你是否看好等離子體技術(shù)對無機(jī)粉體的表面改性？

等離子體作為物質(zhì)的除固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外的第四態(tài)，在材料表面改性得到廣泛的研究和應(yīng)用。相對于其他改性方法，等離子體技術(shù)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技術(shù)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

等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)，是氣體部分或完全電離產(chǎn)生的非凝聚體系，一般都包含自由電子、離子、自由基和中性粒子等，體系內(nèi)正負(fù)電荷數(shù)量相等，宏觀上呈電中性。根據(jù)粒子溫度的差異，可分為熱平衡等離子體或熱等離子體（thermalplasma）和非平衡等離子體或低溫等離子體（non-thermalplasma）。

圖1 冷等離子體射流

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，可使材料表面具有永久性的親水性。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。在眾多改性方法中，目前等離子體處理是研究最熱門的技術(shù)之一。

1、改變粉體表面結(jié)構(gòu)

等離子體處理粉體表面后，使其結(jié)構(gòu)會發(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、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：

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)到最大，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、改善粉體分散性

采用低溫等離子體對無機(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。

目前，等離子體處理和等離子體聚合相結(jié)合的技術(shù)是很有前途的表面處理方法，然而其仍存在處理后粉體顆粒表面時(shí)效性問題，即隨著放置時(shí)間的延長，表面性能會逐漸退化以及其表面改性機(jī)理問題尚需進(jìn)一步明晰。

所以經(jīng)過上面的論述，你是否看好等離子體技術(shù)對無機(jī)粉體的表面改性？小編認(rèn)為，就現(xiàn)階段來說，最成熟的技術(shù)還是以固體或者液體之類的物質(zhì)對無機(jī)粉體進(jìn)行改性效果最佳，畢竟已經(jīng)經(jīng)過這么多年的驗(yàn)證，其技術(shù)相對成熟，應(yīng)用的范圍也會相對廣泛。金戈新材粉體表面改性技術(shù)就是基于此上再進(jìn)行優(yōu)化的，粉體應(yīng)用性能佳，極受客戶青睞。

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