等離子體作為物質的除固態、液態、氣態之外的第四態，在材料表面改性得到廣泛的研究和應用。相對于其他改性方法，等離子體技術對材料改性具有工藝簡單、操作方便、加工速度快、處理效果好、環境污染小、節能的優點，并可以得到傳統化學方法難以達到的處理效果。下面小編介紹等離子體技術在無機粉體表面改性方面的應用。

一、等離子體改性概述

等離子體作為物質的第四態，是氣體部分或完全電離產生的非凝聚體系，一般都包含自由電子、離子、自由基和中性粒子等，體系內正負電荷數量相等，宏觀上呈電中性。根據粒子溫度的差異，可分為熱平衡等離子體或熱等離子體（thermal plasma）和非平衡等離子體或低溫等離子體（non-thermal plasma）。

圖1  冷等離子體射流

目前，在無機粉體改性領域應用較多的是低溫等離子體。低溫等離子體對無機粉體表面改性方法通常有等離子體處理、等離子體輔助化學氣相沉積和等離子體引發的接枝聚合等。

1、等離子體處理

等離子體處理是指非聚合性氣體（非反應性氣體如He、Ar等和反應性氣體如O₂、CO₂、NH₃等）的等離子體對粉體顆粒表面的物理的或化學的作用過程。處理中，等離子體中的自由基、電子等高能態粒子與粉體顆粒的表面作用，通過刻蝕與沉積作用發生降解和交聯等反應，在粉體顆粒表面產生極性基團、自由基等活性基團，從而可實現其親水化等處理。

2、等離子體輔助化學氣相沉積

等離子體輔助化學氣相沉積是指首先通過等離子體表面活化引入活性基團，然后在粉體顆粒表面構建新的表層或形成薄膜。

3、等離子體接枝聚合

等離子體接枝聚合是先對粉體顆粒進行等離子體處理，利用表面產生的活性自由基引發烯類單體在材料表面進行接枝聚合。相比材料表面引入的單官能團，接枝鏈化學性質穩定，可使材料表面具有永久性的親水性。接枝速率與等離子體處理功率、處理時間、單體濃度、接枝時間、溶劑性質等因素有關。

圖2  等離子體接枝聚合處理示意圖

二、等離子體改性無機粉體的應用

隨著無機粉體應用領域的拓寬，對其性能的要求越來越高，各種改性技術應運而生，以求改善其表面化學性質，如改變粉體表面結構、改善粉體的分散性和潤濕性、親水性、表面能等，提高其工作性能和效率。在眾多改性方法中，目前等離子體處理是研究最熱門的技術之一。

1、改變粉體表面結構

等離子體處理粉體表面后，使其結構會發生明顯變化。研究者采用放電氣壓 16Pa、放電功率 55W 的條件下，用丙烯酸等離子體對TiO₂納米顆粒表面處理2h，通過透射電鏡對處理前后的TiO₂納米顆粒進行分析時發現，經改性處理的 TiO₂粉體表面生成了一層結合緊密的有機物，其厚度為3～5nm，表明通過等離子體聚合在 TiO₂粉體的表面沉積了丙烯酸薄膜。

圖3  丙烯酸等離子體處理后TiO₂納米顆粒應用于光催化

研究者利用吡咯等離子體在放電氣壓 25Pa、放電功率 10W 的條件下，對Al₂O₃納米顆粒處理24min。從 HRTEM 照片中能夠清晰地看到，在不同尺寸Al₂O₃納米顆粒上的超薄吡咯薄膜，其厚度大約為 2nm，均勻并具有典型的非晶結構。

2、改善粉體表面潤濕性

無機粉體表面通常含有親水性較強的羥基，呈現較強的堿性。其親水疏油的性質使粉體與有機基體的親和性差。為了改善二者之間的相容性，可對粉體進行表面改性。 粉體經等離子體處理后，其表面將生成一層有機包覆層，導致表面潤濕性發生變化。

例如經過等離子體處理后的碳酸鈣粉體表面接觸角明顯增大，改性后的碳酸鈣粉體表面性質由親水性向親油性轉變。采用不同的等離子體（甲基丙烯酸酯、丙烯胺、環乙胺、苯乙烯）處理的碳酸鈣粉體接觸角有較大差別，如下表所示：

在絲網印刷技術中，制備電子漿料采用的超細粉體一般是無機粉體，其表面積大，極易發生團聚形成大的二次顆粒，在有機載體中難于分散。這將對漿料的印刷性能以及制備的電子元器件性能產生不利影響。采用六甲基二硅氧烷作為等離子聚合單體對玻璃粉體進行表面改性，在粉體表面聚合形成了低表面能的聚合物，使表面疏水性增強。當形成的聚合物完全覆蓋粉體表面時，接觸角達到最大，通過改變粉體表面包覆的聚合物的數量，改變或控制粉體的表面能，改善其在有機載體中的分散性能。

3、改善粉體分散性

采用低溫等離子體對無機粉體進行表面改性, 通過反應在其表面形成聚合物層，這樣可以降低粉體的表面能，減小團聚生成的傾向。同時聚合物層還可以增加粉體與有機高聚物的相容性，從而改善了粉體在其中的分散性能。

例如制備氧化鋯陶瓷工藝工程中，對超細ZrO₂粉體進行低溫等離子體改性處理，使ZrO₂粉體表面聚合了聚乙烯、聚苯乙烯以及聚甲基丙烯酸甲酯等不同的聚合物層，該聚合物膜的形成能夠顯著改善 ZrO₂粉體的分散性。

目前，等離子體處理和等離子體聚合相結合的技術是很有前途的表面處理方法，然而其仍存在處理后粉體顆粒表面時效性問題，即隨著放置時間的延長，表面性能會逐漸退化以及其表面改性機理問題尚需進一步明晰。2018全國粉體檢測與表面修飾技術創新論壇將于2018年12月23-25日在珠海召開，會議云集了粉體檢測與表面修飾技術眾多業內大咖，將全方位展示未來粉體檢測新設備與表面修飾新技術。

參考文獻：

1、羅世永，電子漿料用超細玻璃粉的等離子體改性，《電子元件與材料》。

2、章學兵，許民，周小英，抗紫外納米ZnO/TiO₂粉體的氧化鋁表面改性，《精細化工》。

3、溫貴安，無機粉體的低溫等離子體改性，《材料導報》。

作者：樂心