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In soli due decenni, i processi al plasma si sono affermati in numerosi settori e ambiti tecnologici come strumento versatile per applicazioni industriali, utilizzato per un’ampia gamma di operazioni nel trattamento delle superfici, pulizia e rivestimento, nonché nell’attivazione delle materie plastiche, nell’incisione di strutture semiconduttrici e molto altro ancora.

Per definizione, un plasma è un gas parzialmente ionizzato, spesso definito anche come il quarto stato della materia. Fenomeni come, ad esempio, un fulmine o l’aurora boreale sono plasmi presenti in natura. Dal punto di vista tecnico, possono essere generati applicando campi elettrici.

I plasmi sono particolarmente interessanti per le loro proprietà fisiche e chimiche. Al loro interno si generano particelle altamente eccitate e radicali in grado di innescare reazioni chimiche che in condizioni normali non sarebbero possibili. Allo stesso tempo, la temperatura dei pezzi da trattare può essere mantenuta molto bassa.

Gli ioni fortemente accelerati presenti in un plasma consentono applicazioni come la polverizzazione.

È proprio a tutte queste proprietà fisiche e chimiche che il plasma deve il suo ruolo straordinario nella scienza e nella tecnologia industriale.

Attivazione al plasma

L’attivazione delle superfici in plastica è un’applicazione specifica della tecnologia al plasma. Per attivazione si intende in questo contesto un aumento dell’energia superficiale, che comporta migliori proprietà di adesione e, di conseguenza, una maggiore bagnabilità. L’angolo di contatto di una goccia su una plastica è una misura comunemente utilizzata per valutare l’adesione.

In molti casi i polimeri presentano basse energie superficiali o sono idrofobi, il che può causare, ad esempio, problemi nell’utilizzo di vernici a base acquosa. Pertanto, devono essere modificati prima della verniciatura o della stampa. Il plasma si è dimostrato uno strumento molto efficace a questo scopo. L’attivazione al plasma rappresenta quindi un’alternativa ai tradizionali agenti adesivanti.

Inoltre, non vi sono praticamente limiti per quanto riguarda la geometria dei pezzi da lavorare e il tipo di polimero, poiché la temperatura non aumenta in modo significativo durante il processo. Inoltre, la topografia della plastica rimane pressoché invariata: vengono modificati solo i monostrati più superficiali.

Per i processi di attivazione, il plasma è tipicamente costituito da ossigeno, ma talvolta anche da azoto o ammoniaca. Quando si utilizza l’ossigeno, è possibile modificare i polimeri in modo tale da formare gruppi idrossilici, carbossilici o perossidici sulla superficie. Se invece si utilizzano azoto o ammoniaca, si ottengono gruppi amminici o imminici, che possono essere altrettanto interessanti per determinate applicazioni. Questi gruppi polari idrofili migliorano la bagnabilità della superficie. La durata dei processi di attivazione è solitamente di pochi secondi. Dopo l’attivazione, i pezzi sono pronti per la lavorazione immediata, che può eventualmente avvenire anche nello stesso sistema al plasma.

Un tipico campo di applicazione di questo processo consolidato è il pretrattamento di componenti in plastica nell’industria automobilistica, come ad esempio i paraurti verniciati.

Panoramica di alcuni vantaggi

Processo

Ottima adesione
Maggiore omogeneità
Elevata stabilità del processo
Facile controllo del processo
Applicabilità a materiali sensibili alla temperatura

Convenienza economica

Nessun costo di smaltimento
Non è necessario alcun processo di essiccazione
Basso consumo di gas al plasma
Non è necessario alcun primer adesivo

Ecologia

Assenza di solventi
Nessun rifiuto critico
Compatibilità ambientale integrata

Pulizia al plasma

La pulizia delle superfici è una delle possibilità offerte dalla tecnologia al plasma. A tal fine vengono utilizzati diversi metodi di generazione del plasma. I più comuni sono l’applicazione di tensioni alternate ad alta frequenza (40 kHz o 13,56 MHz) e l’eccitazione con microonde. Le miscele gassose tipiche contengono ossigeno, argon e, talvolta, idrogeno e tetrafluorometano (_CF₄). La composizione della miscela dipende dai requisiti specifici del processo di pulizia, che derivano dal tipo di contaminazione e dal materiale trattato.

Non vi sono praticamente limitazioni per quanto riguarda il materiale da pulire. È quindi possibile trattare sia le materie plastiche sensibili alla temperatura sia metalli, vetro e ceramica. Il sistema al plasma deve tuttavia essere in ogni caso adattato alla specifica applicazione.

A seconda della miscela di gas, il plasma agisce in modo ossidante o riducente. I plasmi ossidanti sono vantaggiosi per la rimozione di contaminanti organici (oli, grassi), mentre i plasmi riducenti sono più adatti per i depositi inorganici (come ad esempio gli ossidi metallici).

Quasi tutte le superfici si sporcano durante le diverse fasi di lavorazione. Per ulteriori fasi di trattamento, come ad esempio la verniciatura, l’indurimento o la sigillatura, i pezzi devono essere puliti.
La pulizia al plasma è il modo migliore per ottenere superfici assolutamente pulite e prive di grassi.

I metodi di pulizia tradizionali sono spesso basati su sostanze chimiche umide e contengono idrocarburi (HC), idrocarburi clorurati (HCC) o detergenti aggressivi disciolti in acqua. Tutte queste sostanze rappresentano un problema ambientale sia durante l’uso che durante lo smaltimento. La riduzione dei rifiuti viene perseguita con le cosiddette soluzioni «end-of-pipe», che comportano costi aggiuntivi.

A differenza della chimica umida, la pulizia al plasma soddisfa i requisiti per una tutela ambientale integrata.

Per comprendere come funziona la pulizia al plasma, è necessario osservare un’area microscopica. Cosa accade immediatamente sulla superficie e in prossimità di essa?

In caso di contaminazione organica, il gas al plasma contiene ossigeno e argon. Il processo di pulizia è la somma di due fenomeni, uno fisico e uno chimico.

Fisico:
Se si posiziona il pezzo da lavorare sul catodo o lo si collega come catodo, a causa del campo elettrico applicato gli ioni positivi del plasma vengono accelerati nella sua direzione. All’impatto, gli ioni staccano atomi e molecole dalla superficie tramite trasferimento diretto di impulso. Si potrebbe definire questo processo come «biliardo con gli atomi».

Chimico:
L’ossigeno eccitato e gli ioni di ossigeno, reagendo con gli idrocarburi, formano anidride carbonica e acqua. L’equazione di reazione esatta è la seguente:

Gli idrocarburi vengono quindi trasformati in composti chimici relativamente innocui. I prodotti di una combustione incompleta, qualora presenti, possono essere facilmente filtrati dai gas di scarico con l’ausilio di filtri a carbone attivo.

La depurazione al plasma offre alcuni notevoli vantaggi in termini di processo, economicità, ecologia e sicurezza sul lavoro:

Processo

Elevato grado di sgrassaggio
Elevata capacità di scissione
Ottima preparazione per ulteriori processi al plasma, come ad esempio il rivestimento
Elevata stabilità
Semplice controllo del processo
Applicabilità su materiali sensibili alla temperatura

Convenienza economica

Nessun costo di smaltimento
Non è necessario alcun processo di essiccazione
Basso consumo di gas al plasma

Ecologia

Assenza di solventi
Assenza di rifiuti critici
Minimo onere di smaltimento
Tutela ambientale integrata

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