Plasmaaktivering

Plasmaaktivering (eller plasmafunktionalisering ) är en metod för ytmodifiering som använder plasmabearbetning , som förbättrar ytvidhäftningsegenskaperna hos många material, inklusive metaller, glas, keramik, ett brett utbud av polymerer och textilier och till och med naturliga material som trä och frön. Plasmafunktionalisering avser också införandet av funktionella grupper på ytan av exponerade material. Det används ofta i industriella processer för att förbereda ytor för limning, limning, beläggning och målning. Plasmabehandling uppnår denna effekt genom en kombination av reduktion av metalloxider, ultrafin ytrengöring från organiska föroreningar, modifiering av yttopografin och avsättning av funktionella kemiska grupper. Viktigt är att plasmaaktiveringen kan utföras vid atmosfärstryck med användning av luft eller typiska industrigaser inklusive väte, kväve och syre. Därmed uppnås ytfunktionaliseringen utan dyr vakuumutrustning eller våtkemi, vilket positivt påverkar dess kostnader, säkerhet och miljöpåverkan. Snabba bearbetningshastigheter underlättar ytterligare ett flertal industriella tillämpningar.

Introduktion

Kvaliteten på limbindning såsom limning, målning, fernissning och beläggning beror starkt på limmets förmåga att effektivt täcka ( väta ) substratområdet. Detta händer när ytenergi är större än limmets ytenergi. Höghållfasta lim har dock hög ytenergi. Sålunda är deras tillämpning problematisk för material med låg ytenergi såsom polymerer . För att lösa detta problem används ytbehandling som förberedelsesteg före limning. Den rengör ytan från de organiska föroreningarna, tar bort ett svagt gränsskikt, binder kemiskt till underlaget ett starkt skikt med hög ytenergi och kemisk affinitet till limmet, och modifierar yttopografin vilket möjliggör kapillärverkan av limmet. Viktigt är att ytpreparering ger en reproducerbar yta som tillåter konsekventa bindningsresultat.

Många industrier använder ytbehandlingsmetoder inklusive våtkemi, exponering för UV-ljus, flambehandling och olika typer av plasmaaktivering. Fördelen med plasmaaktiveringen ligger i dess förmåga att uppnå alla nödvändiga aktiveringsmål i ett steg utan användning av kemikalier. Således är plasmaaktivering enkel, mångsidig och miljövänlig.

Typer av plasma som används för ytaktivering

Många typer av plasma kan användas för ytaktivering. Men på grund av ekonomiska skäl hittade atmosfärstryckplasma de flesta tillämpningar. De inkluderar ljusbågsurladdning, koronaurladdning, dielektrisk barriärurladdning och dess variation piezoelektriska direkturladdning.

Bågarladdning

Huvudartikel: Elbåge

Bågurladdningar vid atmosfärstryck är självförsörjande elektriska likströmsurladdningar med stora elektriska strömmar, vanligtvis högre än 1 A, i vissa fall upp till 100 000 A, och relativt låga spänningar, typiskt i storleksordningen 10 – 100 V. På grund av höga kollisionsfrekvenser för plasmaarter, atmosfärstryckbågar är i termisk jämvikt med temperaturer i storleksordningen 6 000 – 12 000 °C. Det mesta av bågvolymen är elektriskt neutral förutom tunna anod- och katodlager där starka elektriska fält finns. Dessa typiskt kollisionsfria skikt har spänningsfall på cirka 10 – 20 V. Joner, som produceras i katodskiktet, accelererar i denna spänning och träffar katodytan med höga energier. Denna process värmer upp katoden och stimulerar termisk elektronemission, som upprätthåller de höga urladdningsströmmarna. På katodytan koncentreras de elektriska strömmarna till snabbrörliga punkter med storlekar på 1 – 100 μm. Inom dessa fläckar når katodmaterialet lokala temperaturer på 3000 °C, vilket leder till dess avdunstning och en långsam katoderosion.

Pulsad atmosfärisk bågeteknologi förbättrar bågstabiliteten vid låga elektriska strömmar, maximerar urladdningsvolymen, och tillsammans med den produktionen av reaktiva ämnen för plasmaaktivering, samtidigt som den minskar storleken på den drivande högspänningselektroniken. Dessa faktorer gör den ekonomiskt mycket attraktiv för industriella tillämpningar.

Typisk generator av ett atmosfäriskt tryckplasma baserad på en elektrisk ljusbågsurladdning med hög spänning. Bågen brinner mellan den inre anoden, förspänd med hög spänning, och den jordade yttre katoden. Virvelluftflödet stabiliserar bågen och driver ut plasmat genom ett hål i katoden.

Det finns två sätt att använda ljusbågar för ytaktivering: icke-överförda och överförda ljusbågar. I den icke-överförda tekniken är båda elektroderna en del av plasmakällan. En av dem fungerar också som ett gasmunstycke som producerar en ström av plasma. Efter att plasmaströmmen lämnar bågområdet, rekombinerar jonerna snabbt och lämnar den heta gasen med höga koncentrationer av kemiskt aktivt väte, kväve och syreatomer och föreningar, vilket också kallas fjärrplasma . Temperaturen på denna gasström är i storleksordningen 200 – 500 °C. Gasen är mycket reaktiv vilket tillåter höga ytbehandlingshastigheter när endast en kortvarig kontakt med substratet är tillräcklig för att uppnå aktiveringseffekten. Denna gas kan aktivera alla material, inklusive temperaturkänslig plast. Dessutom är den elektriskt neutral och fri från elektriska potentialer, vilket är viktigt för aktivering av känslig elektronik.

I den överförda tekniken att använda elektriska ljusbågar spelar själva substratet rollen som katoden. I det här fallet utsätts substratet inte bara för de reaktiva kemiska arterna, utan också för deras joner med energier på upp till 10 – 20 eV, för höga temperaturer som når inuti katodfläckarna 3000 °C och för UV-ljus. Dessa ytterligare faktorer leder till ännu högre aktiveringshastigheter. Denna behandlingsmetod är lämplig för ledande substrat såsom metaller. Det reducerar metalloxider genom deras reaktioner med vätearter och lämnar ytan fri från organiska föroreningar. Dessutom skapar de snabbrörliga multipla katodfläckarna en mikrostruktur på substratet som förbättrar den mekaniska bindningen av limmet.

Corona urladdning

Huvudartikel: Coronabehandling

Koronaurladdningar uppträder vid atmosfärstryck i starkt ojämna elektriska fält. Vassa kanter på högspänningselektroder producerar sådana fält i deras närhet. När fältet i viloutrymmet är försumbart – detta sker på stora avstånd till de elektriska jordningarna – kan koronaurladdningen antändas. Annars kan högspänningselektroderna gnista till marken.

Beroende på högspänningselektrodens polaritet särskiljer man negativ korona, bildad runt katoden, och positiv korona, bildad runt anoden. Negativ korona liknar Townsend-urladdningen , där elektronerna, som emitteras av katoden, accelererar i det elektriska fältet, joniserar gasen i kollisioner med dess atomer och molekyler och släpper ut fler elektroner och därmed skapar en lavin. Sekundära processer inkluderar elektronemission från katoden och fotojonisering i gasvolymen. Negativ korona skapar en enhetlig plasma som lyser runt elektrodernas vassa kanter. Å andra sidan produceras elektroner som initierar lavinerna i den positiva koronan genom fotojonisering av gasen som omger högspänningsanoden. Fotonerna emitteras i den mer aktiva regionen av anodens närhet. Sedan fortplantar sig elektronlavinerna mot anoden. Den positiva koronans plasma består av många ständigt rörliga filament.

Coronaurladdningar producerar elektriska strömmar i storleksordningen 1 – 100 μA vid höga spänningar i storleksordningen flera kV. Dessa strömmar och motsvarande urladdningseffekt är låga jämfört med strömmarna och effekten av bågen och de dielektriska barriärurladdningarna. Fördelen med koronaurladdningen är dock enkelheten hos DC-högspänningselektroniken. Medan elektriska gnistor begränsar högspänningen, och därmed koronakraften, kan den senare ökas ytterligare med hjälp av pulsperiodiska högspänningar. Detta komplicerar dock högspänningssystemet.

Dielektrisk barriärurladdning

Huvudartikel: Dielektrisk barriärurladdning

En dielektrisk barriärurladdning vid 30 kHz i luft mellan metallelektroder åtskilda av två dielektriska glimmerskivor med ett gap på 4 mm. Urladdningens "fot" är laddningsackumuleringen på barriärytan.

Dielektrisk barriärurladdning sker mellan två elektroder separerade av ett dielektrikum. På grund av närvaron av den dielektriska barriären fungerar sådana plasmakällor endast med sinusvåg eller pulsad högspänning. De fysiska principerna för urladdningen begränsar inte driftfrekvensområdet. De typiska frekvenserna för vanliga halvledarhögspänningskällor är 0,05 – 500 kHz. Spänningsamplituderna i storleksordningen 5 – 20 kV producerar elektriska strömmar i intervallet 10 – 100 mA. Effekten hos den dielektriska barriärurladdningen är betydligt högre än den hos koronaurladdningen, men mindre jämfört med bågurladdningen. Urladdningen består i allmänhet av flera mikrourladdningar, även om i vissa fall även enhetliga utsläpp skapas. För att öka enhetligheten och urladdningsgapet i fallet med VBDB kan ett förjoniseringssystem användas.

Andra typer av DBD som används för funktionalisering är plasmastrålar. Den bearbetade ytan är mindre jämfört med ytan eller volymen av DBD-utsläpp. Mikroplasmastrålar producerade i kapillärrör med en spets på mindre än 1 μm diameter är ultrafina plasmastrålar med atmosfäriskt tryck och visade sig vara utmärkta verktyg för bearbetning av mikrostorlek och funktionalisering av material som kolnanorör eller polymerer.

Piezoelektrisk direkturladdning

Huvudartikel: Piezoelektrisk direkturladdningsplasma

Piezoelektrisk direkturladdning kan betraktas som en speciell teknisk realisering av den dielektriska barriärurladdningen, som kombinerar växelströmshögspänningsgeneratorn, högspänningselektroden och den dielektriska barriären till ett enda element. Högspänningen genereras nämligen med en piezotransformator, vars sekundärkrets också fungerar som högspänningselektrod. Eftersom transformatorns piezoelektriska material, såsom blyzirkonattitanat , ofta är ett dielektrikum, liknar den producerade elektriska urladdningen egenskaperna hos den dielektriska barriärurladdningen. Dessutom, när den drivs långt från den elektriska marken, producerar den också koronaurladdningar på piezotransformatorns skarpa kanter.

På grund av de unika konstruktionsprinciperna är den piezoelektriska barriärurladdningen den ekonomiska och kompakta källan till den dielektriska barriären och koronaplasman. Även om dess effekt är begränsad till cirka 10 W per enhet, tillåter de låga kostnaderna och små storlekarna konstruktion av stora arrayer optimerade för särskilda applikationer.

Ytterligare typer av plasma

Plasma lämpliga för ytaktivering skapades också med hjälp av induktiv uppvärmning med RF- och mikrovågsfrekvenser, gnisturladdningar, resistiva barriärurladdningar och olika typer av mikrourladdningar.

Fysiska och kemiska aktiveringsmekanismer

Målet med plasmageneratorerna är att omvandla den elektriska energin till energin från laddade och neutrala partiklar – elektroner, joner, atomer och molekyler – som sedan skulle producera stora mängder kemiska föreningar av väte, kväve och syre, särskilt kortlivade. mycket reaktiva arter. Beskjutning av substratet med alla ingående plasmaarter rengör och aktiverar ytan kemiskt. Dessutom kan ytan lokalt nå höga temperaturer vid kontaktpunkterna för utströmningsfilament. Detta modifierar ytans topografi och förbättrar den mekaniska bindningen av limmet.

Processer inom plasmavolymen

Vid atmosfärstrycket hindrar den höga kollisionsfrekvensen mellan elektronerna och gasmolekylerna elektronerna från att nå höga energier. Typiska elektronenergier är i storleksordningen 1 eV förutom elektrodskikten med 10 – 30 μm tjocklek där de kan nå 10 – 20 eV. På grund av de låga elektriska strömmarna från enskilda filament i korona- och dielektriska barriärurladdningar, når gasen som finns i urladdningsvolymen inte termisk jämvikt med elektronerna och förblir kall. Dess temperatur stiger vanligtvis bara med upp till några 10 °C över rumstemperaturen. Å andra sidan, på grund av ljusbågsurladdningens höga elektriska strömmar, kommer hela bågvolymen termiskt i jämvikt med elektronerna som når temperaturer på 6 000 – 12 000 °C. Men efter att ha lämnat ljusbågsvolymen kyls denna gas snabbt ner till några 100 °C innan den kommer i kontakt med substratet.

Även om det inte är korrekt att tala om temperaturer för icke-jämviktselektron- och jongaser, är temperaturkonceptet illustrativt för de fysiska förhållandena för urladdningarna, eftersom temperaturen definierar partiklarnas medelenergi. Den genomsnittliga elektronenergin på 1 eV, realiserad typiskt inom plasmavolymen, är lika med genomsnittlig elektronenergi vid temperaturer på 10 000 °C. I de tunna katod- och anodskikten når jonerna och elektronerna medelenergier upp till 10 gånger högre, motsvarande temperaturer på 100 000 °C. Samtidigt kan molekylgasen förbli kall.

Kemiska reaktioner i fuktig luft som initieras av elektriska urladdningar vid atmosfärstryck.

På grund av de höga elektron-jon- och elektron-molekylkollisionsenergierna fungerar plasmavolymen som en effektiv kemisk reaktor som möjliggör snabb produktion av kemiska föreningar av väte, kväve och syre. Bland dessa är de kortlivade mycket reaktiva arterna huvudmedlen för plasmaaktivering av ytor. De inkluderar atomära H-, N- och O-arter, OH- och ON-radikaler, ozon, salpetersyror och salpetersyror, såväl som olika andra molekyler i metastabila exciterade tillstånd. Dessutom, när urladdningen kommer i direkt kontakt med substratet, bombarderar jonerna av dessa arter såväl som elektronerna, båda med hög energi, ytan.

Ytprocesser

Plasma av de atmosfäriska utsläppen eller dess produktgas, rik på mycket reaktiva kemiska ämnen, initierar en mängd fysikaliska och kemiska processer vid kontakt med ytan. Den tar effektivt bort organiska ytföroreningar, reducerar metalloxider, skapar en mekanisk mikrostruktur på ytan och avsätter funktionella kemiska grupper. Alla dessa effekter kan justeras genom att välja utsläppstyper, deras parametrar och arbetsgas. Följande processer resulterar i ytaktivering:

• Ultrafin rengöring. Reaktiva kemiska ämnen oxiderar effektivt organiska ytföroreningar och omvandlar dem till koldioxid och vatten, som avdunstar från ytan och lämnar den i ett ultrafint rent tillstånd.
• Borttagning av svaga gränsskikt. Plasma tar bort ytskikt med lägst molekylvikt , samtidigt som det oxiderar det översta atomskiktet i polymeren.
• Tvärbindning av ytmolekyler. Syreradikaler (och UV-strålning , om de finns) hjälper till att bryta upp bindningar och främja den tredimensionella korsbindningen av molekyler.
• Reduktion av metalloxider. Plasmautsläpp, antända i den bildade gasen, som vanligtvis innehåller 5 % väte och 95 % kväve, producerar stora mängder reaktiva väteämnen. Genom kontakt med oxiderade metallytor reagerar de med metalloxider och reducerar dem till metallatomer och vatten. Denna process är särskilt effektiv vid elektriska ljusbågar som brinner direkt på substratytan. Det lämnar ytan ren från oxider och föroreningar.
• Modifiering av yttopografin. Elektriska urladdningar som har direkt kontakt med substratet eroderar substratytan på mikrometerskalan. Detta skapar mikrostrukturer som fylls av limmen på grund av kapillärverkan , vilket förbättrar den mekaniska bindningen av limmen.
• Deposition av funktionella kemiska grupper. Kortlivade kemiska arter, producerade inom plasmavolymen, såväl som joner, som produceras i det tunna skiktet, där urladdningen kommer i kontakt med ytan, bombarderar substratet och initierar ett antal kemiska reaktioner. Reaktioner som avsätter funktionella kemiska grupper på substratytan är i många fall den viktigaste mekanismen för plasmaaktivering. I fallet med plast, som vanligtvis har låg ytenergi, polära OH- och ON-grupper ytenergin avsevärt, vilket förbättrar ytans vätbarhet av limmen. I synnerhet ökar detta styrkan hos den dispersiva vidhäftningen . Dessutom, genom att använda specialiserade arbetsgaser, som producerar kemiska ämnen som kan bilda starka kemiska bindningar med både substratytan och limmet, kan man uppnå mycket stark bindning mellan kemiskt olika material.

Balansen mellan de kemiska reaktionerna på substratytan beror på plasmagassammansättningen, gasflödets hastighet såväl som temperaturen. Effekten av de två sistnämnda faktorerna beror på sannolikheten för reaktionen. Här skiljer man två regimer. I ett diffusionssystem, med hög reaktionssannolikhet, beror reaktionshastigheten på gasflödets hastighet, men beror inte på gastemperaturen. I den andra, kinetiska regimen, med låg reaktionssannolikhet, beror reaktionshastigheten starkt på gastemperaturen enligt Arrhenius-ekvationen .

Ytkarakteriseringsmetoder

Ett av huvudsyftet med plasmaaktiveringen är att öka ytenergin . Det senare kännetecknas av vätbarhet - vätskans förmåga att täcka ytan. Det finns flera metoder för att bedöma ytans vätbarhet:

• I vätningsspänningstestet appliceras flera vätskor med olika ytenergier på ytan. Vätskan med lägst ytenergi, som väter den testade ytan, definierar ytenergin för den senare.
• En droppe vätska med känd ytenergi, t.ex. destillerat vatten, appliceras på den testade ytan. Vätskedroppeytans kontaktvinkel med avseende på substratytan bestämmer substratets ytenergi .
• En definierad mängd destillerat vatten spills på ytan. Ytan som täcks av vattnet bestämmer ytenergin.
• En droppe destillerat vatten läggs på ytan som lutas. Ytans maximala lutningsvinkel i förhållande till horisontalplanet, vid vilken droppen fortfarande hålls på plats, bestämmer ytenergin.

Se även

• Lista över plasma (fysik) artiklar