[科普中国]-等离子清洗机

等离子清洗机(plasma cleaner)也叫等离子清洁机，或者等离子表面处理仪，是一种全新的高科技技术，利用等离子体来达到常规清洗方法无法达到的效果。等离子体是物质的一种状态，也叫做物质的第四态，并不属于常见的固液气三态。对气体施加足够的能量使之离化便成为等离子状态。等离子体的“活性”组分包括：离子、电子、原子、活性基团、激发态的核素（亚稳态）、光子等。等离子清洁机就是通过利用这些活性组分的性质来处理样品表面，从而实现清洁、涂覆等目的。

简介等离子体和固体、液体或气体一样，是物质的一种状态，也叫做物质的第四态。对气体施加足够的能量使之离化便成为等离子状态。等离子体的"活性"组分包括：离子、电子、活性基团、激发态的核素（亚稳态）、光子等。等离子体表面处理仪就是通过利用这些活性组分的性质来处理样品表面，从而实现清洁、改性、光刻胶灰化等目的1。

清洗原理等离子体是物质的一种存在状态，通常物质以固态、液态、气态三种状态存在，但在一些特殊的情况下有第四种状态存在，如地球大气中电离层中的物质。等离子体状态中存在下列物质：处于高速运动状态的电子；处于激活状态的中性原子、分子、原子团（自由基）；离子化的原子、分子；未反应的分子、原子等，但物质在总体上仍保持电中性状态。

在真空腔体里，通过射频电源在一定的压力情况下起辉产生高能量的无序的等离子体，通过等离子体轰击被清洗产品表面．以达到清洗目的．

结构等离子清洗机的结构主要分为三个大的部分组成，分别是控制单元、真空腔体以及真空泵。就以下三个部分做一个陈述：

一、控制单元

国内使用的等离子清洗机，包括国外进口的，控制单元主要分为半自动控制、全自动控制、PC电脑控制、液晶触摸屏控制四种方式。

而控制单元又分为两个大的部分：

1）电源部分：主要电源频率有三种，分别是40KHz、13.56MHz、2.45GHz，其中13.56MHz是需要电源匹配器的。

2）系统控制单元：分三种，按钮控制（半自动、全自动）、电脑控制、PLC控制（液晶触摸屏控制）。

二、真空腔体：

真空腔体主要是分为两种材质的：

1）不锈钢真空腔体。

2）石英腔体。

三、真空泵：

真空泵分为两种：

1）干泵。

2）油泵。

以下为等离子清洗机面板按钮和背面结构：

优势一、清洗对象经等离子清洗之后是干燥的，不需要再经干燥处理即可送往下一道工序。可以提高整个工艺流水线的处理效率；

二、等离子清洗使得用户可以远离有害溶剂对人体的伤害，同时也避免了湿法清洗中容易洗坏清洗对象的问题；

三、避免使用三氯乙烷等ODS有害溶剂，这样清洗后不会产生有害污染物，因此这种清洗方法属于环保的绿色清洗方法。这在全球高度关注环保的情况下越发显出它的重要性；

四、采用无线电波范围的高频产生的等离子体与激光等直射光线不同。等离子体的方向性不强，这使得它可以深入到物体的微细孔眼和凹陷的内部完成清洗任务，因此不需要过多考虑被清洗物体的形状。而且对这些难清洗部位的清洗效果与氟利昂清洗的效果相似甚至更好；

五、使用等离子清洗，可以使得清洗效率获得极大的提高。整个清洗工艺流程几分钟内即可完成，因此具有产率高的特点；

六、等离子清洗需要控制的真空度约为100Pa，这种清洗条件很容易达到。因此这种装置的设备成本不高，加上清洗过程不需要使用价格较为昂贵的有机溶剂，这使得整体成本要低于传统的湿法清洗工艺；

七、使用等离子清洗，避免了对清洗液的运输、存储、排放等处理措施，所以生产场地很容易保持清洁卫生；

八、等离子体清洗可以不分处理对象，它可以处理各种各样的材质，无论是金属、半导体、氧化物，还是高分子材料（如聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚酯、环氧树脂等高聚物）都可以使用等离子体来处理。因此特别适合于不耐热以及不耐溶剂的材质。而且还可以有选择地对材料的整体、局部或复杂结构进行部分清洗；

九、在完成清洗去污的同时，还可以改善材料本身的表面性能。如提高表面的润湿性能、改善膜的黏着力等，这在许多应用中都是非常重要的1。

清洗特点容易采用数控技术，自动化程度高；具有高精度的控制装置，时间控制的精度很高；正确的等离子体清洗不会在表面产生损伤层，表面质量得到保证；由于是在真空中进行，不污染环境，保证清洗表面不被二次污染。

应用在橡塑行业我们在工业应用中发现一些橡胶塑料件在进行表面连接的时候会出现粘接困难的问题，这是因为聚丙烯、PTFE等橡胶塑料材料是没有极性的，这些材料在未经过表面处理的状态下进行的印刷、粘合、涂覆等效果非常差，甚至无法进行。

有些工艺用一些化学药剂对这些橡塑表面进行处理，这样能改变材料的粘接效果，但这种方法不易掌握，化学药剂本身具有毒性，操作非常麻烦，成本也较高，而且化学药剂对橡塑材料原有的优良性能也有影响。

利用等离子技术对这些材料进行表面处理，在高速高能量的等离子体的轰击下，这些材料结构表面得以最大化，同时在材料表面形成一个活性层，这样橡胶、塑料就能够进行印刷、粘合、涂覆等操作。应用等离子技术对橡塑表面处理，其操作简单，处理前后没有有害物质产生，处理效果好，效率高，运行成本低。

在橡胶、塑料行业等离子表面处理技术的应用领域包括橡胶、复合材料、玻璃、布料、金属等，涉及各行各业，这篇文章中我们主要介绍其在橡胶、塑料领域一些行业的具体应用。

在汽车行业1.点火线圈

随着汽车行业的发展，其各方面性能要求越来越高。点火线圈有提升动力，最明显的效果是提升行驶时的中低速扭距；消除积碳，更好的保护发动机，延长发动机的寿命；减少或消除发动机的共振；燃油充分燃烧，减少排放等诸多功能。要使点火线圈充分发挥它的作用，其质量、可靠度、使用寿命等要求必须达到标准，但是点火线圈生产工艺尚存在很大的问题——点火线圈骨架外浇注环氧树脂后，由于骨架在出模具前表面含大量的挥发性油污，导致骨架与环氧树脂结合面粘合不牢靠，成品使用中，点火瞬间温度升高，会在结合面微小的缝隙中产生气泡，损坏点火线圈，严重的还会发生爆炸现象。

点火线圈骨架使用等离子处理后，不仅可去除表面的难挥发性油污，而且可大大提高骨架表面活性，即能提高骨架与环氧树脂的粘合强度，避免产生气泡，同时可提高绕线后漆包线与骨架触点的焊接强度。这样一来点火线圈在生产过程中各方面性能得到明显改善，提高了可靠度和使用寿命。

2.发动机油封片

发动机曲轴油封起防止发动机机油从发动机中渗漏和防止异物进入发动机内部的作用。曲轴油封是发动机的零件之一,在高温下与机油相接触，因此需要采用耐热性和耐油性优良的材料。高档轿车普遍使用聚四氟乙烯材料，随着汽车性能要求的不断提高，越来越多的厂家也已逐步使用该材料，其应用前景非常广泛。

聚四氟乙烯材料各方面性能优异，耐高温，耐腐蚀、不粘、自润滑、优良的介电性能、很低的摩擦系数，但未经处理的PTFE材料表面活性差，其一端与金属之间的粘接非常困难，产品无法满足质量要求。为了解决这一技术上的难题，就要设法改变PTFE（聚四氟乙烯）与金属粘接的表面性能，而不能影响另一面的性能。工业中用莱钠溶液处理虽然能在一定程度上提高粘接效果，但是却改变了原有PTFE的性能。经实验证明，用等离子体轰击需粘接的PTFE表面后，其表面活性明显增强，与金属之间的粘接牢固可靠，满足了工艺的要求，而另一面保持原有的性能，其应用也越来越被广泛认同。

3.汽车行业其他方面的应用

随着经济的发展，消费者对汽车的性能要求越来越高，如汽车的外观、操作舒适性可靠性、使用耐久性等要求也不断提高。为了满足消费者的要求，各汽车厂家在生产汽车时更注重细节方面的优化改进，如进行

（1）仪表板在柔性聚氨酯(PU)涂覆前处理

（2）控制面板在粘合前处理

（3）内部PP零件植缛前处理

（4）汽车门窗密封件的处理

以前未经任何处理仪表盘或控制面板涂覆效果非常差，不耐磨，容易掉漆等现象，用化学方法处理虽然能改变涂覆的效果，但同时也改变了仪表盘等基材的性能，使得其强度有所降低。很多厂家已经使用等离子技术来处理这些基材，通过等离子体轰击，材料表面微观层面活性增强，能明显改善涂覆效果。根据实验得知，用等离子清洗机处理不同材料需要选用不同工艺参数，才能达到更好的活化效果。

在电子行业1.硬盘塑料件

科学的发展，技术的不断进步，电脑硬盘的各项性能也不断提高，其容量越来越大，碟片数量随之增多，转速也高达7200转/分，这对硬盘结构的要求也越来越高，硬盘内部部件之间连接效果直接影响硬盘的稳定性、工作可靠性、使用寿命，这些因素直接关系到数据的安全性。

为了确保硬盘的质量，知名硬盘生产厂家对内部塑料件在粘接前均进行各种处理，应用较多的是等离子处理技术，使用该技术能有效清洁塑料件表面油污，并能增加其表面活性，即能提高硬盘部件的粘接效果。实验表明，硬盘中使用等离子处理过的塑料件在使用过程中持续稳定运行时间显著增加，可靠性及抗碰撞性能有明显的改善。

2.耳机听筒

耳机中的线圈在信号电流的驱动下带动振膜不停的振动，线圈和振膜以及振膜与耳机壳体之间的粘接效果直接影响耳机的声音效果和使用寿命，如果它们之间出现脱落就会产生破音，严重影响耳机的音效和寿命。

振膜的厚度非常薄，要提高其粘接效果，使用化学方法处理，直接影响振膜的材质，从而影响音效。众多厂家正准备使用新技术来对振膜进行处理，等离子处理就是其中之一，该技术能有效提高粘接效果，满足需求，且不改变振膜的材质。经实验，用等离子清洗机处理生产的耳机，各部分之间的粘接效果明显改善，在长时间高音测试下也不会有破音等现象发生，使用寿命也有很大的提高。

3.手机外壳

手机的种类繁多，外观更是多彩多样，其颜色鲜艳，Logo醒目，但使用手机的人都知道，手机在使用一段时间后，其外壳容易掉漆，甚至Logo也变得模糊不清，严重影响手机的外观形象。

知名手机品牌厂家为了寻找解决这些问题的方法，曾使用化学药剂对手机塑料外壳进行处理，其印刷粘接的效果有所改善，但这是降低手机外壳的硬度为代价，为了寻求更好的解决方案，等离子技术脱颖而出。等离子表面处理技术不仅可以清洗外壳在注塑时留下的油污，更能最大程度的活化塑料外壳表面，增强其印刷、涂覆等粘接效果，使得外壳上涂层与基体之间非常牢固地连接，涂覆效果非常均匀，外观更加亮丽，并且耐磨性大大增强，长时间使用也不会出现磨漆现象1。

在国防行业1.航空航天电连接器

电连接器中的绝缘体与封线体之间的粘接效果一直影响着国产电连接器的发展，尤其在航空航天中对电连接器的要求更苛刻，未经表面处理的绝缘体与封线体之间的粘接效果非常差，即使使用专用配方的胶，其粘接效果也达不到要求；另外，如果绝缘体和封线体之间粘接不紧密，就可能会产生漏电，使得电连接器的耐压值提不上去。

国内指定生产航空电连接器的厂家，经过技术研究攻关，正逐步应用推广等离子清洗技术清洗连接件表面，通过等离子清洗，不仅能去除表面油污，而且可增强其表面活性，这样在粘接时，在连接件上涂胶非常容易且非常的均匀，使得粘接效果明显改善。经国内多个生产大厂使用测试，用等离子处理后的电连接器，其抗拉能力成数倍增加，耐压值有显著提高。

2.凯夫拉处理

凯夫拉材料是一种芳纶复合材料，这种新型材料密度低、强度高、韧性好、耐高温、易于加工和成型，而受到人们的重视。由于“凯夫拉”材料坚韧耐磨、刚柔相济，具有刀抢不入的特殊本领，在军事上被称之为“装甲卫士”。

凯夫拉成型后需要与其他部件进行粘接，但该材料是疏水材料，不易涂胶，要获得好的粘接效果需要对其进行表面处理，主要运用等离子对其进行表面活化处理。处理过的凯夫拉表面活性增强，粘接效果有明显的改善，通过等离子处理工艺参数的不断优化，其效果会进一步提高，应用的范围也越来越广。

在医疗行业1.静脉输液器

输液器末端输液针在使用过程中，拔出时针座与针管之间会出现脱离现象，一旦脱离，血液会随针管流出，如不及时正确处理，对病人会造成严重威胁。为了确保这类事故的发生，对针座进行表面处理是非常必要的。针座孔非常小，普通方法难处理，而等离子体是一种离子状态的气体，对微小的孔也可以有效处理。应用等离子对其进行表面活化处理，可改善表面活性，提高其与针管的粘接强度，以确保它们之间不会脱离。下图为针座在等离子清洗机中进行表面清洗活化处理.

2.导尿管的处理

导尿管给需要留置导尿的患者带来了福音，在临床上的应用越来越广，但随着其应用的增多，导尿管拔除困难的情况也越来越常见。特别是长期留置的导尿管，有时由于橡胶的老化会造成气囊管腔的阻塞，强行拔除时可能会引起严重的并发症。为了防止硅橡胶与人体接触表面的老化，需要对其表面进行氧等离子处理。用扫描电子显微镜（SEM）、红外光谱（FTIR－ATR）和表面接触角研究天然胶乳导尿管经氧等离子体处理前后的表面结构、性能和化学成分的变化，结果表明用氧等离子体处理后的导尿管表面变滑，表面接触角由84°减少至67°，表面无有害基团产生，说明氧等离子体处理是一种有效的表面处理方法。

另外，可用等离子处理硅橡胶以增加其表面活性，然后在表面涂度一层不易老化的疏水材料，其效果也非常好。

在纺织纤维行业无纺布的优越性能使其应用范围非常广泛，在医疗卫生、家庭装饰、服装、工业、农业中均有应用。根据不同需要，无纺布在生产制作过程中要在表面进行阻燃处理、烧毛处理、泼水处理、止滑处理、抗静电处理、涂层处理、抗菌防臭处理、印花处理、无纺布与各种纺织品的针刺复合处理，以及无纺布与各种材料（塑料、胶膜、纺织品等）粘合等，为了达到非常好的印花、粘合等效果，需要对无纺布基体进行表面处理。等离子卷筒型清洗机是专门用于无纺布电缆等细长件的表面处理，该机处理效果好、效率高，适合大批量生产加工。

具体应用等离子清洗/刻蚀机产生等离子体的装置是在密封容器中设置两个电极形成电场，用真空泵实现一定的真空度，随着气体愈来愈稀薄，分子间距及分子或离子的自由运动距离也愈来愈长，受电场作用，它们发生碰撞而形成等离子体，这些离子的活性很高，其能量足以破坏几乎所有的化学键，在任何暴露的表面引起化学反应，不同气体的等离子体具有不同的化学性能，如氧气的等离子体具有很高的氧化性，能氧化光刻胶反应生成气体，从而达到清洗的效果；腐蚀性气体的等离子体具有很好的各向异性，这样就能满足刻蚀的需要。利用等离子处理时会发出辉光，故称之为辉光放电处理。

等离子体清洗的机理，主要是依靠等离子体中活性粒子的“活化作用”达到去除物体表面污渍的目的。就反应机理来看，等离子体清洗通常包括以下过程：无机气体被激发为等离子态；气相物质被吸附在固体表面；被吸附基团与固体表面分子反应生成产物分子；产物分子解析形成气相；反应残余物脱离表面。

等离子体清洗技术的最大特点是不分处理对象的基材类型，均可进行处理，对金属、半导体、氧化物和大多数高分子材料，如聚丙烯、聚脂、聚酰亚胺、聚氯乙烷、环氧、甚至聚四氟乙烯等都能很好地处理，并可实现整体和局部以及复杂结构的清洗。

应用展望等离子技术在橡塑行业的应用已非常成熟，其相关产值逐年增加，国外市场比国内市场产值高，但国内可发展空间大，应用前景诱人。

经济的发展，人们的生活水平不断提高，对消费品的质量要求也越来越高，等离子技术随之逐步进入生活消费品生产行业中；另外，科技的不断发展，各种技术问题的不断提出，新材料的不断涌现，越来越多的科研机构已认识到等离子技术的重要性，并投入大量资金进行技术攻关，等离子技术在其中发挥了非常大的作用。我们深信等离子技术应用范围会越来越广；技术的成熟，成本的降低，其应用会更加普及1。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学