KRI 離子源用于清潔聚合物表面時, 如何選擇應(yīng)用的氣體

對金屬和耐火復(fù)合材料表面的清洗, 如果處理得當(dāng), 可以去除物理吸附的污染物, 對被清洗表面的不利影響很小. 然而, 對聚合物表面的類似清洗可如增加表面電導(dǎo)率、改善醫(yī)用植入物的生物相容性或使應(yīng)用于該表面的薄膜的化學(xué)結(jié)合成為可能等效果.

與金屬或常見難熔化合物相比, 聚合物中的原子鍵變化更大. 從大多數(shù)聚合物有限的溫度能力可以看出這些鍵很弱.

多元素和相對弱鍵導(dǎo)致的過程比金屬和難熔化合物要復(fù)雜得多. 暴露出具有不同鍵合能力的不同元素被稱為功能化、激活或產(chǎn)生自由基或懸垂鍵.

下面我們簡單介紹 KRI 離子源用于清潔表面時, 如何選擇應(yīng)用的最佳氣體, 使用不同氣體對聚合物基質(zhì)的影響.

氬

在一定的離子能量范圍內(nèi)研究了氬離子對聚合物基質(zhì)的影響. 在不同的能量下, 效果通常是相似的, 但是影響層的厚度和傷害率都隨著能量的增加而增加. 這一觀察結(jié)果是由濺射產(chǎn)物在一定能量范圍內(nèi)的相似性所顯示的, 許多產(chǎn)物是小的原子團(tuán)簇(例如, C2H2). 此外, 在高能條件下有利于形成非晶態(tài)石墨層. 為了獲得良好的附著力, 主要目標(biāo)是激活薄的表面層, 使其對層下的大塊材料的損害最小, 這意味著離子能量小于100 eV. 然而, 高能量效應(yīng)的一般相似性表明, 高能量研究可以擴(kuò)展對<100 eV范圍的理解.

隨著 Ar+劑量的增加, x射線光電子能譜最常見的觀察結(jié)果是 C=O鍵的減少和表面附近非晶態(tài)石墨化碳的增加. 濺射產(chǎn)率往往很高——硝基纖維素在100 eV時可高達(dá) 30. 在被激活的聚合物表面沉積的Ti薄膜的界面附近檢測 TiC表明了活性炭位點(diǎn)在粘附中的重要性. 表面活化的最佳劑量是足以獲得大部分或全部所需特性或結(jié)構(gòu)的劑量. (這與最佳清洗劑量的定義是一致的, 除了所需的特性可以是潔凈度以外的. )在<100 eV時, 還沒有優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 但在 500 eV和2kev下的研究都給出了幾個優(yōu)化值, 這些優(yōu)化值在標(biāo)準(zhǔn)清洗劑量 1015 ions/cm²的兩倍范圍內(nèi).

這些優(yōu)化是基于表面碳鍵的可用性或沉積在該表面的膜的實(shí)驗(yàn)附著力.

在不知道所需離子劑量的情況下, 可以嘗試清洗聚合物. 在這種情況下, 后來的計(jì)算有時顯示清洗劑量為每平方厘米1015個離子的100倍或更多. 如此大量的清潔劑量可導(dǎo)致低發(fā)射率碳的積累, 同時清除通常是氣態(tài)產(chǎn)物, 如 H、O和n. 活化碳結(jié)合位點(diǎn)往往是可取的, 但用石墨層覆蓋表面很少有用.

氧氣

在一定的離子能量范圍內(nèi), 研究了將氧與聚合物基質(zhì)結(jié)合使用的效果. 濺射的產(chǎn)物一般與氬相似, 乙炔(C2H2)同樣重要. 在<100 eV時, 濺射產(chǎn)率是不可得的, 但在500 eV和1kev時的氧值大約比氬氣時大10倍. 含氧濺射產(chǎn)額的大幅增加表明濺射過程中存在大量的活性成分, 該活性成分在<100 eV時可能仍然存在. 氧在<100 eV時的高濺射產(chǎn)率反過來表明1015 ions/cm² 的劑量應(yīng)該是足夠的.

與氬相比, 需要更高的離子能量來形成含氧的碳質(zhì)層. 除了離子束特性外, 碳質(zhì)層的形成可能還取決于氧的背景壓力. 模擬氧蝕刻過程表明, 如果氧足夠, 接近統(tǒng)一覆蓋的蝕刻表面氧, 這種覆蓋在x射線光電子能譜中并不明顯, 但是x射線光電子能譜在最上面幾層上的平均可以掩蓋這種效果.

氮

一項(xiàng)使用 60-100 eV氮離子處理聚丙烯表面的研究表明, 最佳劑量接近 1015 ions/cm².

這種處理使表面氮/碳比約為 0.11. 在 60-100 eV范圍內(nèi)也存在能量變化的影響, 但這種變化的部分原因可能是由于聚合物缺乏均勻性.

現(xiàn)有資料表明, 聚合物的清潔/活化劑量需要保持在 1015 ions/cm² (1.6×10-4 C/cm²)附近, 可能不超過該值的兩倍. 有限的數(shù)據(jù)和最小化聚合物表面下?lián)p傷的合理目標(biāo)都表明離子能量應(yīng)該小于 100 eV. 由于活化效應(yīng)的范圍很廣, 可能必須通過實(shí)驗(yàn)來確定一種新應(yīng)用的最佳氣體.

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