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常压等离子体在材料方面的应用

发表时间:2021-12-17 08:55作者:俞茂兰

常压等离子体在材料方面的应用

俞茂兰 

长安大学材料科学与工程学院, 陕西西安 710061 

摘 要 : 常压等离子处理技术是近年来兴起的一项清洁高效的表面处理技术。 材料本身的多样性决定了材料在工程领域、 科技领域及生活领域应用的多样性 。 常压等离子技术并不改变材料的整体特性而仅改变材料的表面特性 。 该技术不仅可以用于金属材料表面改性, 提高金属材料表面的力学性能, 而且可以用于改善高分子材料的表面粗糙度、 亲水性和接枝率等性能 ; 另外,常压等离子处理技术在生物材料应用方面也具有很高的价值 。

关键词 : 常压等离子体 ; 表面处理 ; 金属 ; 高分子 ; 生物材料 

中图分类号 : 0536  文献标识码 : A  文章编号 : 1671-5586 (2015) 28-0025—01 

中文科技期刊数据库(文摘版 ) 工程技术   2015年6月


等离子体是物质存在的第四态 , 广泛存在于自然界中, 如极光、 闪电、 宇宙中的星云等 。 等离子中含有中性分子、 离子 、自由电子和各种激发态的粒子 , 对外不显电性 。 与传统的低温等离子体相比,常压等离子体具有操作简单 , 设备成本低 , 活性粒子含量高 , 能耗低等优点, 因而被广泛用于等离子体刻蚀 、表面改性 、 环境工程及物品表面灭菌等方面 。

1 常压等离子技术在金属材料方面的应用 

等离子技术用于金属材料表面改性时 , 能够有效改善材料表面的耐磨性 、 耐蚀性 , 从而提高材料的使用性能和使用寿命 。人们可采用多种表面处理技术 , 如表面渗扩 、 离子喷涂等技术进行表面改性 。 

1. 1 表面渗扩技术

等离子表面渗扩技术Ⅲ是利用低真空气体辉光放电产生的离子轰击待处理金属或合金表面 , 加热工件至所需的温度 ,使某一种或几种元素渗入工件的表面并向内部扩散, 改变工件表面材料的化学成分和组织结构 , 赋予工件表面特殊的性能 ,延长工件寿命的表面强化技术。 与常规化学热处理相比, 等离子渗扩技术具有突出的优点, 如 : 渗层质量好 、表面强化效果突出、工件的变形小、效率高、无污染等 。常压等离子渗扩技术可有效提高零件的耐磨性、 耐蚀性和耐疲劳性能。

1. 2 喷涂技术

大气等离子喷涂技术是常用的表面处理方式之一, 其优点是极高的喷涂速 (500m/S) 与温度 (15000K)。 等离子喷涂有非转移弧和转移弧两个电源, 喷涂时先对非转移弧电路通电,在非转移弧与喷嘴之间形成非转移弧 , 然后对转移弧电路通电,利用非转移弧引燃转移弧。 转移弧被引燃后 ,产生大量的热量 ,同时填充材料按预先设定的量不断吹入电弧中 , 随即被融化 ,溶入工件, 冷却后形成所需涂层 。 由于等离子喷涂火焰温度高, 可融化各种材料, 因此在热喷涂中占据重要的地位。 等离子喷涂的涂层平整光滑, 厚度精确可控, 涂层孔隙率低, 可以控制在 1%.10% 之间 , 与基体材料结合强度高, 可达 60.70N/ 

lIun 2[2]。


2 常压等离子技术在高分子材料方面的应用

2. 1 增加高分子材料表面的自由基数量

常压等离子处理过程中, 活性粒子撞击表面使分子化学键断裂而产生大量的自由基, 增加了材料表面的活性。 自由基具有反应活性强, 顺磁性, 存在寿命短等特点 。 提高材料表面活性的重要途径之一是增加表面的自由基数量。 等离子处理过程中, 试样表面的自由基浓度受多种因素影响 , 如等离子输出功率 、 处理时长 、 处理高度、 气流速度以及材料的湿度、 回潮率等 。 材料的湿度 、 回潮率越小, 表面的自由基浓度越高[3]。 

2. 2 对高分子材料的刻蚀作用 

等离子处理对高分子材料表面具有刻蚀作用 。 刻蚀过程即表面能变化过程, 一般会发生两种相互抗衡的反应 : 一种是剥离, 即去除材料表面大分子 ; 另一种是再沉积 , 即等离子聚合作用的成膜反应。 剥离和再沉积能引发刻蚀过程中的清洁、 剥离、 交联和表面化学改性四种效应 [4]。 于伟东等运用等离子刻蚀方法对羊毛、 织物进行表面改性 , 结果表明这种方法可有效改善羊毛的抗静电性和导电性 , 提高羊毛纤维的缩绒性和吸湿性 , 有助于硬挺度和丰满度的改善并增加织物的表面摩擦作用[5]。


3 常压等离子技术在生物材料方面的应用 

生物医用材料要求具有良好的生物适应性 , 否则将引起炎症 、 癌症等一系列问题 。 生物适应性又分为血液适应性和组织适应性 。 

低温等离子体具有温度低 、 生物化学活性高等特点, 属于安全 、 简便 、 快速且无毒性残留的灭菌技术 , 应用前景广泛 。但是关于等离子体灭菌的机理有待进一步研究。 国晋菘等采用电子自旋共振(ESR)研究分析等离子体中活性氧(ROS)的成分来探究其对金黄色葡萄球菌的生物学效应[6]。 结果表明等离子体能有效灭活金黄色葡萄球菌 ,10分钟的灭菌率达99%。

等离子体中含有大量的活性氧成分, 而活性氧中存在羟自由基和单线态氧两种活性基 团, 可能的杀菌机制为 : 1) ROS使 细胞膜脂质过氧化 , 导致细胞膜破裂 , 造成真菌死 亡 ; 2) ROS透过细胞膜使细胞 DNA 链氧化断裂 , 导致真菌基因不能正常表达 ; 3) ROS 导致膜内或胞内蛋白质氧化 ,蛋白和酶失去活性 。刘慧 、李海蓉在研究低温等离子体射频流灭活大肠杆菌时提出热效应 、 外加电场 、 高能粒 子、 活性基是过程中的主导杀菌要素 [7]。


4 结语

常压等离子技术广泛应用于金属材料 、 高分子材料和生物医用材料 , 充分显示了其广阔的应用前景 。 但一些关键性问题 ,诸如等离子体的改性机 理、 等离子体中粒子的相互作用规律、适用于多种材料处理的等离子体发生装置等有待进一步研究和开发 。 


参考文献 

[1]朱新河, 严立等 . 常压等离子体表面渗扩技术研究 [J]. 中国 

表 面工程 , 2001, 53 (4) : 30. 33. 

[2]   鲁瑶, 李诗龙 . 等离子 热喷 涂在粮油食 品机械 上的应用 [J]. 

安徽 农业科 学, 2015, 43 (13) : 383.384. 

[3]   孙洁 . 常压等离子体处理高分子材料诱导自由基及其弓l发 

表 面改性 反应的研究 [D].上海 东华大学, 2011. 

[4]   王春霞 , 常压等离子射流对纺织品表面改性的均匀性和渗 

透性研究 【D]. 上海 . 东华大学, 2008. 

[5]   于伟 东, 张矫崎 .羊 毛的等离子刻蚀改性探 讨 [J]. 高分子材 

料科 学与工程, 1991 (4) : 88. 92. 

[6]   国晋菘, 潘洁等 . 大气压低 温等离子体的活性氧成分分析 

及其杀菌效应研究 [J].北京大学学报, 2012.48 (4) : 533.537. 


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