等离子体在材料工程中的应用（9个） - 图文

处理电压对纸张表面亲水性改性并不是随电压的增大而持续提高的．在放电过程中，电压较小的情况下，随着放电电压的增加，腔体内电子浓度增加，空间自由基浓度增加，纤维表面受到的作用增强，自由基浓度增加；当放电电压增加到一定程度时，等离子体中电场与气压之比增加，导致气相自由基生成速率下降，影响纤维表面自由基的生成浓度，最终使表面含氧基团的浓度有所下降．因此，选择适当的放电功率才能使纤维表面极性获得最大提高．另外，当真空度较小时，电压对亲水性的影响较大；当真空度接近90Pa时，随着电压的增加曲线趋于平缓。由于等离子体对纸张的表面改性是一个复杂的过程，这里选用的测量亲水性的方法操作简单但误差较大，因此每次测得的时间有一定的变动，可以通过多做几组取平均值来消除。实验的目的只需学生了解改性的一个大致趋势，和模拟一般研究性实验并掌握其研究方法。因此这个实验仍具备它的实际意义。

同时，我们注意到，不同真空度下的每一条曲线的极值点对应的电压并不都相同，这就说明真空度和电压是两个互相作用的变量，不能分开作独立变量来考虑。为了寻找电压与真空度双重影响下的最佳工艺条件，我们又增加了一组实验，如图2.3。 （3） 不同处理真空度对纸张亲水性的影响

由图2.3可知，50Pa的曲线在最上方，80Pa的曲线在最下方，而100Pa的曲线在中间，这就说明等离子体的浓度不是越高越好。这就证实了等离子体与基质的作用主要有两类反应：一是含氧基团的引入；二是表面刻蚀作用引起含氧基团的脱落，它们是一对竞争反应，当两者达到平衡时便是我们要寻找的最佳工艺条件当低温等离子体处理真空度不太高时，意味着等离子体的数量很少，此时等离子体对材料的作用以引入含氧基团反应为主，表面纤维上极性基团的增加改善了纸张表面的亲水性；随着低温等离子体处理真空度的增加，意味着低温等离子体的数量增加，表面含氧基团迅速增加，其脱落速率也逐步增加，氧化刻蚀逐步占据了主导作用，所以含氧基团的数量会下降。氧化刻蚀作用，一方面通过刻蚀作用减少极性基团；另一方面通过刻蚀作用将纤维表面粗糙化，增加表面积，亲水性变好。因此，100Pa与80Pa相比，在纤维表面虽然极性基团减少了，但其亲水性仍然比50Pa时好。实验表明，空气等离子体的氧化刻蚀作用是相当明显的。

（4）电子探针测量电子温度和浓度

在上述亲水性改性试验部分得到的曲线中，选取不同真空度和不同电压下具有代表性的几个点，采用Langmuir双探针测量了十组探针I－V变化数据，绘制出了I-V

曲线图2.4.1－2.4.10，由曲线斜率根据上述公式计算出电子温度Te和等离子体密度n。

由图2.2.1－2.2.6与图2.4.1－2.4.10相结合整理出如下数据，从表1－3中得到了电子温度与浓度跟处理效果的相关联系。电子温度越大，亲水性的改性越好。这是由于电子温度Te就是电子的平均能量，Te越大，电子的平均能量就越大，电子在轰击纸张表面时，化学键的断裂越易发生，表面改性才会发生。 纸张吸收水的 真空度 放电电压 Te/eV n/*10exp(-14) 平均时间/min 450V 3.74 0.473 17 50Pa 550V 0.78 0.757 32 650V 0.92 1.314 19 450V 1.59 0.756 6 80Pa 550V 1.04 1.308 15 650V 1.13 1.362 12 450V 1.7 0.672 17 500V 0.86 1.025 20 100Pa 550V 0.9 1.369 18 600V 0.59 1.993 22

然而，从表中我们也可以得到，等离子体的密度n随电压的增大而增大的，但n

与亲水性的改性没有直接联系，不是n越大，改性就越好。只有当电子能量要达到阈值才能破坏基材的化学键，达到阈值的电子越多，而并不是等离子体越多，破坏化学键就越多。