Introduzione ai principi della tecnologia delle superfici al plasma

1. Cos'è il plasma?

Il plasma, il quarto stato della materia, è una sostanza gassosa ionizzata composta da atomi a cui vengono strappati alcuni elettroni e ioni positivi e negativi generati dopo la ionizzazione degli atomi. Questo gas ionizzato è costituito da atomi, molecole, gruppi atomici, ioni ed elettroni. La sua applicazione sulla superficie degli oggetti può ottenere una pulizia ultra pulita, l'attivazione della superficie, l'incisione e il rivestimento superficiale al plasma degli oggetti.

2. Come ottenere artificialmente il plasma？

Il plasma può essere generato attraverso mezzi artificiali come la fusione nucleare, la fissione nucleare, la scarica luminescente e vari tipi di scariche. Diversi tipi di plasma possono anche essere prodotti attraverso metodi di scarica artificiale, tra cui principalmente: bagliore (lampade fluorescenti), arco (arco elettrico) e scarica a corona (spesso osservata attorno alle linee ad alta tensione). Per la pulizia di precisione delle superfici, l'attivazione e la modifica delle superfici, nonché la lavorazione superficiale di materiali di bioingegneria, plastica e carta, viene utilizzato principalmente il plasma a bassa temperatura generato da scarica a bagliore, scarica a corona e scarica a barriera dielettrica.

In un campo elettrico ad alta frequenza, le molecole di gas come ossigeno, azoto, metano e vapore acqueo a bassa pressione possono decomporsi in atomi e molecole accelerate durante la scarica a bagliore. Gli elettroni generati in questo modo e gli atomi e le molecole dissociati in cariche positive e negative entrano in collisione con le molecole o gli atomi circostanti, provocando l'eccitazione degli elettroni nelle molecole e negli atomi, che a loro volta si trovano in uno stato eccitato o ionico. A questo punto lo stato della materia è lo stato di plasma.

3. Quali tipi di plasma esistono? 

1) Plasma ad alta temperatura e plasma a bassa temperatura. Il plasma ad alta temperatura si riferisce al plasma completamente ionizzato o localmente equilibrato termicamente in cui la temperatura dell'elettrone è esattamente uguale alla temperatura dello ione e del gas. Le temperature di tutte le particelle sono quasi identiche. La temperatura è estremamente elevata, raggiungendo tipicamente i 10 ⁶−10 ⁸ K (circa 100-100 milioni di gradi Celsius). Il plasma a bassa temperatura si trova in uno stato di equilibrio non termico, dove la temperatura degli elettroni è molto più alta della temperatura degli ioni e delle particelle neutre. A causa dell'eccessiva intensità dell'effetto del plasma ad alta temperatura sulla superficie degli oggetti, viene utilizzato raramente nelle applicazioni pratiche e attualmente viene utilizzato solo il plasma a bassa temperatura.

2) Plasma di gas reattivi e non reattivi. Questa classificazione si basa sulle proprietà chimiche dei gas utilizzati per generare il plasma. I gas non reattivi includono argon (Ar), azoto (N2), fluoruro di azoto (NF3), tetrafluoruro di carbonio (CF4), ecc., Mentre i gas reattivi includono ossigeno (O2), idrogeno (H2), ecc. I meccanismi di reazione dei diversi tipi di gas durante il processo di pulizia sono diversi, con il plasma di gas reattivi che mostra una reattività chimica più forte.

4. Quali sono le interazioni tra il plasma e la superficie dell'oggetto? 

La reazione chimica tra il plasma e la superficie di un pezzo è molto diversa dalle reazioni chimiche convenzionali. A causa del bombardamento di elettroni ad alta velocità, molti gas o vapori stabili a temperatura ambiente possono reagire con la superficie del pezzo sotto forma di plasma, producendo molti effetti unici e utili:

1) Pulizia e incisione: ad esempio, durante la pulizia, l'ossigeno viene spesso utilizzato come gas di lavoro. Quando viene bombardato da elettroni accelerati, viene convertito in ioni di ossigeno e radicali liberi, che presentano forti proprietà ossidanti. I contaminanti sulla superficie del pezzo, come grasso, fondente, fotoresist, agente distaccante e olio di perforazione, vengono rapidamente ossidati in anidride carbonica e acqua, che vengono poi pompati via da una pompa a vuoto, raggiungendo l'obiettivo di pulire la superficie e migliorare la bagnabilità e l'adesione. Il trattamento al plasma a bassa temperatura interessa solo la superficie superficiale (<10 nm) del materiale e non influisce sulle proprietà del materiale sfuso. Poiché la pulizia del plasma viene eseguita sotto alto vuoto, i vari ioni attivi nel plasma hanno un lungo percorso libero medio e le loro capacità di penetrazione e permeazione sono forti, consentendo il trattamento di strutture complesse, inclusi tubi sottili e fori ciechi.

2) Introduzione di gruppi funzionali: il trattamento al plasma di materiali polimerici con gas come N2, NH3, O2 e SO2 può alterare la composizione chimica della superficie e introdurre nuovi gruppi funzionali corrispondenti: -NH2, -OH, -COOH, -SO3H, ecc. Questi gruppi funzionali possono trasformare substrati completamente inerti come polietilene, polipropilene, polistirene e politetrafluoroetilene in materiali funzionalizzati, migliorando la polarità superficiale, la bagnabilità, la legabilità, la reattività e aumentando notevolmente la il loro valore d'uso. A differenza del plasma di ossigeno, il trattamento al plasma a bassa temperatura con gas contenenti fluoro può introdurre atomi di fluoro sulla superficie del substrato, conferendo idrofobicità al substrato.

3) Polimerizzazione: molti monomeri vinilici, come l'etilene e lo stirene, possono subire polimerizzazione sulla superficie dei pezzi in condizioni di plasma senza la necessità di altri catalizzatori o iniziatori. Anche le sostanze che non possono essere polimerizzate in condizioni convenzionali, come metano, etano e benzene, possono subire una polimerizzazione reticolante sulla superficie dei pezzi in condizioni di plasma. Questo strato polimerizzato può essere molto denso e fortemente legato al substrato. In paesi stranieri, le bottiglie di birra in plastica e i serbatoi di carburante delle automobili vengono rivestiti con uno strato così denso attraverso la polimerizzazione al plasma per prevenire microperdite. Anche la superficie dei materiali polimerici biomedici può essere rivestita con questo strato denso per impedire la diffusione di sostanze tossiche come i plastificanti dalla plastica nei tessuti umani. I componenti ottici possono spesso essere rivestiti con una pellicola ottica appropriata sulla loro superficie attraverso misure di polimerizzazione al plasma, al fine di migliorare le prestazioni dei componenti ottici.

4) Innesto indotto dal plasma:

Il processo prevede la generazione di radicali liberi attivi sulla superficie dei materiali polimerici attraverso il pretrattamento al plasma, che innesca la polimerizzazione dei monomeri vinilici sulla superficie del materiale. Il plasma può anche indurre reazioni di innesto su alcune superfici irregolari, come le pareti interne delle bottiglie. Selezionando monomeri di innesto appropriati e controllando le condizioni di reazione di innesto appropriate, è possibile modificare l'idrofilicità o idrorepellenza, l'adesione, la resistenza alla corrosione, la resistenza all'usura, la conduttività, la selettività della permeabilità e la biocompatibilità del materiale. Pertanto, l’innesto di plasma è altamente innovativo e presenta grandi prospettive applicative.