1. Что такое плазма?
Плазма, четвертое состояние вещества, представляет собой ионизированную газообразную субстанцию, состоящую из атомов с оторванным некоторым количеством электронов, а также положительных и отрицательных ионов, образующихся после ионизации атомов. Этот ионизированный газ состоит из атомов, молекул, атомных групп, ионов и электронов. Его применение на поверхности объектов позволяет добиться сверхчистой очистки, активации поверхности, травления и плазменного покрытия поверхности объектов.
2. Как искусственно получить плазму?
Плазму можно генерировать искусственными методами, такими как ядерный синтез, деление ядер, тлеющий разряд и различные типы разрядов. Различные типы плазмы также могут быть получены с помощью методов искусственного разряда, в основном включая: тлеющий (люминесцентные лампы), дуговой (электрическая дуга) и коронный разряд (часто наблюдаемый вокруг высоковольтных линий). Для прецизионной очистки поверхности, ее активации и модификации, а также обработки поверхности биоинженерных материалов, пластмасс и бумаги чаще всего используется низкотемпературная плазма, генерируемая тлеющим разрядом, коронным разрядом и диэлектрическим барьерным разрядом.
В высокочастотном электрическом поле молекулы газа, такие как кислород, азот, метан и водяной пар, под низким давлением могут разлагаться на ускоренные атомы и молекулы во время тлеющего разряда. Образовавшиеся таким образом электроны, а также атомы и молекулы, диссоциированные на положительные и отрицательные заряды, сталкиваются с окружающими молекулами или атомами, в результате чего происходит возбуждение электронов в молекулах и атомах, которые сами находятся в возбужденном или ионном состоянии. В этот момент состояние вещества находится в состоянии плазмы.
3. Какие виды плазмы существуют?
1) Высокотемпературная плазма и низкотемпературная плазма. Под высокотемпературной плазмой понимают полностью ионизованную или локально термически уравновешенную плазму, в которой температура электронов точно равна температурам ионов и газа. Температуры всех частиц практически одинаковы. Температура чрезвычайно высока, обычно достигая 10–10 6К 8 (приблизительно 100–100 миллионов градусов Цельсия). Низкотемпературная плазма находится в нетепловом равновесном состоянии, где температура электронов значительно превышает температуры ионов и нейтральных частиц. Из-за чрезмерной интенсивности воздействия высокотемпературной плазмы на поверхность объектов она редко используется в практических приложениях, и в настоящее время применяется только низкотемпературная плазма.
2) Плазма химически активных и нереактивных газов. Эта классификация основана на химических свойствах газов, используемых для генерации плазмы. К нереакционноспособным газам относятся аргон (Ar), азот (N2), фторид азота (NF3), тетрафторид углерода (CF4) и др., а к химически активным газам относятся кислород (O2), водород (H2) и др. Механизмы реакции разных типов газов в процессе очистки различны, при этом плазма химически активных газов проявляет более сильную химическую активность.
4. Каково взаимодействие плазмы с поверхностью объекта?
Химическая реакция между плазмой и поверхностью заготовки сильно отличается от обычных химических реакций. Благодаря бомбардировке высокоскоростными электронами многие газы или пары, стабильные при комнатной температуре, могут вступать в реакцию с поверхностью заготовки в виде плазмы, производя множество уникальных и полезных эффектов:
1) Очистка и травление. Например, во время очистки в качестве рабочего газа часто используется кислород. При бомбардировке ускоренными электронами он превращается в ионы кислорода и свободные радикалы, которые проявляют сильные окислительные свойства. Загрязнения на поверхности заготовки, такие как смазка, флюс, фоторезист, антиадгезив и пробойное масло, быстро окисляются до углекислого газа и воды, которые затем откачиваются вакуумным насосом, достигая цели очистки поверхности и улучшения смачиваемости и адгезии. Обработка низкотемпературной плазмой затрагивает только неглубокую поверхность (<10 нм) материала и не влияет на свойства объемного материала. Поскольку плазменная очистка выполняется в высоком вакууме, различные активные ионы в плазме имеют большую длину свободного пробега, а их способность проникновения и проникновения высока, что позволяет обрабатывать сложные структуры, включая тонкие трубки и глухие отверстия.
2) Введение функциональных групп. Плазменная обработка полимерных материалов такими газами, как N2, NH3, O2 и SO2, может изменить химический состав поверхности и ввести соответствующие новые функциональные группы: -NH2, -OH, -COOH, -SO3H и т. д. Эти функциональные группы могут превращать полностью инертные субстраты, такие как полиэтилен, полипропилен, полистирол и политетрафторэтилен, в функционализированные материалы, улучшая полярность поверхности, смачиваемость, склеиваемость, реакционную способность и т. д. значительно увеличивая их потребительную ценность. В отличие от кислородной плазмы, низкотемпературная плазменная обработка фторсодержащими газами позволяет ввести на поверхность подложки атомы фтора, придавая подложке гидрофобность.
3) Полимеризация. Многие виниловые мономеры, такие как этилен и стирол, могут подвергаться полимеризации на поверхности заготовок в условиях плазмы без необходимости использования каких-либо других катализаторов или инициаторов. Даже вещества, которые не могут быть полимеризованы в обычных условиях, такие как метан, этан и бензол, могут подвергаться сшивающей полимеризации на поверхности заготовок в условиях плазмы. Этот полимеризованный слой может быть очень плотным и прочно связанным с подложкой. В зарубежных странах таким плотным слоем посредством плазменной полимеризации покрывают пластиковые пивные бутылки и автомобильные топливные баки для предотвращения микропротечек. Поверхность биомедицинских полимерных материалов также может быть покрыта этим плотным слоем, чтобы предотвратить диффузию токсичных веществ, таких как пластификаторы, из пластика в ткани человека. Оптические компоненты часто могут быть покрыты соответствующей оптической пленкой на их поверхности посредством плазменной полимеризации, чтобы улучшить характеристики оптических компонентов.
4) Плазмоиндуцированная трансплантация:
Этот процесс включает генерацию активных свободных радикалов на поверхности полимерных материалов посредством предварительной плазменной обработки, которая запускает полимеризацию виниловых мономеров на поверхности материала. Плазма также может вызывать реакции прививки на некоторых неровных поверхностях, например, на внутренних стенках бутылок. Путем выбора подходящих прививочных мономеров и контроля соответствующих условий реакции прививки можно изменить гидрофильность или водоотталкивающие свойства, адгезию, коррозионную стойкость, износостойкость, проводимость, селективность проницаемости и биосовместимость материала. Таким образом, плазменная трансплантация является весьма инновационной и имеет большие перспективы применения.
