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等離子體(plasma)是一種特殊的物質形式,它在自然界和日常生活中很常見。它由電子、離子、激發態和基態的原子或分子、光子和自由基等組成,總體上呈現出無電荷的狀態。它與一般的氣體有著不同的成分和特性,所以被認為是除了“固態、液態、氣態”之外的另一種物質狀態,也就是第四種狀態。

等離子體的種類很多,可以根據粒子溫度的差異分為兩大類:熱平衡態和非平衡態。熱平衡態是指電子、離子、中性粒子的溫度相近,達到熱力學平衡的狀態。非平衡態是指電子溫度遠高于離子和中性粒子的溫度,也叫低溫等離子體。低溫等離子體的反應主要包括三個步驟:(1)在低壓下通入少量氣體,通過輝光放電產生等離子體;(2)激發態粒子不穩定,會分解或碰撞,導致形態變化;(3)生成的自由基極不穩定,會與其他物質發生化學反應,形成新的化合物。低溫等離子體表面處理工藝是一種干式工藝,具有節能、無污染、簡便、高效等優點。它只作用在材料表面薄層,不影響材料內部結構,在高分子材料表面處理中有廣泛應用。

多孔碳材料等離子體處理

等離子處理作為一種對多孔碳材料進行表面改性的技術,受到越來越多的關注。在等離子處理過程中,多孔碳材料的表面會發生緩慢的化學反應,生成一些化學活性點,從而改善碳材料的吸附性能。但是這些化學反應僅僅發生在碳材料表層,而不會改變碳材料整體的性質。可以通過改變等離子氣體來使碳材料表面發生氧化反應、還原反應或者不發生反應。根據等離子氣體的不同,碳材料表面會生成相應的堿性或酸性官能團。表面酸性官能團的半定量分析顯示等離子處理的條件會影響表面官能團的質量和數量。等離子氧化對碳材料的親水性影響較小,它會減小碳材料的表面積,增大表面酸性官能團的濃度,進而改進其吸附性能。尤其是放電過程中生成弱酸性官能團對金屬離子的吸附會起到非常重要的作用。另外,氮氣的等離子處理會明顯的改變碳材料表面的含氧官能團的分布,而且還會使芳香環中引入更多的氮原子。

相較于傳統的改性方式,低溫等離子體處理技術是一種干式反應,不使用溶劑,避免了濕法工藝中產生的廢料、廢液對環境造成的二次污染,是一種高效、節能的綠色改性技術。