Presentación tratamiento plasma

Es uno de los cuatro estados de la materia.

El físico-químico Michael Faraday (1791-1867), clasificó la materia en cuatro estados:

- sólido- líquido- gaseoso- radiante (plasma)

Octubre 2012UTN FRBA - Erika Zambrana 2

Cada uno presenta características distintivas:

Sólido: moléculas fijas (Hielo)

Líquido: moléculas libres (Agua)

Gaseoso: moléculas libres enun espacio grande. (Vapor)

Plasma: iones y electrones semueven independientemente enun espacio grande. (Gas Ionizado)


Es un gas donde:

átomos están parcialmente ionizados, se constituye de una mezcla eléctricamente neutra de igual número de cationes (+) y electrones (-).

Con una suficiente energía adicional, suministrada a los gases por un campo eléctrico, se genera el plasma.


Al plasma podemos verlo, por ejemplo, en las siguientes formas:

Aurora borealEstrellasSolCarteles luminososde Neón.


El plasma se clasifica en:

- plasma frío: 353ºC – 3.533ºC- plasma caliente: 35.335ºC

Para el tratamiento en textiles, se utiliza el plasma frio, la atmósfera del ambiente de tratamiento es cercana a la temperatura ambiente.


Los gases más comúnmente utilizados son:

Oxígeno (O2)

Gases nobles: Helio, Neón, Argón (He, Ne, Ar)

Nitrógeno (N2)


Las fuertes interacciones eléctricas que se dan en el entorno y entre las partículas, una vez ionizado, hacen que su comportamiento sea diferente al de un gas ordinario.

Se realizan las siguientes suposiciones:

- gas de moléculas idénticas;- moléculas pequeñas comparadas con el espacio entre ellas;- moléculas relativamente incompresibles;- moléculas están en constante movimiento errático.


Esta tecnología, se incorpora a nivel industrial, a partir de los años 60, en la micro-electrónica. Luego en los años 80 se incluye en el tratamiento de otras superficies: metálicas, plásticas, resinas, cerámicas y otras, con resultados favorables.


MicroelectrónicaPlásticos

En textil, su aplicación se investiga desde los años 80 y se presenta como una alternativa para el ennoblecimiento.

Modificando la superficie de los materiales a escala microscópica, sin el empleo de productos químicos ni efluentes (se realiza en seco y de manera sustentable) y sin alterar sus propiedades mecánicas intrínsecas, ni las referidas al volumen del sustrato, se le otorgan propiedades a los sustratos tratados.

Se utiliza en el área de Tintorería y Terminación.


El tejido se trata a una velocidad de 15-20 m/min y con un tiempo de exposición al plasma de 30-40 s, utilizando un gas (la mayoría de las veces aire) y corriente eléctrica.

Las partículas ionizadas interaccionan con el sustrato sin dañarlo ya que la modificación superficial tan solo afecta a una capa que oscila entre los 10 y 1000 Amstrong.

Es un proceso amigable para el usuario y no involucra ningún riesgo operacional, por lo que representa una de las tecnologías más interesantes para la industria textil.


La interacción que se realiza entre el plasma y el sustrato se puede clasificar en:

a - LIMPIEZAb - ACTIVACIÓNc - DEPOSICIÓN (o plasma-polimerización)d - INJERTO


Los mismos realizan cambios en las propiedades químicas, físicas, eléctricas, etc. de los polímeros.


ELECTRONES GAS

PLASMA EN FRIO

IONIZACIÓN DISOCIACIÓN EXCITACIÓN

ELECTRONESCATIONES ANIONES RADICALES MOLECULAS LUZ

Ruptura de

enlaces

covalentes

Injerto

Difusión

Deposición Activación

Radiación

a- Limpieza

Se utilizan O2 y gases inertes como Ar y He.Se remueven los contaminantes orgánicos como aceites y otros. Estos contaminantes, experimentan una abstracción de hidrógeno, con la formación de radicales libres, bajo la influencia de iones, radicales libres y electrones del plasma, hasta que el peso molecular es lo suficientemente bajo como para consumirse en el vacío.


a- Limpieza (continuación)

Se produce una combustión fría que transforma los contaminantes o bien la superficie misma, en resultantes típicos de la combustión como agua, dióxido de carbono, óxidos nitrosos y afines.El “etching” o ruptura de enlaces covalentes débilestambién se consideralimpieza.


limpieza

b- Activación

Cuando una superficie se trata con un gas, como el O2, el NH3 o N2O entre otros, que no contengan C.

Se reemplazan a escala superficial enlaces débiles por grupos carbonil, carboxil, hidroxil, amino u otros, altamente reactivos.

La superficie queda activada después del tratamiento, fenómeno difícilmente aplicable sobre ciertas superficies de diferentes polímeros por métodos convencionales.


b- Activación (continuación)

Por ejemplo, el polietileno, consiste sólo en carbono e hidrógeno y con un tratamiento plasma, la superficie puede ser activada, anclando en ella grupos funcionales como hidroxilos, carbonilos, peroxilos, carbolxílicos, aminos y aminas. Tienen una fuerza y perma-nencia de adhesión excelentes.


c- Deposición o Plasma-polimerización

Cuando se utiliza una molécula más compleja en el gas.Puede resultar un proceso conocido como Deposición Química por Vapor Mejorado por Plasma (PECVD). Se puede hacer uso de cualquier gas monómero o vapor que contenga C o SiO2. Eligiendo las condiciones del proceso, se depositan láminas químicas únicas sin poros, en superficies dentro del reactor de plasma. Los recubrimientos con PECVD alteran permanentemente las propiedades superficiales del material sobre el cual se depositan.


d- Injerto

Si un monómero, capaz de reaccionar con un radical libre, se introduce en la cámara, el monómero será injertado. Los monómeros típicos utilizados, son ácido acrílico, amina alílicay alcohol alílico. Después del tratamiento con plasma la energía en la superficie aumenta y se produce la mejora en la humectabilidad y adhesión.

Como se ve en la imagen, el plasmade Ar produce radicales libres en lacadena y los monómeros se injertan en la superficie.


En la mayoría de las aplicaciones, según lo expuesto, los tratamientos de las superficies con plasma utilizan gases inertes, permitiendo así evitar el uso de químicos y solventes corrosivos.


Clasificación de las distintas tecnologías:


PLASMA

PLASMA EN

FRIOPLASMA

CALIENTE

PLASMA A

BAJA PRESIÓNPLASMA A PRESIÓN

ATMOSFÉRICA

DESCARGA CORONADESCARGA

INCANDESCENTE

DBD (BARRERA

DIELÉCTRICA)

Las aplicables a textiles son:

1- Plasma a baja presión

2- Plasma a presión atmosférica

2.1- Descarga Corona2.2- Descarga de barrera dieléctrica (DBD)2.3- Descarga incandescente (GlowDischarge)


1-Plasma a baja presión

Conocida como plasma al vacío (10,2 a 10,3 mbar).Se introduce el gas en la cámara de tratamiento y se ioniza con la ayuda de un generador de alta frecuencia, obteniéndose de esta forma el plasma.

El vacío permite la creación del plasma frío, posibilitando tratar textiles aún con bajo punto de fusión (polipropileno, polietileno), sin ningún tipo de daño.


1-Plasma a baja presión (continuación)

El plasma obtenido se ve en forma de luz brillante de color fluorescente, azul, rosa, violeta, dependiendo del gas ionizado.


1-Plasma a baja presión (continuación)Consiste de:

-una cámara con electrodos

-un generador de un sistemade alta frecuencia

-un sistema de bomba de vacío


Sistema de plasmaa baja presión.

Diener electronic

1-Plasma a baja presión (continuación)

Los efectos de este tratamiento son uniformes en la superficie a lo largo y a lo ancho y durables a lo largo del uso.

Si bien son adoptados en muchas aplicaciones industriales, el que sean sistemas a vacío, le da algunos aspectos negativos para su uso a escala industrial.



2- Plasma a presión atmosférica

En la industria textil, no se requieren velocidades altas y el equipo de plasma puede ser fácilmente integrado en las líneas finales de acabado textil.

Requerimientos extra como la posibilidad de tratar textiles en todo su ancho de al menos 2 m, y velocidades de procesamiento de 20 m/min son más aptas económicamente en sistemas de tratamiento de plasma atmosféricos.

2- Clasificación de plasma a presión atmosférica:


2- Plasma a presión atmosférica (continuación)

Tabla (Resumen) de características

de las 3 tecnologías de plasma

atmosférica:


DESCARGA CORONA DESCARGA BARRERA DIELÉCTRICA

Trabaja a presiones ligeramente superiores o iguales a presión atmosférica.

Trabaja a presión atmosférica

No es homogéneo y descarga elevados niveles de energía sobre el sustrato tratado.

Avance en uniformidad respecto al tratamiento corona

Pequeñas descargas del tipo luminosas. Descargas del tipo luminosas

DESCARGA INCANDESCENTE

Se lleva a cabo a presiones reducidas (0,1-1mbar)

Proporciona uniformidad, flexibilidad y reproducibilidad

Se aplica sobre un par de electrodos o sobre series de electrodos

2.1- Descarga Corona

Cuando se provee un potencial suficientemente elevado, desde un electrodo es posible generar una descarga puntual (plasma localizado) llamada descarga a corona.

En estos sistemas, la descarga resulta difícilmente controlable y está en condiciones de formar arcos con facilidad, lo que debe ser absolutamente evitado para no degradar los materiales en elaboración.


2.1- Descarga Corona (continuación)

Nunca se mostró eficiente por una serie de motivos: incluyendo los altos potenciales eléctricos necesarios, la emanación de óxido nitroso y ozono, la corrosión, deterioro

del equipo y la irregularidad del tratamiento.


2.2- Descarga de barrera dieléctrica (DBD)

Se presenta como una vía alternativa para prevenir el relajamiento térmico y mantener el estado de no equilibrio, este consiste en imponer a la descarga una corriente de frecuencia variable, alternando bajas y altas frecuencias. La descarga se genera al mismo tiempo en dos electrodos paralelos.

En este caso se introduce entre los electrodos una capa de material dieléctrico que de hecho reduce el desarrollo de descargas localizadas y de arcos, permitiendo que el proceso sea

más controlable.


2.2- Descarga de barrera dieléctrica (DBD) (continuación)


Desde el rollo de abastecimiento, el film pasa por el

tratamiento DBD entre un tambor rotativo y un electrodo de alto voltaje.

El otro está cubierto con un dieléctrico.

2.3- Descarga incandescente (Glow Discharge)

Considerando gas parcialmente ionizado. Cuando una diferencia de potencial suficientemente alta es aplicada entre dos electrodos ubicados en el gas, una separación entre electrones e iones positivos produce una descarga. Colisiones de excitación, seguidas por una des-excitación, dan la característica luminiscente o incandescente que se ve como el brillo de la descarga.


descarga luminiscente

homogénea entre electrodos.

Las capas o telas están

corriendo durante el tratamiento sobre el electrodo más bajo.

2.3- Descarga incandescente (Glow Discharge) (continuación)


1. Proceso discontinuo Roll-to-Roll

2. Sistema continuo


Esquema del sistema KPR-180.

1. Reactor para la generación del plasma.

2. Tejido.

3. Electrodos.

Fabricado en 1986 por Pavlovo Posad

Shawl Manufactory Company

Primer sistema continuo de

plasma a baja presión.

James Bradley 1971.


Sistema Roll-to-Roll de Europlasma.

Equipo CD400 PLC, otro equipo

de baja presión, de Europlasma.

Plasma a presión atmosférica:

Descarga Corona:


Esquema del tratamiento corona a nivel

industrial. Enercon Industries Corporation.

Algunas aplicaciones a modo de ejemplos:

a. Propiedades mecánicas mejoradas:

Suavizado del algodón y otras fibras celulósicas, con un tratamiento de plasma de oxígeno.Afieltramiento y encogimiento de lana reducido con tratamiento de plasma de oxígeno.Resistencia máxima en telas de lana, algodón y seda con: inmersión en DMSO y luego plasma de N2.

b. Propiedades eléctricas: Acabado antiestático del rayón, con clorometil-dimetilsilicio en plasma.


Algunas aplicaciones a modo de ejemplos (continuación):

c. Humectación:

Mejora de la humectación de la superficie en polímeros sintéticos (PA, PE, PP, PET, PTFE) con tratamientos en plasma oxígeno, aire y amoníaco.

Se logra un acabado hidrófobo del algodón, algodón/PET, con tratamiento con plasma de siloxano o perfluorocarbono.

Acabado oleo-fóbico para algodón/ poliéster, mediante el injerto de perfluoroacrilato.


Algunas aplicaciones a modo de ejemplos: (continuación)

d. Afinidad Tintórea y remoción de agentes encolantes:

Mejora de la capilaridad en lana y algodón, con tratamiento de plasma de oxígeno.

Mejora del teñido de poliéster con plasma de SiCl4 y del de poliamida con plasma de Ar.

Remoción completa de agentes encolantes con el uso de APGD con aire/oxígeno/helio y plasma de aire/helio.

En la lana, por ejemplo, es posible mejorar el teñido, en intensidad de tono, homogeneidad del teñido y en la remoción de manchas.



e. Compuestos y laminados:

Se pudo lograr adhesión de bondeado en flúor-polímeros, con plasma de hidrógeno.

f. Aplicaciones en biología y medicina:

Telas que favorecen el sobre-crecimiento de células para pruebas de cultivo, fermentación o implantes. Telas que no favorecen el sobre-crecimiento de células para catéteres, membranas, inmovilización de enzimas, esterilización. El tratamiento plasma, otorga fuerza y permanencia del bondeado, mejora para dispositivos y suministros médicos desechables.



g. Aplicaciones en tecnología ambiental y de membranas: Filtrado de gases para obtener oxígeno enriquecido. Membranas de difusión de sales para obtener alcohol enriquecido. Membranas ultra-filtrantes para mejorar la selectividad. Membranas funcionales como membranas de afinidad, membranas cargadas, membranas bipolares.

h. Otras propiedades:

Blanqueamiento de la lana con tratamiento de plasma de oxígeno. Protección de rayos UV en algodón/poliéster teñido, con tratamiento de HMDSO en plasma. Retardante de llama para rayón, algodón con por ej. Fósforo conteniendo monómeros.


Posee muchos beneficios, pero detallando algunos:

1- Es aplicable a todos los sustratos, apropiado a procesos de vacío, casi en cualquier material.2- Es un proceso seco y sustentable, no produce residuos y es de gran eficiencia energética.3- Optimización de las propiedades de las superficies de los materiales sin la alteración de las características de volumen.4- En polímeros donde son imposibles o muy difíciles de modificar con baños químicos, las propiedades de la superficie se pueden cambiar fácilmente.5- E proceso se desarrolla en un sistema cerrado, supera en confianza y seguridad; es sustentable e incrementa la resistencia a la abrasión, y la velocidad del teñido, entre otras propiedades.


Posee muchos beneficios, pero detallando algunos: (continuación)

6- Acorta los tiempos de fijado del teñido, le da mejor solidez a los pigmentos utilizado en el poliéster, desplegado en materiales, mayor capacidad tintórea a la lana y reducción de efluentes.7- Cambia los polímeros para darles propiedades particulares a la superficie de la fibra hueca, para lograr fibras aromáticas con consecuente grupos funcionales y hacen los tejidos anti-bacteriales, incrementa la resistencia de tejidos de lino, y reduce la pérdida de peso durante el lavado; reemplaza a los procedimentos que utilizan cloro, esteriliza materiales usando un reducido contenido de productos químicos.


Debido a los complejos problemas tecnológicos derivados de los grandes tamaños de las plantas que se requieren para el sector, además del know-how.

Otra desventaja a destacar, es que salvo en casos particulares, la industria textil no dispone de generadores de vacío tan potentes como para sostener tales condiciones operativas y además, la amortización total de la inversión para instalar estos sistemas se ha revelado por demás, problemática.

Actualmente , existe un desconocimiento y poca familiaridad respecto a esta tecnología a nivel global y lo investigado en el campo textil se refieren solo a tecnologías a baja presión, probablemente por el mayor conocimiento y facilidad de generación de este tipo de descarga.


Concluyendo:

Es capaz de modificar las propiedades superficiales de los textiles, dando un nuevo valor agregado y con un potencial de desarrollo interesante. A pesar de ser costoso inicialmente, es rentable, logra acabados en las telas únicos y todo esto de forma sustentable. Su aplicación es tan amplia como la imaginación de las manufacturas textiles existentes y las que aún se encuentran en desarrollo.

Argentina, aún está dando sus primeros pasos en cuanto a la investigación de esta tecnología, pero se están realizando pruebas en la industrial del metal, particularmente del acero.


¡GRACIAS POR SU ATENCIÓN!


Presentación tratamiento plasma

Documents

Transcript of Presentación tratamiento plasma