Plasma a presión atmosférica: innovación para las superficies

40 talleres del grupo de usuarios de plasma a presión atmosférica ak-adp en 12 años avalan el interés científico y la relevancia industrial de la tecnología.

Actualmente no es cosa de todos los días: el 40º taller del ak-adp se celebró en Jena los días 10 y 11 de noviembre de 2021. Los participantes de la investigación y el desarrollo y de la industria aprovecharon la oportunidad para debatir ejemplos de aplicación de la tecnología de plasma a presión normal para procesos innovadores desde el punto de vista económico y medioambiental.

Las presentaciones se centraron en una amplia gama de materiales funcionalizables, así como en las muy diversas posibilidades de la propia funcionalización. Además de la funcionalización de superficies plásticas para mejorar la adherencia y la pintura, se presentaron ejemplos de pulido electrolítico por plasma, recubrimiento de fibras de carbono y metalización de componentes CFRP, modificación de superficies y recubrimiento de partículas, impresión por plasma y recubrimiento antimicrobiano de escáneres de huellas dactilares.

Una mirada al pleno. Enel 40º taller de ak-adp, celebrado en noviembre, la atención se centró en las aplicaciones innovadoras de la tecnología del plasma a presión normalEl Dr.Robert Weigelt -jefe de equipo del Cluster Management de Turingia de Landesentwicklungsgesellschaft (LEG) Thüringen mbH- subrayó en su discurso de bienvenida la importancia de promover la innovación y la creación de redes. Un estudio de LEG sobre el potencial de las tecnologías de superficie muestra la creciente variedad de aplicaciones industriales de los plasmas atmosféricos. La ak-adp ofrece acceso a conocimientos especializados con intercambio interdisciplinar.

El profesor Arne Bender, de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Lübeck, pronunció la conferencia introductoria. Trabaja en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Economía en el campo de los ensayos de materiales, la tecnología de superficies y la tribología. En su ponencia sobre "Polímeros hidrófobos - mejor adhesión y recubrimiento mediante tratamientos con plasma a presión atmosférica", se presentaron ensayos con varillas de tensión moldeadas por inyección de PE y PP, que fueron tratadas con fuentes de plasma de Diener electronic GmbH y neoplas GmbH. Las pruebas se realizaron como experimentos prácticos para estudiantes. De este modo se creó un gran conjunto de datos para realizar afirmaciones estadísticas fiables. El trabajo de los estudiantes confirmó que los plasmas atmosféricos son muy adecuados para aumentar la fuerza adhesiva de los plásticos problemáticos incrementando el componente polar de las energías superficiales.

Laura Barillas-Mora, empleada y estudiante de doctorado en el Instituto Leibniz de Ciencia y Tecnología del Plasma de Greifswald, presentó en su conferencia el interesantísimo tema "SurfAP3 - Plasma Printing for the local surface modification of biosensors & microfluidics". Los plasmas atmosféricos se utilizan para superficies biosensibles, ya que la activación y polimerización es un proceso muy rápido con un bajo aporte de energía. Cuando se trabaja con una microaguja, se pueden conseguir anchuras de línea del orden de µm y tratar morfologías variables. Otras aplicaciones potenciales de los tratamientos locales con plasma son la producción de estructuras eléctricamente conductoras o termosensibles o la impresión 3D con alta resolución y funcionalización precisa.

Laura Barillas-Mora, del Instituto Leibniz de Ciencia y Tecnología del PlasmaElsiguiente ponente - Tobias Weise, socio gerente y cofundador de plasotec GmbH - se conectó en línea para su presentación. plasotec GmbH está especializada en el acabado superficial de piezas metálicas y utiliza para ello el pulido por plasma. Weise ofreció información sobre la tecnología y las aplicaciones en su presentación "Acabado preciso de superficies mediante pulido electrolítico por plasma para su uso en tecnología médica, industria alimentaria e ingeniería mecánica". Se utilizan electrolitos respetuosos con el medio ambiente. Los tiempos de proceso se sitúan en el rango de los segundos para el alisado clásico de superficies y en el rango de los minutos para el redondeo de bordes y el pulido por plasma de componentes impresos. Ejemplos de aplicación son los procesos de limpieza y desbarbado, así como la eliminación de colores deslustrados y la creación de superficies metálicas lisas y brillantes.

Otra presentación sobre procesos innovadores con plasma se centró en la "Metalización adhesiva en componentes de CFRP mediante pulverización de plasma en frío". Los componentes de CFRP combinan muchas ventajas materiales, como el bajo peso con una gran estabilidad y un uso optimizado del material. Dado que el material de la matriz es un plástico, los componentes de CFRP no son conductores de la electricidad. Por eso es interesante un recubrimiento metálico. Jun Xu trabaja en ello en la empresa Innovent e.V. de Jena. La pulverización de plasma en frío, por ejemplo, puede utilizarse para depositar capas de Cu con buena conductividad eléctrica. Otra aplicación del recubrimiento de Cu es la deposición de una fina capa de nucleación sobre plásticos para la posterior deposición de una capa de níquel químico como barrera de difusión o capa de protección contra el desgaste.

Julian Bloh, del Instituto Alemán de Tecnología del Caucho de Hannover, utiliza plasmas atmosféricos para la "modificación superficial de partículas de relleno para elastómeros mediante plasma a presión atmosférica". Trabaja con un reactor con un sistema Plasmatreat integrado y diversos precursores. El negro de humo se utiliza como carga para los elastómeros. Los resultados de la modificación del negro de humo se caracterizan mediante termogravimetría, TEM y 3D-LSM confocal. Cuando las partículas pasan varias veces por el reactor, los rellenos se modifican primero y se recubren después. La caracterización de las partículas de relleno fue objeto de un intenso debate.

La presentación del Dr. Jörg Ihde, del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Fabricación y Materiales Avanzados IFAM de Bremen, se centró en la "Deposición de películas finas similares al grafeno sobre partículas de cobre para nuevos materiales compuestos". El objetivo del trabajo de I+D era aumentar la resistencia a la combustión de los electrodos mejorando la disipación del calor. Para conseguirlo, se sustituyó la laboriosa producción de material mixto de Cu y grafeno por un recubrimiento de grafeno de las partículas de Cu. Actualmente se está consiguiendo un rendimiento de 1 kg de Cu/h. Las partículas de grafeno-cobre producidas mediante plasma a presión atmosférica pueden prensarse en electrodos/contactos y se caracterizan por una mejor conductividad térmica y resistencia al envejecimiento, así como por una mayor resistencia al desgaste mecánico y eléctrico.

Los recubrimientos de plasma sobre vidrio fueron el tema central de la tesis doctoral de Tom Trautvetter en el Instituto Leibniz de Tecnología Fotónica IPHT y la Universidad de Jena (actualmente empleado de LEONI Fiber Optics GmbH). LEONI Fiber Optics GmbH se dedica a la producción de preformas/fibras de vidrio para interruptores de fibra óptica. El objetivo de la tesis doctoral era producir una preforma simultánea y multidopada para fibras láser activas mediante síntesis basada en plasma. Para ello se requiere una alta calidad del haz con alta extracción de potencia y bajas pérdidas por atenuación. La modificación de las propiedades de la fibra sin cambiar la curva del índice de refracción en el material se consiguió mediante deposición axial en fase vapor (VAD) asistida por plasma y mediante dopaje en fase líquida basado en aerosol sobre la base de un sol TEOS. El resultado es un precursor poroso con alta homogeneidad de dopante como requisito previo para la necesaria homogeneidad del índice de refracción.

Ann-Kathrin Kirschner y Oliver Deußen hablaron sobre el recubrimiento continuo con plasma de fibras de carbono Ann-Kathrin Kirschner, de la Universidad de Ciencias Aplicadas y Artes HAWK de Gotinga, y Oliver Deußen, del Instituto de Tecnología Textil de Aquisgrán ITA de la Universidad RWTH de Aquisgrán, presentaron los resultadosdel proyecto conjunto ZIM "Plasmahybrid". El objetivo del proyecto es desarrollar un sistema de producción para el recubrimiento continuo con plasma de fibras de carbono. El objetivo es producir un material de fibra de carbono fundible y moldeable mediante pulverización de plasma en frío aplicando un polímero termoplástico directamente a las fibras con una boquilla de plasma. El CFRP termoplástico es difícil de producir, pero puede reciclarse. El punto débil es la adhesión fibra-matriz. En este caso se utilizará plasma para el recubrimiento de las fibras. Una solución es extender el filamento y recubrir las fibras extendidas y sin tensión.

El Dr. Gill Scheltjens, del Molecular Plasma Group de Foetz (Luxemburgo), ofreció una visión general de las tecnologías y aplicaciones de plasma disponibles en una presentación titulada "La versatilidad y las perspectivas de futuro del tratamiento con plasma molecular" (en línea). El joven fabricante de sistemas ofrece una amplia gama de sistemas de plasma, desde el Plasma Spot y el Plasma Line hasta el Plasma Powder, un prototipo compuesto por un Plasma Spot y un reactor de lecho fluidizado para el tratamiento de polvos. El Plasma Spot puede utilizarse para inyectar líquidos, emulsiones, suspensiones y soluciones poliméricas. La Plasma Line está disponible en anchuras de 20 cm, 30 cm y 40 cm, pudiéndose combinar varias anchuras según las necesidades.

Roberto Wolfer, de Jenetric GmbH Jena, llevaba en su equipaje una aplicación muy interesante de los plasmas atmosféricos. La empresa es fabricante de escáneres de huellas dactilares para áreas soberanas con altos estándares de calidad. Su especialidad es el registro óptico/electrónico de huellas dactilares. Aquí, la calidad forense se enfrenta a un riesgo de infección: los escáneres sin contacto aún no pueden certificarse como compatibles. El título de la presentación describe el problema, especialmente agudo en la pandemia de coronavirus: "Escáneres de huellas dactilares e higiene: un conflicto de objetivos difícil de resolver". La solución reside en un revestimiento CCVD antimicrobiano con CuO como componente bactericida. Las pruebas del efecto antibacteriano según la norma DIN EN ISO 22196 muestran un buen efecto al cabo de 2 horas. Este tiempo debe acortarse significativamente combinando ingredientes activos y aumentando la concentración de ingredientes activos en los recubrimientos.

La presentación sobre análisis de superficies en el taller se centró en cuestiones relacionadas con la "Termografía pasiva para el aseguramiento de la calidad de los tratamientos con plasma a presión atmosférica sobre plásticos". Michael Heilig, del Centro de Plásticos del Sur de Alemania SKZ Würzburg, ofreció información sobre el método de medición independiente del operario, preciso y de precio atractivo, en el que el calor inherente del objeto se utiliza específicamente para la medición termográfica. Los valores medidos se registran mediante una cámara IR especial y la posterior evaluación de la línea. Es posible establecer referencias con mediciones del ángulo de contacto y pruebas de arranque tras la adhesión. Para ello se han realizado pruebas con distintos sistemas de plasma. También es posible modelar el aporte de calor en función de diversos parámetros del tratamiento con plasma.

Como parte del taller, se tuvo la oportunidad de visitar el laboratorio de Innovent e.V.. Aquí los participantes pudieron hacerse una idea general del equipamiento técnico del laboratorio de plasma AD, las posibilidades del tratamiento con llama, la tecnología sol-gel y el tratamiento químico de superficies. Además, los clientes y socios de proyectos tienen a su disposición una amplia gama de servicios de análisis de superficies.

La mesa de los habituales establecida en la noche del primer día fue un punto de encuentro bienvenido para que todos los participantes en el taller disfrutaran de delicias culinarias e intercambiaran ideas.

El taller se celebró respetando las normas de higiene vigentes. Todos los participantes que no habían viajado pudieron seguir el taller en formato híbrido.