Reduzieren von Oxiden mit Plasma
Feinstreinigung von Oberflächen durch Plasmareinigung

Feinstreinigung von Oberflächen durch Plasmareinigung

Auf nahezu allen Oberflächen finden sich feine, für das menschliche Auge unsichtbare, Verschmutzungen, die eine weitere Behandlung von Oberflächen, wie zum Beispiel Bekleben, Bedrucken, Lackieren oder Beschichten, stark beeinträchtigen. Durch die Plasmareinigung können diese feinen Verunreinigungen auf Metallen, Kunststoffen oder anorganischen Materialien entfernt werden ohne Einsatz von zusätzlichen Chemikalien. Hierbei wird im Gegensatz zur Plasmabeschichtung oder zum Plasmaätzen die Oberfläche des Werkstückes nicht abgetragen oder zusätzlich beschichtet, sondern lediglich modifiziert.

Die Feinstreinigung von Oberflächen mit kalten Atmosphärendruckplasmen ist ein Verfahren zur Entfernung von organischen, anorganischen und mikrobiellen Oberflächenverunreinigungen sowie stark anhaftenden Staubpartikeln. Die Feinstreinigung ist hocheffizient und gleichzeitig sehr schonend für die zu behandelnde Oberfläche. Bei höherem Energieeintrag kann sie schwache Oberflächengrenzschichten entfernen, Oberflächenmoleküle vernetzen und sogar Hartmetalloxide reduzieren. Die Plasmareinigung fördert die Benetzbarkeit und Haftung und ermöglicht dabei ein breites Spektrum industrieller Prozesse zur Vorbereitung von Oberflächen zum Kleben, Beschichten und Lackieren. Durch die Verwendung von Druckluft oder typischen Industriegasen wie Wasserstoff, Stickstoff, Formiergas und Sauerstoff werden nasschemische und teure Vakuumanlagen vermieden, was sich positiv auf Kosten, Sicherheit und Umwelt auswirkt. Hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten ermöglichen darüber hinaus zahlreiche industrielle Anwendungen.

Typische Oberflächenverunreinigungen

Mehrere Schichten von Verunreinigungen bedecken in der Regel Oberflächen, auch wenn diese optisch sauber erscheinen. Verunreinigungen entstehen auf natürliche Weise durch die Einwirkung von Luft. Dazu gehören Oxidschichten, Wasser, verschiedene organische Substanzen und Staub. Darüber hinaus hinterlassen technologische Prozesse Oberflächen, die mit Ölen, Trennmitteln, Mischungsbestandteile, Monomeren und abgesonderten niedermolekularen Spezies bedeckt sind. Verunreinigungen können die Qualität der Verklebung durch das Einbringen einer schwachen Zwischenschicht drastisch reduzieren. Darüber hinaus führt ihre typischerweise geringe Benetzbarkeit zu einer unvollständigen Oberflächenbeschichtung durch den Klebstoff, was die Klebkraft weiter reduziert.

Plasmareinigung – wie funktionierts?

 

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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 – Elektronen und Ionen – beschleunigen auf sehr hohe Energien. Nur ein kleiner Teil der Gasmoleküle wird in die energetischen Elektronen und Ionen umgewandelt, der Rest des Gases bleibt neutral und kalt. Seine Temperatur erreicht nur 50 °C bei der piezoelektrischen Direktentladung und 250-450 °C bei der Bogenentladung. Gleichzeitig kollidieren die sehr energiereichen Elektronen und Ionen mit den Gasmolekülen und erzeugen große Mengen an kurzlebigen chemischen Spezies, wie atomare H-, N- und O-Spezies, OH- und ON-Radikale, Ozon, Salpetrige- und Salpetersäure sowie verschiedene andere Moleküle in metastabil angeregten Zuständen. Sie machen dieses Plasma chemisch sehr aktiv.

 

Plasma-Reinigungsmechanismen

Bei Kontakt mit der behandelten Oberfläche löst das chemisch aktive kalte atmosphärische Plasma eine Vielzahl von physikalischen und chemischen Prozessen aus. Die Hauptreaktionsmittel sind hochreaktive, kurzlebige, neutrale chemische Spezies. 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, erhöht ihre hohe Reaktivität den Reinigungseffekt stark. Die folgenden Verfahren tragen zu einer hochreinen Oberfläche bei:

  • Plasma bricht organische Bindungen schwerer organischer Moleküle auf und erzeugt dadurch leichtere und flüchtigere Moleküle, die von der Oberfläche verdunsten.
  • Reaktive chemische Spezies oxidieren organische Verunreinigungen unter Bildung von Kohlenstoffoxiden und Wasserdampf.
  • Diese Prozesse zerstören und entfernen auch mikrobielle Verunreinigungen, die die Oberfläche sterilisieren.
  • Mit der erhöhten Behandlungsstärke entfernt das Plasma Oberflächenschichten mit dem niedrigsten Molekulargewicht. Hierdurch wird auch die oberste Atomschicht des Polymers oxidiert.
  • Die durch das Plasma gebrochenen Bindungen der Polymere vernetzen sich und bilden dabei eine stärkere Oberflächenschicht.
  • Plasmaentladungen, die im Formiergas gezündet werden und typischerweise 5 % Wasserstoff und 95 % Stickstoff enthalten, erzeugen große Mengen an reaktiven Wasserstoffspezies. Durch Kontakt mit oxidierten Metalloberflächen reagieren sie mit Metalloxiden, die sie zu Metallatomen und Wasser reduzieren.
  • Elektrische Entladungen mit direktem Kontakt zum Substrat erodieren die Substratoberfläche im Mikrometermaßstab. Dadurch entstehen Mikrostrukturen, die von den Klebstoffen gefüllt werden und die mechanische Bindung der Klebstoffe verbessern.
  • Plasma lagert polare OH- und ON-Gruppen auf der gereinigten Oberfläche ab, was die Energie der Oberfläche und ihre Benetzbarkeit deutlich erhöht. Als Ergebnis benetzen die anschließend aufgetragenen Klebstoffe die Oberfläche effizient und füllen die Mikrostrukturen durch die Kapillarwirkung auf.

Vorteile der Plasmareinigung

Da die Plasmaprozesse, die auf der behandelten Oberfläche eingeleitet werden, Verunreinigungen in Dampf umwandeln, bleiben keine Rückstände auf der Oberfläche zurück, so dass diese im ultrafeinen, sauberen Zustand bleibt. Am wichtigsten ist, dass die Plasmareinigung bei Atmosphärendruck arbeitet. Die Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen chemischen und Vakuum-Plasma-Reinigungsverfahren sind unter anderem:

  • Feinstreinigung selbst molekularer Teilchen, keine Rückstände
  • Plasmareinigung auch in kleinen Zwischenräumen, Hohlräumen, Spalten und Nuten
  • Schonende Oberflächenbehandlung, keine Schädigung durch Lösungsmittel
  • Sofortige Weiterbearbeitung und -verarbeitung
  • Keine Nasschemie
  • Druckluft oder billige ungiftige Arbeitsgase
  • Umweltfreundlichkeit, kein Einsatz von Chemikalien
  • Kostenersparnis, da keine teuren Vakuumanlagen benötigt werden
  • Mehr Durchsatz aufgrund von hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten
  • Einfache Integration in bestehende Produktionslinien
  • Förderung von Benetzung und Haftung
  • Keine Lagerung und Entsorgung von schädlichen, giftigen Reinigungs- und Lösungsmitteln erfoderlich

Produkte zur Plasmareinigung

Um ein breites Spektrum von industriellen, medizinischen und Laboranwendungen abzudecken, hat die Relyon Plasma GmbH eine Reihe von Plasmabearbeitungsprodukten entwickelt, die das Kleben verbessern, wie z.B. Drucken, Beschichten, Lackieren und Kleben:

Plasmareinigung mit dem PB3Plasmabrush® PB3 ist ein universeller, hochzuverlässiger Plasmagenerator auf Basis unserer proprietären Pulsed Atmospheric Arc (PAA®) Technologie. Mit einer Leistung von 1 kW, sehr kompakten Abmessungen und außergewöhnlicher Langzeitstabilität eignet sich dieser Generator deshalb hervorragend für die Integration in schnelle industrielle Produktionslinien.

Plasmareinigung mit der Plasmacell

Plasmacell P300 ist eine komplette „schlüsselfertige“ Plasmabehandlungslösung. Die Plasmacell beinhaltet alle Komponenten, die für eine effektive und normgerechte Plasmabearbeitung erforderlich sind: Plasmabrush® PB3 montiert auf einem programmierbaren Hochgeschwindigkeits-X-Y-Z-Positioniersystem, Druckluftversorgung und Abluftfilterung. Gehäuse mit Elektronik und Behandlungskammer schaffen zusammen mit einem Display eine saubere, sichere und effiziente Arbeitsumgebung, die betriebsbereit geliefert wird.

Plasmatool ist ein Handgerät auf Basis des Plasmabrush® PB3, ergonomisch optimiert für eine sichere manuelle Zweihand-Bedienung. Zusammen mit einem tragbaren Modul Plasmareinigung mit dem Plasmatoolmit Hochspannungsversorgung, Luftkompressor und Steuerelektronik ermöglicht es die hocheffiziente Plasmabearbeitung großer Strukturen, schwer zugänglicher Bereiche oder dort, wo eine Automatisierung nicht möglich oder sinnvoll ist.

Plasmareinigung mit dem piezobrush PZ2

Piezobrush® PZ2 ist ein tragbarer Plasmagenerator mit niedriger Leistung, der auf unserer proprietären Piezoelektrischen Direktentladungstechnologie (PDD) basiert. Es ermöglicht die manuelle Plasmabearbeitung im Labor. Es kann Korona- und dielektrische Barrierenentladungen erzeugen und diese zur präzisen Feinstplasmareinigung und chemischen Funktionalisierung von kleinen Bauteilen einsetzen.

 

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