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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(guò)注塑的手段將兩種材料在納米層面上結(jié)合起來(lái),最早由日本大成公司開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于金屬與塑料之間的連接。其原理是通過(guò)化學(xué)刻蝕法在金屬表面形成納米級(jí)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(guò)注塑的方式與金屬表面結(jié)合,結(jié)合過(guò)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)而增強(qiáng)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(fù)離子和輻射光子組成。相較于普通氣體,等離子體是一個(gè)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(yuǎn)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(guò)程中會(huì)發(fā)生許多化學(xué)反應(yīng),其高能電子與背景分子(氮?dú)?、氧氣、水?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(xué)活性粒子,其中ROS因具有氧化性在材料表面改性過(guò)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(guò)氧化氫(H2O2)。

在低溫等離子體放電過(guò)程中,由于空氣中的氧氣電離作用,大量游離氧產(chǎn)生,進(jìn)而導(dǎo)致臭氧的生成;因大氣中有水分子的存在,H2O2會(huì)在高能氧原子與水分子的一系列反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生,而水分子也會(huì)通過(guò)解離、電離而產(chǎn)生羥基自由基。具體反應(yīng)過(guò)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(guò)與反應(yīng)物發(fā)生腐蝕、交聯(lián)和氧化等一系列的化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)物表面會(huì)引入-OH和-CO-和-COOH和-CHO等含氧官能團(tuán)。與此同時(shí)表面一部分分子還會(huì)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(gè)過(guò)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(xiàng)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(jìn)而提高材料親水性和異質(zhì)界面的粘附性能,因此通過(guò)等離子體改性是提高聚合物/金屬界面粘結(jié)強(qiáng)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。