Используйте нашу плазменную систему для улучшения адгезии

Функционализация поверхностей посредством плазменной обработки улучшает прочность клеевых соединений. Поверхности многих материалов, включая металлы, стекло, керамику, пластик, а также натуральные материалы, такие как дерево и текстиль, восприимчивы к плазменной обработке. Полимеры, с их типично не смачиваемыми поверхностями, успешно склеиваются после плазменной обработки.

Плазменная обработка достигает желаемого эффекта функционализации поверхности за счет ее сверхтонкой очистки от органических загрязнений, модификации поверхностной топографии на микроскопическом уровне, модификации кристаллической и аморфной структуры приповерхностного слоя, и отложения на поверхности функциональных химических групп. В случае металлов, плазма также восстанавливает оксидные слои, обнажая чистую металлическую поверхность.

Плазменная функционализация поверхности проводится при атмосферном давлении с использованием в качестве рабочих газов воздуха или типичных индустриальных газов, таких как азот, формирующий газ и кислород. При этом не используются ни вакуумная техника, ни мокрая химия. Это сокращает расходы, улучшает безопасность и экологическую чистоту. Высокие скорости обработки содействуют внедрению во многие промышленные процессы.

Условия для крепкого и качественного клеевого соединения

Крепкое соединение разнородных материалов, таких как клей, лак, краски и различных поверхностей, возможно при выполнении следующих условий:

• Высокочистая поверхность. Поверхность должна быть очищена от органических загрязнений. Поверхности, даже после их очистки растворителями, могут содержать органику, воду, мономеры, разделительные агенты и масла. Высоко-тонкой очистки трудно достичь с использованием традиционных методов, оставляющих осадки.
• Без-оксидная поверхность металла. Наилучшее клеевое соединение с металлами достигается когда с металлов удалены оксидные пленки. Но к сожалению многие металлы, такие как алюминий, на воздухе быстро окисляются. Соответственно, время между удалением оксидной пленки и
• Прочная поверхность. В случае полимеров, произведенных формовкой или экструзией, приповерхностный слой состоит из полимерных молекул малой длины и с малым количеством перекрестных межмолекулярных соединений. Такая поверхность механически непрочна. Удаление этого слабого слоя и перекрещивание полимерных молекул улучшает прочность последующей склейки.
• Смачиваемая поверхность. Для того чтобы клей хорошо смачивал поверхность, поверхностная энергия клея должна быть ниже чем поверхностная энергия самой поверхности. Но у наиболее прочных клеев, лаков и красок поверхностная энергия уже очень высокая. Это вызывает серьезные проблемы с их применением с большинством полимеров, обладающих обычно низкой поверхностной энергией.
• Аморфная поверхность с обнаженными окончаниями полимерных молекул. Полимеры обладают полукристаллической структурой с аморфными и кристаллическими регионами. При диффузионном склеивании наиболее высокая прочность соединения получается при диффузии клея в аморфный материал. Поэтому чем выше процент аморфного материала в приповерхностном слое – тем выше качество диффузионного соединения. Обнаженные концы полимерных молекул, присутствующие на поверхности пластика, способствуют диффузии и увеличивают прочность соединения.
• Химически функциональная поверхность. На молекулярном уровне адгезия между двумя поверхностями происходит либо посредством электрического притяжения полярных молекул этих поверхностей, либо посредством их химического соединения. В первом случае, называемом дисперсионной адгезией, функционализация поверхности достигается отложением на ней слоя полярных молекул. Во втором случае, называемом химической адгезией, функционализация поверхности достигается отложением на ней слоя обладающего химическим сродством как с молекулами поверхности, так и с молекулами покрытия (краски, лака, клея). Из всех видов адгезии прочность химической адгезии максимальна.
• Микроскопически шероховатая поверхность. Когда поверхность легко смачивается краской, лаком или клеем, благодаря капиллярному эффекту они эффективно заполняют поры и неровности. Это увеличивает механическую прочность соединения.

Холодная атмосферная плазма

Плазмой называется частично ионизированный газ. Электрические разряды, такие как дуговой, диэлектрический барьерный, коронный, а также прямой пьезоэлектрический разряд ионизируют газы при атмосферном давлении создавая плазму. Заряженные частицы – электроны и ионы – ускоряются в потенциале разряда до высоких энергий. Очень малая часть молекул газа ионизируется такими разрядами; большинство молекул остаются нейтральными и холодными. В частности, в случае прямого пьезоэлектрического разряда, температура газа не превышает 50 C. А в случае наиболее горячих дуговых разрядов, температура самой дуги может достигнуть 6.000 – 12.000 C. Но после того как газ покинет область дуги, он быстро остывает до 250—450 C. При высоких скоростях обработки такие температуры не перегревают и не повреждают поверхности. В то время как плазма остается холодной, высокоэнергичные электроны и ионы многократно сталкиваются с молекулами газа, производя короткоживущие атомы и химические соединения, такие как атомы H, N и O, радикалы OH, ON, озон, азотная и азотистая кислота, а также различные другие молекулы, находящиеся в метастабильных состояниях. Все эти короткоживущие соединения делают плазму химически очень активной.

Улучшение адгезии с помощью плазменной обработки

При контакте с обрабатываемой поверхностью, химически активная холодная плазма вызывает большое количество физических и химических процессов. Главными реактивами этих процессов являются высокоактивные короткоживущие химические соединения, произведенные плазмой в больших количествах. Помимо этого, при прямом контакте электрического разряда с поверхностью, она также облучается ультрафиолетовым излучением и атакуется энергичными ионами и электронами. Несмотря на то что количество заряженных частиц несоизмеримо мало по сравнению с количеством частиц нейтральных, благодаря своей реактивной природе и высокой энергии, они значительно увеличивают эффективность плазменной обработки. Следующие процессы вносят вклад в улучшение адгезивных свойств поверхности:

• Плазма очищает поверхность. Плазма разрывает химические связи тяжелых органических молекул, загрязняющих поверхность. Тяжелые молекулы дробятся на более легкие молекулы, которые улетучиваются с поверхности. Более того, произведенные плазмой активные химические соединения окисляют органические молекулы формируя углекислый газ и водяной пар. Поскольку плазма разрушает органические загрязняющие вещества превращая их в пары газов, такая очистка не оставляет осадков и создает поверхность высокой чистоты.
• Плазма восстанавливает оксиды металлов. Дуговой плазменный разряд, зажженный в атмосфере формирующего газа, состоящего из 5 % водорода и 95 % азота, создает большое количество водородо-содержащих реактивных соединений. При контакте с окисленной поверхностью металла, эти соединения восстанавливают оксиды, обнажая поверхность металла.
• Плазма укрепляет поверхность полимерных материалов. При более высокой интенсивности обработки, плазма снимает слой поверхности толщиной порядка нанометра, который состоит из полимерных молекул малой длины. В обнаженно слое плазма создает перекрестные химические связи между длинных полимерных молекул. Тем самым поверхностный слой значительно укрепляется.
• Плазма вызывает фазовый переход и разрыв приповерхностных полимерных молекул. При еще более высокой интенсивности плазменной обработки, плазма вызывает фазовый переход структуры пластика в поверхностном слое из кристаллической в аморфную. Аморфный пластик легче диффундирует в клей, увеличивая прочность диффузионного соединения. Более того, плазма разрывает приповерхностные полимерные молекулы, обнажая на поверхности их окончания. Этим достигается более глубокая диффузия этих молекул в клеевое соединение.
• Плазма осаждает слой химически-функциональных молекул и улучшает смачиваемость поверхности. Реагируя с полимерными молекулами, химически-активные соединения плазмы осаждают полярные OH и ON группы на очищенную поверхность. В результате поверхность становится легко смачиваемой. Клеи, лаки и краски будут ее эффективно покрывать и заполнять микроструктуры благодаря капиллярному эффекту. Более того, при использовании специальных химических добавок в рабочем газе, плазма может осаждать специальные функциональные группы или даже полимеризировать поверхность подготавливая ее для соединения химического типа. Таким способом может быть достигнута очень высокая прочность соединения.
• Плазма придает поверхности шероховатость на микроскопическом уровне. Дуговой разряд, горящий непосредственно на поверхности субстрата, используемого в качестве катода, разъедает эту поверхность, создавая неровности размером порядка микрометра. Впоследствии эти микроструктуры заполняются клеем, лаком или краской, что улучшает их механическое сцепление с поверхностью.

Преимущества плазменной обработки

Плазменная обработка очищает, усиливает и химически модифицирует поверхность, что увеличивает прочность последующего адгезивного соединения. Все эти эффекты достигаются одновременно. Также важно то что обработка осуществляется при атмосферном давлении. Ее преимущества по сравнению со стандартной химической обработкой или вакуумной плазменной обработкой включают:

• Высокотонкая очистка поверхности, не оставляющая осадков
• Бережная, неповреждающая обработка
• Отсутствие мокрой химии
• Использование в качестве рабочего газа воздуха или дешевых индустриальных газов
• Экологическая чистота процесса
• Отсутствие вакуумного оборудования
• Высокие скорости обработки
• Легкая интеграция в существующие производственные линии

Продукты для плазменной обработки фирмы Relyon Plasma GmbH

Для широкого спектра применений в промышленности, медицине и лабораторной работе, фирма Relyon Plasma GmbH разработала серию продуктов для плазменной обработки поверхностей которая улучшает качество адгезивных соединений, таких как склеивание, покраска, лакирование и печать:

• Plasmabrush® PB3 является универсальным плазменным генератором на основе нашей технологии Пульсирующего Атмосферного Разряда (PAA). С его мощностью 1 кВатт, особенно компактными размерами и стабильным функционированием, этот генератор хорошо подходит для интеграции в производственные линии.

• Plasmacell P300 это полное решение для плазменной обработки включающее все компоненты необходимые для эффективной и безопасной плазменной обработки и отвечающие промышленным стандартам и положениям. Plasmacell P300 включает вытяжной шкаф с отсеком для электроники, генератор Plasmabrush PB3, установленный на программируемой высокоскоростной трехмерной позиционирующей системе, внешний дисплей, компрессор для воздуха и систему вытяжки газов и их фильтрации. Эта система не требует дополнительной интеграции и позволяет без задержки приступить к использованию плазменных технологий.

• Plasmatool является ручным инструментом для плазменной обработки, оптимизированным для эффективного и безопасного использования. Вместе с портативным блоком питания, включающим компрессор и сигнальную электронику, он позволяет обрабатывать большие структуры, труднодоступные области и использовать плазменную обработку везде где ее автоматизация невозможна.

• Piezobrush® PZ2 является особенно компактным ручным генератором плазмы разработанным на основе нашей технологии Непосредственного Пьезоэлектрического Разряда (PDD). Он предназначен для ручной плазменной обработки в лабораториях. Он создает коронные или диэлектрические барьерные разряды которые применяются для высокотонкой плазменной очистки и химической функционализации поверхностей небольших компонентов.