一种无损伤等离子体表面改性装置和方法

本发明涉及等离子体表面改性领域，特别是涉及一种无损伤等离子体表面改性装置和方法。

背景技术：

1、等离子体表面改性是一种利用等离子体中的紫外线、高能电子、激发态粒子、离子和自由基等活性粒子对材料表面进行物理或化学性质改变的技术，可以改变材料表面官能团种类及数量，调节表面能，从而赋予材料可变的润湿性、粘接性、耐菌性等性能。高分子材料由于其优异的可加工性和使用性能等特点，在生物医学，复合材料等领域有广泛的应用。然而，高分子材料的表面能通常较低，这限制了其在印刷、涂装、粘合等方面的应用。因此，等离子体表面改性可以在不影响高分子材料块材特性的前提下对其表面进行活化，赋予其所需的表面特性。

2、通过不同的工作气体，等离子体表面改性可以实现高分子材料不同类型的表面改变。如，使用氧气或空气作为气源可以在高分子材料表面引入羧基、羟基、醛基、酮基等含氧官能团；使用氮气或氨气作为气源可以在高分子材料表面引入氨基、酰胺基、亚胺基等含氮官能团；使用惰性气体如氩气或氦气作为气源可以在高分子材料表面产生自由基或交联反应。这些不同类型的官能团可以提供不同的化学反应位点或生物识别位点，从而实现高分子材料表面的功能化。cn115332036a公开了一种基于离子注入的等离子体表面改性装置和方法，通过在下电极施加直流脉冲负电压，使等离子体生成区生成的离子在电场作用下加速向下电极运动，实现对被处理材料的离子注入。在通常的等离子体表面改性过程中，等离子体与材料交界面处形成一薄层等离子体鞘层。由于电子迁移率远高于离子，鞘层内部会形成指向被处理材料的强电场。等离子体中离子会在强电场的作用下向被处理物反复轰击，对高分子材料表面产生物理性损伤，如粗糙化，裂纹形成，脱层等效果。这些损伤会降低高分子材料的力学强度和耐久性，并可能影响其在特定应用中的功能。

3、综上所述，等离子体表面活化改性是一种有效的方法，可以在不影响高分子材料块材特性的前提下，改善其表面功能。然而，等离子体表面改性也会对高分子材料表面造成物理刻蚀损伤，影响其力学强度和耐久性。目前并没有避免材料表面物理刻蚀损伤的前提下实现等离子体表面改性方法。

技术实现思路

1、为解决等离子体表面活化改性对高分子材料表面造成物理损伤的问题，本发明提出一种无损伤等离子体表面改性装置和方法。

2、本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

3、一种无损伤等离子体表面改性装置，包括高压电极、直流脉冲电压电极以及位于所述高压电极与所述直流脉冲电压电极之间的多孔地电极；其中，所述高压电极与所述多孔地电极之间施加交流电压或脉冲电压以生成等离子体，所述等离子体中的电子、离子和自由基可穿过所述多孔地电极；其中，所述直流脉冲电压电极与所述多孔地电极之间施加指向所述多孔地电极的脉冲电场，在脉冲持续时间，所述电子在电场作用下向待处理样品轰击，在样品表面形成激发态和/或未成键粒子，而在脉冲间隙时间，吸附在样品表面的电子与所述多孔地电极之间会形成指向样品的反向电场，所述离子和/或自由基运动到样品表面，与样品表面的激发态或/或未成键粒子发生键合，接枝形成基团。

4、在一些实施例中，所述直流脉冲电压的占空比优选为50％以下。

5、在一些实施例中，所述直流脉冲电压的幅值优先为10v以上。

6、在一些实施例中，所述直流脉冲电压的频率优选为1000hz以上。

7、在一些实施例中，所述直流脉冲电压的处理时间优选为10s以上。

8、在一些实施例中，所述高压电极和所述直流脉冲电压电极朝向所述多孔地电极的一面还分别设有介质阻挡材料。

9、在一些实施例中，所述待处理样品为高分子材料等包含共价键的非金属材料。

10、本发明还提出一种使用所述的装置的无损伤等离子体表面改性方法，包括如下步骤：

11、s1、在所述高压电极与所述多孔地电极之间施加交流电压或脉冲电压以生成等离子体，所述等离子体中的电子、离子和自由基可穿过所述多孔地电极；

12、s2、在所述直流脉冲电压电极与所述多孔地电极之间施加指向所述多孔地电极的脉冲电场，在脉冲持续时间，所述电子在电场作用下向待处理样品轰击，在样品表面形成激发态和/或未成键粒子，而在脉冲间隙时间，吸附在样品表面的电子与所述多孔地电极之间形成指向样品的反向电场，所述离子和/或自由基运动到样品表面，与样品表面的激发态和/或未成键粒子发生键合，接枝形成基团。

13、在一些实施例中，根据需要选取用于生成等离子体的不同气体组份及比例。

14、在一些实施例中，根据需要选取所述直流脉冲电压的占空比、幅值、频率和处理时间。

15、本发明与现有技术对比的有益效果包括：

16、本发明提出的等离子体表面改性装置在等离子体中的电子、离子和自由基穿过多孔地电极时，在直流脉冲电压电极与多孔地电极之间施加指向多孔地电极的周期性脉冲电场；在脉冲持续时间，电子在电场作用下向待处理样品轰击，在样品表面形成激发态和/或未成键粒子；在脉冲间隙时间，吸附在样品表面的电子与多孔地电极之间会形成指向样品的反向电场，离子和/或自由基运动到样品表面，与样品表面的激发态和/或未成键粒子发生键合，接枝形成基团，产生接枝效果，实现了一种在样品表面前期进行高能电子活化、后期进行离子/自由基键合的分阶段表面改性的效果，由此，本发明有效避免了现有技术的方法使等离子体直接与待处理样品接触过程中形成等离子体鞘层且鞘层中的高能离子对待处理样品表面的物理性刻蚀的问题，实现了无损伤的等离子体表面改性效果，由于不会对样品材料表面造成物理刻蚀损伤，有利于提高其力学强度和耐久性。本发明可应用在所有需要对材料表面进行改性的技术领域，重点可为高分子材料。

17、本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。

技术特征：

1.一种无损伤等离子体表面改性装置，其特征在于，包括高压电极、直流脉冲电压电极以及位于所述高压电极与所述直流脉冲电压电极之间的多孔地电极；其中，所述高压电极与所述多孔地电极之间施加交流电压或脉冲电压以生成等离子体，所述等离子体中的电子、离子和自由基可穿过所述多孔地电极；其中，所述直流脉冲电压电极与所述多孔地电极之间施加指向所述多孔地电极的脉冲电场，在脉冲持续时间，所述电子在电场作用下向待处理样品轰击，在样品表面形成激发态和/或未成键粒子，而在脉冲间隙时间，吸附在样品表面的电子与所述多孔地电极之间会形成指向样品的反向电场，所述离子和/或自由基运动到样品表面，与样品表面的激发态或/或未成键粒子发生键合，接枝形成基团。

2.如权利要求1所述的无损伤等离子体表面改性装置，其特征在于，所述直流脉冲电压的占空比优选为50％以下。

3.如权利要求1所述的无损伤等离子体表面改性装置，其特征在于，所述直流脉冲电压的幅值优先为10v以上。

4.如权利要求1所述的无损伤等离子体表面改性装置，其特征在于，所述直流脉冲电压的频率优选为1000hz以上。

5.如权利要求1所述的无损伤等离子体表面改性装置，其特征在于，所述直流脉冲电压的处理时间优选为10s以上。

6.如权利要求1至5任一项所述的无损伤等离子体表面改性装置，其特征在于，所述高压电极和所述直流脉冲电压电极朝向所述多孔地电极的一面还分别设有介质阻挡材料。

7.如权利要求1至6任一项所述的无损伤等离子体表面改性装置，其特征在于，所述待处理样品为高分子材料等包含共价键的非金属材料。

8.一种使用如权利要求1至7任一项所述的装置的无损伤等离子体表面改性方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.如权利要求8所述的装置的无损伤等离子体表面改性方法，其特征在于，根据需要选取用于生成等离子体的不同气体组份及比例。

10.如权利要求8或9所述的装置的无损伤等离子体表面改性方法，其特征在于，根据需要选取所述直流脉冲电压的占空比、幅值、频率和处理时间。

技术总结
一种无损伤等离子体表面改性装置和方法，包括高压电极、直流脉冲电压电极及多孔地电极；其中，高压电极与多孔地电极之间施加交流电压或脉冲电压以生成等离子体，等离子体中的电子、离子和自由基可穿过多孔地电极；其中，直流脉冲电压电极与多孔地电极之间施加指向多孔地电极的脉冲电场，在脉冲持续时间，电子在电场作用下向待处理样品轰击，在样品表面形成激发态和/或未成键粒子，而脉冲间隙时间，吸附在样品表面的电子与多孔地电极之间会形成指向样品的反向电场，离子和/或自由基运动到样品表面，与样品表面的激发态和/或未成键粒子发生键合，从而在接枝形成基团时避免对样品表面造成物理刻蚀损伤。

技术研发人员：崔伟胜,张若兵
受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14