Plasmabehandling av ytor

Syfte

Detta är en tjänst inom RISE testbädden ”Ytanalys och Ytdesign”.

Fördelar

Ytmodifiering mha plasma har flera viktiga fördelar jämfört med traditionella våtkemiska metoder. Endast ett tunt ytlager modifieras utan att materialets bulkegenskaper påverkas och ytterst små mängder kemikalier behövs. Detta bidrar till minskat behov av kemikalier, reducerad miljöbelastning, förbättrad arbetsmiljö och sänkta produktionskostnader.

Vad är plasma?

Plasma är materiens fjärde tillstånd, dvs joniserad gas. Ett lågtemperaturplasma består av elektroner, joner, exciterade och neutrala molekyler, fria radikaler och fotoner. Ytan på ett material som placeras i ett plasma kommer att modifieras på olika sätt beroende på vilken gas eller vätskeånga plasmat bildats av. Plasmaprocesser delas ibland in i plasmabehandling (eller plasmaaktivering) och plasmapolymerisation (eller plasmadeponering) beroende på vilken gas eller vätskeånga som används och om plasma-ytväxelverkan leder till deponering av en tunn film eller inte.

Exempel på vanliga tillämpningar:

• Rengöring av ytor. Plasmarengöring innebär att organiska föroreningar avlägsnas genom en kemisk reaktion eller fysikalisk ablation av kolväten på behandlade ytor. Kemiskt reaktiva processgaser (t ex syrgas eller luft) reagerar med monoskikt av kolväten och bildar koldioxid och vattenånga som förs bort via gasflödet genom reaktorn. Alla fasta ytor kan rengöras på detta sätt.
• Förbättrad vätning och vidhäftning. Genom användning av syrgas, luft eller akryl-, vinyl- eller allylbaserade monomerer, som innehåller karboxylsyra- (COOH), amin- (NH₂) eller hydroxyl- (OH) funktionalitet. Lämpligt val av funktionell grupp tillåter monomeren att reagera med ytan så att kovalenta bindningar bildas mellan t ex färg, lack eller lim och den behandlade ytan. Ett annat exempel är plasmaaktivering av strömtilledarna i batterier för att förbättra vidhäftningen till katoden och anoden, eller aktivering/modifiering av separatorn för att förbättra vätningen av elektrolyten.
• Förbättrade vatten- och oljeavvisande egenskaper. Hydrofoba och oleofoba ytor erhålles genom plasmapolymerisation av monomerer baserade på organiska kiselföreningar, kolväten eller fluorerade kolväten. Detta resulterar i silikon-, polyolefin-, eller Teflon-liknande beläggningar. Om dessa skikt kombineras med en lämplig mikro/nanoytstruktur kan även superhydrofoba och superoleofoba ytor erhållas.
• Förbättrade gasdiffusionsbarriäregenskaper. Transmissionshastigheten för syrgas (OTR) och vattenånga (WVTR) genom olika polymera förpackningsfilmer och behållare (t ex PET-flaskor) kan minskas markant genom plasmadeponering av ultratunna, glasliknande SiOx-beläggningar (från en blandning av hexametyldisiloxan (HMDSO), eller liknande kiselföreningar) och syrgas. Liknande barriärförbättringar kan även erhållas genom deponering av kolvätesbaserade skikt från t ex acetylen eller metan/heliumblandningar.
• Förbättrat korrosionsskydd. Kan erhållas på metallsubstrat genom plasmadeponering av hydrofoba beläggningar (t ex HMDSO) med hög tvärbindningsgrad.
• Förbättrad biokompatibilitet. Poly(ethylene oxide) (PEO), eller poly(ethylene glycol) (PEG), är en av de mest kända biomaterialen som används för förhindring eller minskning av proteinadsorption. PEG-liknande filmer kan framställas genom plasmapolymerisation av monomer som innehåller etylenoxidenheter, t ex glykoldietrar, också kända som ”glyme”-familjen.

Metod

På RISE arbetar vi nära våra kunder inom torr förbehandling, antingen i forskningsprojekt eller i direkta uppdrag. Vanligtvis använder vi oss av plasma för att:

• rengöra ytor
• funktionalisera ytor, dvs introducera specifika kemiskt funktionella grupper för olika ändamål
• öka vidhäftningen och kunna måla, limma och lackera material som inte har varit möjligt annars och möjliggöra användandet av fler typer av vattenbaserade limmer och lacker för en yta
• framställa vatten- och oljeavvisande ytor, t ex för is- och smutsavvisning
• applicera gasdiffusionsbarriärer på olika förpackningsmaterial
• aktivering av strömtilledaren i battericeller för ökad vidhäftning till katoden och anoden 
• funktionalisering av separatorn i battericellen för att öka vätningen av elektrolyten

Leveranser

Vi på RISE kan hjälpa dig att utvärdera olika typer av plasmamodifieringar på dina egna applikationer. I vårt plasmalab finns flera olika typer plasmautrustningar både för behandling i atmosfär och vakuum, med luft eller specifika gaser. Våra laborativa resurser står till förfogande och bistår med behandling, provning, verifiering, utveckling och forskning. Vi har dessutom tillgång till en stor instrumentpark med många avancerade ytanalysinstrument för undersökning och bekräftelse att ytmodifieringen givit önskat resultat. Efter avslutat uppdrag erhåller kunden en skriftlig rapport.