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Plasmatechnologie: Ein vielseitiges Reinigungswerkzeug

Plasmatechnologie: Ein vielseitiges Reinigungswerkzeug

Fachartikel: Cleanroom Technology

Oberflächenaktivierung, Oberflächenbehandlung und Präzisionsreinigung sind mit plasmabasierten Verfahren möglich. Corinna Little von relyon plasma beschreibt die Anwendungen und das Potenzial dieser modernen Technologie.

Die Qualität der Oberflächen, die in der High-Tech-Produktfertigung täglich verarbeitet und eingesetzt werden, ist von entscheidender Bedeutung. Die Hersteller wünschen sich eine einfache Verarbeitung, damit der Druck schön aussieht, die Beschichtung einwandfrei ist und die Klebeverbindungen nicht brechen. Der Laborant benötigt eine sterile Ausrüstung und eine ausgezeichnete Benetzbarkeit der Petrischale für die Agars.

Dies sind nur einige Beispiele, bei denen Atmosphärendruckplasma hilfreich sein kann, darüber hinaus ist es auch eine Lösung zur Reduzierung von Gerüchen und Keimen in Abfallsammlern.

Abbildung 1: Dielektrische Barrierenentladung auf Stahlsubstrat zur Verbesserung der Benetzbarkeit und Haftung
Abbildung 1: Dielektrische Barrierenentladung auf Stahlsubstrat zur Verbesserung der Benetzbarkeit und Haftung

Zurück zu den Grundlagen

Wenn Gasmoleküle angeregt werden, entweder durch einen elektrischen Lichtbogen oder eine andere Entladung, werden sie hochreaktiv und das Gas geht in den Zustand eines Plasmas über. Diese reaktiven Spezies können dann mit den Deckschichten von Polymeroberflächen interagieren und diese so aktivieren, dass sie dünne Schichten von Verunreinigungen von anorganischen Oberflächen wie Glas, Keramik, Metallen oder Halbleitern entfernen können. Sauerstoffspezies im Plasma sind besonders effektiv bei der Reduzierung von Keimen und Gerüchen.

Die Erzeugung von Atmosphärendruckplasma durch einen Lichtbogen ist in Jet-Plasma-Systemen, die in der Fertigungsindustrie sehr gut etabliert sind, gängige Praxis.

Das Prinzip dieser Technologie basiert auf einem elektrischen Lichtbogen, der zwischen zwei Elektroden stabilisiert wird, zum Beispiel durch einen Gaswirbel, wie im Bild zu sehen ist. Dieses Prozessgas wird dann durch die hohe Energie des Lichtbogens angeregt und das entstehende Plasma wird zur Bildung der Plasmafahne durchgeführt.

Die Temperaturen innerhalb der Flamme reichen von etwa 200°C bis über 700°C, während der Lichtbogen selbst ein paar 1000°C beträgt. Da erhöhte Temperaturen chemische Reaktionen beschleunigen, kann dieses Plasma sehr effektiv für die Feinreinigung von Substraten sein, die an sich nicht temperaturempfindlich sind.

Diese Technologie ermöglicht auch die selektive Reinigung verschiedener Verunreinigungen durch die Wahl des jeweiligen Prozessgases: Während das Plasma mit Druckluft (CDA) zur Entfernung von organischen Rückständen führt, kann das Plasma mit Formiergas (5% Wasserstoff, 95% Stickstoff) Oxide reduzieren.

Abbildung 2: Verbesserte Benetzbarkeit von teilweise plasmabehandelten Proben
Abbildung 2: Verbesserte Benetzbarkeit von teilweise plasmabehandelten Proben

Für temperaturempfindliche Materialien wie Polymere ist diese Technologie nicht weniger geeignet. Durch die Wahl eines ausreichenden Abstandes zwischen Substrat und Plasmadüse sowie der richtigen Prozessgeschwindigkeit (typischerweise ein paar 100 mm/s) wird die Oberflächenenergie erhöht und somit zeigt die aktivierte Fläche eine bessere Benetzbarkeit und die Haftung kann verbessert werden. Dies ist auf die Funktionalisierung der Endgruppen der Moleküle auf der Polymeroberfläche durch die aktiven Spezies des Plasmas zurückzuführen.

Neben der Reinigung kann diese Oberflächenschichtaktivität sie auch die Haftung von Klebstoffen, Lacken, Druckfarben oder Beschichtungen erhöhen. Diese Funktion ist nicht nur an sich nützlich, sondern kann auch in einer Testumgebung eingesetzt werden.

Eine Überhitzung ist für die so genannte Oberflächenaktivierung typischerweise kontraproduktiv. Da nur die oberen Monoschichten des Materials betroffen sind, kann die Behandlung nur durch Auftragen einer Flüssigkeit auf die Oberfläche sichtbar gemacht werden. Durch die Messung des Kontaktwinkels von abgeschiedenen Tröpfchen kann die Oberflächenenergie bestimmt werden. Testtinten sind ein einfaches Mittel, um die Oberflächenenergie zu schätzen und die Erhöhung dieses Wertes nach der Plasmabehandlung festzustellen (siehe Abbildung 2).

Unreinheiten vermeiden

Da das Plasmasystem nur elektrische Energie und Prozessgas (z.B. CDA, Stickstoff oder Formiergas) verbraucht, wird es oft gegenüber nasschemischen Primern oder Lösungsmitteln bevorzugt.

Diese Eigenschaft macht die Plasmatechnologie auch für die Inline-Produktion attraktiv, da sich die Anforderungen an die Integration der Technologie auf ein Abgas- oder Absaugsystem mit typischen Durchflussraten von 30 bis 50 m3/h und einer Relativbewegung zwischen Substrat und Plasmaflamme beschränken. Letzteres kann mit einem einfachen Linearachssystem oder einem kleinen Roboter realisiert werden, da das Gewicht des Generators selbst typischerweise kompakt und unter 1 kg schwer ist. Dieser wird von einer Hochspannungsquelle gespeist und über ein Hochspannungskabel verbunden.

Innovationen

Es gibt jedoch auch Plasmaquellen, die keine Hochspannungskabel benötigen und so kompakt sind, dass sie in Handgeräten und sogar Alltagsgegenständen eingesetzt werden können. Hier basiert die Plasmaerzeugung auf der piezoelektrischen Entladung (PDD-Technologie) des von TDK Electronics hergestellten piezoelektrischen Transformators CeraPlas.

Bild 3: Plasmabehandlung von PEEK mit dem piezobrush PZ2

Der nur wenige Zentimeter lange quaderförmige Transformator wandelt eine niedrige Primärspannung in 10 kV bis 15 kV an der Spitze um, was zu Entladungen an den vier Ecken führt (siehe Abbildung 3). Dadurch wird die Umgebungsluft um das Gerät herum ionisiert und ein hochwirksames atmosphärisches Plasma erzeugt, das Temperaturen von 50°C nicht überschreitet.

Die Integration in das Handgerät ermöglicht den flexiblen Einsatz von atmosphärischem Plasma in Labors, Forschungs- und Entwicklungsabteilungen, der Fertigung von Kleinserien, der Zahn- und Medizintechnik und vielem mehr. Zu den Anwendungen gehören die Verbesserung der Haftung auf verschiedenen Materialien, wie z.B. PDMS auf Glas oder das Verkleben von FEP, sowie die Erhöhung der Benetzbarkeit von Petrischalen.

Für elektrisch leitfähige Substrate wird mit der sogenannten Nearfielddüse eine dielektrische Barrierenentladung (DBD) auf Materialien wie Metallen (siehe Abbildung 1), Halbleitern oder Kohlefaserverbundwerkstoffen erzeugt, um deren Oberflächeneigenschaften für Prozesse wie Kleben, Beschichten, Drucken, Kleben oder Lackieren zu verbessern.

Eine weitere spezielle Düse ermöglicht die Veränderung der Plasmachemie durch das Einbringen verschiedener Gase in die Entladung. Der Kopf der Düse kann entfernt werden, um mit der Auslaufnadel der Düse kleine Löcher, Hohlräume und Nuten zu behandeln, wenn die Benetzbarkeit besonders wichtig ist.

Neben der Verbesserung der Oberflächeneigenschaften ist das im piezobrush erzeugte Plasma hocheffizient bei der Herstellung von chemischen Spezies wie Ozon. Diese Moleküle reagieren mit Mikroorganismen und Gerüchen und reduzieren sie deutlich.

piezobrush Multigas Düse
Abbildung 4: Behandlung eines Zahnimplantats zur Verbesserung der Benetzbarkeit und Dekontamination

Dieser Aspekt des Plasmas wird nicht nur in Kombination mit der Oberflächenaktivierung zur besseren Benetzbarkeit von Zahnimplantaten verwendet (Abbildung 4), sondern auch in einer Vielzahl anderer Anwendungen.

Da das Plasmamodul so kompakt ist und wenig Strom verbraucht, wurde kürzlich eine batteriebetriebene Version in den Abfallsammler Hailo ProfiLine Fresh L integriert.

Das Modul wurde nun in den Deckel des Abfallsammlers integriert und produziert nach dem Schließen chemische Spezies, die mit dem im Sammler entsorgten Abfall reagieren. Dies führt zu einer Reduzierung von unangenehmen Gerüchen und Keimen wie E. coli oder Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus (MRSA).

Durch die einfache Integration des Piezo-Moduls kommen einem viele Anwendungen in den Sinn: Von der Lebensmitteldekontamination über die Geruchsreduzierung in Autos, Taschen oder Haushaltsgeräten bis hin zur Desinfektion von medizinischen Geräten oder gar der Einsatz von atmosphärischem Plasma in der Dermatologie.

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