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。

这里简单介绍一下表面处理用的辉光等离子体是怎样产生和工作的. 辉光等离子体是在真空室中产生的，真空室的容积有100至200升，还有更大的至一，两立方米。真空室内有一对或多对极板，和高频高压电源相连。被处理的工件置于极板之上，通入适当的工作气体，例如，氧，氮，氢，氩，四氟化碳或带有特殊官能团的有机蒸汽等等。用真空泵抽到大约10帕（万分之一大气压）左右的真空，然后在极板上施加一定的高电压。工作气体中个别存在的自由电子被电场加速，速度越来越快，能量越来越高，它把工作气体的分子和工件表面的分子轰击成离子和自由基。这样又产生更多的电子，它再次又被电场加速，再次轰击更多的分子,如同雪崩一样。这样就形成一种含有离子、电子、高活性自由基和电中性分子的可以导电的“气体“，这就是前面提到的辉光等离子体。

在前面提到的大约10帕上下的高真空放电获得等离子体时,气体分子间的距离非常大。自由电子有较大的自由程,因此可以得到较充分的加速,获得较高的能量。而质量较大的中性粒子和离子在电场中却不会得到电子那样高的动能。所以,此时电子的平均动能远远超过中性粒子和离子的动能,即Te >> Tg≈ Ti,此时Te可高达10⁴ K,而质量占99%的中性粒子和离子的温度Tg或Ti 却只有300～500 K。因此这种等离子体处于非平衡状态,所以称之为非平衡等离子体或低温等离子体,以后在有关等离子体的文献中经常可以见到这两个词。

国际科学界早在20 世纪80 年代就预言，低温等离子体技术是21 世纪最有希望在各个领域取代传统湿法化学加工工艺的革新技术。21 世纪科学技术飞跃发展的事实表明，等离子体科学技术已在材料、能源、信息、化工、物理、医学、军工、航天等领域显示了强大的生命力。

钟罩式的辉光等离子体放电装置, 通过窥镜可以看到等离子体放电.

2. 等离子体可以和工件表面产生哪些反应:

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:

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。

真空腔内柔和的淡紫色的等离子体放电，在逐步剥离电真空元件上的油污

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,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, 使基材具有增水性。

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善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。

3．等离子体技术的特点

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：① 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；② 温度低：接近常温，特别适于高分子材料；③ 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）；④ 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；⑤ 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；⑥ 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；⑦ 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。⑧ 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。

4.等离子体技术有什么用处

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。

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.

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.

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.

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0.3mm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。

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。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。

聚四氟乙烯(PTFE)塑料板浸润性很差，滴上的水珠成球形，浸润角达133度，做复合材料很难粘结。

经等离子体表面清洗和活化以后，聚四氟乙烯塑料板浸润性大大改善,滴上去的水滴马上就散开了.

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。

等离子体聚合产生的致密的交联层可以控制可降解聚合物的降解速度,药物释放速度。

生物制药厂经常需要细胞贴壁培养和生长,通过等离子体可以改变载体,如培养皿、培养瓶、培养膜表面的化学结构,表面能,表面电荷而提高细胞滋生、繁殖数量和速度。

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

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.

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.

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.

心脏外科手术以及透析用的血液导管经等离子体活化内表面接上肝素,可以防止血凝.

生物传感器(血糖仪)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.

酶的固定化

酶是一种特殊的生物催化剂,具有催化效率高、高度专一性、作用条件温和、容易控制、来源广泛等特点,在食品加工、医药、化学分析、亲和层析、环境保护、能源开发等方面得到广泛应用。但天然酶稳定性差，易失活，不能重复使用,并且反应后混入产品,纯化困难,代价昂贵,这样限制了其在工业中的更为广泛的应用。因此人们将酶固定在一定的载体上进行固定化 ,使其成为更适合工业生产的新型酶制剂.而酶的载体往往是惰性的,或准惰性的,例如常见的多孔聚苯乙烯微球就是一例。而利用前述的等离子体的表面修饰技术, 表面接枝技术在载体的的表面上接上恰当的官能团,通过它和酶的化学反应,可以把酶牢牢地固定在载体上面。除了酶的固定化,在医学检测中的免疫测试中,需要把抗体固定在透光性很好的聚苯乙烯的测试版上。目前等离子体技术是唯一的能使惰性的聚苯乙烯表面引入醛基,胺基,环氧基使其活化,实现大分子抗体通过共价键固定化的方法。而且还可以实现小分子的激素,肽类的固定化,从而大大扩大了免疫测试的范围。 通过等离子体,还可以提高生物传感器载体的活性,提高固定酶和抗体的稳定性,这样也就提高了生物传感器的使用寿命,稳定性和灵敏度.

医学免疫测试用的酶标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.

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.

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.

5. 联系我们

这项等离子体技术工作是由德籍专家主持,主要是推广等离子体技术在清洗, 表面技术, 膜技术, 材料的生物相容性等方面的应用，并按用户需要为用户的材料进行表面改性和修饰。

耿世铭 博士

电话, 010-6443 6194