El cuarto estado de la materia
En nuestra vida diaria nos encontramos constantemente con los tres estados habituales de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Sin embargo, poco se sabe del plasma —el llamado cuarto estado de la materia—, a pesar de que el 99 % de la materia visible de nuestro universo está formada por él. Aún menos conocido es el hecho de que el plasma se puede producir artificialmente y tiene muchos usos diferentes. Su potencial en el campo de la limpieza de materiales y el pretratamiento de superficies para procesos posteriores (p. ej., la unión, el lacado, la impresión o el recubrimiento) lo ha hecho indispensable en muchas industrias y sus procesos, como la ingeniería automovilística, la movilidad eléctrica, el transporte, la fabricación de productos electrónicos, la tecnología de envasado, los bienes de consumo, las ciencias de la vida, los tejidos y las nuevas formas de energía.
Temas de esta página:
¿Qué es exactamente el plasma? Plasma en superficies Caracterización del plasma
Modificación de superficies Pretratamiento industrial con plasma Más información
¿Qué es exactamente el plasma?
Un estado de la materia es un estado cualitativo de las sustancias que depende de la temperatura y la presión. Los enlaces atómicos se vuelven más inestables a medida que la temperatura aumenta. Una sustancia puede pasar del primer estado al segundo y luego al tercero: los sólidos se convierten en líquidos y los líquidos, en gases. Si un gas recibe más energía, libera electrones y se ioniza: el plasma es gas ionizado que contiene iones, electrones libres, moléculas excitadas, radicales y fragmentos moleculares. El plasma se puede encontrar en cualquier parte del universo.
Prácticamente toda la materia visible está hecha de plasma: el sol, las nubes de gas, las estrellas, las galaxias... En la naturaleza podemos observar el plasma en forma de auroras boreales cuando las moléculas de aire de la atmósfera terrestre, excitadas por el plasma de los vientos solares, brillan en verde, azul, rojo y violeta. El plasma también está presente en las chispas, los rayos y las llamas. Además, puede producirse artificialmente en el laboratorio mediante fuertes descargas de gas en cámaras cilíndricas o tubulares. Estas descargas provocan altas temperaturas que evaporan todas las sustancias e ionizan los átomos neutros y moléculas que crean iones y electrones libres.
Plasma en superficies: un sinfín de nuevas propiedades
El plasma es materia con niveles de energía elevados e inestables que se caracteriza, entre otras cosas, por una gran conductividad eléctrica. Químicamente, el plasma es muy reactivo y puede interactuar con superficies, líquidos o microorganismos. Si entra en contacto con materiales sólidos como plástico, vidrio o metal, cambia la energía libre superficial, por ejemplo, de hidrófoba a hidrófila. Por lo tanto, se modifican importantes propiedades de las superficies, como su adhesividad y humectabilidad. Esto permite utilizar a nivel industrial materiales completamente nuevos (incluso no polares) y pinturas y adhesivos ecológicos sin disolventes (sin COV). Hoy en día, muchos procesos químicos de tratamiento superficial se pueden sustituir por el tratamiento con plasma: con la tecnología de plasma, las superficies se pueden pretratar de forma respetuosa con el medioambiente, sin disolventes (COV) ni emisiones de CO2 . Cuando se utiliza la tecnología de plasma no hacen falta productos químicos, imprimadores ni promotores de adherencia.
Características del plasma
Las variables que particularmente caracterizan el plasma son la temperatura de los electrones y varias especies excitadas en el espectro visible y ultravioleta.
Sobre todo, la alta temperatura de los electrones y la baja temperatura de los iones hacen posible que también plásticos termosensibles se pueden someter a un tratamiento con plasma atmosférico sin que sean dañados.
Las emisiones de luz (emisión óptica) de un plasma en relajación* se pueden observar por la espectroscopia de emisión óptica (OES). Para ello, las bandas de emisión características de las especies excitadas en el plasma en el espectro visible, y especialmente en el ultravioleta, se transmiten a través de una fibra óptica a la electrónica de evaluación y posteriormente se procesan con un software especial. Los componentes para control de proceso de los sistemas de Plasmatreat se basan en el concepto de control óptico. Esto proporciona calidad constante durante todo el proceso con plasma.
* En relajación: la transición del plasma a su estado normal. En este proceso de transición, la energía de excitación aportada previamente se emite al medio ambiente en forma de luz.
Cuando el plasma entra en contacto con una superficie, surgen nuevas propiedades
El plasma es materia con niveles de energía elevados e inestables que se caracteriza, entre otras cosas, por una gran conductividad eléctrica. El plasma es muy reactivo químicamente y puede interactuar con superficies, líquidos o microorganismos. Si entra en contacto con materiales sólidos, como plástico o metal, la energía de plasma aplicada modifica propiedades importantes de estas superficies, por ejemplo, la energía superficial.
Esta modificación de las superficies puede utilizarse de forma específica:
Ejemplo de limpieza microfina de metal y vidrio: cuando el plasma entra en contacto con el metal o el vidrio, provoca una limpieza microfina. Incluso las superficies muy delicadas pueden quedar completamente libres de sustancias no deseadas. La limpieza microfina con plasma elimina hasta las partículas más pequeñas de polvo del sustrato tratado. Gracias a la reacción químico-física en el rango nanométrico, se consiguen superficies de alta calidad y con una definición precisa que reúnen las mejores condiciones para su posterior procesamiento. La limpieza fina de las superficies antes de unirlas, recubrirlas, pintarlas o imprimirlas posteriormente permite utilizar sistemas modernos sin disolventes o con base acuosa. Se puede prescindir por completo del pretratamiento adicional con imprimadores químicos o procesos mecánicos, como el cepillado, lo que significa que se pueden evitar las emisiones de COV (compuestos orgánicos volátiles) durante la producción. La limpieza con plasma atmosférico también es un proceso en seco. En los procesos industriales, esto ofrece la gran ventaja de poder procesar todos los materiales inmediatamente, con el consiguiente ahorro de tiempo.
Ejemplo de una superficie activada y una mejor humectabilidad de los plásticos: el pretratamiento con plasma también puede cambiar las propiedades de las superficies de los materiales cuando entran en contacto con una gran variedad de plásticos: Los grupos que contienen oxígeno y nitrógeno se introducen en las superficies de los plásticos, en su mayoría no polares, a través del contacto con el plasma, y estos aumentan considerablemente la energía libre superficial, lo que se conoce como activación. Esto mejora notablemente la humectabilidad del sustrato y, al mismo tiempo, incrementa la adherencia. De este modo, los adhesivos, las pinturas o las lacas se adhieren mucho mejor y de forma más duradera a la superficie pretratada sin necesidad de tratamientos previos convencionales, como el tratamiento con llama o el uso de productos químicos perjudiciales para el medioambiente.
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