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1、等离子体表面处理技术的原理及应用前言： 随着高科技产业的讯速发展，各种工艺对使用产品的技术要求越来越高。 等离子表面处理技术的出现，不仅改进了产品性能、提高了生产效率，更随着高 科技产业的迅猛发展，各种工艺对使用产品的技术要求也越来越高。这种材料表 面处理技术是目前材料科学的前沿领域，利用它在一些表面性能差和价格便宜的 基材表面形成合金层，取代昂贵的整体合金，节约贵金属和战略材料，从而大幅 度降低成本。正是这种广泛的应用领域和巨大的发展空间使等离子表面处理技术 迅速在国外发达国家发展起来。一、 等离子体表面改性的原理等离子，即物质的第四态，是由部分电子被剥夺后的原子以及原子被电离 后产生的正负
2、电子组成的离子化气状物质。它的能量范围比气态、液态、固态物 质都高，存在具有一定能量分布的电子、离子和中性粒子，在与材料表面的撞击 时会将自己的能量传递给材料表面的分子和原子，产生一系列物理和化学过程。 其作用在物体表面可以实现物体的超洁净清洗、物体表面活化、蚀刻 、精整以 及等离子表面涂覆。二、 等离子体表面处理技术的应用1、在工艺产业方面的应用1）、在测量被处理材料的表面张力表面张力测定是用来评估材料表面是否能够获得良好的油墨附着力或者粘 接附着品质的重要手段。为了能够评估等离子处理是否有效的改善了表面状态， 或者为了寻求最佳的等离子表面处理工艺参数，通常通过测量表面能的方式来测 定表面，
3、比如使用 Plasmatreat 测试墨水。最主要的表面测定方式包括测试墨 水，接触角测量以及动态测量评价表面状态低表面能, 低于 28 mN/m良好的表面附着能力，高表面能2）预处理-Openair等离子技术，对表面进行清洗、活化和涂层处理的高 技术表面处理工艺常压等离子处理是最有效的对表面进行清洗、活化和涂层的处理工艺之一， 可以用于处理各种材料，包括塑料、金属或者玻璃等等。使用Openair等离子技术进行表面清洗，可以清除表面上的脱模剂和添加 剂等，而其活化过程，则可以确保后续的粘接工艺和涂装工艺等的品质，对于涂 层处理而言，则可以进一步改善复合物的表面特性。使用这种等离子技术，可以 根
4、据特定的工艺需求，高效地对材料进行表面预处理。使用等离子技术在后续加工过程前使用等离子聚合工艺清洗玻璃活化聚丙烯材料进行表面涂层处理2、等离子表面改性技术在工业上的应用1）等离子渗碳该工艺是目前渗碳领域中较先进的工艺技术,是快速、优质、低能耗及无污染 的新工艺。等离子渗碳具有高浓度渗碳、高渗层渗碳以及对于烧结件和不锈件钢 等进行渗碳的能力。渗碳速度快,渗层碳浓度和深度容易控制,渗层致密性好。渗 剂的渗碳效率高,渗碳件表面不产生脱碳层,无晶界氧化,表面清洁光亮,畸变小。 处理后的工件耐磨性和疲劳强度均比常规渗碳高。2）等离子束气缸内壁硬化处理利用高能量密度的等离子束对原来无法进行常规处理的内燃机
5、气缸内壁进行 超快速加热熔凝淬火,形成细密的白口及马氏体高硬度组织,大幅度提高气缸内 壁的耐磨性。原机械部规定,未经处理的成品,优等品缸套台架试验寿命为 5kh, 而经过等离子内表面硬化的缸套寿命高达 9kh。3）等离子渗金属在低真空下,利用辉光放电即低温等离子轰击的方法,可使工件表面渗人金属 元素。如渗 AI、Mo、W、Ti 等,还可以进行多种元素的复合渗和表面合金化处理, 可获得更好的表面性能。如 10 钢等离子渗后再渗 W 的 34 倍,耐蚀性是只渗的一 倍碳素钢经等离子渗后再,表面硬度达 1600HV 左右。4）等离子多元渗硼 用高能等离子束在常压下快扫描涂敷多元渗硼膏剂的钢管内表面,
6、可实现多 元渗硼及自激冷淬火,获得多元渗硼 淬火复合硬化层。检测结果表明,硬化层具 有较高的硬度及合理 的硬度梯度,耐磨性及 耐蚀性有显著提高。5）等离子渗氮该工艺在模具上的应用已很普遍,如钢压铸模、钢压延模、钢冷挤压模、钢热 锻模经离子渗氮处理后的寿命一般可提高 24 倍3、在医用高分子领域的作用1） 增强抗菌性随着生物医学的飞速发展，每年都有大量的人工器官或部件植入人体,但半数 以上的植入物有感染，死亡率在50%60%。特别是人工瓣膜心内膜炎，对于瓣 膜置换的病人往往是一个灾难性的后果。以往预防生物材料感染为中心的研究集 中于细菌污染、 细菌的毒力、 侵入途径、病人的抵抗力等方面。近来一些
7、研究 表明，引起这种感染的初始动因就是细菌粘附在材料表面。表皮葡萄球菌是最常 见和最严重的人工心脏瓣膜感染致病菌。研究人员发现以氩等离子体对医用硅橡 胶反复进行处理，可明显降低细菌的粘附和生长。西南交通大学黄楠等人在不同 工作条件下，使用乙炔对人工心瓣膜用聚对苯二甲酸乙二醇酯进行等离子体浸没 离子束沉积，提高材料表面的亲水性,对改性后的材料，做细菌的动态粘附实验, 结果表明其抗细菌粘附能力有显著的提高。2) 改善细胞亲和性 随着高分子科学的迅速发展，人们逐渐将高分子材料用来修复人体的器官或 组织。三维可降解组织工程支架的研究是目前生物材料研究的热点之一,但是目 前所使用的大多数组织工程医用高分
8、子材料属于生物“惰性”材料，不能为种子 细胞的附着和生长提供良好的生物界面。为了使材料具有良好的细胞亲和性, 需 对材料进行表面改性。与其它表面改性方法相比，等离子体法既能较容易地在材 料表面引入特定的官能团或其它高分子链,还可避免因加工而使支架材料表面改 性效果降低或丧失的优点。国内外曾有多个课题组研究了不同气体等离子体对医 用高分子材料表面细胞亲和性的影响。实验表明， 各种含氮等离子体 (气态酰 胺,胺基化合物及氨气)处理后，能在材料表面引入氨基，促进了细胞的粘附和 生长，同时材料表面氨基的数量和密度对于细胞的粘附有重要影响。但是简单的 等离子体表面处理只能在短时间内赋予材料一定的细胞相容
9、性，由于等离子体处 理效果的时效性， 在材料表面引入的功能基团会逐渐向表面内运动和翻转。为 了获得持久的表面改性效果，大多采用等离子体聚合和等离子体接枝对医用高分 子材料进行表面修饰。此外近来也有课题组采用等离子体化学气相沉积对医用高 分子材料进行表面修饰以提高材料的细胞亲和性。3) 提高抗凝血性能 对于应用于临床的生物医用材料来说，材料的抗凝血性能十分重要，而对于 植入体内与血液相接触的医用材料来说，其抗凝血性能更是至关重要，很多医用 材料就是因为抗凝血性的不足，而限制了其在临床及生物医学领域的应用。从第 一代血液相容性生物医用材料问世，至今已逾 40 年，但目前仍没有能完全符合 临床要求的
10、抗凝血医用材料。近些年来国内外的一些研究小组开始尝试利用等离 子体技术对医用高分子材料表面进行改性，期望在保持材料原有的优异的力学机 械性能的基础上，赋予材料良好的抗凝血性能。如采用等离子体表面磺酸化技术 在高分子材料表面引入了磺酸基，从而提高了材料的抗凝血性能；利用等离子体 技术实现肝素在医用高分子材料表面高活性的固定；将等离子体技术与紫外接枝 联用，在医用高分子材料表面固定具有抗凝血性能的生物大分子。4) 等离子体灭菌现代医疗卫生在为人类健康做出贡献的同时 ,也因致病微生物在公众场所的 集中性、易传播性为人类带来了一定的隐患。在对抗病菌的战斗中,杀菌消毒方 法始终是一个重要研究内容。低温等
11、离子体杀菌消毒技术有一定的特点: 与高压 蒸汽灭菌、干热灭菌相比,灭菌时间短；与化学灭菌相比, 操作温度低；能够广 泛应用于多种材料和物品的灭菌；产生的各种活性粒子能够在数毫秒内消失,所 以无需通风,不会对操作人员构成伤害,安全可靠。当然，等离子体方法所导致的 材料表面化学性质的变化也使得该方法具有一定的复杂性。通过等离子体照射医 用高分子材料 , 往往可以将材料的前期处理和杀菌消毒一步实现 , 为人工脏器 移植、组织材料培养提供了新的方案。5) 形成阻隔膜 大量实验表明聚合物中的增塑剂、填充剂、抗氧化剂、引发剂和残余单体会 对人体造成危害。采用等离子体聚合或等离子体接枝可在医用高分子表面形成
12、一 层阻隔膜，从而降低有害物质的渗透性，阻止聚合物中低分子量添加剂的泄漏。 国外一些研究者以此制备出抗渗漏型生物材料，通过等离子体聚合膜成功地降低 了二辛酞酸酯（增塑剂） 从聚氯乙烯中渗到血液中的量，采用四甲基二硅氧烷等 离子体聚合物镀膜也可阻止聚氯乙烯管的浸出物。通过等离子体聚合在高分子微 胶囊表面形成阻隔膜，以形成的聚合膜作为一道限速屏障，可以控制药物释放速 度。相当于在微胶囊表面加上一件外衣，但不会影响材料本身的性能。结语：等离子表面处理技术能够在材料科学、高分子科学、生物医药材料学、 微流体研究、微电子机械系统研究、光学、显微术和牙科医疗等领域得到广泛应 用。因此，此技术在各个领域具有不可估量的发展前景。
