等离子体表面技术及应用.ppt

产品介绍 等离子表面技术及应用演讲者 张景鑫 等离子表面技术原理及应用等离子清洗设备特点和优势我公司代理等离子产品介绍 等离子表面技术原理 1 什么是等离子体等离子 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电子组成的离子化气状物质 这种电离气体是由原子 分子 原子团 离子 电子组成 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 等离子表面技术原理 2 如何人工方法获得等离子体用人工方法 如核聚变 核裂变 辉光放电及各种放电都可产生等离子体 通过人工放电方式也可出现不同的等离子体 主要有 辉光 荧光灯 弧光 电弧 电晕放电 高压线周围可以常常见到 对于表面精密清洗 表面活化和改性 生物工程材料 塑料 纸张的表面加工 则大多采用以辉光放电 电晕放电 介质阻挡放电等方式产生的低温等离子体 在高频电场中处于低气压状态的氧气 氮气 甲烷 水蒸气等气体分子在辉光放电的情况下 可以分解出加速运动的原子和分子 这样产生的电子和解离成带有正 负电荷的原子和分子 这样产生的电子在电场中加速时会获得高能量 并与周围的分子或原子发生碰撞 结果使分子和原子中又激发出电子 而本身又处于激发状态或离子状态 这时物质存在的状态即为等离子体状态 等离子表面技术原理 3 等离子体种类1 高温等离子体和低温等离子体 在低压体气的场合产生的等离子体称为低温等离子体 气体处于高压状态并从外界获得大量能量 得到的等离子体称为高温等离子体 由于高温等离子体对物体表面的作用过于强强烈 因此在实际应用中很少使用 目前投入使用的只有低温等离子体 2 活泼气体和不活泼气体等离子体 根据产生等离子体时应用的气体的化学性质不同划分 不活泼气体如氩气 Ar 氮气 N2 氟化氮 NF3 四氟化碳 CF4 等 活泼气体如氧气 O2 氢气 H2 等 不同类型的气体在清洗过程中的反应机理是不同的 活泼气体的等离子体具有更强的化学反应活性 等离子表面技术原理 4 等离子体与物体表面作用等离子体和工件表面的化学反应和常规化学反应有很大不同 由于高速电子的轰击 很多在常温下很稳定的气体或蒸汽都可以以等离子体的形式和工件表面反应 产生许多奇特的 有用的效果 1 清洗和刻蚀 例如 在进行清洗时 工作气体往往用氧气 它被加速了的电子轰击成氧离子 自由基后 氧化性极强 工件表面的污物 如油脂 助焊剂 感光膜 脱膜剂 冲床油等 很快就会被氧化成二氧化碳和水 而被真空泵抽走 从而达到清洁表面 改善浸润性和粘结性的目的 低温等离子处理仅涉及材料的浅表面 10nm 不会对材料主体的性质产生影响 由于等离子体清洗是在高真空下进行的 所以等离子体中的各种活性离子的自由程很长 他们的穿透和渗透能力很强 可以进行复杂结构的处理 包括细管和盲孔 等离子表面技术原理 2 引入官能基团 高分子材料用N2 NH3 O2 SO2等气体的等离子体处理 可以改变表面的化学组成 引入相应新的官能基团 NH2 OH COOH SO3H等 这些官能团可使聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 聚四氟乙烯等这些完全惰性的基材变成官能团材料 可以提高表面极性 浸润性 可粘结性 反应性 极大地提高了其使用价值 与氧等离子体相反 而经含氟气体的低温等离子体处理 可在基材表面引入氟原子 使基材具有憎水性 等离子表面技术原理 3 聚合 很多乙烯基单体 如 乙烯 苯乙烯 都可以在等离子体条件下 不要其他任何催化剂和引发剂而在工件表面实现聚合 甚至甲烷 乙烷 苯这些在常规聚合条件下不能聚合的物质 都可以在等离子体条件下在工件表面实现交联聚合 这种聚合层可以达到非常致密 并且和基材结合的非常结实 在国外塑料啤酒瓶和汽车油箱就采用等离子体聚合上这样一层致密层 用以防治微量的泄漏 高分子的生物医学材料表面也可以通过这种致密层阻止塑料中的增塑剂等有毒物质向人体组织中扩散 光学元件常可用等离子体聚合方法在表面加上一层恰当的光学薄膜 以便提高光学元件的性能 等离子表面技术原理 4 等离子体的接枝 就是通过等离子体前处理使高分子材料表面生成活性自由基 由此引发乙烯基单体在材料表面上聚合 等离子体还可以引发一些不规则的表面 如瓶子的内壁 进行接枝反应 选择适当的接枝单体 控制恰当的接枝反应条件可改变材料的亲水或拒水性 粘附性 防腐 耐磨 导电性及渗透选择性及生物相容性等 因此等离子体接枝是极富创造性和应用前景的 等离子表面技术的应用 表面清洗在用等离子体清洗工件时 工作气体往往用氧气 它被轰击成氧离子 自由基后 氧化性极强 工件表面的污物 如油脂 助焊剂 感光膜 冲床油等 很快就会被氧化成二氧化碳和水 而被真空泵抽走 而达到清洁的目的 等离子体清洗也是所有清洗方法中最为彻底的剥离式的清洗 特别适于精密清洗 如电子元器件 电真空元件 阴极帽 销钉 阳极帽 继电器触头 印制线路板 半导体硅片 芯片封装 液晶显示板 精密机械 千分尺的丝杠 块规 液压件 并不会对工件产生电击损伤 等离子体清洗属于干法清洗 不用任何清洗剂 去离子水 免除一切运输 储存 回收 再生装置 不会产生任何环境污染 在很大程度上可以替代氟里昂等危害大气层的清洗剂 往往几瓶气体就可以代替数千公斤清洗液 因此清洗成本会大大低于湿法清洗 等离子表面技术的应用 左图 阳极帽需要和真空玻壳很好的熔接 等离子体清洗可以达到对清洁的要求 右图 另一种电真空元件 要求极端清洁 才能参与放电 保障真空管内良好的真空 等离子表面技术的应用 用等离子体可以清洗150毫米的半导体硅片在切割和抛光过程带来的油脂和灰尘 等离子表面技术的应用 多层复合印制板 环氧树脂或聚四氟乙烯 上有成百上千钻出的0 2mm的细微的孔 只有用等离子体清除孔内塑料钻污 增加了孔内表面的浸润性后 沉铜液才能进入微孔中 保证每个孔内都能沉上铜 等离子表面技术的应用 改善复合材料粘附性表面能低 浸润性差是聚合物材料的一大特点 但在复合材料 印刷 涂层 粘接 印染等生产领域都需要材料表面具有良好的浸润性和粘附性能 而等离子体技术可以在不损害基材本体优良性能的同时在表面引入极性基团 提高表面能和浸润性 氟塑料 包括PTFE PVDF PFA FEP是很难粘结的高分子材料 利用等离子体技术可以接枝上不同的基团 而与不同的粘合剂相配合 提高了粘结的可能性 可很方便地用于耐腐蚀衬里 导轨贴条 高温压敏胶胶带 氟辊和食品生产的抗粘结层 与强酸强碱 强氧化剂处理 火焰处理 机械磨砂等表面处理等方法相比 低温等离子体处理是最可取的 等离子体处理不改变基材的颜色 这是对有外观要求的产品是很重要的 有些高档耐强酸强碱的量筒 烧杯是PFA EFP注射成型制品 通过等离子体活化技术 可以在上面印刷上刻度和商标 提高了它的使用价值 等离子表面技术的应用 上图 聚四氟乙烯 PTFE 塑料板浸润性很差 滴上的水滴成球形 可以在板面上滚动 浸润角达133度 做复合材料很难粘结 右图 这种0 05mm的聚四氟乙烯薄膜用常规的萘钠腐蚀法活化 很难控制碳化程度 而且颜色难看 这里经等离子体表面清洗和活化以后 粘结性 浸润性大大改善 10微升的水滴上去马上就散开了 膜的颜色也根本没有改变 等离子表面技术的应用 改变材料表面浸润性左图 PTFE 聚四氟乙烯表面的疏水性极强 对水的浸润角可达140度 右图 经等离子体处理处理后 PTFE环表面亲水性大大提高 浸润角有25度 见右图 几滴水滴到一个填料环上 就会浸润整个表面 而且水膜稳定 不会破碎 除PTFE外 其他的材质 如PVC PP的材料经等离子体改性也都会大大提高传质效果 等离子表面技术的应用 左图中是一个展示用的用等离子体技术只处理一半的聚四氟乙烯 PTFE 填料环 稍一淋水就可以看到处理的右一半挂上了均匀水膜 而且它很稳定 不破裂 不收缩 最后直至水份蒸发干 没处理的左一半挂上的水在几秒只内就收缩成一些水滴 等离子表面技术的应用 左图 高模高强聚乙烯纤维是表面惰性很强的高分子材料 因此它的应用受到很大影响 通过等离子体处理 在表面引入极性基团 从而使纤维的浸润性 染色性能 抱合性能和黏合性得到提高 使用价值大大提高 右图 显现碱性品红水溶液果然在等离子体处理过的PE丝上比空白的丝上爬的高 说明了等离子体处理使PE表面引入了极性基团 增加了浸润性 也会使未来的复合材料的强度更高 等离子表面技术的应用 生物医用材料是指用于医疗的能植入生物体或能与生物组织相结合的材料 因此作为生物医用材料 除了要具有一定的功能特性和力学性能外 还必须满足生物相容性的基本要求 包括血液相容性和组织相容性两部分 前者表示材料与血液之间相互适应的程度 而后者反映材料与除了血液以外的其他组织之间相互适应的能力 通过等离子体技术在聚合物表面涂覆水凝胶薄层或直接在材料表面固定抗血栓物质如肝素 就可以提高血液相容性和组织相容性而不损伤基材的物理和化学性质 介入治疗用器械 透析设备 胸外科手术用的心肺机的构件 人工骨 人工关节 人工牙 缝合线 眼科用的隐形眼镜 人工晶体 储血袋等都可以经等离子体处理而大大提高他们的血液相容性和组织相容性 等离子体在表面改性的同时 等离子体的高活性粒子具有还有极强的消毒 灭菌的作用 而且与环氧乙烷法相比 不会有毒性残留 等离子表面技术的应用 介入治疗用的心脏冠状动脉支架 经等离子体清洗之后还要用等离子体涂敷上抗血凝和抗表皮增生材料 等离子表面技术的应用 聚苯乙烯制造的细胞培养皿 经等离子体处理后 大大提高了贴壁培养细胞的能力 等离子表面技术的应用 通过等离子体接枝技术可以在聚碳酸酯鼓泡式氧合器的内表面固定具有抗血凝作用的低分子肝素 等离子表面技术的应用 血液过滤器的内壁和滤芯都需要等离子体的抗血凝处理 以提高其过滤能力和使用寿命 等离子表面技术的应用 医学免疫测试用的测试板和测试管经等离子体的官能团化以后 实现了抗体在上面的共价结合 克服了以前只靠物理吸附 产品不稳定 变异系数大 成本高的缺点 等离子表面技术的应用 生物传感器的电极碳膜经过等离子体活化 提高了酶和抗体固定的稳定性 可以实现电极重复使用 等离子表面技术的应用 提高分离膜的分离性能利用多孔分离膜的分离技术近年来有了很快发展 但对膜也就提出了越来越高的要求 基材要具有高度的化学稳定性 如耐碱 耐氧化 较好的机械强度及韧性 适当的孔径 同时对分离组分有恰当的浸润性 分离膜的基材主要是多孔聚烯烃膜 尼龙纤维 丙纶纤维和维纶纤维的无纺布等 但它们大多不能同时满足上述的各种要求 而等离子体则是很好的解决办法 例如通过刻蚀和表面聚合 可以控制孔径大小的分布 在不损伤隔膜基材机械性能的前提下 经过等离子体表面改性和表面接枝 在其表面产生恰当的的极性基团 从而控制对被分离组分的浸润性 储液能力和透过性 同时还增加抗沾污能力 例如 等离子体可以用于生产电池隔膜 废水处理用中空纤维膜 多孔的液相色谱填料也可以通过等离子体改变其表面的化学官能团和极性来改变对物料的亲和能力和保留值 提高分离能力 等离子表面技术的应用 聚乙烯无纺布经等离子体处理 改变它的浸润性 可以制成燃料电池和锂离子电池隔膜 等离子表面技术的应用 应用领域 1 清洗光学器件 电子元件 激光器件 镀膜基片 芯片 清洗光学镜片 电子显微镜片等多种镜片和载片 移除光学元件 半导体元件等表面的光阻物质 清洗ATR元件 各种形状的人工晶体 天然晶体和宝石 清洗半导体元件 印刷线路板 清洗生物芯片 微流控芯片 清洗沉积凝胶的基片2 牙科领域 对硅酮压模材料和钛制牙移植物的预处理 增强其浸润性和相容性3 医用领域 修复学上移植物的表面预处理 增强其浸润性 粘附性和相容性 医疗器械的消毒和杀菌4 改善粘接光学元件 光纤 生物医学材料 宇航材料等所用胶水的粘和力5 去除金属材料表面的氧化物6 使玻璃 塑料 陶瓷 高聚合物等材料表面活化 增强其表面粘附性 浸润性 相容性7 高分子材料表面修饰 等离子表面技术原理 6 等离子清洗设备结构和工作流程根据用途的不同 可选用多种构造的等离子清洗设备 并可通过选用不同种类的气体 调整装置的特征参数等方法使工艺流程实现最佳化 但等离子体清洗装置的基本结构大致是相同的 一般装置可由真空室 真空泵 高频电源 电极 气体导入系统 工件传送系统和控制系统等部分组成 通常使用的真空泵是旋转油泵 设备的运行过程如下 1 被清洗的工件送入真空室并加以固定 启动运行装置 开始排气 使真空室内的真空程度达到10Pa左右的标准真空度 排气时间约2min 视真空泵性能 2 向真空室引入等离子清洗用的气体 并使其压力保持在100Pa 根据清洗材质的不同 可分别选用氧气 氢气 氩气或氮气等气体 3 在真空室内的电极与接地装置之间施加高频电压 使气体被击穿 并通过辉光放电而发生离子化和产生等离子体 让在真空室产生的等离子体完全笼罩在被处理工件 开始清洗作业 一般清洗处理持续几十秒到几分钟 是材质和需求 4 清洗完毕后切断高频电压 并将气体及汽化的污垢排出 同时向真空室内鼓入空气 并使气压升至一个大气压 等离子清洗设备特点和优势 1 等离子体设备原理1 感应偶合式等离子体产生法 ICP 感应偶合式等离子体与 Inductively Couplede Plasma ICP 的工作原理 就是在线圈上加上一个高频电源 当线圈上的电流改变时 就可由安培定律知道 当感应产生一变动磁场 同时可由法拉第定律知道此变动之磁场会感应出一个反应方向的电场 此电场会加速等离子体中的电子而形成一线圈电流相反的二次电流 并且随着与加于线圈上的电流不断改变 而感应出的电场也不断改变 这不断改变电场与平板式高调波等离子体一样能用来加速电子以维持等离子体 所不同的是电场与电极方向不同 在平板式高调波等离子体中电子受电场影响而运动方向垂直于电极 所以会有许多电子逃离等离子体跑到电极上 使能量消耗在加热电极上 而在感应偶合式等离子中 电子受感应电场的影响而使运动方向与电极平行 因此不会有太多的电子损耗在电极上 固可以维持线圈周围相当高的电子密度 ICP的主要优点为 1 等离子体密度高 解离率高 能够在相当大的压力范围上保持高密度等离子体 2 平板式ICP可大面积操作 3 ICP等离子体中的电子温度低 离子动能低 等离子体电位低 4 等离子体密度及离子转击基板的动能可分开控制 5 设备简单 但其唯一的缺点为线圈电极可能被离子打出而污染镀膜品质 一般改善的方法有 1 将线圈电极的一端接地以降低线圈电极之电位 即减少电容效应 2 并联一直流电压以防止离子转击 3 可使用法拉第屏蔽 Faraday sshielding 以消除电容效应 4 将线圈以介电材料被覆 coating 以降低等离子体电位 2 阴极等离子体产生法 HCF 在一金属管装物 可为圆形 方形 椭圆形或其他形状 在外加一高调波在此管状物上 会产生一个自我偏压 故造成整支管子都是带一偏压 这使得电子无论是往哪一方向作运动 都会被排斥 所以 电子在管内会作来回振荡的运动 固电子在碰撞到电极板前 能走更长的距离 这就是表示电子会有更多的机会或几率与中性气体原子产生碰撞 从而产生等离子体 等离子清洗设备特点和优势 3 电子回旋共振电浆产生法 ECR 此为微波 Microwave 与磁场共同组合的一种等离子体产生法 电子在磁场中会作旋转的运动 当磁场强度越来越强时 电子旋转的速度会越快 在磁场强度为875GA m时 电子旋转的频率为2 45G赫兹 此频率恰巧为微波的频率 因频率相近而产生共振 此共振现象就有利于电子吸收微波的能量 因拥有较高能量的电子 这将有助于等离子体的产生 等离子清洗设备特点和优势 综上所述 等离子体化学是使物质通过吸收电能进行的气相干式化学反应 具有节水省能无公害 有效利用资源 有益环境保护的绿色化学特征 利用等离子体活性物种 电子 离子 自由基 紫外线 具有的高活性 可以实现一系列传统化学和水系处理法所不能实现的新的反应过程 其反应具有鲜明特点 速度快 气体放电瞬间发生等离子体反应 有时几秒钟就可改变表面的性质 温度低 接近常温 特别适于高分子材料 能量高 等离子体是具有超常化学活性的高能粒子 在不添加催化剂的温和条件下即可实现传统热化学反应体系所不能实现的反应 聚合反应 等离子清洗设备特点和优势 广适性 不分处理对象的基材类型 均可进行处理 如金属 半导体 氧化物和大多数高分子材料等都能很好地处理 功能强 仅涉及高分子材料浅表面 10微米 可在保持材料自身特性的同时 赋予其一种及以上新的功能 环保型 等离子体作用过程是气 固相干式反应 不消耗水资源 无需添加化学试剂 对环境无残留物 具有绿色环保特征 低成本 装置简单 易操作维修 可连续运行 因此 采用等离子体高分子材料改性技术可能克服传统方法使用中的缺陷 使高分子材料表面加工更符合环保原则 由于等离子体清洗是在高真空下进行的 所以等离子体中的各种活性离子的自由程很长 他们的穿透和渗透能力很强 可以进行复杂结构的处理 包括夹层 细管和盲孔 我公司代理等离子产品介绍 1 代理品牌及主打产品介绍1 美国HarrickScientificHarrickScientific所生产的等离子清洗器专业用于表面清洗 表面处理和表面分子重组的高科技设备 它具有设计精巧 成本低廉 功能全面等优点 广泛应用于金属 陶瓷 复合材料 塑料 聚合物和生物材料的表面处理 HarrickScientific主要生产两种型号等离子清洗器 基本型和扩展型 并可以根据客户的需要 提供能实现不同功能的备选件和附件 特点 台式设计 结构紧凑精致低中高三档可调节功率 最大可为18W设备辐射小 安全环保 我公司代理等离子产品介绍 基本型 PDC 32G 2 扩展型 PDC 002 技术参数外形尺寸 8 5 Hx10 Wx8 D 215mmx254mmx203mm 输入电源 220V 50Hz输入功率 100W重量 6 0kg常用工作气体 空气 氩气 氮气或混合气体等功率档 低档 680VDC 10mADC 6 8W中档 700VDC 15mADC 10 5W高档 720VDC 25mADC 18W基本配置 直径3英寸 76mm 长6 5英寸 165mm 的耐热玻璃舱体可拆卸舱盖最大为18W的RF线圈1 8英寸NPT针阀1 8英寸NPT三通阀必配件 真空泵选配件 气体计量混合器PlasmaFloTM石英等离子清洗舱石英托盘 用于放置样品 我公司代理等离子产品介绍 2 德国PlasmaTechnologyminiFlecto 我公司代理等离子产品介绍 特点 舱体尺寸适中 教学 实验适用 标准配置 已含所有必备件 强大 功能全面 价格适中 可实现全自动过程控制 可精确预设 调节 显示参数 国内市场经销商少 技术参数舱体尺寸 耐高温玻璃舱体 直径100mm 深210mm 容量约1 7升外形尺寸 400mmW 410mmD 220mmH结构特点 台式设计 结构紧凑精致 半自动舱门 牢固可靠 可视窗可观察处理过程设备辐射小 安全环保射频发射器 24khz 功率80W 10 100 10级可调 我公司代理等离子产品介绍 3 比利时EuroPlasmaEuroplasma成立于1989年 是最早生产并研发低压气体等离子表面处理设备的公司之一 主要产品有实验室和科研的小型设备和工业用途的大中型设备 产品尺寸偏大 价格普遍高 公司与厂家联系密切 中小型机型Junior 右图 全套配件整体设计 舱体属中小型 价格远高于小型设备 全过程自动控制 功能强大 处理效果好 舱体尺寸 射频发生器功率及频率可灵活定制 我公司代理等离子产品介绍 中型设备CD300 CD400 CD600 我公司代理等离子产品介绍 特点 全套配置整体设计 高度自动化控制 属工业应用级中型设备 舱体 射频发生器功率及频率 可依标准