Unsere innovative Plasmatechnologie

Der Begriff Plasma tritt heutzutage vermehrt auf, da sich Plasmatechnologie bereits als Schlüssel- und Querschnittstechnologe in vielen Industrien als moderner Technikstandard etabliert hat. Doch was ist Plasma und wofür wird es verwendet?

Was ist Plasma?

Wenn es um Plasma geht, spricht  man vom vierten Aggregatszustand – neben fest, flüssig und gasförmig. Indem einem Gas so viel Energie zugeführt wird, dass die kritische Anzahl von Elektronen die Atomhüllen verlassen, wird das Gas ionisiert und geht von gasförmig in den vierten Aggregatszustand über – es entsteht Plasma. Die Energiezufuhr erfolgt meistens durch das Anlegen einer Hochspannungsquelle. Das Plasma das entsteht, ist eine Materie mit hohem, instabilem Energieniveau.

Obwohl Physiker und Chemiker erst seit relativ kurzer Zeit von Plasma sprechen, spielen Plasma-Phänomene schon seit Urzeiten im Leben der Menschen eine Rolle. Blitze lieferten Feuer und Nordlichter ließen unsere Vorfahren an höhere Wesen denken. Insgesamt besteht fast die gesamte Materie des Universums aus Plasma, da die Sterne überwiegend hieraus bestehen.

Die Geschichte der experimentellen Plasmaphysik beginnt um 1700 mit Versuchen elektrischer Leucht-Erscheinungen in evakuierten Glas­kugeln. 1747 erfand Benjamin Franklin den Blitzableiter, und Michael Faraday stellte erstmals die Frage nach den vier Aggregatzuständen der Materie: fest, flüssig, gasförmig und als vierter Aggregatzustand Plasma. Die erste Anwendung technischer Plasmen entwickelte im Jahre 1857 Werner von Siemens mit seinem Ozonisator zur Gewinnung von Ozon durch elektronische Entladung.

Bahnbrechende Entwicklungen in der Lichttechnik (Leuchtstoffröhre, Glaslaser, Plasmadisplay) und in der Plasmachemie, z. B. bei der Herstellung von Diamantschichten oder dem Plasmaschweißen, beruhen auf der Beherrschung des vierten Aggregatzustandes. Heutzutage sind diese aus dem ­Produktalltag nicht mehr wegzudenken. Heute ist die Plasmatechnologie dabei, herkömmliche Fertigungsprozesse in der Industrie sowie Anwendungen im Hygienebereich und in der Medizintechnik grundlegend zu revolutionieren.

Wir bei relyon plasma verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Entwicklung und Realisierung von spezialisierten Plasmakomponenten für manuelle Anwendungen und Inline-Prozesse.

Wirkungsweise von Atmosphärendruckplasma

Atmosphärendruckplasmen, die durch elektrische Entladungen in Luft oder anderen Gasen erzeugt werden, besitzen eine bemerkenswerte Kombination von Eigenschaften, die eine einzigartige Oberflächenbehandlung ermöglichen. Solche Plasmen produzieren große Mengen sehr reaktiver, aber kurzlebiger chemischer Spezies. Diese Spezies können ein breites Spektrum von Oberflächen desinfizieren, reinigen, modifizieren und funktionalisieren und für das Kleben, Lackieren und Bedrucken vorbereiten. Die Plasmavorbehandlung verbessert die Qualität der Ergebnisse erheblich.

Kalte atmosphärische Plasmen

Plasma ist ein teilweise ionisiertes Gas. Elektrische Lichtbögen, dielektrische Barrieren, Korona und piezoelektrische Direktentladungen ionisieren Gase bei Atmosphärendruck und erzeugen Plasmen. Die geladenen Teilchen – die Elektronen und die Ionen – beschleunigen innerhalb der Entladungsfelder auf hohe Energien. Nur ein kleiner Teil der Gasmoleküle wird in die energetischen Elektronen und Ionen umgewandelt, der Rest des Gases bleibt neutral und kalt. Bei der piezoelektrischen Direktentladung erreicht die Temperatur nur 30-50 °C. Diese Temperaturen schädigen auch empfindliche Oberflächen nicht. Während das Plasma kalt bleibt, kollidieren die sehr energiereichen Elektronen und Ionen mit den Gasmolekülen und produzieren große Mengen an kurzlebigen chemischen Spezies, wie atomaren H-, N- und O-Spezies, OH- und ON-Radikalen, Ozon, Salpetrige und Salpetersäure sowie verschiedenen anderen Molekülen in metastabilen angeregten Zuständen. Sie machen dieses Plasma chemisch sehr aktiv.

Das sehr effektive Plasma ist ein kaltes Plasma, es überhitzt die Oberfläche nicht. Die Behandlung erstreckt sich nur auf eine wenige Nanometer dicke Schicht an der Oberfläche und verändert die Oberfläche optisch nicht. Es werden keine giftigen Chemikalien verwendet und die vom Plasma produzierten reaktiven chemischen Spezies zerfallen innerhalb von Millisekunden nach der Behandlung. Das macht die Plasmabehandlung sicher und umweltfreundlich.

Bei Kontakt mit der behandelten Oberfläche löst das chemisch aktive, kalte atmosphärische Plasma eine Vielzahl von physikalischen und chemischen Prozessen aus. Hauptreaktionsmittel sind hochreaktive, kurzlebige, neutrale chemische Spezies, die vom Plasma in großen Mengen produziert werden. Wenn die elektrische Entladung die behandelte Oberfläche berührt, wird diese ebenfalls mit VUV-Licht bestrahlt und von den energiereichen Elektronen und Ionen beschossen. Obwohl die Mengen der geladenen Teilchen gering sind, verstärkt ihre hohe Reaktivität die Wirkung des Plasmas stark. Die folgenden Verfahren tragen zur Förderung der Haftung in der Druckvorbehandlung durch die Plasmabehandlung bei:

• Plasma reinigt die Oberfläche: Plasma bricht organische Bindungen schwerer organischer Moleküle auf und erzeugt leichtere und flüchtigere Moleküle, die von der Oberfläche verdunsten. Darüber hinaus oxidieren reaktive chemische Spezies organische Verunreinigungen unter Bildung von Kohlenstoffoxiden und Wasserdampf. Da durch die Plasmabehandlung Verunreinigungen bricht und sie in Dampf umwandelt, bleiben keine Rückstände auf der Oberfläche zurück, so dass diese im ultrafeinen, sauberen Zustand verbleiben.
• Plasma reduziert Metalloxide: Plasmaentladungen, die im Formiergas gezündet werden und typischerweise 5 % Wasserstoff und 95 % Stickstoff enthalten, produzieren große Mengen an reaktiven Wasserstoffspezies. Durch Kontakt mit oxidierten Metalloberflächen reagieren sie mit Metalloxiden und reduzieren diese zu Metallatomen und Wasserdampf.
• Plasma verstärkt die Oberfläche: Mit der erhöhten Behandlungsstärke entfernt Plasma schwache Oberflächenschichten im Nanometer-Bereich mit dem niedrigsten Molekulargewicht. Die aufgebrochenen Bindungen der Polymere vernetzen sich und bilden eine stärkere Oberflächenschicht.
• Plasma induziert einen Phasenübergang und eine Spaltung der Polymermoleküle: Mit einer weiter erhöhten Behandlungsstärke induziert das Plasma einen Phasenübergang von der kristallinen zur amorphen Struktur der Oberflächenschicht. Letzteres diffundiert leicht in den Klebstoff und erhöht die Festigkeit der Diffusionshaftung. Außerdem bricht das Plasma die Polymermoleküle, indem es ihre scherenförmigen offenen Enden auf der behandelten Oberfläche freilegt. Dadurch wird die Diffusionsklebkraft weiter erhöht.
• Plasma lagert chemisch funktionelle Gruppen ab und erhöht die Benetzbarkeit der Oberfläche: Durch die Reaktion mit den Polymermolekülen lagern Plasmaspezies polare OH- und ON-Gruppen auf der gereinigten Oberfläche ab, wodurch die Energie der Oberfläche und ihre Benetzbarkeit deutlich erhöht werden. Als Ergebnis benetzt die nachträglich aufgebrachte Farbe die Oberfläche effizient und füllt durch die Kapillarwirkung die Mikrostrukturen auf.
• Plasma raut die Oberfläche mikroskopisch auf: Elektrische Entladungen mit direktem Kontakt zum Substrat, insbesondere die auf dem Metallsubstrat brennenden Lichtbögen, wenn dieses als Kathode verwendet wird, erodieren die Substratoberfläche im Mikrometermaßstab. Dadurch entstehen Mikrostrukturen, die von den Klebstoffen gefüllt werden und deren mechanische Bindung an das Substrat verbessern.

Verschiedene Anforderungen – Verschiedene Plasmatechnologie

Dielectric Barrier Discharge (DBD Technology)

Für umweltschonende Prozesse zur Geruchsbeseitigung und Keimreduzierung

DBD Technologie >>

Piezoelectric Direct Discharge Technology (PDD Technology®)

Für sensible Prozesse, die kaltaktives Plasma erfordern.

PDD Technologie >>

Pulsed Atmospheric Arc
Technology (PAA Technology®)

Für schnelle Prozesse, die höchste Leistung erfordern.

PAA Technologie >>

Vorteile gegenüber Niederdruckplasma

Atmosphärische Plasmaanlagen sind im Vergleich zu Niederdruckplasmen deutlich günstiger, da sie keine teuren Vakuumkammern und -pumpen benötigen. Außerdem wird in den meisten Fällen Druckluft als Arbeitsgas verwendet, was den Bedarf an teuren Gasen reduziert. Gleichzeitig ist es sehr vielseitig – es kann sowohl in die Chargen – als auch in die laufenden Förderanlagen integriert werden. So erhöht Atmosphärendruckplasma den Produktionsdurchsatz und spart gleichzeitig chemische Verbrauchsmaterialien, Sicherheitseinrichtungen und Schulungen.

Anwendungsbereiche

Die Plasmasysteme von relyon plasma wurden bereits erfolgreich in die folgenden Anwendungsbereiche integriert:

• Oberflächenaktivierung und Funktionalisierung zur Erhöhung der Benetzbarkeit
• Reinigung von Metallen, Glas und Kunststoffen
• Vorbereitung für Beschichtungen
• Plasmaunterstützte Klebeverbindungen und Kaschierverfahren
• Optimierung von Digital- und 3D-Druck
• Verbesserung von Abdichtungen
• Plasmainduzierte Reduktion von Metalloberflächen
• Lebensmittelbehandlung für Qualität und längere Haltbarkeit
• Sterilisation von Geweben und Oberflächen
• Keim- und Geruchsreduktion

Entsprechend der verschiedenartigen Anforderungen, die unsere Kunden an uns haben, haben wir zwei verschiedene innovative Technologien in unserem Produktportfolio.