1. Τι είναι το πλάσμα;
Το πλάσμα, η τέταρτη κατάσταση της ύλης, είναι μια ιονισμένη αέρια ουσία που αποτελείται από άτομα με μερικά ηλεκτρόνια απογυμνωμένα και θετικά και αρνητικά ιόντα που δημιουργούνται μετά τον ιονισμό των ατόμων. Αυτό το ιονισμένο αέριο αποτελείται από άτομα, μόρια, ατομικές ομάδες, ιόντα και ηλεκτρόνια. Η εφαρμογή του στην επιφάνεια των αντικειμένων μπορεί να επιτύχει εξαιρετικά καθαρό καθαρισμό, ενεργοποίηση επιφάνειας, χάραξη και επικάλυψη επιφάνειας αντικειμένων με πλάσμα.
2. Πώς να αποκτήσετε τεχνητά πλάσμα;
Το πλάσμα μπορεί να δημιουργηθεί μέσω τεχνητών μέσων όπως η πυρηνική σύντηξη, η πυρηνική σχάση, η εκκένωση λάμψης και διάφοροι τύποι εκκενώσεων. Διαφορετικοί τύποι πλάσματος μπορούν επίσης να παραχθούν μέσω μεθόδων τεχνητής εκφόρτισης, που περιλαμβάνουν κυρίως: λάμψη (λαμπτήρες φθορισμού), τόξο (ηλεκτρικό τόξο) και εκκένωση κορώνας (συχνά παρατηρείται γύρω από γραμμές υψηλής τάσης). Για τον καθαρισμό επιφανειών ακριβείας, την ενεργοποίηση και τροποποίηση της επιφάνειας, καθώς και την επιφανειακή επεξεργασία υλικών βιομηχανικής, πλαστικών και χαρτιού, χρησιμοποιείται κυρίως πλάσμα χαμηλής θερμοκρασίας που παράγεται από εκκένωση λάμψης, εκκένωση κορώνας και εκκένωση διηλεκτρικού φραγμού.
Σε ένα ηλεκτρικό πεδίο υψηλής συχνότητας, μόρια αερίου όπως το οξυγόνο, το άζωτο, το μεθάνιο και οι υδρατμοί υπό χαμηλή πίεση μπορούν να αποσυντεθούν σε επιταχυνόμενα άτομα και μόρια κατά την εκκένωση της λάμψης. Τα ηλεκτρόνια που δημιουργούνται με αυτόν τον τρόπο και τα άτομα και τα μόρια που διασπώνται σε θετικά και αρνητικά φορτία συγκρούονται με τα περιβάλλοντα μόρια ή άτομα, με αποτέλεσμα τη διέγερση ηλεκτρονίων στα μόρια και τα άτομα, τα οποία βρίσκονται σε διεγερμένη ή ιοντική κατάσταση. Σε αυτό το σημείο, η κατάσταση της ύλης βρίσκεται σε κατάσταση πλάσματος.
3. Ποιοι τύποι πλάσματος υπάρχουν;
1) Πλάσμα υψηλής θερμοκρασίας και πλάσμα χαμηλής θερμοκρασίας. Το πλάσμα υψηλής θερμοκρασίας αναφέρεται σε πλήρως ιονισμένο ή τοπικά θερμικά ισορροπημένο πλάσμα όπου η θερμοκρασία των ηλεκτρονίων είναι ακριβώς ίση με τις θερμοκρασίες ιόντων και αερίων. Οι θερμοκρασίες όλων των σωματιδίων είναι σχεδόν ίδιες. Η θερμοκρασία είναι εξαιρετικά υψηλή, συνήθως φθάνει τους 10 6−10 8 Κ (περίπου 100-100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου). Το πλάσμα χαμηλής θερμοκρασίας βρίσκεται σε κατάσταση μη θερμικής ισορροπίας, όπου η θερμοκρασία των ηλεκτρονίων είναι πολύ υψηλότερη από τις θερμοκρασίες των ιόντων και των ουδέτερων σωματιδίων. Λόγω της υπερβολικής έντασης της επίδρασης του πλάσματος υψηλής θερμοκρασίας στην επιφάνεια των αντικειμένων, χρησιμοποιείται σπάνια σε πρακτικές εφαρμογές και επί του παρόντος χρησιμοποιείται μόνο πλάσμα χαμηλής θερμοκρασίας.
2) Πλάσμα αντιδρώντων και μη δραστικών αερίων. Αυτή η ταξινόμηση βασίζεται στις χημικές ιδιότητες των αερίων που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία πλάσματος. Τα μη αντιδρώντα αέρια περιλαμβάνουν αργό (Ar), άζωτο (N2), φθοριούχο άζωτο (NF3), τετραφθοριούχο άνθρακα (CF4) κ.λπ., ενώ τα αντιδραστικά αέρια περιλαμβάνουν οξυγόνο (O2), υδρογόνο (H2) κ.λπ.
4. Ποια είναι η αλληλεπίδραση μεταξύ πλάσματος και επιφάνειας αντικειμένου;
Η χημική αντίδραση μεταξύ του πλάσματος και της επιφάνειας ενός τεμαχίου εργασίας είναι αρκετά διαφορετική από τις συμβατικές χημικές αντιδράσεις. Λόγω του βομβαρδισμού ηλεκτρονίων υψηλής ταχύτητας, πολλά αέρια ή ατμοί που είναι σταθεροί σε θερμοκρασία δωματίου μπορούν να αντιδράσουν με την επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας με τη μορφή πλάσματος, παράγοντας πολλά μοναδικά και χρήσιμα αποτελέσματα:
1) Καθαρισμός και χάραξη: Για παράδειγμα, κατά τον καθαρισμό, το οξυγόνο χρησιμοποιείται συχνά ως αέριο εργασίας. Όταν βομβαρδίζεται από επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια, μετατρέπεται σε ιόντα οξυγόνου και ελεύθερες ρίζες, οι οποίες παρουσιάζουν ισχυρές οξειδωτικές ιδιότητες. Οι ρύποι στην επιφάνεια του τεμαχίου εργασίας, όπως γράσο, ροή, φωτοανθεκτικό, παράγοντας απελευθέρωσης και λάδι διάτρησης, οξειδώνονται γρήγορα σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό, τα οποία στη συνέχεια αντλούνται μακριά από μια αντλία κενού, επιτυγχάνοντας τον στόχο του καθαρισμού της επιφάνειας και τη βελτίωση της διαβρεξιμότητας και πρόσφυσης. Η επεξεργασία πλάσματος χαμηλής θερμοκρασίας περιλαμβάνει μόνο τη ρηχή επιφάνεια (<10 nm) του υλικού και δεν επηρεάζει τις ιδιότητες του χύδην υλικού. Επειδή ο καθαρισμός του πλάσματος πραγματοποιείται υπό υψηλό κενό, τα διάφορα ενεργά ιόντα στο πλάσμα έχουν μεγάλη μέση ελεύθερη διαδρομή και οι ικανότητές τους διείσδυσης και διείσδυσης είναι ισχυρές, επιτρέποντας την επεξεργασία πολύπλοκων δομών, συμπεριλαμβανομένων λεπτών σωλήνων και τυφλών οπών.
2) Εισαγωγή λειτουργικών ομάδων: Η επεξεργασία πλάσματος πολυμερών υλικών με αέρια όπως N2, NH3, O2 και SO2 μπορεί να αλλάξει τη χημική σύνθεση της επιφάνειας και να εισάγει αντίστοιχες νέες λειτουργικές ομάδες: -NH2, -OH, -COOH, -SO3H, κ.λπ. λειτουργικά υλικά, ενισχύοντας την πολικότητα της επιφάνειας, τη διαβρεξιμότητα, τη δυνατότητα συγκόλλησης, την αντιδραστικότητα και αυξάνοντας σημαντικά την αξία χρήσης τους. Σε αντίθεση με το πλάσμα οξυγόνου, η επεξεργασία πλάσματος χαμηλής θερμοκρασίας με αέρια που περιέχουν φθόριο μπορεί να εισάγει άτομα φθορίου στην επιφάνεια του υποστρώματος, προσδίδοντας υδροφοβικότητα στο υπόστρωμα.
3) Πολυμερισμός: Πολλά μονομερή βινυλίου, όπως το αιθυλένιο και το στυρόλιο, μπορούν να υποστούν πολυμερισμό στην επιφάνεια των τεμαχίων υπό συνθήκες πλάσματος χωρίς την ανάγκη άλλων καταλυτών ή εκκινητών. Ακόμη και ουσίες που δεν μπορούν να πολυμεριστούν υπό συμβατικές συνθήκες, όπως το μεθάνιο, το αιθάνιο και το βενζόλιο, μπορούν να υποστούν πολυμερισμό διασταύρωσης στην επιφάνεια των τεμαχίων υπό συνθήκες πλάσματος. Αυτό το πολυμερισμένο στρώμα μπορεί να είναι πολύ πυκνό και ισχυρά συνδεδεμένο με το υπόστρωμα. Σε ξένες χώρες, τα πλαστικά μπουκάλια μπύρας και οι δεξαμενές καυσίμων αυτοκινήτων επικαλύπτονται με ένα τόσο πυκνό στρώμα μέσω πολυμερισμού πλάσματος για την αποφυγή μικροδιαρροής. Η επιφάνεια των βιοϊατρικών πολυμερών υλικών μπορεί επίσης να επικαλυφθεί με αυτό το πυκνό στρώμα για να αποτρέψει τη διάχυση τοξικών ουσιών όπως πλαστικοποιητές από το πλαστικό στους ανθρώπινους ιστούς. Τα οπτικά εξαρτήματα μπορούν συχνά να επικαλυφθούν με ένα κατάλληλο οπτικό φιλμ στην επιφάνειά τους μέσω μέτρων πολυμερισμού πλάσματος, προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοση των οπτικών εξαρτημάτων.
4) Εμφύτευση που προκαλείται από πλάσμα:
Η διαδικασία περιλαμβάνει τη δημιουργία ενεργών ελεύθερων ριζών στην επιφάνεια των πολυμερών υλικών μέσω προεπεξεργασίας πλάσματος, η οποία πυροδοτεί τον πολυμερισμό των μονομερών βινυλίου στην επιφάνεια του υλικού. Το πλάσμα μπορεί επίσης να προκαλέσει αντιδράσεις εμβολιασμού σε ορισμένες ακανόνιστες επιφάνειες, όπως τα εσωτερικά τοιχώματα των φιαλών. Με την επιλογή κατάλληλων μονομερών εμβολιασμού και τον έλεγχο των κατάλληλων συνθηκών αντίδρασης εμβολιασμού, η υδροφιλία ή η υδατοαπωθητικότητα, η πρόσφυση, η αντίσταση στη διάβρωση, η αντίσταση στη φθορά, η αγωγιμότητα, η επιλεκτικότητα διαπερατότητας και η βιοσυμβατότητα του υλικού μπορούν να τροποποιηθούν. Ως εκ τούτου, το μόσχευμα πλάσματος είναι εξαιρετικά καινοτόμο και έχει μεγάλες προοπτικές εφαρμογής.
