纤维膜等离子体处理改性原理-plasma

等离子体由带电粒子(电子和离子)、激发原子(自由基，亚稳态分子)和光子 的混合物组成，离子、电子、激发原子等物质会对纤维表面进行轰击，等离子体中的各种活性粒子撞击材料表面并诱发能量交换，导致许多物理和化学反应的发生，实现针对纤维膜的表面改性。等离子体与纤维膜表面的相互作用原理，根据反应类型可细分为以下四类：

清洗作用

通常有机材料在加工过程中会使用一定的填料或添加剂，导致材料表面堆积形成表面杂质层，等离子体处理可以有效去除纤维表面的杂质，等离子体对纤维膜的清洗作用是通过热效应、刻蚀作用以及电子、离子和自由基引起的化学反应协同实现的。由于等离子体中处理纤维膜表面会受到电子、离子轰击和等离子体辐射的加热，刻蚀作用可去除表面的悬浮颗粒，对纤维膜的清洁起到主要作用。另外，等离子体产生的化学物质在纤维膜的表面吸附和解吸，从而通过化学反应清洁纤维表面。作为干法去除杂质的方法，处理过程中不会产生废液，不会造成环境污染。

表面功能化

低温等离子体处理使用等离子体气体来修饰纤维表面，经电场传递能量后的气体电子被加速与中性气体分子或原子碰撞，碰撞会产生大量具有极高能量和活化作用的自由基，进而反应气体被激发产生活性粒子。等离子体产生高能量的离子和光子提供高于共价C-C或C-H键能的能量，然后轰击破坏了纤维膜表面的C-C或C-H键，导致C自由基的形成。当选用不同的处理气氛，可以在纤维表面引入不同类型的反应基团。采用含F、Si或Cl的气体或化学试剂蒸气作为反应物，与非反应性载气混合进行放电，可在纤维表面引入疏水基团。当纤维膜被非反应性气体(N2、和He)或反应性气体(02和NH3)产生的等离子体处理时，纤维表面可以引入一些反应性基团导致呈现亲水性。

刻蚀作用

随着等离子体处理时间的增加，纤维表面的弱边界往往被等离子体中的块状粒子的轰击和溅射去除。此时，纤维表面形貌发生变化，表面粗糙度增大，可以依据SEM图像直观观察到纤维膜表面出现了许多明显的缝隙。因此，为避免对纤维膜基底的损伤，通常选用较低的电压或气体消耗下进行。当等离子体处理时间过长时，间隙深度达到数十至数百纳米。

接枝聚合

通过等离子体预活化纤维膜表面，可在原纳米纤维表面接枝聚合材料以形成新的表面。具体包括以下步骤：气相中的有机前体活化，将所得反应性成膜物质传输到基材表面，以及表面上的聚合物生长。需要注意的是，聚合过程总是与蚀刻效应相伴随。事实上，它们是同时发生的两个竞争过程。

根据所用单体及其物质的不同，纤维表面聚合主要有三种方法：(1)气液相直接聚合，处理后的纳米纤维在真空环境下聚合并接枝液相单体，不与空气接触。(2)气相直接聚合，经过等离子体处理后，将气相单体引入直接与纳米纤维接触，发生聚合接枝反应。(3)氧化间接接枝，经等离子体处理的纤维膜与空气或02连接形成氧化物，然后聚合并接枝液相单体。与气液相接枝相比，气相接枝具有单体利用率高和干法等离子体处理的优点，但也存在单体浓度小，导致接枝率低的问题。相较于表面处理法仅新的表面活性层，进而改变纤维表面特性，但贮存时间较短。因此，采用氧化间接接枝聚合法可在纤维表面引入以共价键和基体相结合的高分子，有效提升结合强度。

相较于化学改性，等离子体改性是一种干式改性方法，只引起被纤维膜50～100am表层的物理或化学变化。在不改变纤维膜基体优良性能的同时，能赋予其新的特性。