Plasma

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In nur zwei Jahrzehnten haben sich Plasmaprozesse in zahlreichen Branchen und Technologiefeldern zu einem vielseitigen Werkzeug für industrielle Anwendungen entwickelt, für eine große Zahl von Aufgaben in der Oberflächenbehandlung, -reinigung und -beschichtung sowie der Aktivierung von Kunststoffen, dem Ätzen von Halbleiterstrukturen und und und.

Laut Definition ist ein Plasma ein teilweise ionisiertes Gas, welches oft auch als der vierte Aggregatzustand der Materie bezeichnet wird. Phänomene wie zum Beispiel ein Blitz oder das Nordlicht (aurora borealis) sind in der Natur auftretende Plasmen. Technisch können sie durch das Anlegen elektrischer Felder erzeugt werden.

Plasmen sind aufgrund ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften besonders interessant. In ihnen werden hochangeregte Teilchen und Radikale generiert, die chemische Reaktionen auslösen können, welche unter Normalbedingungen nicht möglich sind. Gleichzeitig kann die Temperatur der zur behandelnden Werkstücke sehr niedrig gehalten werden.

Stark beschleunigte Ionen in einem Plasma ermöglichen Anwendungen wie das Sputtern.

All diesen physikalischen und chemischen Eigenschaften verdankt das Plasma seine außergewöhnliche Rolle in Wissenschaft und industrieller Technik.

Plasmaaktivierung

Die Aktivierung von Kunststoffoberflächen ist eine spezielle Anwendung der Plasmatechnologie. Aktivierung bedeutet hier eine Erhöhung der Oberflächenenergie, welche verbesserte Haftungseigenschaften und somit Benetzbarkeit zur Folge hat. Der Kontaktwinkel eines Tropfens auf einem Kunststoff ist ein gängiges Maß für das Haftvermögen.

In vielen Fällen haben Polymere niedrige Oberflächenenergien beziehungsweise sind hydrophob, was zum Beispiel Probleme bei der Verwendung von Lacken auf Wasserbasis verursachen kann. Also müssen sie vor der Lackierung oder dem Bedrucken modifiziert werden. Plasma hat sich für diesen Zweck als sehr effizientes Mittel erwiesen. So stellt die Plasmaaktivierung einen Ersatz für übliche Haftvermittler dar.

Des weiteren gibt es kaum Grenzen, was die Geometrie der Werkstücke sowie die Art des Polymers betrifft, da die Temperatur während des Prozesses nicht signifikant ansteigt. Außerdem bleibt die Topographie des Kunststoffe nahezu unverändert, nur die obersten Monolagen werden modifiziert.

Für Aktivierungsprozesse besteht das Plasma typischerweise aus Sauerstoff, manchmal aber auch aus Stickstoff oder Ammoniak. Wenn Sauerstoff eingesetzt wird, ist es möglich Polymere so zu modifizieren, daß Hydroxyl-, Carboxyl- oder Peroxidgruppen an der Oberfläche entstehen. Verwendet man dagegen Stickstoff oder Ammoniak, so führt das zu Amin- oder Imin-Gruppen, welche für bestimmte Anwendungen ebenfalls interessant sein können. Diese polaren hydrophilen Gruppen verbessern die Benetzbarkeit der Oberfläche. Die Dauer von Aktivierungsprozessen beträgt in der Regel nur wenige Sekunden. Nach der Aktivierung sind die Werkstücke zur sofortigen Weiterverarbeitung präpariert, was eventuell sogar im selben Plasmasystem möglich ist.

Ein typisches Einsatzgebiet für dieses etablierte Verfahren ist die Vorbehandlung von Kunststoffteilen im Automobilbau, wie zum Beispiel durchlackierte Stoßfänger.

Einige Vorteile im Überblick

Prozess

Sehr gutes Haftvermögen
Bessere Homogenität
Hohe Prozeßstabilität
Einfache Prozesskontrolle
Anwendbarkeit auf temperaturempfindliche Materialien

Wirtschaftlichkeit

Keine Entsorgungskosten
Kein Trockenvorgang nötig
Niedriger Verbrauch von Plasmagasen
Keine Haftgrundierung notwendig

Ökologie

Lösungsmittelfreiheit
Keine kritischen Abfälle
Integrierte Umweltverträglichkeit

Plasmareinigung

ie Reinigung von Oberflächen ist eine der Möglichkeiten, die die Plasmatechnologie bietet. Hierfür werden verschiedene Methoden der Generierung von Plasmen verwendet. Die gebräuchlichsten sind das Anlegen von hochfrequenten Wechselspannungen (40 kHz bzw. 13,56 MHz) sowie die Anregung mit Mikrowellen. Typische Gasgemische enthalten Sauerstoff, Argon und manchmal Wasserstoff und Tetrafluorkohlenstoff (CF₄). Das Gemisch hängt von den speziellen Anforderungen an den Reinigungsprozess ab, welche sich aus Art der Verunreinigung und dem behandelten Werkstoff ergeben.

Es gibt bezüglich des zu reinigenden Materials kaum Beschränkungen. So können temperaturempfindliche Kunststoffe ebenso behandelt werden wie Metall, Glas und Keramik. Das Plasmasystem muss aber auf jeden Fall der jeweiligen Aufgabe angepasst werden.

Abhängig vom Gasgemisch wirkt das Plasma oxidierend oder reduzierend. Oxidierende Plasmen sind beim Entfernen organischer Verunreinigungen (Öle, Fette) von Vorteil, während reduzierende Plasmen eher für anorganische Ablagerungen (wie zum Beispiel Metalloxide) geeignet sind.

Fast jede Oberfläche wird während verschiedener Arbeitsgänge verschmutzt. Für weitere Behandlungsschritte, wie zum Beispiel Lackierung, Härtung oder Versiegelung, müssen die Werkstücke gereinigt werden.
Plasmareinigung ist der beste Weg um absolut saubere, fettfreie Oberflächen zu erhalten.

Klassische Reinigungsmethoden sind oft naßchemisch und enthalten Kohlenwasserstoffe (KW), Chlorkohlenwasserstoffe (CKW) oder in Wasser gelöste scharfe Reiniger. Alle diese Mittel stellen sowohl während des Gebrauches als auch bei der Entsorgung Umweltprobleme dar. Abfallreduzierung wird mit sogenannten End-of-pipe Lösungen betrieben, welche zusätzliche Kosten verursachen.

Im Gegensatz zur Nasschemie erfüllt die Plasmareinigung die Bedingungen für integrierten Umweltschutz.

Um zu verstehen, wie die Plasmareinigung funktioniert, muss man sich einen mikroskopisch kleinen Bereich anschauen. Was passiert unmittelbar auf und an der Oberfläche?

Im Falle organischer Kontamination enthält das Plasmagas Sauerstoff und Argon. Der Reinigungsprozess ist die Summe zweier Vorgänge, einem physikalischen und einem chemischen.

Physikalisch:
Legt man das Werkstück auf die Kathode bzw. schließt es als Kathode an, werden aufgrund des angelegten elektrischen Feldes positive Ionen aus dem Plasma in seine Richtung beschleunigt. Beim Auftreffen lösen die Ionen durch direkten Impulsübertrag Atome und Moleküle von der Oberfläche ab. Man könnte diesen Vorgang als "Billard mit Atomen" bezeichnen.

Chemisch:
Angeregter Sauerstoff und Sauerstoffionen bilden bei der Reaktion mit Kohlenwasserstoffen Kohlendioxid und Wasser. Die genaue Reaktionsgleichung sieht folgendermaßen aus :

Kohlenwasserstoffe werden also in vergleichsweise harmlose chemische Verbindungen umgewandelt. Die Produkte einer unvollständigen Verbrennung, sollten welche vorhanden sein, können leicht mit Hilfe von Aktivkohlefiltern aus den Abgasen herausgefiltert werden.

Plasmareinigung bietet einige bemerkenswerte Vorteile bezüglich Prozess, Wirtschaftlichkeit, Ökologie und Arbeitssicherheit :

Prozess

Hoher Entfettungsgrad
Hohe Spaltgängigkeit
Gute Vorbereitung auf weitere Plasmaprozesse wie z.B. Beschichtung
Hohe Stabilität
Einfache Prozesskontrolle
Anwendbarkeit auf temperaturempfindliche Materialien

Wirtschaftlichkeit

Keine Entsorgungskosten
Kein Trockenvorgang nötig
Niedriger Verbrauch von Plasmagasen

Ökologie

Lösungsmittelfreiheit
Keine kritischen Abfälle
Wenig Entsorgungsaufwand
Integrierter Umweltschutz

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