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納米注塑(NMT)既是注塑工藝,也是一種連接工藝,其通過注塑的手段將兩種材料在納米層面上結(jié)合起來,最早由日本大成公司開發(fā)并應(yīng)用于金屬與塑料之間的連接。其原理是通過化學刻蝕法在金屬表面形成納米級孔洞并殘留水溶性胺類化合物,將熔融狀態(tài)的聚合物通過注塑的方式與金屬表面結(jié)合,結(jié)合過程中胺類化合物與聚合物發(fā)生放熱反應(yīng),促使聚合物流進納米孔內(nèi)與金屬基底形成類似船錨的局部結(jié)構(gòu),形象地稱之為錨栓效應(yīng)。

金屬表面的納米化處理可以提高聚合物/金屬之間的界面結(jié)合強度,但仍面臨著結(jié)合面積限制、聚合物選擇有限等挑戰(zhàn),聚合物的粘結(jié)性能仍有很大的改善空間,因此材料革新以及工藝改進迫在眉睫。等離子體處理工藝作為表面改性常用手段之一,不僅可以完成金屬表面的納米化處理,還可以有效地提升聚合物表面的極性與親水性,進而增強聚合物/金屬的粘結(jié)性能。

等離子體(Plasma)又稱電漿,其本質(zhì)是由氣體電離而產(chǎn)生的非凝聚體系,由中性的原子或分子、激發(fā)態(tài)的原子或分子、自由基、電子或正負離子和輻射光子組成。相較于普通氣體,等離子體是一個局部導(dǎo)電但宏觀尺度上維持電中性的流體,其體系內(nèi)各活性粒子之間發(fā)生的相互作用也遠比理想氣體中粒子的作用復(fù)雜的多,所以其常被視為是除去固、液、氣外,物質(zhì)存在的第四態(tài)。

等離子體表面處理原理

低溫等離子體技術(shù)作為一種新型氧化處理技術(shù),在形成過程中會發(fā)生許多化學反應(yīng),其高能電子與背景分子(氮氣、氧氣、水等)碰撞從而產(chǎn)生二次電子,光子,離子和自由基等活性粒子。

活性氧和活性氮是大氣低溫等離子體放電產(chǎn)生的主要化學活性粒子,其中ROS因具有氧化性在材料表面改性過程起到了主要作用,ROS主要包括游離氧(·O)、羥基自由基(·OH)、臭氧(O3)和過氧化氫(H2O2)。

在低溫等離子體放電過程中,由于空氣中的氧氣電離作用,大量游離氧產(chǎn)生,進而導(dǎo)致臭氧的生成;因大氣中有水分子的存在,H2O2會在高能氧原子與水分子的一系列反應(yīng)過程中產(chǎn)生,而水分子也會通過解離、電離而產(chǎn)生羥基自由基。具體反應(yīng)過程如下:

如圖1.1所示,在特定反應(yīng)器中,大量活性粒子(H2O2、O3、·OH、·O等)生成,它們通常具有很高的氧化能力,通過與反應(yīng)物發(fā)生腐蝕、交聯(lián)和氧化等一系列的化學反應(yīng),反應(yīng)物表面會引入-OH和-CO-和-COOH和-CHO等含氧官能團。與此同時表面一部分分子還會發(fā)生熱解,大分子降解成小分子片段并脫離出去,部分被降解后的小分子片段仍殘留在反應(yīng)物表面,使材料表面變得凹凸不平,這個過程在微電子制造領(lǐng)域被稱為刻蝕,是微納米制程工藝中的重要加工手段。

圖1-1低溫等離子體處理技術(shù)原理圖 

納米注塑成型既是一項成型工藝,也是一門連接技術(shù),技術(shù)的核心是聚合物與金屬之間的錨栓效應(yīng),如何提高異種材料的結(jié)合力是納米注塑的主要突破方向,等離子體處理可以顯著提高聚合物表面活性,進而提高材料親水性和異質(zhì)界面的粘附性能,因此通過等離子體改性是提高聚合物/金屬界面粘結(jié)強度的工藝調(diào)控方法,為提升納米注塑材料的可靠性提供了可能。