1. ما هي البلازما؟
البلازما، وهي الحالة الرابعة للمادة، هي مادة غازية متأينة تتكون من ذرات مع تجريد بعض الإلكترونات منها، وتتولد الأيونات الموجبة والسالبة بعد تأين الذرات. يتكون هذا الغاز المتأين من ذرات وجزيئات ومجموعات ذرية وأيونات وإلكترونات. تطبيقه على سطح الأشياء يمكن أن يحقق تنظيفًا فائق النظافة، وتنشيط السطح، والحفر، وطلاء سطح الأجسام بالبلازما.
2. كيفية الحصول على البلازما بشكل مصطنع؟
يمكن توليد البلازما من خلال وسائل اصطناعية مثل الاندماج النووي، والانشطار النووي، وتفريغ التوهج، وأنواع مختلفة من التفريغ. يمكن أيضًا إنتاج أنواع مختلفة من البلازما من خلال طرق التفريغ الاصطناعي، بما في ذلك بشكل رئيسي: التوهج (مصابيح الفلورسنت)، والقوس (القوس الكهربائي)، والتفريغ الإكليلي (غالبًا ما يُرى حول خطوط الجهد العالي). من أجل التنظيف الدقيق للأسطح، وتنشيط السطح وتعديله، بالإضافة إلى المعالجة السطحية لمواد الهندسة الحيوية والبلاستيك والورق، يتم استخدام البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة الناتجة عن تفريغ التوهج، وتفريغ الإكليل، وتفريغ الحاجز العازل في الغالب.
في المجال الكهربائي عالي التردد، يمكن لجزيئات الغاز مثل الأكسجين والنيتروجين والميثان وبخار الماء تحت ضغط منخفض أن تتحلل إلى ذرات وجزيئات متسارعة أثناء تفريغ التوهج. وتتصادم الإلكترونات المتولدة بهذه الطريقة والذرات والجزيئات المنفصلة إلى شحنات موجبة وسالبة مع الجزيئات أو الذرات المحيطة بها، مما يؤدي إلى إثارة الإلكترونات في الجزيئات والذرات، التي تكون نفسها في حالة مثارة أو أيونية. عند هذه النقطة، تكون حالة المادة في حالة البلازما.
3. ما هي أنواع البلازما الموجودة؟
1) البلازما ذات درجة الحرارة العالية والبلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة. تشير البلازما ذات درجة الحرارة العالية إلى البلازما المتأينة بالكامل أو المتوازنة حراريًا محليًا حيث تكون درجة حرارة الإلكترون مساوية تمامًا لدرجات حرارة الأيون والغاز. درجات حرارة جميع الجسيمات متطابقة تقريبًا. درجة الحرارة مرتفعة للغاية، وعادة ما تصل إلى 10-10 6كلفن 8 (حوالي 100-100 مليون درجة مئوية). تكون البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة في حالة توازن غير حراري، حيث تكون درجة حرارة الإلكترون أعلى بكثير من درجات حرارة الأيونات والجسيمات المحايدة. ونظرًا للكثافة المفرطة لتأثير البلازما ذات درجة الحرارة المرتفعة على سطح الأجسام، نادرًا ما يتم استخدامها في التطبيقات العملية، وحاليا يتم استخدام البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة فقط.
2) بلازما الغازات المتفاعلة وغير المتفاعلة. يعتمد هذا التصنيف على الخواص الكيميائية للغازات المستخدمة لتوليد البلازما. تشمل الغازات غير التفاعلية الأرجون (Ar)، والنيتروجين (N2)، وفلوريد النيتروجين (NF3)، ورباعي فلوريد الكربون (CF4)، وما إلى ذلك، بينما تشمل الغازات التفاعلية الأكسجين (O2)، والهيدروجين (H2)، وما إلى ذلك. تختلف آليات تفاعل الأنواع المختلفة من الغازات أثناء عملية التنظيف، حيث تُظهر بلازما الغازات التفاعلية تفاعلًا كيميائيًا أقوى.
4. ما هو التفاعل بين البلازما وسطح الجسم؟
التفاعل الكيميائي بين البلازما وسطح قطعة العمل يختلف تمامًا عن التفاعلات الكيميائية التقليدية. بسبب قصف الإلكترونات عالية السرعة، يمكن للعديد من الغازات أو الأبخرة المستقرة في درجة حرارة الغرفة أن تتفاعل مع سطح قطعة العمل على شكل بلازما، مما ينتج عنه العديد من التأثيرات الفريدة والمفيدة:
1) التنظيف والحفر: على سبيل المثال، أثناء التنظيف، غالبًا ما يستخدم الأكسجين كغاز عامل. عندما يتم قصفها بالإلكترونات المتسارعة، فإنها تتحول إلى أيونات أكسجين وجذور حرة، والتي تظهر خصائص مؤكسدة قوية. تتم أكسدة الملوثات الموجودة على سطح قطعة العمل، مثل الشحوم، والصهور، ومقاوم الضوء، وعامل التحرير، وزيت الثقب، بسرعة إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، والتي يتم بعد ذلك ضخها بعيدًا بواسطة مضخة تفريغ، مما يحقق هدف تنظيف السطح وتحسين قابلية البلل والالتصاق. تتضمن معالجة البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة فقط السطح الضحل (<10 نانومتر) للمادة ولا تؤثر على خصائص المادة السائبة. نظرًا لأن تنظيف البلازما يتم إجراؤه تحت فراغ عالٍ، فإن الأيونات النشطة المختلفة في البلازما لها مسار حر متوسط طويل، وقدراتها على الاختراق والتخلل قوية، مما يتيح معالجة الهياكل المعقدة، بما في ذلك الأنابيب الدقيقة والثقوب العمياء.
2) مقدمة للمجموعات الوظيفية: يمكن أن تؤدي معالجة مواد البوليمر بالبلازما بغازات مثل N2 وNH3 وO2 وSO2 إلى تغيير التركيب الكيميائي للسطح وإدخال مجموعات وظيفية جديدة مقابلة: -NH2، -OH، -COOH، -SO3H، إلخ. يمكن لهذه المجموعات الوظيفية تحويل ركائز خاملة تمامًا مثل البولي إيثيلين والبولي بروبيلين والبوليسترين والبولي تترافلوروإيثيلين إلى مواد وظيفية، مما يعزز قطبية السطح وقابلية البلل والترابط، التفاعلية، وزيادة قيمتها الاستخدامية بشكل كبير. على النقيض من بلازما الأكسجين، يمكن أن تؤدي معالجة البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة بالغازات المحتوية على الفلور إلى إدخال ذرات الفلور على سطح الركيزة، مما ينقل الكارهة للماء إلى الركيزة.
3) البلمرة: العديد من مونومرات الفينيل، مثل الإيثيلين والستايرين، يمكن أن تخضع للبلمرة على سطح قطع العمل تحت ظروف البلازما دون الحاجة إلى أي محفزات أو بادئات أخرى. حتى المواد التي لا يمكن بلمرتها في ظل الظروف التقليدية، مثل الميثان والإيثان والبنزين، يمكن أن تخضع للبلمرة المتقاطعة على سطح قطع العمل في ظل ظروف البلازما. يمكن أن تكون هذه الطبقة المبلمرة كثيفة جدًا ومرتبطة بقوة بالركيزة. في البلدان الأجنبية، يتم طلاء زجاجات البيرة البلاستيكية وخزانات وقود السيارات بطبقة كثيفة من خلال بلمرة البلازما لمنع التسرب الجزئي. يمكن أيضًا طلاء سطح مواد البوليمر الطبية الحيوية بهذه الطبقة الكثيفة لمنع انتشار المواد السامة مثل الملدنات من البلاستيك إلى الأنسجة البشرية. غالبًا ما يمكن طلاء المكونات البصرية بطبقة بصرية مناسبة على سطحها من خلال إجراءات بلمرة البلازما، وذلك من أجل تحسين أداء المكونات البصرية.
4) التطعيم الناجم عن البلازما:
تتضمن العملية توليد جذور حرة نشطة على سطح مواد البوليمر من خلال المعالجة المسبقة للبلازما، مما يؤدي إلى بلمرة مونومرات الفينيل على سطح المادة. يمكن للبلازما أيضًا أن تحفز تفاعلات التطعيم على بعض الأسطح غير المنتظمة، مثل الجدران الداخلية للزجاجات. من خلال اختيار مونومرات التطعيم المناسبة والتحكم في ظروف تفاعل التطعيم المناسبة، يمكن تغيير المحبة للماء أو طارد الماء، والالتصاق، ومقاومة التآكل، ومقاومة التآكل، والموصلية، وانتقائية النفاذية، والتوافق الحيوي للمادة. لذلك، يعد التطعيم بالبلازما أمرًا مبتكرًا للغاية ويحمل آفاقًا كبيرة للتطبيق.
