1. Co to jest plazma?
Plazma, czwarty stan skupienia, jest zjonizowaną substancją gazową złożoną z atomów, z których część elektronów została odebrana oraz jonów dodatnich i ujemnych powstałych w wyniku jonizacji atomów. Ten zjonizowany gaz składa się z atomów, cząsteczek, grup atomowych, jonów i elektronów. Jego zastosowanie na powierzchni przedmiotów pozwala uzyskać ultraczyste czyszczenie, aktywację powierzchni, trawienie i plazmowe powlekanie powierzchni obiektów.
2. Jak sztucznie pozyskać plazmę?
Plazmę można wytwarzać sztucznymi środkami, takimi jak synteza jądrowa, rozszczepienie jądrowe, wyładowanie jarzeniowe i różne rodzaje wyładowań. Różne rodzaje plazmy można również wytwarzać metodami sztucznego wyładowania, obejmujące głównie: blask (lampy fluorescencyjne), łuk (łuk elektryczny) i wyładowania koronowe (często obserwowane w pobliżu linii wysokiego napięcia). Do precyzyjnego czyszczenia powierzchni, aktywacji i modyfikacji powierzchni, a także obróbki powierzchni materiałów bioinżynieryjnych, tworzyw sztucznych i papieru, najczęściej wykorzystuje się plazmę niskotemperaturową generowaną przez wyładowania jarzeniowe, wyładowania koronowe i wyładowania z barierą dielektryczną.
W polu elektrycznym o wysokiej częstotliwości cząsteczki gazów, takich jak tlen, azot, metan i para wodna, pod niskim ciśnieniem mogą rozkładać się na przyspieszone atomy i cząsteczki podczas wyładowania jarzeniowego. Wytworzone w ten sposób elektrony oraz atomy i cząsteczki zdysocjowane na ładunki dodatnie i ujemne zderzają się z otaczającymi cząsteczkami lub atomami, powodując wzbudzenie elektronów w cząsteczkach i atomach, które same znajdują się w stanie wzbudzonym lub jonowym. W tym momencie stan materii jest w stanie plazmy.
3. Jakie są rodzaje plazmy?
1) Plazma wysokotemperaturowa i plazma niskotemperaturowa. Plazma wysokotemperaturowa odnosi się do w pełni zjonizowanej lub lokalnie zrównoważonej termicznie plazmy, w której temperatura elektronów jest dokładnie równa temperaturze jonów i gazu. Temperatury wszystkich cząstek są prawie identyczne. Temperatura jest niezwykle wysoka, zwykle sięga 10–10 6K 8 (około 100–100 milionów stopni Celsjusza). Plazma niskotemperaturowa znajduje się w nietermicznym stanie równowagi, w którym temperatura elektronów jest znacznie wyższa niż temperatura jonów i cząstek obojętnych. Ze względu na nadmierną intensywność oddziaływania plazmy wysokotemperaturowej na powierzchnię przedmiotów, jest ona rzadko wykorzystywana w zastosowaniach praktycznych, a obecnie stosuje się wyłącznie plazmę niskotemperaturową.
2) Plazma gazów reaktywnych i niereaktywnych. Klasyfikacja ta opiera się na właściwościach chemicznych gazów używanych do wytwarzania plazmy. Do gazów niereaktywnych zalicza się argon (Ar), azot (N2), fluorek azotu (NF3), tetrafluorek węgla (CF4) itp., natomiast do gazów reaktywnych zalicza się tlen (O2), wodór (H2) itp. Mechanizmy reakcji różnych rodzajów gazów podczas procesu czyszczenia są różne, przy czym plazma gazów reaktywnych wykazuje silniejszą reaktywność chemiczną.
4. Jakie są oddziaływania pomiędzy plazmą i powierzchnią obiektu?
Reakcja chemiczna pomiędzy plazmą a powierzchnią przedmiotu obrabianego znacznie różni się od konwencjonalnych reakcji chemicznych. W wyniku bombardowania szybkimi elektronami wiele gazów lub par stabilnych w temperaturze pokojowej może reagować z powierzchnią przedmiotu obrabianego w postaci plazmy, dając wiele unikalnych i użytecznych efektów:
1) Czyszczenie i trawienie: Na przykład podczas czyszczenia często stosuje się tlen jako gaz roboczy. Bombardowany przez przyspieszone elektrony przekształca się w jony tlenu i wolne rodniki, które wykazują silne właściwości utleniające. Zanieczyszczenia na powierzchni przedmiotu obrabianego, takie jak smar, topnik, fotomaska, środek antyadhezyjny i olej stemplowy, są szybko utleniane do dwutlenku węgla i wody, które następnie są pompowane za pomocą pompy próżniowej, osiągając cel, jakim jest oczyszczenie powierzchni oraz poprawa zwilżalności i przyczepności. Obróbka plazmą niskotemperaturową obejmuje jedynie płytką powierzchnię (<10 nm) materiału i nie wpływa na właściwości materiału sypkiego. Ponieważ czyszczenie plazmowe odbywa się w wysokiej próżni, różne aktywne jony w plazmie mają długą średnią swobodną drogę, a ich zdolność penetracji i przenikania jest duża, co umożliwia obróbkę złożonych struktur, w tym cienkich rurek i ślepych otworów.
2) Wprowadzenie grup funkcyjnych: Obróbka plazmowa materiałów polimerowych gazami takimi jak N2, NH3, O2 i SO2 może zmienić skład chemiczny powierzchni i wprowadzić odpowiednie nowe grupy funkcyjne: -NH2, -OH, -COOH, -SO3H itp. Te grupy funkcyjne mogą przekształcić całkowicie obojętne podłoża, takie jak polietylen, polipropylen, polistyren i politetrafluoroetylen, w materiały funkcjonalizowane, zwiększając polarność powierzchni, zwilżalność, zdolność wiązania, reaktywność i znacznie zwiększając ich wartość użytkową. W przeciwieństwie do plazmy tlenowej, obróbka plazmą niskotemperaturową gazami zawierającymi fluor może wprowadzić atomy fluoru na powierzchnię podłoża, nadając podłożu hydrofobowość.
3) Polimeryzacja: Wiele monomerów winylowych, takich jak etylen i styren, może ulegać polimeryzacji na powierzchni przedmiotów obrabianych w warunkach plazmy bez potrzeby stosowania innych katalizatorów lub inicjatorów. Nawet substancje, których nie można polimeryzować w konwencjonalnych warunkach, takie jak metan, etan i benzen, mogą ulegać sieciującej polimeryzacji na powierzchni przedmiotów obrabianych w warunkach plazmy. Ta spolimeryzowana warstwa może być bardzo gęsta i silnie związana z podłożem. Za granicą plastikowe butelki po piwie i zbiorniki paliwa samochodowego pokrywa się gęstą warstwą w procesie polimeryzacji plazmowej, aby zapobiec mikrowyciekom. Powierzchnię biomedycznych materiałów polimerowych można również pokryć tą gęstą warstwą, aby zapobiec przedostawaniu się toksycznych substancji, takich jak plastyfikatory, z plastiku do tkanek ludzkich. Elementy optyczne można często pokryć odpowiednią warstwą optyczną na ich powierzchni za pomocą polimeryzacji plazmowej, aby poprawić działanie elementów optycznych.
4) Przeszczep indukowany plazmą:
Proces polega na wytworzeniu aktywnych wolnych rodników na powierzchni materiałów polimerowych poprzez wstępną obróbkę plazmową, która powoduje polimeryzację monomerów winylowych na powierzchni materiału. Plazma może również wywoływać reakcje szczepienia na niektórych nieregularnych powierzchniach, takich jak wewnętrzne ścianki butelek. Wybierając odpowiednie monomery szczepiące i kontrolując odpowiednie warunki reakcji szczepienia, można zmienić hydrofilowość lub wodoodporność, przyczepność, odporność na korozję, odporność na zużycie, przewodność, selektywność przepuszczalności i biokompatybilność materiału. Dlatego też szczepienie plazmowe jest wysoce innowacyjne i ma ogromne perspektywy zastosowania.
