低温等离子在材料表面改性中的应用

低温等离子在材料表面改性中的应用

邱华

（西南交通大学,成都,610031）

摘要:低温等离子体技术具有工艺简单、操作方便、加工速度快、处理效果好、环境污染小、节能等优点，在表面改性中广泛的应用。本文简要阐述了等离

子的概念、分类、产生方法及原理和等离子表面改性的应用，尤其是重点讲述了

低温等离子在生物医用材料表面改性中的应用。

关键词:等离子体表面改性生物医用材料

Application of non-thermal plasma technology

to surface modification of

materias

Abstract:Non-thermal Plasma has the advantages of simple process, easy operation, fast processing speed, good treatment effect, little environmental pollution, energy conservation, etc.So it has a wide range of applications in surface modification.This article briefly describes the concepts of ions, classification, the method and principle of the generation of plasma , the applications of plasma surface modification, especially focuses on the applications of non-thermal plasma surface modification in biology and medical materials.

Key words: plasma ;surface modification; biology and medical materials

目录

引言

1等离子的基本知识

1.1等离子概念

1.2等离子分类

2等离子产生方法及原理

2.1辉光和电晕放电

2.2射频和微波放电

2.3介质阻挡放电

3等离子表面改性的应用

3.1纺织材料表面改性

3.1.1 天然纤维改性

3.1.2合成纤维改性

3.2金属材料表面改性

3.2.1 等离子体化学气相沉积（PCVD）

3.2.2 双层辉光离子渗金属技术

3.2.3 离子注入技术

3.3橡胶塑料表面改性

3.4等离子在生物材料表面改性的应用

3.4.1低温等离子体聚合

3.4.2低温等离子体表面处理

3.4.3低温等离子体接枝聚合

4结语

5 参考文献

引言

20世纪七八十年代起，等离子体在对金属、微电子、聚合物、生物功能材料、低温灭菌及污染治理等诸多领域的应用研究开始蓬勃发展，形成向多学科交叉的研究方向。80年代后期，组织工程概念的提出对生物材料的生物相容性提出了更高的要求。为此，多种物理、化学和生物的方法被用于生物材料的表面改性，如化学修饰、离子注入、表面涂膜、自组装单分子层方法等。与这些方法相比，等离子体表面改性具有工艺简单、易控制、无污染、不影响基体材料的性质、适用于各种形状的材料表面且具有较强的灭菌消毒作用等优点，因而成为生物材料表面改性的有效手段之一。

1 等离子基本知识

1.1 等离子概念[1]

等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子、电子、原子和分子。当物质受到外加能量（磁、电、热……）作用后，原子中外层电子的势能急速下降，最后脱离核场的束缚而逃逸到远处，这就是电离。此时，原子变成为两个带电荷的粒子，即负电荷的电子和正电荷的离子。如果所有组成物质的分子或原子完全被电离成离子和电子（图1），就改变了原来的形态，成为物质的第四种形态——等离子体态。

物质在等离子体状态下具有很高的能量，并且所有的粒子都带电荷。而从宏观上讲，其电荷为中性，即:n e= n i（n e为电子密度；n i为离子密度），故得名等离子体。

1.2 等离子分类[2]

等离子体化学反应中，电子和离子的能量状态用电子温度Te和离子温度Ti 表示，一般分为Te≈Ti和Te» Ti的情况。

Te≈Ti称为平衡等离子体（Equilibrium plasma）或高温等离子体（Thermal plasma）。由于等离子体辐射损失能量，而又不易以相同的机制补充，要达到严格意义上的热平衡状态，条件非常苛刻，只有在星球内部或核反应等情况下存在。实验中比较容易达到的是局部热力学平衡状态（Local Thermal Equilibrium），这时各种粒子温度近似相等，组成也接近平衡组成。一般在较高压力的条件下形成。

Te>>Ti称为非平衡等离子体（Non-thermal equilibrium plasma）或低温等离子体（Cold plasma）。在低温等离子体中，电子温度一般要高达数万度，而其它粒子的温度只有300~500K。

低温等离子体的这种非平衡性一方面使电子有足够高的能量激发、离解和电离反应物分子，可激活高能量水平的化学反应；另一方面又让反应体系保持低温乃至接近室温。这样一来不仅设备投资少、省能源，在普通的化学实验室里易于实现。非平衡态的意义还在于可克服热力学与动力学因素的相互制约，因此低温等离子体是等离子体化学与工艺中的主要内容。

2等离子产生方法及原理[3]

2.1 辉光和电晕放电

辉光放电是在外加电压超过气体的着火电压、限流电阻较大的情况下产生的放电。电晕放电是使用曲率半径很小的电极，如针状电极或细线状电极，并在电极上加高电压，由于电极的曲率半径很小，而靠近电极区域的电场特别强，电子逸出阳极，发生非均匀放电，称为电晕放电。两者比较起来，辉光放电比较稳定，对材料的作用比较均匀，改性的效果比较好，但辉光放电是在低气压下进行的，设备价格较昂贵，且很难实现连续化处理，所以受到一定的限制；电晕放电是在常压下进行的，设备价格较低，可实现连续化处理，因此有人也在尝试用它来对材料表面进行改性，但其对材料作用的均匀程度目前还无法令人满意。