Il quarto stato della materia
Nel nostro quotidiano possiamo osservare tre stati della materia: solido, liquido e gassoso. Tuttavia, poco si conosce in merito al plasma, il cosiddetto quarto stato della materia, nonostante componga il 99% della materia visibile dell’universo. Ancora meno note sono la possibilità di produrre artificialmente il plasma e le sue diverse applicazioni. Il potenziale di questo strumento polivalente nell’ambito del pretrattamento delle superfici per processi successivi quali ad es. incollaggio, verniciatura, stampa o rivestimento, lo ha reso indispensabile in molti settori e processi, tra cui i settori dell’industria automobilistica, e-mobility, trasporti, elettronica, imballaggio e confezionamento, beni di consumo, bioscienze, tessile e delle energie rinnovabili.
Temi trattati in questa pagina:
Cos’è dunque il plasma? Il plasma sulle superfici Caratterizzazione del plasma
Modifica delle superfici Pretrattamenti industriali al plasma Maggiori informazioni
Cos'è dunque il plasma?
Lo stato della materia è uno stato qualitativo delle sostanze che dipende dalla temperatura e dalla pressione. I legami atomici diventano maggiormente instabili all'aumentare della temperatura. Una sostanza può passare dal primo stato al secondo e successivamente al terzo: i solidi diventano liquidi, e i liquidi si trasformano in gas. Applicando un'ulteriore quantità di energia ad un gas esso rilascia elettroni e si ionizza. Il plasma è gas ionizzato che contiene ioni, elettroni liberi, molecole eccitate, radicali e frammenti molecolari. Il plasma è presente ovunque nell’universo.
Quasi tutta la materia visibile è composta da plasma: il Sole, le nebulose, le stelle e le galassie. In natura è possibile osservare il plasma sotto forma di aurore polari , quando le molecole dell’atmosfera terrestre, eccitate dal plasma dei venti solari, emettono luce verde, blu, rossa e violetta. Il plasma è presente anche in scintille, fulmini e fiamme. Può essere altresì prodotto artificialmente in laboratorio, mediante potenti scariche elettriche in camere cilindriche o tubolari contenenti gas. Le scariche producono temperature elevate che vaporizzano ogni sostanza e ionizzano gli atomi e le molecole neutre, liberando ioni ed elettroni.
Il plasma applicato alle superfici: una miriade di nuove proprietà
Il plasma è materia con livelli energetici elevati e instabili ed è caratterizzato, tra l’altro, da un’elevata conduttività elettrica. Dal punto di vista chimico, il plasma è altamente reattivo e può reagire con le superfici, i liquidi e i microrganismi. Entrando in contatto con materiali solidi, quali materie plastiche, vetro o metalli, ne altera l’energia superficiale, ad esempio trasformandola da idrofoba a idrofila. Pertanto, vengono modificate delle importanti proprietà superficiali a favorire la bagnabilità delle superfici e, di conseguenza, l'adesione. Ciò consente di utilizzare a livello industriali materiali anche completamente nuovi (es. non polari) nonché vernici e adesivi ecocompatibili e privi di solventi (esenti da VOC). Oggi, molti processi di preparazione delle superfici con primer possono essere sostituiti dal trattamento al plasma. Con la tecnologia al plasma, le superfici possono essere pretrattate in modo ecologico, senza solventi o emissioni di CO2.
Come si caratterizzano i plasmi?
I parametri particolarmente significativi per il plasma sono la temperatura elettronica e le radiazioni emesse da diverse specie eccitate nel campo dell’ultravioletto e del visibile.
Soltanto in presenza di un’elevata temperatura elettronica e di una bassa temperatura ionica è possibile pretrattare a pressione atmosferica anche materiali plastici particolarmente termosensibili senza danneggiarli.
I fenomeni luminosi (emissioni ottiche) di un plasma in fase di rilassamento* possono essere rilevati con l’ausilio della spettroscopia di emissione ottica (OES). Le bande di emissione, comprese nel campo dello spettro visibile e soprattutto dell’ultravioletto, delle specie eccitate nel plasma vengono trasmesse per mezzo di un fotoconduttore ad un’unità elettronica di valutazione e quindi elaborate con uno speciale software. I componenti del sistema di monitoraggio del processo degli impianti Plasmatreat eseguono un controllo ottico secondo questo principio. Ciò permette di mantenere uniforme la qualità lungo l’intero processo di trattamento al plasma.
* Fase di rilassamento: passaggio di un plasma allo stato di base. In questa fase, l’energia precedentemente somministrata per eccitare il plasma viene rilasciata nell’ambiente circostante sotto forma di luce.
L’incontro tra plasma e superfici rivela nuove proprietà
Il plasma è materia con livelli energetici elevati e instabili e caratterizzato, tra l’altro, da un’elevata conduttività elettrica. Il plasma è altamente reattivo chimicamente e può interagire con le superfici, i liquidi e i microrganismi. Entrando in contatto con materiali solidi, quali plastiche o metalli, l’energia applicata dal plasma ne modifica importanti proprietà superficiali, tra cui l’energia superficiale.
La modifica superficiale può essere sfruttata in modo mirato:
Micro-pulizia di precisione di vetro e metallo: al contatto con metallo o vetro, il plasma esegue una micro-pulizia di precisione. Grazie alla reazione chimico-fisica a livello atomico, si ottengono superfici di elevata qualità e definite con precisione, che presentano i migliori presupposti per le lavorazioni successive. Il trattamento al plasma delle superfici prima dell’incollaggio, verniciatura o decorazione consente l’applicazione di prodotti privi di solventi o a base d’acqua. Inoltre, è possibile eliminare pretrattamenti aggiuntivi con primer chimici o processi di carteggiatura, ad es. la spazzolatura. Questo si traduce nell’assenza di emissioni di VOC (composti organici volatili). La pulizia al plasma è altresì un processo eseguito a secco. Nei processi industriali ciò offre il grande vantaggio di consentire il trattamento immediato di svariati materiali, con un enorme risparmio di tempo.
Attivazione e migliore bagnabilità delle materie plastiche: il pretrattamento al plasma può altresì modificare le proprietà superficiali di un’ampia gamma di materie plastiche. I gruppi contenenti ossigeno e azoto vengono introdotti nelle superfici delle materie plastiche, per lo più non polari, attraverso il contatto con il plasma. Questo incrementa notevolmente l’energia superficiale, producendo la cosiddetta attivazione. Ciò garantisce una maggiore bagnabilità del substrato che, in genere, si traduce a sua volta in una maggiore adesione e durabilità degli elementi incollati o vernici senza la necessità di pretrattamenti convenzionali, quali fiammatura o l’utilizzo di prodotti chimici dannosi per l’ambiente.
