Plasmaaktivering - Plasma activation

Plasma aktivering (eller plasma funksjonalisering ) er en fremgangsmåte for overflatemodifikasjon som anvender plasmabehandling , noe som forbedrer overflate- adhesjon egenskapene til mange materialer, inkludert metaller, glass, keramikk, et bredt spekter av polymerer og tekstiler og til og med naturlige materialer slik som tre og frø. Plasmafunksjonalisering refererer også til innføring av funksjonelle grupper på overflaten av eksponerte materialer. Det brukes mye i industrielle prosesser for å forberede overflater for liming, liming, belegg og maling. Plasmabehandling oppnår denne effekten gjennom en kombinasjon av reduksjon av metalloksider, ultrafin overflaterengjøring fra organiske forurensninger, modifisering av overflatetopografien og avsetning av funksjonelle kjemiske grupper. Det er viktigere at plasmaaktivering kan utføres ved atmosfæretrykk ved bruk av luft eller typiske industrigasser inkludert hydrogen, nitrogen og oksygen. Dermed oppnås overflatefunksjonaliseringen uten kostbart vakuumutstyr eller våtkjemi, noe som positivt påvirker kostnadene, sikkerheten og miljøpåvirkningen. Raske prosesseringshastigheter letter flere industrielle applikasjoner.

Introduksjon

Kvaliteten på limbinding som liming, maling, lakk og belegg avhenger sterkt av limets evne til å effektivisere ( våte ) underlaget. Dette skjer når overflatenergien til underlaget er større enn overflateenergien til limet. Imidlertid har høy styrke lim høy overflatenergi. Dermed er deres anvendelse problematisk for materialer med lav overflateenergi slik som polymerer . For å løse dette problemet brukes overflatebehandling som et forberedelsestrinn før limbinding. Det renser overflaten fra de organiske forurensningene, fjerner et svakt grenselag, binder kjemisk til underlaget et sterkt lag med høy overflateenergi og kjemisk affinitet til limet, og modifiserer overflatetopografien som muliggjør kapillærvirkning av limet. Det er viktig at overflatebehandling gir en reproduserbar overflate som gir jevne bindingsresultater.

Mange bransjer benytter overflatebehandlingsmetoder, inkludert våtkjemi, eksponering for UV-lys, flammebehandling og forskjellige typer plasmaaktivering. Fordelen med plasmaaktivering ligger i dens evne til å oppnå alle nødvendige aktiveringsmål i ett trinn uten bruk av kjemikalier. Dermed er plasmaaktivering enkel, allsidig og miljøvennlig.

Typer plasmas brukt til overflateaktivering

Mange typer plasmas kan brukes til overflateaktivering. På grunn av økonomiske årsaker fant imidlertid atmosfæriske trykkplasmaer de fleste bruksområder. De inkluderer lysbueutladning, koronautladning, dielektrisk barriereutladning og dens variasjon piezoelektrisk direkte utladning.

Bueutladning

Bueutladninger ved atmosfæretrykk er selvunderholdende DC elektriske utladninger med store elektriske strømmer, typisk høyere enn 1 A, i enkelte tilfeller som når opp til 100.000 A, og forholdsvis lave spenninger, typisk i størrelsesorden av 10 - 100 mV på grunn av høy kollisjonsfrekvenser av plasmaslag, luftbue med atmosfærisk trykk er i termisk likevekt med temperaturer i størrelsesorden 6.000 - 12.000 ° C. Det meste av buevolumet er elektrisk nøytralt bortsett fra tynne anode- og katodelag der sterke elektriske felt er til stede. Disse typisk kollisjonsfrie lagene har spenningsfall på ca. 10 - 20 V. Ioner, som produseres i katodelaget, akselererer i denne spenningen og påvirker katodeoverflaten med høye energier. Denne prosessen varmer den katodestimulerende termiske elektronemisjonen, som opprettholder høye utladningsstrømmer. På katodeoverflaten konsentrerer de elektriske strømningene seg på raskt bevegelige flekker med størrelser på 1 - 100 mikrometer. Innenfor disse flekkene når katodematerialet lokale temperaturer på 3000 ° C, noe som fører til fordampning og en langsom katodeerosjon.

Pulserende atmosfærisk bueteknologi forbedrer buestabiliteten ved lave elektriske strømmer, maksimerer utslippsvolumet, og sammen med den produksjonen av reaktive arter for plasmaaktivering, samtidig som størrelsen på den drivende høyspentelektronikken reduseres. Disse faktorene gjør det økonomisk veldig attraktivt for industrielle applikasjoner.

Typisk generator for et atmosfærisk trykkplasma basert på høyspenningsbueutladning. Buen brenner mellom den indre anoden, forspent med høyspenning, og den jordede ytre katoden. Virvelluftstrømmen stabiliserer lysbuen og driver plasma ut gjennom et hull i katoden.

Det er to måter å bruke elektriske buer for overflateaktivering: ikke-overførte og overførte elektriske buer. I den ikke-overførte teknikken er begge elektrodene en del av plasmakilden. En av dem fungerer også som en gassdyse som produserer en strøm av plasma. Etter at plasmastrømmen forlater bueregionen, rekombineres ionene raskt, slik at den varme gassen har høye konsentrasjoner av kjemisk aktivt hydrogen, nitrogen og oksygenatomer og forbindelser, som også kalles fjernplasma . Temperaturen på denne gassstrømmen er i størrelsesorden 200 - 500 ° C. Gassen er veldig reaktiv og tillater høye overflatebehandlingshastigheter når bare en kortvarig kontakt med substratet er tilstrekkelig for å oppnå aktiveringseffekten. Denne gassen kan aktivere alle materialer, inkludert temperaturfølsom plast. Videre er den elektrisk nøytral og fri for elektriske potensialer, noe som er viktig for aktivering av sensitiv elektronikk.

I den overførte teknikken for bruk av elektriske buer, spiller substratet i seg selv rollen som katoden. I dette tilfellet er substratet ikke bare utsatt for de reaktive kjemiske artene, men også for deres ioner med energier på opptil 10 - 20 eV, for høye temperaturer som når innenfor katodeplettene 3000 ° C, og for UV-lys. Disse tilleggsfaktorene fører til enda større aktiveringshastigheter. Denne behandlingsmetoden er egnet for ledende underlag som metaller. Det reduserer metalloksider ved reaksjoner med hydrogenslag og etterlater overflaten fri for organiske forurensninger. Videre skaper de raskt bevegelige flere katodeplettene en mikrostruktur på underlaget som forbedrer mekanisk binding av limet.

Koronautslipp

Koronautslipp vises ved atmosfæretrykk i sterkt ikke-ensartede elektriske felt. Skarpe kanter på høyspenningselektroder produserer slike felt i nærheten. Når feltet i hvileplassen er ubetydelig - dette skjer i store avstander til det elektriske området - kan koronautladningen antennes. Ellers kan høyspenningselektrodene gnistre til bakken.

Avhengig av polariteten til høyspenningselektroden, skiller man negativ korona, dannet rundt katoden, og positiv korona, dannet rundt anoden. Negativ korona ligner på Townsend-utladningen , der elektronene, som sendes ut av katoden, akselererer i det elektriske feltet, ioniserer gassen i kollisjon med atomer og molekyler som frigjør flere elektroner, og dermed skaper et skred. Sekundære prosesser inkluderer elektronutslipp fra katoden og fotoionisering i gassvolumet. Negativ korona skaper et jevnt plasma som gløder rundt elektrodenes skarpe kanter. På den annen side produseres elektroner som initierer skred i den positive koronaen ved fotoionisering av gassen, som omgir høyspenningsanoden. Fotonene sendes ut i den mer aktive regionen av anodeområdet. Deretter forplantes elektronskredene mot anoden. Plasmaet til den positive koronaen består av mange filamenter som stadig beveger seg.

Koronautladninger produserer elektriske strømmer i størrelsesorden 1 - 100 μA ved høye spenninger i størrelsesorden flere kV. Disse strømmene og den tilsvarende utladningseffekten er lave sammenlignet med strømmen og bueeffekten og den dielektriske barriereutladningen. Imidlertid er fordelen med koronautladningen enkelhet med DC høyspenningselektronikk. Mens elektriske gnister begrenser høyspenningen, og dermed koronakraften, kan sistnevnte økes ytterligere ved hjelp av puls-periodiske høyspenninger. Dette kompliserer imidlertid høyspenningssystemet.

Dielektrisk barriereutladning

En dielektrisk barriereutladning ved 30 kHz i luft mellom metallelektroder atskilt av to dielektriske glimmerplater med et gap på 4 mm. "Foten" av utslippet er ladeakkumuleringen på barriereoverflaten.

Dielektrisk barriereutladning skjer mellom to elektroder atskilt med et dielektrikum. På grunn av tilstedeværelsen av den dielektriske barrieren, fungerer slike plasmakilder bare med sinusbølger eller pulserte høyspenninger. De fysiske prinsippene for utslipp begrenser ikke driftsfrekvensområdet. De typiske frekvensene til ofte brukte solid state høyspenningsforsyninger er 0,05 - 500 kHz. Spenningsamplitudene i størrelsesorden 5 - 20 kV produserer elektriske strømmer i området 10 - 100 mA. Effekten av den dielektriske barriereutladningen er betydelig høyere enn for koronautladningen, men mindre sammenlignet med lysbueutladningen. Utladningen består vanligvis av flere mikroutladninger, selv om det i noen tilfeller også oppstår ensartede utladninger. For å øke ensartetheten og utslippsgapet i tilfellet med VBDB, kan et preioniseringssystem brukes.

Andre typer DBD som brukes til funksjonalisering er plasmastråler. Det bearbeidede området er mindre sammenlignet med overflaten eller volumet DBD-utslipp. Mikroplasstråler produsert i kapillarrør med en spiss med mindre enn 1 mikrometer diameter er ultrafine plasmastråler med atmosfæretrykk og viste seg å være gode verktøy i mikrostørrelsesbehandling og funksjonalisering av materialer som karbonnanorør eller polymerer.

Piezoelektrisk direkte utladning

Piezoelektrisk direkte utladning kan betraktes som en spesiell teknisk realisering av dielektrisk barriereutladning, som kombinerer vekselstrøm høyspenningsgenerator, høyspenningselektrode og dielektrisk barriere i et enkelt element. Høyspenningen genereres nemlig med en piezo-transformator, hvis sekundære krets fungerer også som høyspenningselektroden. Siden transformatorens piezoelektriske materiale, slik som blysirkonat-titanat , ofte er et dielektrikum, ligner den produserte elektriske utladningen egenskapene til den dielektriske barriereutladningen. I tillegg, når den drives langt fra den elektriske bakken, produserer den også koronautslipp på de skarpe kantene på piezo-transformatoren.

På grunn av de unike konstruksjonsprinsippene er den piezoelektriske barriereutladningen den økonomiske og kompakte kilden til den dielektriske barrieren og koronaplasmaene. Selv om effekten er begrenset til ca. 10 W per enhet, tillater de lave kostnadene og de små størrelsene på enhetene konstruksjon av store matriser som er optimalisert for bestemte applikasjoner.

Ytterligere typer plasmaer

Plasser som er egnet for overflateaktivering ble også laget ved hjelp av induktiv oppvarming med RF- og mikrobølgefrekvenser, gnistutladninger, resistive barriereutladninger og forskjellige typer mikroutladninger.

Fysiske og kjemiske aktiveringsmekanismer

Målet med plasmageneratorene er å konvertere den elektriske energien til energien til ladede og nøytrale partikler - elektroner, ioner, atomer og molekyler - som da vil produsere store mengder kjemiske forbindelser av hydrogen, nitrogen og oksygen, spesielt kortvarig svært reaktive arter. Bombardement av substratet med alle bestanddeler av plasmaslag renser og aktiverer overflaten kjemisk. I tillegg kan overflaten lokalt nå høye temperaturer ved kontaktpunktene for utslippsfilamenter. Dette modifiserer overflatens topografi og forbedrer mekanisk binding av limet.

Prosesser innenfor plasmavolumet

Ved atmosfæretrykket forhindrer den høye kollisjonsfrekvensen mellom elektronene og gassmolekylene at elektronene når høye energier. Typiske elektronenergier er i størrelsesorden 1 eV bortsett fra elektrodelagene med 10 - 30 um tykkelse der de kan nå 10 - 20 eV. På grunn av den lave elektriske strømmen til individuelle filamenter i utslipp av korona og dielektrisk barriere, når ikke gassen som er tilstede i utløpsvolumet, termisk likevekt med elektronene og forblir kald. Temperaturen stiger vanligvis bare opptil noen få 10 ° C over romtemperaturen. På den annen side, på grunn av de høye elektriske strømene til lysbueutladningen, balanserer hele buevolumet termisk med elektronene når temperaturer på 6000 - 12.000 ° C. Etter at buevolumet har forlatt, avkjøles imidlertid denne gassen raskt til noen 100 ° C før den kommer i kontakt med underlaget.

Selv om det ikke er riktig å snakke om temperaturer på elektron- og ionegasser som ikke er i likevekt, er temperaturkonseptet illustrerende for de fysiske forholdene til utslippene, ettersom temperaturen definerer partikkelenes gjennomsnittlige energi. Den gjennomsnittlige elektronenergien på 1 eV, realisert typisk innenfor plasmavolumet, er lik gjennomsnittlig elektronenergi ved temperaturer på 10.000 ° C. I de tynne katode- og anodelagene når ionene og elektronene gjennomsnittlige energier opptil 10 ganger høyere, tilsvarende temperaturer på 100.000 ° C. Samtidig kan molekylær gass forbli kald.

Kjemiske reaksjoner i fuktig luft initiert av elektriske utslipp ved atmosfærisk trykk.

På grunn av den høye kollisjonsenergien med elektron-ion og elektron-molekyl, fungerer plasmavolumet som en effektiv kjemisk reaktor som muliggjør rask produksjon av kjemiske forbindelser av hydrogen, nitrogen og oksygen. Blant disse er kortvarige, veldig reaktive arter de viktigste agentene for plasmaaktivering av overflater. De inkluderer atom-, N- og O-arter, OH- og ON-radikaler, ozon, salpetersyre og salpetersyre, samt forskjellige andre molekyler i metastabile eksiterte tilstander. Videre, når utslippet direkte kommer i kontakt med substratet, bombes ionene av disse artene så vel som elektronene, som begge har høy energi, overflaten.

Overflateprosesser

Plasma av atmosfæriske utslipp eller dets produktgass, rik på svært reaktive kjemiske arter, initierer en rekke fysiske og kjemiske prosesser ved kontakt med overflaten. Det fjerner effektivt organiske overflateforurensninger, reduserer metalloksider, skaper en mekanisk mikrostruktur på overflaten og avleirer funksjonelle kjemiske grupper. Alle disse effektene kan justeres ved å velge utslippstyper, parametere og arbeidsgass. Følgende prosesser resulterer i overflateaktivering:

• Ultrafin rengjøring. Reaktive kjemiske arter oksyderer effektivt organiske overflateforurensninger og omdanner dem til karbondioksid og vann som fordamper fra overflaten og etterlater den i ultrafin ren tilstand.
• Fjerning av svake grenselag. Plasma fjerner overflatelag med lavest molekylvekt , samtidig som det oksyderer det øverste atomlaget i polymeren.
• Tverrbinding av overflatemolekyler. Oksygenradikaler (og UV-stråling , hvis de er til stede) hjelper til med å bryte opp bindinger og fremme den tredimensjonale tverrbinding av molekyler.
• Reduksjon av metalloksider. Plasmautslipp, antent i formingsgassen, som vanligvis inneholder 5% hydrogen og 95% nitrogen, produserer store mengder reaktive hydrogenslag. Ved kontakt med oksyderte metalloverflater reagerer de med metalloksider som reduserer dem til metallatomer og vann. Denne prosessen er spesielt effektiv i elektriske buer som brenner direkte på underlaget. Det etterlater overflaten ren fra oksidene og forurensningene.
• Modifisering av overflatetopografien. Elektriske utladninger som har direkte kontakt med underlaget eroderer underlaget på mikrometerskalaen. Dette skaper mikrostrukturer som fylles av limene på grunn av kapillærvirkningen , og forbedrer limens mekaniske binding.
• Avsetning av funksjonelle kjemiske grupper. Kortlivede kjemiske arter, produsert i plasmavolumet, så vel som ionene, produsert i det tynne laget, hvor utslippet kommer i kontakt med overflaten, bombarderer substratet og initierer en rekke kjemiske reaksjoner. Reaksjoner som avsetter funksjonelle kjemiske grupper på underlaget er i mange tilfeller den viktigste mekanismen for plasmaaktivering. Når det gjelder plast, som vanligvis har lav overflatenergi, øker polære OH- og ON-grupper signifikant overflatenergien, og forbedrer overflatefuktbarheten av limene. Spesielt øker dette styrken av den dispersive vedheft . Videre, ved å benytte spesialiserte arbeidsgasser, som produserer kjemiske stoffer som kan danne sterke kjemiske bindinger med både substratoverflaten og klebemidlet, kan man oppnå meget sterk binding mellom kjemisk forskjellige materialer.

Balansen mellom de kjemiske reaksjonene på substratoverflaten avhenger av plasmagassammensetningen, hastigheten på gassstrømmen, samt temperaturen. Effekten av de to sistnevnte faktorene avhenger av sannsynligheten for reaksjonen. Her skiller man to regimer. I et diffusjonsregime, med stor reaksjons sannsynlighet, avhenger reaksjonshastigheten av hastigheten på gassstrømmen, men avhenger ikke av gastemperaturen. I det andre, kinetiske regimet, med lav reaksjons sannsynlighet, avhenger reaksjonshastigheten sterkt av gastemperaturen i henhold til Arrhenius-ligningen .

Metoder for overflatekarakterisering

Et av hovedmålene med plasmaaktivering er å øke overflatenergien . Sistnevnte er preget av overflatens fuktighet - væskens evne til å dekke overflaten. Det er flere metoder for å vurdere overflatens fuktighet:

• I fuktningsspenningstesten påføres overflaten flere væsker med forskjellige overflatenergier. Væsken med den laveste overflatenergien, som fukter den testede overflaten, definerer overflatenergien til sistnevnte.
• En dråpe væske med kjent overflatenergi, f.eks. Destillert vann, påføres den testede overflaten. Den kontaktvinkelen for det flytende rulleoverflaten, med hensyn til underlagets overflate, bestemmer substratoverflaten energi.
• Det defineres en definert mengde destillert vann på overflaten. Området dekket av vannet bestemmer overflatenergien.
• En dråpe destillert vann plasseres på overflaten som vippes. Den maksimale tiltvinkelen til overflaten i forhold til det horisontale planet, hvor dråpen fortsatt holdes på plass, bestemmer overflatenergien.

Se også

• Liste over plasma (fysikk) artikler

Referanser