等離子清洗機(jī)對材料改性具有工藝簡單、操作方便、加工速度快、處理效果好、環(huán)境污染小、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn),并可以得到傳統(tǒng)化學(xué)方法難以達(dá)到的處理效果。下面小編介紹等離子體清洗機(jī)在無機(jī)粉體表面改性方面的應(yīng)用。
一、等離子體改性概述
目前,在無機(jī)粉體改性領(lǐng)域應(yīng)用較多的是低溫等離子體。低溫等離子體對無機(jī)粉體表面改性方法通常有等離子體處理、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積和等離子體引發(fā)的接枝聚合等。
1、等離子體處理
等離子體處理是指非聚合性氣體(非反應(yīng)性氣體如He、Ar等和反應(yīng)性氣體如O2、CO2、NH3等)的等離子體對粉體顆粒表面的物理的或化學(xué)的作用過程。處理中,等離子體中的自由基、電子等高能態(tài)粒子與粉體顆粒的表面作用,通過刻蝕與沉積作用發(fā)生降解和交聯(lián)等反應(yīng),在粉體顆粒表面產(chǎn)生極性基團(tuán)、自由基等活性基團(tuán),從而可實(shí)現(xiàn)其親水化等處理。
2、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積
等離子體輔助化學(xué)氣相沉積是指首先通過等離子體表面活化引入活性基團(tuán),然后在粉體顆粒表面構(gòu)建新的表層或形成薄膜。
3、等離子體接枝聚合
等離子體接枝聚合是先對粉體顆粒進(jìn)行等離子體處理,利用表面產(chǎn)生的活性自由基引發(fā)烯類單體在材料表面進(jìn)行接枝聚合。相比材料表面引入的單官能團(tuán),接枝鏈化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,可使材料表面具有長久性的親水性。接枝速率與等離子體處理功率、處理時(shí)間、單體濃度、接枝時(shí)間、溶劑性質(zhì)等因素有關(guān)。
圖2 等離子體接枝聚合處理示意圖
二、等離子體改性無機(jī)粉體的應(yīng)用
隨著無機(jī)粉體應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬,對其性能的要求越來越高,各種改性技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,以求改善其表面化學(xué)性質(zhì),如改變粉體表面結(jié)構(gòu)、改善粉體的分散性和潤濕性、親水性、表面能等,提高其工作性能和效率。
1、改變粉體表面結(jié)構(gòu)
等離子體清洗機(jī)處理粉體表面后,使其結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯變化。研究者采用放電氣壓 16Pa、放電功率 55W 的條件下,用丙烯酸等離子體對TiO2納米顆粒表面處理2h,通過透射電鏡對處理前后的TiO2納米顆粒進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn),經(jīng)改性處理的 TiO2粉體表面生成了一層結(jié)合緊密的有機(jī)物,其厚度為3~5nm,表明通過等離子體聚合在 TiO2粉體的表面沉積了丙烯酸薄膜。
圖3 丙烯酸等離子體清洗機(jī)處理后TiO2納米顆粒應(yīng)用于光催化
研究者利用吡咯等離子體在放電氣壓 25Pa、放電功率 10W 的條件下,對Al2O3納米顆粒處理24min。從 HRTEM 照片中能夠清晰地看到,在不同尺寸Al2O3納米顆粒上的超薄吡咯薄膜,其厚度大約為 2nm,均勻并具有典型的非晶結(jié)構(gòu)。
2、等離子處理設(shè)備改善粉體表面潤濕性
無機(jī)粉體表面通常含有親水性較強(qiáng)的羥基,呈現(xiàn)較強(qiáng)的堿性。其親水疏油的性質(zhì)使粉體與有機(jī)基體的親和性差。為了改善二者之間的相容性,可對粉體進(jìn)行表面改性。 粉體經(jīng)等離子體處理后,其表面將生成一層有機(jī)包覆層,導(dǎo)致表面潤濕性發(fā)生變化。
例如經(jīng)過等離子體清洗機(jī)處理后的碳酸鈣粉體表面接觸角明顯增大,改性后的碳酸鈣粉體表面性質(zhì)由親水性向親油性轉(zhuǎn)變。采用不同的等離子體(甲基丙烯酸酯、丙烯胺、環(huán)乙胺、苯乙烯)處理的碳酸鈣粉體接觸角有較大差別,如下表所示:
等離子體處**氛
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接觸角/(°)
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甲基丙烯酸酯
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63
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丙烯胺
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75
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環(huán)乙胺
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117
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苯乙烯
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127
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在絲網(wǎng)印刷技術(shù)中,制備電子漿料采用的超細(xì)粉體一般是無機(jī)粉體,其表面積大,極易發(fā)生團(tuán)聚形成大的二次顆粒,在有機(jī)載體中難于分散。這將對漿料的印刷性能以及制備的電子元器件性能產(chǎn)生不利影響。采用六甲基二硅氧烷作為等離子聚合單體對玻璃粉體進(jìn)行表面改性,在粉體表面聚合形成了低表面能的聚合物,使表面疏水性增強(qiáng)。當(dāng)形成的聚合物完全覆蓋粉體表面時(shí),接觸角達(dá)到*大,通過改變粉體表面包覆的聚合物的數(shù)量,改變或控制粉體的表面能,改善其在有機(jī)載體中的分散性能。
3、等離子處理設(shè)備改善粉體分散性
采用低溫等離子體清洗機(jī)對無機(jī)粉體進(jìn)行表面改性, 通過反應(yīng)在其表面形成聚合物層,這樣可以降低粉體的表面能,減小團(tuán)聚生成的傾向。同時(shí)聚合物層還可以增加粉體與有機(jī)高聚物的相容性,從而改善了粉體在其中的分散性能。
例如制備氧化鋯陶瓷工藝工程中,對超細(xì)ZrO2粉體進(jìn)行低溫等離子體改性處理,使ZrO2粉體表面聚合了聚乙烯、聚苯乙烯以及聚甲基丙烯酸甲酯等不同的聚合物層,該聚合物膜的形成能夠顯著改善 ZrO2粉體的分散性。