基于原位诊断技术的均匀APPJ与聚合物薄膜表面相互作用机制研究

Atmospheric pressure plasma jet (APPJ), which has many advantages such as rich active species, working in open ambient and transporting active species flux to object, has potential application in materials modification and biomedicine fields. In interaction mechanism research of plasma with materials and APPJ’s applications, exploring the uniform APPJ’s characteristic modulation and interaction of APPJ with polymer films has prospective meaning. Based on our previous works, the generated uniform APPJ is employed in this project to perform surface modifications to PE and PI films, in order to improve their surface energy, surface adhesion and so on. This project is willing to investigate the propagation and evolution behavior of APPJ in interactive region and film surface by combining experimental observation with simulation analysis. Some novel in situ diagnosis techniques are introducing in this project. Different spectrum (emission, laser-induced fluorescence, and absorption) are utilized to measure optical radiation properties of APPJ in real time and obtain the spatio-temporal distribution of active species. Pockels effect is employed to capture distribution and evolution of deposited charges in film surface when APPJ works and deduce the evolution behavior of electric field. Weak light detection system is adapted to collect luminescence of film surface induced by the APPJ. In the end of the research, we hope to explain the interaction mechanism between APPJ and polymer surface. The results would be hoped to promote the further development for the investigation of material surface functionalization and insulation material electrical characteristics improvement.

大气压等离子体射流（APPJ）富含活性成分、工作于开放气体氛围、输送大量活性粒子至处理对象等优点，在材料处理、生物医学等领域有重要应用潜力。深入挖掘均匀APPJ的特性调控及其与聚合物薄膜表面相互作用，在等离子体与材料相互作用机理研究及应用方面具有前瞻性意义。项目基于前期基础，利用产生的均匀APPJ对聚乙烯（PE）和聚酰亚胺（PI）薄膜进行表面改性，以期提高薄膜表面能，改善其表面粘附特性；结合仿真模型研究APPJ在交互区及薄膜表面发展和演化行为，利用发射、激光诱导荧光和吸收光谱实时测量交互区等离子体的光学辐射特性，获得活性粒子的时空分布；利用电光效应测量APPJ工作时薄膜表面沉积电荷的分布及演化，反演电场演化规律；采用弱光探测系统研究APPJ诱导薄膜表面的发光特性。通过本项目研究，旨在探明均匀APPJ与聚合物材料表面作用的内在机制，助力材料表面功能化及绝缘材料耐电性能改善等研究的进一步发展。

本项目针对大气压等离子体射流（Atmospheric pressure plasma jet, APPJ）活性粒子难以调控，与处理对象相互作用机制不清晰，诊断技术滞后等核心科学问题，基于原位诊断技术和数值仿真方法，开展了聚合物薄膜表面等离子体功能化处理研究，明确了活性粒子通量分布及等离子体的时空演化过程，探讨了均匀等离子体对聚合物薄膜表面的作用机制。建立大气压APPJ数值仿真模型，构建了等离子体光电联合诊断平台及材料表面性能后测量平台。（1）以DBD为对象，利用数值仿真手段对阻挡介质表面耦合特性参数进行分离，分别探讨电子/离子粘附系数、相对介电常数和表面粗糙度等阻挡介质本征参数对大气压DBD特性的影响机制。（2）利用纳秒脉冲电源和kHz交流电源驱动产生He APPJ，研究了不同放电模式APPJ的动力学演化行为、等离子体产物以及OH自由基的空间分布；使用类辉光APPJ和对称模式APPJ分别对PI和LDPE薄膜进行不同剂量的处理，结合后测量技术，如SEM、AFM、XPS、WCA等，研究了脉冲He APPJ对PI薄膜表面的改性效果和交流He APPJ对LDPE薄膜表面改性效果的径向演化特性，发现处理后薄膜的径向特性并非单调变化，APPJ对LDPE薄膜沿径向先刻蚀后沉积，且纳秒脉冲APPJ存在过度处理现象；结合量子化学仿真手段研究了不同含氧官能团对表面能极性分量的贡献，得到形成氢键的键能强弱为C-O＞O-C=O＞C=O。（3）分别对纳秒脉冲He APPJ管内DBD区和管外羽流区进行数值模拟，借助管内放电模型探讨了不同上升沿电压对管内放电等离子体发展演化特性的影响；利用管外模型研究了层流APPJ在聚合物薄膜发展演化过程中电子密度、电子温度、约化电场、薄膜表面粒子通量的时空分布，为后续进行量子化学研究提供了数据支撑；通过对OH和O产生途径的分析，明确了OH和O的主要产生机制；（4）针对类辉光Ar/NH3 APPJ的条纹结构及其演化进行研究，结合流体力学和气体放电物理理论分析了条纹结构的形成机理及演化特性。认为管内条纹结构形成于管内电场为荷电粒子提供的有质动力；管外条纹结构形成于正放电的空间残余电荷与亚稳态粒子。