1. Was ist Plasma?
Plasma, der vierte Aggregatzustand, ist eine ionisierte gasförmige Substanz, die aus Atomen besteht, der einige Elektronen entzogen wurden und bei der die Ionisierung der Atome positive und negative Ionen erzeugt. Dieses ionisierte Gas besteht aus Atomen, Molekülen, Atomgruppen, Ionen und Elektronen. Durch die Anwendung auf der Oberfläche von Objekten kann eine ultrareine Reinigung, Oberflächenaktivierung, Ätzung und Plasma-Oberflächenbeschichtung von Objekten erreicht werden.
2. Wie kann man Plasma künstlich gewinnen?
Plasma kann durch künstliche Mittel wie Kernfusion, Kernspaltung, Glimmentladung und verschiedene Arten von Entladungen erzeugt werden. Verschiedene Arten von Plasma können auch durch künstliche Entladungsmethoden erzeugt werden, darunter hauptsächlich Glühen (Leuchtstofflampen), Lichtbogen (Lichtbogen) und Koronaentladung (oft in der Nähe von Hochspannungsleitungen zu sehen). Für die präzise Oberflächenreinigung, Oberflächenaktivierung und -modifizierung sowie die Oberflächenbearbeitung von biotechnologischen Materialien, Kunststoffen und Papier wird meist Niedertemperaturplasma verwendet, das durch Glimmentladung, Koronaentladung und dielektrische Barrierenentladung erzeugt wird.
In einem hochfrequenten elektrischen Feld können Gasmoleküle wie Sauerstoff, Stickstoff, Methan und Wasserdampf unter niedrigem Druck während der Glimmentladung in beschleunigte Atome und Moleküle zerfallen. Die so erzeugten Elektronen und die in positive und negative Ladungen dissoziierten Atome und Moleküle kollidieren mit umgebenden Molekülen oder Atomen, was zur Anregung von Elektronen in den Molekülen und Atomen führt, die sich selbst in einem angeregten oder ionischen Zustand befinden. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Materie im Plasmazustand.
3. Welche Plasmaarten gibt es?
1) Hochtemperaturplasma und Niedertemperaturplasma. Unter Hochtemperaturplasma versteht man ein vollständig ionisiertes oder lokal thermisch ausgeglichenes Plasma, bei dem die Elektronentemperatur genau den Ionen- und Gastemperaturen entspricht. Die Temperaturen aller Teilchen sind nahezu identisch. Die Temperatur ist extrem hoch und erreicht typischerweise 10–10 6K 8 (ungefähr 100–100 Millionen Grad Celsius). Niedertemperaturplasma befindet sich in einem nicht-thermischen Gleichgewichtszustand, in dem die Elektronentemperatur viel höher ist als die Temperaturen von Ionen und neutralen Teilchen. Aufgrund der übermäßigen Intensität der Wirkung von Hochtemperaturplasma auf die Oberfläche von Objekten wird es in der Praxis selten eingesetzt und derzeit wird nur Niedertemperaturplasma eingesetzt.
2) Plasma aus reaktiven und nicht reaktiven Gasen. Diese Klassifizierung basiert auf den chemischen Eigenschaften der zur Plasmaerzeugung verwendeten Gase. Zu den nicht reaktiven Gasen gehören Argon (Ar), Stickstoff (N2), Stickstofffluorid (NF3), Kohlenstofftetrafluorid (CF4) usw., während zu den reaktiven Gasen Sauerstoff (O2), Wasserstoff (H2) usw. gehören. Die Reaktionsmechanismen verschiedener Gasarten während des Reinigungsprozesses sind unterschiedlich, wobei Plasma reaktiver Gase eine stärkere chemische Reaktivität aufweist.
4. Welche Wechselwirkungen gibt es zwischen Plasma und Objektoberfläche?
Die chemische Reaktion zwischen Plasma und der Oberfläche eines Werkstücks unterscheidet sich deutlich von herkömmlichen chemischen Reaktionen. Durch den Beschuss mit Hochgeschwindigkeitselektronen können viele bei Raumtemperatur stabile Gase oder Dämpfe mit der Oberfläche des Werkstücks in Form von Plasma reagieren und so viele einzigartige und nützliche Effekte hervorrufen:
1) Reinigen und Ätzen: Beispielsweise wird beim Reinigen häufig Sauerstoff als Arbeitsgas verwendet. Beim Beschuss durch beschleunigte Elektronen wird es in Sauerstoffionen und freie Radikale umgewandelt, die stark oxidierende Eigenschaften aufweisen. Verunreinigungen auf der Oberfläche des Werkstücks, wie Fett, Flussmittel, Fotolack, Trennmittel und Stanzöl, werden schnell zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert, die dann von einer Vakuumpumpe abgepumpt werden, wodurch das Ziel erreicht wird, die Oberfläche zu reinigen und die Benetzbarkeit und Haftung zu verbessern. Die Plasmabehandlung bei niedriger Temperatur betrifft nur die flache Oberfläche (<10 nm) des Materials und hat keinen Einfluss auf die Eigenschaften des Grundmaterials. Da die Plasmareinigung unter Hochvakuum durchgeführt wird, haben die verschiedenen aktiven Ionen im Plasma eine lange mittlere freie Weglänge und ihre Penetrations- und Permeationsfähigkeiten sind stark, was die Behandlung komplexer Strukturen, einschließlich feiner Röhren und Sacklöcher, ermöglicht.
2) Einführung funktioneller Gruppen: Die Plasmabehandlung von Polymermaterialien mit Gasen wie N2, NH3, O2 und SO2 kann die chemische Zusammensetzung der Oberfläche verändern und entsprechende neue funktionelle Gruppen einführen: -NH2, -OH, -COOH, -SO3H usw. Diese funktionellen Gruppen können völlig inerte Substrate wie Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol und Polytetrafluorethylen in funktionalisierte Materialien umwandeln, wodurch die Polarität, Benetzbarkeit, Bindungsfähigkeit und Reaktivität der Oberfläche verbessert und ihr Gebrauchswert erheblich erhöht wird. Im Gegensatz zu Sauerstoffplasma können bei der Niedertemperatur-Plasmabehandlung mit fluorhaltigen Gasen Fluoratome auf die Substratoberfläche eingebracht werden, wodurch dem Substrat Hydrophobie verliehen wird.
3) Polymerisation: Viele Vinylmonomere wie Ethylen und Styrol können unter Plasmabedingungen auf der Oberfläche von Werkstücken polymerisieren, ohne dass andere Katalysatoren oder Initiatoren erforderlich sind. Selbst Stoffe, die unter herkömmlichen Bedingungen nicht polymerisiert werden können, wie Methan, Ethan und Benzol, können unter Plasmabedingungen eine vernetzende Polymerisation auf der Oberfläche von Werkstücken eingehen. Diese polymerisierte Schicht kann sehr dicht und fest mit dem Untergrund verbunden sein. Im Ausland werden Plastikbierflaschen und Kraftstofftanks von Autos durch Plasmapolymerisation mit einer so dichten Schicht beschichtet, um Mikrolecks zu verhindern. Auch die Oberfläche biomedizinischer Polymermaterialien kann mit dieser dichten Schicht beschichtet werden, um die Diffusion giftiger Substanzen wie Weichmacher aus dem Kunststoff in menschliches Gewebe zu verhindern. Optische Komponenten können häufig durch Plasmapolymerisationsmaßnahmen mit einem entsprechenden optischen Film auf ihrer Oberfläche beschichtet werden, um die Leistung der optischen Komponenten zu erhöhen.
4) Plasmainduzierte Transplantation:
Bei diesem Verfahren werden durch Plasmavorbehandlung aktive freie Radikale auf der Oberfläche von Polymermaterialien erzeugt, die die Polymerisation von Vinylmonomeren auf der Materialoberfläche auslösen. Plasma kann auch auf bestimmten unregelmäßigen Oberflächen, beispielsweise den Innenwänden von Flaschen, Transplantationsreaktionen auslösen. Durch die Auswahl geeigneter Pfropfmonomere und die Steuerung der geeigneten Pfropfreaktionsbedingungen können die Hydrophilie oder Wasserabweisung, Haftung, Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Leitfähigkeit, Permeabilitätsselektivität und Biokompatibilität des Materials verändert werden. Daher ist die Plasmatransplantation äußerst innovativ und bietet große Anwendungsaussichten.
