Non sempre la superficie di un materiale presenta le caratteristiche desiderate. Un materiale facile da lavorare può presentare caratteristiche superficiali non adatte alla lavorazione successiva (come ad esempio una scarsa bagnabilità).
Nella funzionalizzazione delle superfici, gruppi chimici funzionali vengono depositati sul substrato. Questi gruppi possono influenzare le proprietà dell’interfaccia, come l’adesione, l’idrofobia e l’idrofilia, e dotare un prodotto industrialmente vantaggioso/facile da lavorare di una superficie che il materiale di per sé non possiede.
Das Aufbringen von funktionellen Gruppen kann in einem nasschemischen Verfahren, im Niederdruck-Verfahren oder Atmosphärendruck-Verfahren durchgeführt werden. Beim Niederdruck-Verfahren, in der Regel nicht ohne Weiteres in-line fähig, sind meist kostenintensive Vakuumeinheiten notwendig, während ein nasschemisches Verfahren umweltbelastend ist und Entsorgungskosten chemischer Abfallprodukte anfallen. Die Erzeugung funktioneller Gruppen auf Substratoberflächen durch Atmosphärendruck Plasmaquellen kann flächig oder lokal erfolgen. Vorteilhaft für die Industrie ist der mögliche Einsatz in der laufenden Produktionslinie, sowie die geringen Kosten, insbesondere wenn Luft als Prozessgas eingesetzt wird. Eine besondere Form ist die Beschichtung; die Plasmapolymerisation.
Le proprietà importanti dei substrati industriali possono essere ottenute solo con un rivestimento adeguato. La gamma di rivestimenti possibili per applicazioni specifiche è ampia: strati elettricamente isolanti, strati barriera ai gas, strati antibatterici, strati idrofobi o idrofili sono solo alcuni esempi. Nella polimerizzazione al plasma AD, le molecole delle sostanze organiche di partenza vengono frammentate, ionizzate e parzialmente ossidate in un plasma aperto. I frammenti molecolari si condensano sulle superfici dei substrati, formando uno strato uniforme, aderente, chiuso e solitamente elettricamente isolante. Le proprietà fisiche e chimiche degli strati possono essere regolate in un ampio intervallo con i parametri di separazione.
Un precursore comunemente utilizzato per la polimerizzazione al plasma a pressione atmosferica è il composto organico del silicio esametildisilossano (HMDSO). Esso consente di produrre strati di a-SiCOH con proprietà intermedie tra quelle del polisilossano (“morbido, simile al polimero”) e quelle del vetro di quarzo (“duro, simile al gas”).
In questo caso è determinante la frammentazione del precursore nella zona del plasma (figura 1); ad esempio, in presenza di elevate intensità del plasma (alta potenza del plasma, breve tempo di permanenza del precursore nel plasma), la forte ossidazione del carbonio delle molecole del precursore porta alla formazione di strati con un contenuto molto basso di idrogeno e carbonio. Questi strati hanno quindi proprietà simili al quarzo.
Una caratteristica importante è la densità (massica) dello strato. Essa serve a classificare gli strati depositati nell’intervallo tra polimerico e gassoso. Una misura della sensibilità alle deformazioni meccaniche del substrato è l’allungamento a rottura: uno strato su una lastra di vetro può essere più fragile di uno strato su una bottiglia di plastica. L’allungamento a rottura deve essere adattato al substrato. Gli strati sono chimicamente inerti, resistenti allo stoccaggio e, di norma, elettricamente isolanti.
Gli strumenti al plasma per il rivestimento sono progettati in modo tale da poter essere utilizzati sia per il trattamento al plasma puro che per il rivestimento. Non è necessario sostituire l’ugello. Viene regolato o interrotto solo il flusso di gas monomero.
Il punto in cui viene immesso il precursore può svolgere un ruolo fondamentale. Uno strumento al plasma particolarmente adatto per il rivestimento è il Plasma CAT600 (Figura 2). Grazie al suo principio di scarica brevettato che utilizza due elettrodi, il gas monomero viene immesso nella zona di scarica ma al di fuori dell’area dell’elettrodo e del controelettrodo. Ciò impedisce il rivestimento parassitario dell’elettrodo o del controelettrodo e garantisce una qualità di scarica del plasma costante. Il Plasma CAT600 ha una potenza nominale di 600 W. Si tratta di una gamma di potenza in cui, ad esempio, il gas monomero HMDSO viene convertito in modo ottimale. Le proprietà dello strato possono quindi essere influenzate regolando la portata del monomero.
Per ottenere un rivestimento su una superficie (ampia), la superficie da rivestire viene scansionata con lo strumento al plasma. A seconda della velocità di formazione dello spessore dello strato, che è influenzata dalla dose di plasma e dal flusso di monomero, è preferibile una determinata densità di scansione per ottenere una superficie dello strato omogenea. Le ricerche condotte nell’ambito del progetto PlaCoW¹ (Plasma Coating for Wood) con il progettista Innovent e.V. di Jena hanno mostrato i seguenti risultati per un rivestimento idrofilo (“adesivo”).
Il rivestimento è stato effettuato con i seguenti parametri:
- Utensile al plasma CAT600, regolazione della potenza 100% (600 W)
- Velocità di lavorazione 200 mm/s (12 m/min)
- Distanza di lavoro 10 mm (distanza tra l’apertura dell’ugello e la superficie del substrato)
- Flusso monomero 1 ml/min (HMDSO, gassoso, evaporatore Sura Instruments STS)
Durante il rivestimento, la superficie del substrato è stata scansionata dallo strumento al plasma come illustrato nella figura 3.
Sono state utilizzate distanze di reticolatura (distanza tra due strisce di rivestimento) comprese tra 3 e 12 mm. L’omogeneità dello spessore dello strato è stata quindi esaminata con un profilometro.
Per i parametri di rivestimento sopra indicati, si consiglia una distanza tra le maglie di circa 6 mm (figura 5). Gli spessori degli strati indicati nelle figure (da 4 a 7) sono stati ottenuti passando più volte sulla superficie. La struttura dello spessore dello strato è influenzata dall’impostazione del grado di frammentazione (potenza del plasma, flusso di monomero) e dalla velocità del processo. Con una sola passata con un elevato grado di frammentazione (potenza del plasma impostata a 600 W, flusso di HMDSO di 1 ml) e una velocità di processo di 12 m/min è possibile ottenere strati molto sottili di circa 10 nm.
Con parametri di deposizione adeguati è possibile realizzare strati per diversi scopi. Gli strati anticorrosivi, ad esempio, dovrebbero essere depositati come pellicola continua senza fori. Come primer al plasma vengono utilizzati strati molto sottili con spessori inferiori a pochi nanometri per favorire l’adesione su materiali con superfici critiche e non polari. I substrati con proprietà superficiali non omogenee possono essere preparati per la lavorazione successiva grazie all’energia superficiale omogenea del rivestimento. Incorporando ulteriori principi attivi funzionali (argento, rame, …) nella matrice HMDSO, è possibile produrre i cosiddetti rivestimenti compositi. Tali componenti vengono incorporati nella matrice HMDSO come precursori secondari durante il rivestimento (ad esempio come sali metallici disciolti AgNO₃, Cu(NO₃)₂, …).
¹ EraSME Project: Plasma based surface modifications of wood and wood polymer comosites (WPC) materials and the application of electromagnetic fields for wood and WPC treatment “#Plasma Coating for wood” – PlaCoW, INNOVENT Jena e.V. / FB Oberflächentechnik
