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201214760216

木虫 (著名写手)

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[交流] 【知识库】低温等离子体对碳材料的改性

今天依然上传不了图片，需要哦文章的私信230410，并发送邮箱，我看到后会发给大家

低温等离子改性的特点[1]

低温等离子一方面具有高能量的电子，使材料表面分子激发、离解和电离，另一方面，反应体系接近室温，能使高活化能的化学反应在较为温和的条件下进行。
与碳材料表面改性的其它方法相比，低温等离子体改性是干式工艺，可以得到传统的化学方法难以得到的处理效果，同时省去了烘干、废水处理等流程，无固废，气废产生。与高能量的放射线处理、电子束辐照处理等其它干式工艺相比，低温等离子改性对表面性能显著改善，对材料本体无大影响。与材料表面作用形式多，工艺的适用范围广，作用时间短，所需的成本低。

图1 通过不同时间等离子处理的WC/FLG的SEM图像：(a)2h，(b)5h，(c)8h，(d)10h
通过等离子球磨处理制备的WC/FLG在不同时间的TEM图像：(e)2h，(f)5h，(g)8h，(h)10h[2]

虽然等离子体在表面改性方面已经有了不少应用，但是由于等离子体在物理和化学基础理论上还存在疑问，对低温等离子体与被改性的碳材料表面的作用机制原理理解不统一。低温等离子体中的多种粒子与碳材料表面的反应复杂多变，而粒子的能量也在作用中不断更新、衰落，过程中过渡态的物质多种多样，无法用在线测试手段进行直观分析。气氛，气压，气流速、外加电压的幅值和频率、功率、放电模式等都会影响处理效果。
对碳材料表面结构和性能的影响

原料和制备工艺条件的不同使得碳材料表面有一定量的氧元素存在。未经表面处理的碳材料，活性位点少，表面能低，接触角大，呈现憎液性。等离子体通过清除碳材料的表面杂质，在碳材料表面形成微孔和刻蚀沟槽以增加表面能，或者在其表面引入官能团改变其表面性能。

图2 不同等离子球磨时间下石墨烯/硼酸钾的红外光谱图[3]

低温等离子体对材料的表面改性方法通常有等离子体处理、等离子体沉积聚合和等离子体引发的接枝聚合等。等离子体处理是指He，Ar，O2，CO2，NH3等非聚合性气体产生的等离子体对材料表面进行处理，等离子体中高能态粒子与材料的表面作用，通过刻蚀与沉积作用在材料表面接枝极性基团、自由基等实现材料的亲水化处理。等离子体聚合是将材料暴露于聚合性气体中，表面沉积一层较薄的聚合物膜。与通常的化学聚合相比，等离子体聚合膜在结构上能形成高度交联的网状结构，成膜均匀致密，与基体结合牢固，赋予材料表面新的功能，如热稳定性、化学稳定性、力学强度、膜透过性、生物相容性等。等离子体接枝聚合是先对材料进行等离子体处理，利用表面产生的活性自由基引发烯类单体在材料表面进行接枝聚合。相比材料表面引入的单官能团，接枝链化学性质稳定，可使材料表面具有永久性的亲水性。接枝速率与等离子体处理功率、处理时间、单体浓度、接枝时问、溶剂性质等因素有关。

图3 未经处理的炭黑(a)和经过不同时间处理的炭黑SEM图(b)5min (c)10min (d)30min[4]

低温等离子体氧化刻蚀所用的处理气氛有很多，不同的等离子体气氛会在碳材料表面引入不同的官能团。通常氮气和氨气能使表面形成含氮基团，而氧气和空气不仅能使表面氧化，还能去除碳材料表面的脂肪链结构，使其向石墨化晶体结构发展，同时还将形成各种复杂的碳链断残基。随着理论研究的深入，低温等离子体材料表面改性技术定会在材料科学研究和工业生产中起到重要作用。

参考文献
[1]罗凡. 低温等离子体改性碳材料吸附性能的研究[D]. 浙江大学环境与资源学院浙江大学, 2009.
[2] Lin C , Yang L , Ouyang L , et al. A new method for few-layer graphene preparation via plasma-assisted ball milling[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017(782) 578-584.
[3]刘享. 石墨烯负载硼酸钾润滑油添加剂的制备及摩擦学性能研究[D]. 集美大学.
[4]刘晓阳. 等离子体制备与改性纳米材料及其应用[D]. 苏州大学, 2014.

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