. Это создает микроструктуры, которые заполняются клеями из-за капиллярное действие, улучшая механическое связывание клеев.
Отложение функциональных химических групп. Короткоживущие химические соединения, образующиеся в объеме плазмы, а также ионы, образующиеся в тонком слое, где разряд контактирует с поверхностью, бомбардируют подложку, инициируя ряд химических реакций. Реакции, откладывающие функциональные химические группы на поверхность подложки, во многих случаях являются наиболее важным механизмом активации плазмы. В случае пластмасс, обычно имеющих низкую поверхностную энергию, полярный Группы OH и ON значительно увеличивают поверхностную энергию, улучшая смачиваемость поверхности клеями. В частности, это увеличивает силу дисперсионная адгезия. Более того, используя специальные рабочие газы, которые производят химические соединения, которые могут образовывать прочные химические связи как с поверхностью подложки, так и с клеем, можно добиться очень прочного связывания между химически разнородными материалами.^[11],^[12].

Баланс химических реакций на поверхности подложки зависит от состава плазмообразующего газа, скорости газового потока, а также от температуры. Действие последних двух факторов зависит от вероятности реакции. Здесь различают два режима. В диффузионном режиме с высокой вероятностью реакции скорость реакции зависит от скорости газового потока, но не зависит от температуры газа. В другом, кинетическом режиме, с низкой вероятностью реакции, скорость реакции сильно зависит от температуры газа в соответствии с Уравнение Аррениуса.

Методы характеристики поверхности

Одна из основных задач плазменной активации - увеличить поверхностная энергия. Последний характеризуется смачиваемость поверхности - способность жидкости покрывать поверхность. Есть несколько методов оценки смачиваемости поверхности:

При испытании на растяжение смачивания на поверхность наносят несколько жидкостей с разной поверхностной энергией. Жидкость с наименьшей поверхностной энергией, смачивающая испытуемую поверхность, определяет поверхностную энергию последней.
Капля жидкости с известной поверхностной энергией, например на испытуемую поверхность наносится дистиллированная вода. В угол контакта поверхности капли жидкости относительно поверхности подложки определяет поверхностную энергию подложки.
На поверхность проливается определенное количество дистиллированной воды. Площадь, покрытая водой, определяет поверхностную энергию.
Капля дистиллированной воды помещается на наклоняемую поверхность. Максимальный угол наклона поверхности по отношению к горизонтальной плоскости, при котором капля все еще удерживается на месте, определяет поверхностную энергию.

Смотрите также

Список статей по плазме (физике)