低温等离子体技术应用研究进展

低温等离子体技术应用研究进展 3 低温等离子体技术应用研究进展 1 , †12 孟月东钟少锋熊新阳 )合肥 230031 ( 1 中国科学院等离子体物理研究所( 2 新疆天业集团 石河子 )832000 摘 要介绍了低温等离子体发生技术及原理 ,对近几年低温等离子体技术应用研究的一个新生的领域 - 高分 子等离子体化学的研究进展进行了概述 ,内容涉及等离子体聚合 、合成、接枝、纳米粒子 /粉体包覆 、等离子体增强 沉积生物适合层及低温等离子体灭菌技术. 关键词 等离子体 ,接枝 ,聚合与合成 ,灭菌 Advances in applied low2tem pera ture pla sma technology 1, †12M EN G Yue2Dong ZHON G Shao2Feng X ION G X in2Yang ( )1 Institu te of P lasm a Physics, Ch inese A cadem y of S ciences Hefei 230031, Ch ina ( )2 X in jiang T ianYe G roup, S h ihezi 832000, Ch ina A b stra c t The generation of low2temp eratu re p la sm a and its p rincip le are desc ribed, and recen t advances of app lied low2temp e ratu re p la sm a techno logy in the em e rging fie ld of m ac romo lecu la r p la sm a chem istry are re2 viewed. , The se app lication s invo lve p la sm a po lym e rization, syn thesis, grafting, nanop ariicle /powder cove r, p la sm a2enhanced depo sition of b iocomp a tib le layers, and low temp era tu re p la sm a ste riliza tion. Keyword s p la sm a, grafting, po lym e riza tion and syn thesis, sterilization ( 低气压交直流、射频、微波等离子体以及高气压介 ) 质阻挡放电、电晕放电、R F 放电等 . 而把热等离子 1 引言体和冷等离子体归纳到低温等离子体中. 从物理学 的角度划分 ,笔者倾向于将热平衡态等离子体归为 等离子体作为物质存在的第四态不仅已为人们一类. 本文所介绍的低温等离子体是非平衡的冷等 所认识 ,而且等离子体技术已进入广泛的实际应用 离子体. [ 1 —26 ] 领域 . 等离子体指部分或完全电离的气体 , 且 低温等离子体的电离率较低 ,电子温度远高于 自由电子和离子所带正、负电荷的总和完全抵消 ,宏 离子温度 ,离子温度甚至可与室温相当. 所以低温等 观上呈现中性电. 离子体是非热平衡等离子体. 低温等离子体中存在 ( 国际上将等离子体分为热等离子体 ho t p la s2 着大量的 、种类繁多的活性粒子 ,比通常的化学反应 [ 38 ] ( ) )m a和冷等离子体 co ld p la sm a. 热等离子体的 所产生的活性粒子种类更多、活性更强 ,更易于和所 () 电离率接近 100 % ,电子和离子温度相当 ,属于 准 接触的材料表面发生反应 ,因此它们被用来对材料 热平衡等离子体. 如等离子体弧、火箭发动机的等离 表面进行改性处理. 与传统的方法相比 ,等离子体表 子体射流 ,热核聚变等离子体. 冷等离子体的电离率 面处理具有成本低、无废弃物、无污染等显著的优- 4 ( ) 很低 10 —10 % , 电子温度远大于离子温度 , 属 ) 于非热平衡等离子体 . 国内学者将等离子体划分 ()3 国家自然科学基金 批准号 : 10275089 资助项目 () 成三类 :高温等离子体 热核聚变等离子体 ; 热等 2005 - 05 - 09 收到初稿 , 2005 - 06 - 23 修回 () 离子体 等离子体弧、等离子体炬等 ; 冷等离子体 † 通讯联系人. Em a il: ydm eng@ ipp. ac. cn ( ) Cpd 点 ,同时可以得到传统的化学方法难以达到的处理 1 V = . T ( )C+ ln pd 效果. 20世纪七八十年代起 ,等离子体在对金属 、微 2 其中 C和 C是与气体性质有关的常数. 直流辉光 电子、聚合物 、生物功能材料、低温灭菌及污染治理 1 2 等离子体的特征是具有明显的明暗区 ,明暗区的分 等诸多领域的应用研究开始蓬勃发展 ,形成向多学 布和大小与气压、放电管的形状大小 、电极间距的关 科交叉的研究方向. 系十分敏感. 早期的大部分工作主要集中在低气压低温等离 直流辉光放电等离子体自身的特点限制了它的子体环境下的等离子体表面改性研究 ,为了工业应 ( )实际应用 ,主要有三个问题 : 1 放电腔体几何形状 用的便利和廉价 ,最近几年来 ,大气压非平衡等离子 ( )( ) 影响放电特性 ; 2 需要裸露的电极 ; 3 电极材料 体发生技术及其应用是目前备受关注的热点 ,涉及 对等离子体污染. 任何需要等离子体处理的材料置 应用领域也非常宽广. 正因为如此 ,笔者受知识面的 于等离子体中 ,都将影响等离子体的分布 ,导致处理 限制 ,在有限的篇幅内 ,很难做到全面介绍等离子体 的不均匀性. 因等离子体轰击而溅射出的电极材料 也对处理物带来污染. 另外 , DC 辉光放电等离子体 技术应用研究的全貌. 为了便于不同知识背景的读 的大部分能量用于材料温度的升高 , 耗散功率大. 者对低温等离子体学科的理解 ,本文尽量通俗易懂 参数的独立性也受到限制 ,处理绝缘材料困难. 地对低温等离子体技术做介绍 ,并扼要的介绍当前 应用研究关注的几个方面. [ 1 —7 ] 2. 2 低频交流放电等离子体 ( L ow frequen cy AC 2 低温等离子体发生技术 d ischa rge s) ,对等离子体的参数要求由于应用领域的不同 低频交流放电等离子体可以克服直流辉光放电 不一样 ,因而也就形成了低温等离子体发生技术及 等离子体的不均匀性. 实际上是在两个电极上供给 其物理性质的研究. 描述等离子体特性的参数主要 100H z以下的高压 ,每个半周期就是一次瞬间的 DC ( ) 是粒子的平均自由程 m ean free p a th 、德拜长度放电. 维持这样的每个半周期改变极性能再次激发 () D ebye length、等离子体温度和平均电子能量. 对 放电 ,对正离子的寿命有一定的要求 ,这里定义一个 应于不同的应用 ,要求的等离子体参数不同 ,相应的 〈v〉 d离子的临界频率 f= ,电源的频率和临界频率 i 2L 等离子体发生技术也不同. 控制正离子在两个半周期的寿命.〈v〉是离子平均 d 产生低温等离子体的手段很多 ,可用紫外辐射、漂移速度 , L 是两电极的间距. 电场频率高于离子 X射线、电磁场 、加热等方法. 实验室和工业产品大 的临界频率 f时 , 在放电的半周期内 , 阳极附近的 i 都采用电磁场激发等离子体 ,如直流辉光放电 、射频 离子到达不到阴极. 结果在放电周期变化过程中 ,维 () 放电、微波放电和介质阻挡放电 DBD 等.持住的离子增强下半周期的等离子体的再放电. 电 子的临界频率显然比离子的临界频率大得多 ,因为 电子质量小 ,漂移速度快. 因此 ,维持低频交流放电 直流辉光放电 ( D C g low d ischa rge s)2. 1 等离子体的关键参数是离子的临界频率. - 2 2 ( 直流 辉 光 放 电 是 在 10 —10To rr 1 To rr =2 虽然低频交流放电等离子体可以改变等离子体 ()11333 ×10Pa的低气压下 ,在两个导电电极 阴极 2 3 )和阳极 之间加上 10—10V 的直流电压. 放电腔体 处理的均匀性 ,但是裸露的电极对等离子体的污染 ()中的游离电子 宇宙射线产生的 在电场的作用下 , () 问题不能解决. 低气压的介质阻挡放电 DBD 技术被加速而获得能量 ,从而与中性气体碰撞电离形成 应运而生 ,即将裸露的电极用电绝缘材料阻挡住. 而 等离子体. 在较低电压的情况下 ,主要以弹性为主. 介质阻挡放电只有在高频情况下才能放电 , 在 DC 在高电压的情况下 ,主要以非弹性碰撞为主 ,电子能 和低频交流情况下不能形成放电. 够获得足够能量 ,电离并维持放电 ,放电电流增大. 在 DC情况 ,由于电子质量小 , 速度快 , 开始接 另外 ,离子在电场作用下撞击阴极引起二次电子发 通电源的瞬间 ,电子首先到达覆盖阳极的绝缘材料 射 ,电子在向阳极加速运动的过程中与气体分子碰 表面并附着其上 ,形成一负电位 ,这些负电荷吸引正 撞 ,使气 体 电 离 、放 电 过 程 得 以 维 持. 击 穿 电 压 离子堆积 ,当到达绝缘材料表面的正负离子的电荷 ( )b reakdown也称域值电压 V与气压 p和放电间距 T 通量为零时 ,一个稳定的电位在绝缘材料表面形成 , d 的关系是 : ( ) 即电位鞘层. 由于鞘层电位较低 10 —20V ,不能维对照 DC 放电的电离产生等离子体的机500MH z. 持维持放电. 在直流情况下 ,由于介质阻挡不形成回 理 ,即使缺乏从壁和电极上发出的二次电子 ,随低频 路 ,电源系统不能与等离子体系统交换能量. 在 DC 场振荡的电子也能够在高频率的电场中获得足够的 介质阻挡的情况下 ,即使鞘层电位高到能电离气体 , 能量引发电离过程并维持连续放电. 由于 R F 场能 也不能形成放电 ,否则就违背了开尔文的热力学第 有效地引起振荡的电子的弹性碰撞过程 ,放电也能 () 够运行在很低的气压 m To rr 范围 . 维持放电的自 二定律. ()偏压 V由消耗在电极上的 R F功率 P和气压 p决 在低频 如 100 H z交流电容耦合情况下 ,由于 b R F1 / 2 电容充电使介质面上电位回到零的充电时间远远短 P R F . 定 , V ?b p 于电源半周期 ,结果大部分时间类似于 DC 介质阻 ( ) 挡的情形 ,不能放电. 与 DC放电相比 , R F放电具有以下优点 : 1 能 (够在较低的气压下工作 等离子体的阻抗随频率的 ) ( ) (增大而减小 ; 2 有效的电离机制 电子能够在整 2. 3 高频放电等离子体 ( kHz以上 ) ) ( )(个周期里获得能量 ; 3 能进行 DBD 放电 在沉积 高频等离子体不管有没有介质阻挡 ,几乎都能 ) ( ) 非金属膜时能维持放电 ; 4 空间分布很均匀. 以 够维持连续的、均匀的 、有效的放电. 在相对较低频 上这些特点使得 R F等离子体成为微电子工业应用 率的情况下 ,用来激发和维持等离子体所消耗在电 最普遍的选择. 极上的功率与 DC放电的情形相当. 然而 ,在高频情 (D ruyve steyn在假设等离子体中的电场很弱 ,可 ) 况下 如 R F ,由于维持电子和离子在放电的半周 以忽略非弹性碰撞效应 ,能量损失机制仅仅是由弹 期内到达不了电极 ,大大降低了带电粒子的损失. 即 性碰撞引起的 ,认为电子温度远大于离子温度的情 使是很低的能量也能维持等离子体的放电状态. 高 况下 ,数值模拟给出了非平衡低压等离子体电子能 频放电可以是有电极的介质阻挡或不阻挡电容耦合 () 量分布 图 1 . 但是在高电离的等离子体中 ,电子密 放电 ,也可以是无电极的电感耦合放电. 由于高频放 度对能量的分布有足够的影响. 图 1中可以看到 ,非 电会对微波通信产生干扰 ,一般采用 13. 56MH z或 ( ) 平衡低压等离子体中高能电子 5 —15 eV 不多 , 大 它的倍频的工业射频电源作为供电源. ( 部分电子能量在 0. 5 —5 eV 的范围. 人们对用这样 R F放电的特点是可以在相当高的气压 10 — 的等离子体来处理有机物存在着争论 ,怀疑处理效 )500 m To rr下激发并维持等离子体. 通常电离度低 , 属于非平衡等离子体 ,常常又称为 R F 辉光等离子 果不佳或效率不高. 因为有机物由普通的碳、氢、氧 + 体. 电子从 R F场中吸收功率 ,通过弹性碰撞和非弹 + H 和氮原子组成 ,其电离能是 : C = 11. 26 eV; =( ) 性碰撞传递能量. 在高气压下 ,几 To rr, 电离度 + + 13. 6 eV; O = 13. 6 eV; N = 14. 53 eV. - 4 ( ) 很低 < 10 , 主要是电子与中性粒子的碰撞. 在 - 2 ( )高电离度 10 的情形 ,主要是电子与粒子的碰撞 变成主要的过程. 在弹性碰撞中 , 电子不会失去能 量 ,但会改变运动方向 ,如果电子方向的改变与电场 一致 ,电子就会从 R F场中得到额外的能量 ,所以在 R F放电中 ,即使在较低的电场中 ,电子也能获得足 够的能量产生电离过程. 在 R F放电中 ,每个电子从 R F场中吸收的能量 是 : 2 2 ν e E ( ) 图 1 D ruve steyn 的冷等离子体能量分布 平均电子能量 : 3 eV e 〈P 〉=, 2 2 (νω )2m + e e ων其中 是电子与原子的弹性碰撞频率 ,是 R F 频 . 事实上 ,非这些电离能位于分布的高能尾巴端e 率 , E 是电场强度幅值. 由此可见 , 电子从 R F 场中 平衡低压等离子体处理高分子有机材料的效果和效 吸收的能量与电场方向无关. 在电子与原子的弹性 率都是无可怀疑的. 化学方法最难处理的聚四氟乙 碰撞频率远高于 R F频率时 , R F 频率对电子吸收的 烯板材 ,经 R F低气压等离子体处理后 ,表面的亲水 能量 影 响 不 大 , 通 常 放 电 频 率 范 围 在 50 kH z— () 性得到有效的改性 图 2 . 由此可见 ,对非平衡低压 )1 表 1形成自由基的结合能和热焓值 等离子体粒子之间相互作用过程和能量输运过程等 结合能 热焓值 基本的物理问题以及等离子体与高分子材料的表面 相互作用的相关问题还有待进一步深入研究. 维持 ( )( )化学成份 能量 eV 化学成份 焓 / kJ /mo l 能量 / eV R F非平衡低压放电的电离机理主要是非弹性碰撞 二原子分子电离过程 ,这是由电子温度决定的. 所以不考虑非弹 C - H 3. 3 zCH z 596. 3 6. 1 性碰撞效应给出的电子能量分布是不完善的. 如果 ? CH2 C - N 7. 8 430. 1 4. 4 考虑到这一因素 ,图 1 的能量分布有可能向高能区 移动. 这需要进一步的研究. C - C l 4. 0 CH3 z 146. 0 1. 5 C - F 5. 7 HCyCz 566. 1 5. 8 CyO 11. 2 HCyCH2 z 300. 0 3. 1 ? NH C - C 6. 3 350. 0 3. 6 多原子分子 z NHCyC 7. 6 185. 4 1. 9 2 ?Si? C ; C 10. 0 456. 6 4. 7 CH- H 4. 5 zSiC lz 195. 0 2. 0 3 ? SiC l2 CH- H 4. 3 2 163. 0 2 1. 7 2 5 CHCH - H SiC lz 4. 8 2 318. 0 2 3. 3 2 3 ( 图 2 低压等离子体改性聚四氟乙烯表面亲水性 左样品CHz CHC - H 5. 7 328. 9 3. 4 )6 5 处理过 ;右样品未处理 CFz 2 547. 7 2 5. 0 6 5 ) 1 来源 : H andbook of Chem istry and Physic s, 82 nd Ed. , CRC P re ss 尽管如此 ,从图 1的电子能量分布注意到 ,能量 () 在 2 —5 eV 范围的电子占大部分 表 1 . 这一点非常 2. 4 非平衡大气压放电重要 ,因为这样的能量足以打断几乎所有的有机物 ( 非平衡大气压放电通常认为是局部放电 p a r2 的化学键和含有主族元素的有机结构 ,从而产生能 ) tia l d ischa rge s, PD . 即使这种放电可以运行在很广 够重新组织大分子结构的自由基. 因此可以推论 ,所 的温度范围和压力范围 ,都属 PD. PD s是局域性的 有挥发性的化合物结构 ,即使它们的单体结构不具 备聚合的功能 ,都能够在等离子体状态下被改变和 / 电场激发放电 ,常常呈现出不稳定的特征 ———不可 或转变成重的高分子化合物. 这就是目前高分子研 预见的各种等离子体模式的转换. 可以是介质阻挡 究最热门的前沿课题 ———等离子体聚合与合成. 分 放电 ,也可以不是介质阻挡放电. 由于放电电极构造 解不饱和键和形成多种自由基往往需要较高的能 的差异 、反应器几何形状的差异、将电极分开的电介 量 ,由等离子体产生的不饱和键具有很好的“存活 质材料的性质和构造的差异 、以及电极材料和反应 率 ”. 因而等离子体增强聚合与合成新材料以及表 器壁材料性质的差异 ,都会出现非常复杂的放电现 (面改性 包括薄膜沉积、接枝、表面功能化处理、刻 象 ,表现出不同的放电模式. 因此 , 介质阻挡放电 ) 蚀等 的研究越来越活跃.( ) ( d ie lec tric - ba rrie r d ischa rge s, DBD 、电晕放电 co2 由于 R F 放电的效率高 , 早期大量的关于等离 ( ) rona d ischa rge s, CD 、收缩 辉光 con stric ted glow s, 子体增强合成与材料表面改性的研究工作都是针对 ) ( ) CG、电子雪崩 e lec tron ava lanche s, EA 、局部汤森 低压 R F等离子体. 然而 ,这种产生等离子体的方法( ) 放电 loca lized town send d ischa rge s, L TD 以及流注 需要复杂而昂贵的真空系统 ,这种一炉一炉的加工 ( ) ( ) 放电 stream e rs, ST都认为是局部放电 PD s. PD s 形式生产力很低 ,该技术只适用于生产高附加值产 是冷等离子体 ,平均电子能量比带电粒子能量、中性 品 ,或这种等离子体技术是唯一可选的 ,或良好的加 ()分子以及分子碎片 离子 、自由基和原子 的能量高 工处理环境的需要. 为了利用等离子体产生高化学 得多. 正象低气压冷等离子体一样 ,这类放电不会产 活性物质 ,能够发展高效新颖的化学处理技术的优生很多热 ,因而同样可以用于处理有机化合物 ,进行 点 ,而且又能避免真空条件的需要 ,大气压等离子体 有机材料得表面改性 ,如聚合 、接枝等. 最具代表性 是一个很好的选择. 因而大气压放电等离子体物理 的 PD s是介质阻挡放电和电晕放电. 技术及其应用的研究在近几年成为研究热点. 2. 5 介质阻挡放电压特性不谈 ,微放电性质与外部驱动回路无关 ,而受 () 1985年 , Siem en s发明了介质阻挡放电 DBD , 气体性质 、气压和电极结构有关. 但是 ,在非常高的 ()当时发明 DBD 技术是用来产生臭氧的. 稍后 ,放电 频率 非常快的电压上升 放电时 ,电介质表面不能 现象得到广泛的研究. DBD 放电是由大量丝状击穿 够吸收所有微放电的能量 ,结果形成一个较弱的微 ()通道 微放电 组成 ,微放电通道的等离子体参数可 放电体系. 与传统的 R F等离子体相比 ,最大的差别 以控制改变 , 从而在应用上可以优化 DBD 技术. 是在大气压下 DBD 放电中 ,电场加速的电子经过了 DBD 装置可以成各种各样 , 平板式的 、圆筒式 与中性的和带电的粒子大量的非弹性碰撞过程后 , 的、单层介质 、双层介质、介质位置可以是悬空的 ,也 在远小于纳秒的范围内 ,大约 10p s的时间内达到平 ()可以是紧贴电极的. 电极间距 包括介质 从几厘米 衡值 ,这是电场会出现变化. 在大气压条件下 ,电子 到 10 cm. 在大气压情况下 ,一般是几毫米的间距 ,供 ( 碰撞过程激发的元素和自由基将会经过很快 1 —电电源是 10 kV 左右的交流电源. 多电极的排列构 μ)100s范围 的退激发和复合过程 ,通过扩散和对流 成应用需要的放电系统也是很常见的. 为了提高等 () 过程 m s内 ,活性物质从放电区迁移出. 结果产生 离子体能够均匀处理材料 ,是我们设计了四极结构 并维持自由基与表面的相互作用. () 的 DBD 等离子体装置 图 3 ,它是由两层电极构成 , 表 2介质阻挡和射频放电特性比较(相邻电极间距相等且极性相反. 处理材料 适合于薄 放电特性 介质阻挡放电 低压射频放电 )膜类和纤维类的物体 在两层电极间进行连续处理. 持续时间 1 —10 n s 持久 图 4是用该装置处理聚丙烯无纺布改变亲水功能的 放电丝半径 — 效果比较. 左边是处理过的 ,其均匀性非常好. 0. 1 mm 峰值电流 — 0. 1 A 2电流密度 — 100 —1000A / cm 气压范围 通常 1 atm 10 —1000 m T 总电荷 0. 1 —1 nC — 14 15 - 39 10 - 3能量密度 10—10cm 10—10cm 电子能量 1 —10 eV 0. 5 —20 eV 气体温度 接近环境温度 接近环境温度 频率 10 kH z—10 MH z 40 kH z—100 MH z ( ) 图 3 四极结构的 DBD 等离子体 30 cm ×20 cm 运行方式 开发或密闭 密闭 等离子体鞘层 — 约 20 V 3 低气压非平衡等离子体技术的应用 [ 8 —38 ] 研究 图 4 图 3中的等离子体改性聚丙烯无纺布的亲水效果比较 20 年来 ,高分子等离子体化学已在增强合成近 为了便于理解介质阻挡放电 ,将它和低气压 R F () 薄层高分子结构 沉积和接枝 、聚合材料的表面功 () 放电的特点做个比较 表 2 . 当达到击穿场强时 , DBD 放电产生等离子体. 当电子附着到其他粒子上 能化、无机或聚合物基材表面的刻蚀这三个方向得 以及参与复合过程而使等离子体电导率减小时 ,也 到飞快发展. 等离子体灭菌技术也得到应用. 会导致等离子体熄灭. 在电场强度稍低于击穿场强 时 ,微放电就会中断. 电场下降是由在丝状等离子体 3. 1 有机和无机材料的表面功能化处理位置的电荷建立所引起的. 丝状微放电被看做弱电 3. 1. 1 不同聚合物表面的相容性增强 复合材料发离等离子体通道. 传送的电荷正比于放电间距和电 展目标是创造出将各单元体的功能 介质的介电常数 ,而不是气压. 避开放电的频率和电 要素结合起来而获得需要的功能的产品. 提高双基 材复合物的可加工性 、先进的机械性能、化学稳定 性、生物降解性等特性是可以实现的. 为了达到必须,无机的 TiO粉体表面接 基丙烯酸甲酯的研究表明 2 (() ) (的表面能兼容性 , 需要对原材料 其中一种或两种 枝上 C O 、 CH 、C O O C 等团 图 5 . )都要 进行表面改性. 传统的兼容性技术是化学湿 法进行材料组织的改性. 但是聚烯烃类的材料的表 面改性就非常困难 ,因为这些材料根本没有化学活 性. 粒子填充合成 :作为石化塑料的替代品 ,淀粉基 和糊精基合成物有许多应用. 它们可以生物降解 ,还 能够通过现代处理技术保持特殊性质 ,包括在熔融 态的可加工性和防水抗恶劣环境. 为了满足这些要 求 ,必须对淀粉进行化学或物理改性后与合成的聚 合体和可塑剂混合. 在聚合合成过程中 , 占重量比 6 % —30 %的粒状或制成胶状的淀粉通常作为功能 添加剂或填充物 ,等离子体技术提供了高效改性天 ( ) ( ) 图 5 a, b分别为接枝前后二氧化钛的红外谱图然聚合体原料的路线. 与传统的化学湿法改性相比 , 等离子体改性技术的优点有 :干法处理无污染 ;能够 3. 2 等离子体制备有机和无机纳米颗粒在较宽的气压范围进行 ;仅对表面改性 ;对材料内部 粒度在 1 —100 nm 范围内的颗粒称之为纳米颗 没有影响 ;效能高. 粒 ,该尺度范围正是原子和分子相互作用的距离. 正 3. 1. 2 等离子体增强表面生物适合性 生物适合性 是由于这种相互作用 ,由纳米颗粒制成的材料的基 是指材料与生物系统具有很好的相 本的物理性质发生了变化 ,出现新的物理特性. 在纳 容性 ,没有排异行为. 研究医学和生物学问题的科学 米级的尺度上控制颗粒的孔隙或表面结构 ,达到提 家及工程师对生物适合性进行广泛的研究 ,生物适 高分离过程、接触反应过程的选择性 、磁耦合性能 、合性是一个非常复杂的现象 ,其机理还不完全清楚. 硬度、展延性或光学性能. 潜在的应用是发展超高灵主要是缺乏对活的有机体内的详细了解. 由于每年 敏度的化学传感器 、氢燃烧电池的储氢媒质、纳米结 越来越多的人体部件需要更换成人造的 ,生物适合 构的磁性材料合成等. 等离子体制备有机及无机纳 性问题变得非常重要. 用来改变材料表面物理化学 米材料的研究是当前的热点.性质的传统化学湿法处理方法常常在应用时收到限 制. 归因于该技术的复杂性、处理过程对环境不友 3. 3 等离子体灭菌好、高劳动强度以及经济性不好. 用等离子体改性的 低温等离子体灭菌主要有三种 :放射线法、过滤 方法产成生物适合性表面. 对细胞与暴露在非平衡 法和化学法. 由于这些方法存在许多弊病 ,诸如对环 等离子体中的材料表面的响应的研究表明 ,氧 、空气 () 境有污染 核辐射污染 、化学污染 、药物残留、灭菌 和水蒸气等离子体气氛在各种基材表面植入了羟基 时间长等 ,目前最先进的等离子体低温灭菌技术应( ) ( ) ( )hyd roxyl、羰基 ca rbonyl、. 羧基 ca rboxyl和其他 运而生. 与通常的低温灭菌法相比较 ,虽然等离子体 官能团 ,这些活性基团对细胞粘连和生长机制起到 灭菌设备比较昂贵 ,但是 ,等离子体低温灭菌法具有 重要作用. 无药物残留、安全性高 、灭菌时间短 、无环境污染等3. 1. 3 等离子体粉体 /纳米颗粒包覆 纳米材料作显著优点 ,不久将会成为主流灭菌技术. 为提高聚合物材料的各种性能在合 低温等离子体杀灭枯草杆菌黑色变种芽孢和嗜 成挤塑过程中被添加进去. 由于分散性及相容性不 热脂 肪 杆 菌 芽 孢 的 实 验 研 究 表 明. 在 射 频 功 率 好 ,往往改性效果不佳. 利用等离子体对纳米材料进 400W 时 ,等离子体放电时间 1 分钟就能完全杀灭 ( )行包覆处理可以解决. 超细二氧化钛 TiO是一种十 2 枯草杆菌黑色变种芽孢 , 灭菌腔中的温度是 26 ?, 分重要的无机材料. 其独特的紫外线屏蔽、光催化作 比环境温度高 2 —4 ?. 而对嗜热脂肪杆菌芽孢进行用、颜色效应等功能使其一经面世即倍受青睐 ,在防 灭菌 ,在射频功率只在 400W 时 ,等离子体放电时间晒、杀菌、废水处理 、环保 、汽车工业等方面有着广阔 ( ) 只需要 30 秒钟. 用常规的低温环氧乙烷 E. O 灭的应用前景. 等离子体处理 TiO粉体接枝包覆聚甲 2 ( ) M ano lache / P rog. Po lym. Sc i. 29 2004 815 - 885 878 po l2 菌 ,草杆菌黑色变种芽孢需要 180分钟 ,嗜热脂肪杆yp rop ylene homopo lym e r. In: P roceed ings of Second B iom a ss 菌芽孢需要 26分钟.Confe rence of the Am e rica s: Ene rgy, Environm en t, A gricu l2 tu re, and Indu stry, 1995 A ugu st 21 - 24; Po rtland, OR , 4 结束语 Go lden, CO: N a tiona l R enewab le Ene rgy L abo ra to ry, 1995. 1219 低温等离子体技术应用研究涉及的领域相当 Sanad i A R , Caufie ld D F, Jacob son R E et a l. Ind. Eng. [ 11 ] 宽 ,在有限的篇幅里很难做到全貌介绍 ,本文所介绍 ( ) Chem. R es. , 1995 , 34 5 : 1889 的内容只是当前等离子体应用研究的冰山一角. 但 ( ) Hop k in s J , B adya l J P S. J. Phys. Chem. , 1995 , 99 1 : [ 12 ] 是笔者认为本文介绍的这些技术的应用将会给世界 4261 经济带来革命性的变化 ,等离子体商机无限的预言 A kova li G, R zaev Z M , M am adov D G. Eu r. Po lym. J. , [ 13 ] ( ) 将成为现实. 读者不难发现本文介绍的当今热点研 1996 , 32 3 : 375 Ganap athy R , W ang X, D ene s F et a l. J. Pho topo lym Sc i. [ 14 ] 究的大部分内容是关于高分子等离子体化学的一个 ( ) Techno l. , 1996 , 9 2 , 181 新生的研究领域 ———聚合科学. 因为体现高效能 、低 Hop k in s J , W heale S H , B adyal H P S. J. Phys. Chem. , [ 15 ] () 消耗 资源 、无污染的绿色化工是当今发展的潮 1996 , 100: 14062 流 ,传统的高耗能、低效率的、工艺复杂且流程长的 Kiss E, Sam u J , To th A , B e rto ti I. L angm u ir, 1996 , 12: 1651 [ 16 ] ()化学处理 聚合、复合、接枝等 过程对环境不友好. ( ) D ene s F. TR IP, 1997 , 5 1 : 23 [ 17 ] D ene s F, Young R A , Sa rm ad i M. J. Pho topo lym Sc i. Techn2 在新材料的合成、聚合 、改性等方面 ,传统的化学手 [ 18 ] ( ) o l. , 1997 , 10 1 : 91 段无法实现 ,而等离子体技术可方便地实现. L ee S D , Sa rm ad i M , D ene s F et a l. P la sm as Po lym. , 1997 , 2 [ 19 ] 由于等离子体技术的每一项应用都涉及到学科 ( ) 3 : 177 M ah lbe rg R , N iem i H E M , D ene s F S et a l. L angm u ir, 1999 , [ 20 ] 的交叉 ,为了让非等离子体专业而又对等离子体应 ( ) 15 8 : 2985 用技术感兴趣的人了解等离子体发生技术 ,笔者也 [ 21 ] ( ) R öp e r H , Koch H. Sta rch / St,rke, 1990 , 42 4 : 123 用了较大篇幅对主要的等离子体发生技术进行了浅 [ 22 ] Im am S H , Go rdon S H , Shogren R L et a l. J. Env. Po lym. 显的介绍. ( ) D egrad, 1995 , 3 4 : 205 [ 23 ] ( ) Ch ie llin i E, So la ro R. A dv. M a ter, 1996 , 8 4 : 305 [ 24 ] ( ) Pou tanen K, Fo rssell P. TR IP, 1996 , 4 4 : 128 [ 25 ] ( ) Pa til D R , Fan ta G F. Sta rch / St,rke, 1995 , 47 3 : 110 [ 26 ] A thawa le V D , R a th i S C. J. App l. Po lym. Sci. , 1997 , 66 参 考 文 献( ) 7 : 1399 [ 27 ] ( ) Mo stafa K H M. J. App l. Po lym. Sc i. , 1995 , 56 2 : 263 [ 28 ] [ 1 ] V enugop a lan M. R eac tion unde r Co ld P la sm a cond ition s, vo l. H ebe ish A , E l - R afie M H , H igazy A et a l. Sta rch / St,rke, 1. N ew Yo rk: W iley / In te rsc ience, 1971 [ 29 ] ( ) 1996 , 48 5 : 175 N a sse r E. Fundam en ta ls of Ga seou s Ion iza tion and P la sm a E2 [ 2 ] [ 30 ] ( ) A thawa le V D , L e le V V. Sta rch / St,rke, 1998 , 50 10 : 426 lec tron ics. N ew Yo rk: W iley / In tersc ience, 1971 ( ) [ 3 ] H e rm an H. Sc i. Am. , 1988 , 259 3 : 112 W aly A , A bde l - Mohdy F A , H ebe ish A. Po lym. Po lym. [ 31 ] [ 4 ] ( M ac R ae DR. 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