Vorstellung des vierten Aggregatzustands
Die drei üblichen Aggregatzustände der Materie - fest, flüssig und gasförmig - begegnen uns im täglichen Leben regelmäßig. Über Plasma, den so genannten vierten Aggregatzustand, ist jedoch wenig bekannt, obwohl 99 % der sichtbaren Materie in unserem Universum daraus besteht. Noch weniger bekannt ist die Tatsache, dass Plasma künstlich hergestellt werden kann und vielfältige Einsatzmöglichkeiten bietet. Das Potenzial dieses Multitalents im Bereich der Materialreinigung und Oberflächenvorbehandlung für nachgelagerte Prozesse, z.B. Kleben, Lackieren, Drucken oder Beschichten, hat es in vielen Branchen und deren Prozessen unverzichtbar gemacht, u.a. im Automobilbau, in der E-Mobilität, im Verkehrswesen, in der Elektronikfertigung, in der Verpackungstechnik, bei Konsumgütern, in den Life Sciences, bei Textilien und neuen Energieformen.
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Was genau ist Plasma? Plasma auf Oberflächen Charakterisierung von Plasma
Anwendungen Industrielle Plasmavorbehandlung Erfahren Sie mehr über Plasma
Was genau ist Plasma?
Ein Aggregatzustand ist ein qualitativer Zustand von Stoffen, der von Temperatur und Druck abhängt. Atomare Bindungen werden mit steigender Temperatur instabiler. Ein Stoff kann vom ersten in den zweiten und dann in den dritten Zustand übergehen: Feststoffe werden zu Flüssigkeiten und Flüssigkeiten zu Gasen. Wenn ein Gas mehr Energie erhält, gibt es Elektronen ab und wird ionisiert. Plasma ist ein ionisiertes Gas, das Ionen, freie Elektronen, angeregte Moleküle, Radikale und Molekülbruchstücke enthält. Plasma ist überall im Universum zu finden.
Nahezu alle sichtbare Materie besteht aus Plasma: die Sonne, Gaswolken, Sterne und Galaxien. In der Natur können wir Plasma in Form von Nordlichtern beobachten, wenn die Luftmoleküle der Erdatmosphäre, angeregt durch das Plasma der Sonnenwinde, in Grün, Blau, Rot und Violett leuchten. Plasma ist auch in Funken, Blitzen und Flammen enthalten. Es kann auch künstlich im Labor durch starke Gasentladungen in zylindrischen oder röhrenförmigen Kammern erzeugt werden. Diese Entladungen verursachen hohe Temperaturen, die alle Stoffe verdampfen und neutrale Atome und Moleküle ionisieren, wodurch Ionen und freie Elektronen entstehen.
Plasma auf Oberflächen: eine Vielzahl neuer Eigenschaften
Plasma ist Materie mit hohem, instabilem Energieniveau, die sich u. a. durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit auszeichnet. Chemisch gesehen ist Plasma sehr reaktiv und kann mit Oberflächen, Flüssigkeiten oder Mikroorganismen in Wechselwirkung treten. Kommt es mit festen Materialien wie Kunststoff, Glas oder Metall in Berührung, verändert es die Oberflächenenergie, z. B. von hydrophob zu hydrophil. Dadurch werden wichtige Oberflächeneigenschaften verändert, z. B. die Haftfähigkeit und Benetzbarkeit von Oberflächen. Dadurch wird es möglich, völlig neue (auch unpolare) Materialien und umweltfreundliche, lösungsmittelfreie (VOC-freie) Farben und Klebstoffe industriell zu nutzen. Viele chemische Oberflächenbehandlungsverfahren können heute durch die Plasmabehandlung ersetzt werden: Mit der Plasmatechnologie lassen sich Oberflächen umweltfreundlich vorbehandeln - ganz ohne Lösungsmittel (VOC) und CO2-Emissionen. Chemikalien, Primer oder Haftvermittler sind beim Einsatz der Plasmatechnologie nicht erforderlich.
Wie werden Plasmen charakterisiert?
Besonders aussagekräftige Messgrößen für Plasma sind die Elektronentemperatur sowie Emissionen diverser angeregter Spezies im ultravioletten und sichtbaren Bereich.
Erst durch eine hohe Elektronentemperatur und eine niedrige Ionentemperatur ist es überhaupt möglich, auch thermisch sehr empfindliche Kunststoffe ohne Beschädigung unter Atmosphärendruck vorzubehandeln.
Die Leuchterscheinungen (optischen Emissionen) eines relaxierenden* Plasmas können mit Hilfe der Optischen Emissionsspektroskopie (OES) detektiert werden. Dazu werden charakteristische Emissionsbanden der im Plasma angeregten Spezies im sichtbaren und besonders im ultravioletten Bereich des Spektrums über einen Lichtleiter zur Auswerteelektronik übertragen und anschließend mit einer speziellen Software weiterverarbeitet.
Die Prozessüberwachungs-Komponenten der Plasmatreat-Anlagen arbeiten nach diesem Prinzip der optischen Kontrolle. Dies ermöglicht eine gleichbleibende Qualität über den gesamten Plasma-Prozess.
* relaxierend: Übergang eines Plasma in seinen Grundzustand. Dabei wird die zuvor zugeführte Anregungsenergie in Form von Licht an die Umgebung abgegeben.
Wenn Plasma auf Oberflächen trifft, entstehen neue Eigenschaften
Plasma kennzeichnet eine Materie auf hohem, instabilem Energieniveau und zeichnet sich unter anderem durch eine große elektrische Leitfähigkeit aus. Plasma ist chemisch sehr reaktiv und kann mit Oberflächen, Flüssigkeiten oder Mikroorganismen interagieren. Kommt es zu Kontakt mit festen Materialien, z. B. Kunststoff oder Metall, so verändert die zugeführte Plasmaenergie wichtige Eigenschaften dieser Oberflächen, z. B. die Oberflächenenergie.
Diese Modifikation von Oberflächen lässt sich gezielt nutzen:
Beispiel mikrofeine Reinigung für Metall und Glas: Trifft Plasma auf Metall oder Glas, bewirkt es eine mikrofeine Reinigung. Auch hoch empfindliche Oberflächen lassen sich damit vollständig von unerwünschten Ausgangsstoffen befreien. Die Feinstreinigung mit Plasma entfernt selbst kleinste Staubpartikel vom behandelten Substrat. Durch die chemisch-physikalische Reaktion im Nanobereich werden auf diese Weise hochwertige, exakt definierte Oberflächen erreicht, die beste Voraussetzungen für eine Weiterverarbeitung aufweisen. So ermöglicht die Feinstreinigung von Flächen vor dem Verkleben, Beschichten, Lackieren oder Bedrucken nachfolgend den Einsatz moderner lösemittelfreier oder auch wasserbasierter Systeme. Auf eine zusätzliche Vorbehandlung durch chemische Primer oder mechanische Verfahren, z. B. Bürsten, kann komplett verzichtet werden. Dadurch lassen sich in der Produktion Emissionen von VOC (Volatile Organic Compounds/leichtflüchtige Kohlenwasserstoffe) vermeiden. Die Reinigung mit atmosphärischem Plasma ist zudem ein trockener Prozess. Das bietet in industriellen Prozessen den großen Vorteil, sämtliche Materialien sofort weiterverarbeiten zu können – und spart damit enorm viel Zeit ein.
Beispiel für aktivierte Oberflächen und eine bessere Benetzbarkeit von Kunststoffe: Auch im Zusammentreffen mit unterschiedlichsten Kunststoffen lassen sich durch die Plasmavorbehandlung Eigenschaften von Materialoberflächen verändern: In die Oberflächen der meist unpolaren Kunststoffe werden durch den Kontakt mit Plasma sauerstoff- und stickstoffhaltige Gruppierungen eingebracht. Diese erhöhen die Oberflächenenergie signifikant – eine sogenannte Aktivierung findet statt. Diese sorgt für eine deutlich verbesserte Benetzbarkeit des Substrats, die wiederum dazu führt, dass die Adhäsionsfähigkeit gesteigert wird. Klebstoffe, Farben oder Lacke haften also ohne herkömmliche Vorbehandlungen, z. B. Beflammen oder den Einsatz umweltbelastender Chemie, deutlich besser und beständiger an der vorbehandelten Oberfläche.
