创新等离子技术及应用


如今,等离子体一词越来越多的在我们眼前出现,因为等离子体技术已经在工业等多个领域的现代技术标准中成为了最重要的核心关键技术。那么,什么是等离子体?

等离子体的概念

关于等离子体,是物质除气态、液态以及固态以外的第四种形态。气态物质通过获得大量能量,以致于超过临界数量的电子脱离原子核,并使气态物质电离从而转化为第四种形态等离子体。大多数情况下,我们通过外加高压电源的方式提供转化所需的能量。所产生的等离子体是一种高能级但又不稳定的物质。

尽管科学家早前较少提及等离子体,但自古以来等离子体现象就在我们生活中扮演了重要的角色。闪电产生了火,而美丽的极光是我们的祖先对世界有了更深的认识。总之,宇宙中大多数的物质都是由等离子体构成,因为绝大多数的星球都是由等离子体组成的。

等离子体物理实验的历史始于1700年的真空玻璃球体中的光电照明实验。富兰克林于1747年发明了避雷针,法拉第第一次提出了关于物质第四形态的假设:即气态、液态、固态以及物质的第四形态等离子体形态。西门子于1857年发明的通过电子放电从而产生臭氧的臭氧发生器是等离子体技术的首次应用。

革命性的照明技术(例如荧光灯管、玻璃激光器以及等离子显示器)和等离子体化学(例如金刚石涂层的制造以及等离子体焊接技术)都是基于对等离子形态的技术应用。如今,这些产品都是我们日常生活中必不可少的。等离子体技术从根本上改变了工业制造和卫生医疗等领域的发展。

我们派旗纳米 拥有数研发以及制造等离子体设备系统的专业经验。

常压等离子体的工作原理

由空气后者其他气体放电所产生的常压等离子体具有卓越的表面材料处理特性。这类等离子体可以产生大量非常活跃但又寿命较短的化学物质。此类化学物质可以对各种各样的材料进行表面杀菌消毒、清洁以及活化处理加工,并为后续的黏合、喷漆或者印刷做准备。等离子体对材料表面进行预处理可以显著提高后续加工步骤的成功率以及加工质量。

这种非常高效的等离子体是一种冷等离子体,它不会让材料表面过热。这种材料表面处理只会影响到表面以下几纳米的深度,并且不会改变材料的光学特性。处理并不会产生有毒的化学物质,并且由等离子体所产生的活跃化学物质会在数毫秒的时间内自我分解。这使得等离子体表面加工处理工艺安全可靠并且无毒环保。

具有化学活性的冷常压等离子体在接触处理过的材料表面之后,会触发大量的物理化学反应。主要的反应物是由等离子体产生的大量高活性、短寿命的中性化学物质。当电子放电接触到经过处理的材料表面后,也同样会被真空紫外线照射以及被高能电子离子轰击。尽管带电粒子的数量很少,但它们的高活性却大大增强了等离子体的作用效果。下列方式有助于通过等离子体处理而提高印刷前材料表面的附着力:

  • 使用等离子体清洁材料表面:等离子体破坏了重有机分子中的有机键,并且产生了更轻更易挥发的分子从而从材料表面挥发。另外,活性化学物质氧化有机污染物并形成二氧化碳和水蒸气。由于经过等离子体处理,污染物会被转化成水蒸气,所以在材料表面不会留下任何残留并且可以保持超精细清洁的状态。
  • 使用等离子体还原金属氧化物:等离子体放电,并在氮氢混合气中点燃(包含5%的氢气和95%的氮气),会产生大量的活性氢。通过与氧化的金属表面接触,它们会与金属氧化物发生反应,并将其还原成金属原子和水蒸气。
  • 使用等离子体增强材料表面强度:随着等离子体加工处理强度的提升,可以去除材料表面原先纳米级的低强度小分子涂层。材料表面聚合物断裂的化学键将重新组合在一起并形成更加坚固的表面涂层。
  • 使用等离子体促进聚合物分子的裂解和状态改变:随着等离子体加工处理强度的进一步提升,会使得材料表面涂层的晶体结构发生改变。同时使得黏合剂更好的扩散并获得更好的黏合强度。除此之外,等离子体还将其锋利的尾端与待处理的材料表面进行接触从而破坏材料聚合物的分子结构。这就使得黏合剂的黏合强度进一步提高。
  • 使用等离子体沉积材料化学官能团并增强材料润湿性:通过与聚合物分子发生反应,等离子体物质在清洁后的材料表面沉积了大量极性OH-和ON-基团,从而显著增加了材料表面的表面能以及润湿性。结果就是其后喷涂的涂料更有效的浸润了材料表面,并且由于毛细作用更好的填充了微分子结构。
  • 使用等离子体使材料表面微观上粗糙化:与基座材料直接接触的放电,特别是例如金属基座上的放电电弧(比如用作阴极),会对基座表面材料造成微米级的侵蚀。由此产生的微结构被黏合剂所填充,从而提高了与基座材料之间的黏合程度。

不同需求背景下的等离子体技术

介质阻隔放电(Dielectric Barrier Discharge DBD Technology)。用于消除气味和减少病菌的环境友好工艺

相比低压等离子体技术的优势

相比低压等离子体设备需要昂贵的真空室以及真空泵,常压等离子体加工设备的造价更加低廉。除此之外,在大多数情况下压缩空气被用作为工作气体,从而也降低了使用昂贵工作气体的费用。同时,它适用于各种工作场合比如可以集成在批处理或者连续传输系统设备中。所以,这就使得常压等离子体技术提高了产品吞吐量,同时降低了所需化学消耗品、相关安全设备以及员工培训的成本。

应用领域

PiQnano plasprotech品牌的等离子体加工设备系统已经成功应用到了一下领域:

  • 材料表面活化以及增强润湿性
  • 金属、玻璃和塑料表面的清洁
  • 材料喷涂前的预处理
  • 基于等离子体技术的黏合喷涂覆盖工艺
  • 数字和3D打印的优化处理
  • 改进密封处理加工工艺
  • 使用等离子体技术减少金属表面氧化物
  • 提高食品加工处理的质量和延长保质期
  • 结构组织以及材料表面的消毒
  • 杀菌和消除异味

根据客户对我们的不同要求,我们会将以上两种等离子体技术应用到我们具体的加工处理设备中。

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