Chemie in de 4de aggregatietoestand - Chemmystery forum 6

Chemie 

in de 4de aggregatietoestand 

Plasmatechnologie 

Dr. ir 

Sabine Paulussen 

Project Manager Plasma Technology 

VITO, Materials Department, Boeretang 200, B-2400 Mol, Belgium 

ChemMystery – Plasmatechnologie 1

• 

• 

• 

• 

• 

• 

Inhoud 

VITO: een korte introductie 

Wat is een plasma? 

Lage druk plasma’s 

Atmosferische plasma’s 

Plasmatechnologie @ VITO 

- 

- 

Oppervlaktebehandeling 

Plasma & Katalyse 

Besluit 


WAT IS EEN PLASMA ? 


• 

• 

• 

• 

• 

• 

Vast → Vloeibaar 


→ Gas → PLASMA 

Een plasma is een (gedeeltelijk) geioniseerd gas 

dat bestaat uit: 

- Electronen 

- Ionen 

- Radicalen 

- Neutrale geëxiteerde deeltjes 

- Fotonen met verschillende golflengte 

Vrije ladingen maken plasma’s sterk geleidend en 

“gevoelig” voor electromagnetische velden maar 

Plasma’s zijn 

neutraal 

Plasma’s maken meer dan 99 % uit van het 

zichtbare universum maar 

Kunnen 

ook 

gegenereerd 

worden in labo&industrie 




• 

• 

• 

• 

Hoe een plasma genereren? 

Plasma-ontladingen kunnen 

gegenereerd worden in stationaire of 

gepulseerde (DC) en wisselstroom (AC) 

electrische velden. 

Verschillende electrische generatoren 

worden gebruikt: (pulsed) DC, DBD 

(corona), RF, microgolf, ICP, … 

Bekende toepassingen: fluorescente 

lampen, lasers, plasmatelevisies, 

hardware voor computers en mobiele 

telefonie 

De meeste toepassingen werken bij lage 

druk (vacuum) maar atmosferische 

plasma’s zijn in opmars. 


• 

• 

• 

• 

2 Elektrodes 

Hoe een plasma genereren? 

Plasma 

verbonden 

High 

met een 

Dragergas: helium, argon, stikstof 

Spanning wordt 

Bij 

lage 

druk 

aangelegd 

(enkele 

Voltage 

en stijgt 

generator 

Al2O3 → stroom 

mbar) of in specifieke 

Drager gas 

Precursoren 

stijgt 

→ 

configuraties → 


Thermische versus koude plasma’s 

‘Hete’ plasma’s: alle deeltjes hebben 

dezelfde temperatuur en de 

gastemperatuur > 3000 °C 

(vb. zon en bliksem) 

‘Koude’ plasma’s: hoge electronen - 

temperatuur maar ionenen gastemperatuur < 100 °C 

(vb. aurora borealis) 


Vacuum versus atmosferische plasma’s 

Vacuum plasma 

• vrije weglengte van actieve deeltjes is groot 

• veel energie kan geaccumuleerd worden en deeltjes worden heel reactief 

• chemicaliën worden volledig ontbonden 

• vorming van harde of anorganische coatings is mogelijk 

• vb. CH4 + H2 → Diamond Like Carbon (DLC) 

Atmosfersich plasma 

• vrije weglengte van actieve deeltjes is klein 

• deeltjes zijn minder reactief 

• chemicaliën behouden grotendeels hun structuur 

• vooral geschikt voor aanbrengen van organische coatings 

• vb. CH4 + O2 → CH3OH → alkaan-achtige coating 

CH 4 


Reinigen, etsen, 

steriliseren 

Activatie 

Coating 

Plasma’s & Oppervlaktebehandeling 

(grafting) 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

O 2 Plasma 

c 

N 2 Plasma 

c 

c 

c 

Plasma 

CH 4 /Ar 

Plasma 

c c c 

c c c 

c c c c 

c c c c 

ChemMystery – Plasmatechnologie 10 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

OH o 

COOH 

NH 

c 

c 

NH 2 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

c 

NO 2

Plasma’s & Oppervlaktebehandeling 

Voordelen van plasmatechnologie 

• Milieuvriendelijk (solventvrij) 

• Aanbrengen van coatings met unieke eigenschappen 

• Hoge flexibiliteit, snelle variatie van procesparameters mogelijk 

• Hoge energie-efficientie 

o 

• Betrouwbaar proces 

Vacuum vs atmosferisch plasma 

• Verschillende coating-types, verschil in toegevoegde waarde 

• Hoge vs lage investeringskost 

• Atmosferisch plasma: 

• compatibel met in-line processen 

• meer controle over coating-chemie 

• hogere coating groeisnelheden 


• 

Plasma’s & Chemie 

Specifieke eigenschappen van plasma’s: 

- 

- 

- 

De temperatuur van tenminste enkele plasmacomponenten en de 

energiedichtheid in een plasma kunnen significant hoger liggen 

dan in klassieke chemische processen 

De concentratie aan die energetische en chemisch reactieve 

deeltjes kan zeer hoog liggen 

Plasma’s bevinden zich ver van thermodynamisch evenwicht bij 

een temperatuur die toch rond kamertemperatuur kan liggen 

→ intensificatie van traditionele chemische processen / verhoogde 

efficientie 

→ initiatie van reacties die met conventionele chemie niet haalbaar zijn 


VACUUM PLASMATECHNOLOGIE 


Vacuum plasma systemen 

Europlasma 


• 

Toepassingen van vacuum plasma’s 

Reinigen en etsen → algemeen toepast in micro-electronica, productie van 

chips 

• Verbetering van adhesie 

•Voor bedrukken of lamineren (vb. PE of PP folie) 

•Voor metallisatie (vb. aanbrengen van een Aluminiumlaag 

•Voor het aanbrengen van een (gas)-barrière laag (vb. SiOx) Gemetalliseerde folie 

Gelamineerde folie 

Before 


After

• (Transparante) barrièrecoatings 

• 

• 

Toepassingen van vacuum plasma’s 

Om de houdbaarheid van levensmiddelen, medicijnen, cosmetica te 

verbeteren 

Door reductie of controle van de migratie van O2, H2O, CO2, geuren, 

vetten, olie en (UV)-licht 

• Tribologische coatings 

• Om slijtage van mechanische componenten te verminderen 


ATMOSFERISCHE PLASMATECHNOLOGIE 


• 

• 

Atmosferische plasma’s versus Corona 

Corona behandeling is één van de oudste toepassingen van 

plasmatechnologie en wordt algemeen toegepast voor activatie van 

plastic folie en textiel voor bedrukken, laminatie of verlijmen. 

Tradiotionele systemen werken met lucht als dragergas en geven 

aanleiding tot niet-uniforme behandeling door de aanwezigheid van 

punt-ontladingen. 

Filamentaire ontlading 



Gas 

Chemische 

precursoren 

(gassen of 

vloeistoffen) 

Frequencie 

VITO Atmosfersich 

N 2 

, lucht, O2, CO2, H2, Helium, Argon, … en 

mengsels van deze 

componenten 

Geen beperkingen: zelfs 

dispersies met vaste stoffen 

of nanodeeltjes kunnen 

geinjecteerd worden 

Aan 

te 

passen tussen 

100 kHz 

Plasma Corona 

1 en 

Niet 

Lucht 

Typische 

Pulsen mogelijk JA JA 

toepasbaar 

25 kHz 


Kostprijs 

Waarom atmosfersiche plasmatechnologie ? 

Oppervlakte-activatie 

Vlam 

Corona behandeling 

behandeling 

+ coating technologie 

Vacuum plasma 

Atm. Plasma technolgie 

Toegevoegde 

New 

waarde 


• 

• 

• 


Permanent vs 

tijdelijk 

Sterke vs beperkte activatie 

(hydrofiel maken) 

- 

- 

Corona op PE: 46 dynes 

Plasma op PE: 

• 

• 

60 dynes met gasactivatie 

> 70 dynes na toevoegen 

van chemicaliën 

Ook aanbrengen van 

hydrofobe coatings mogelijk 

Dynes/cm 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

0 123 5 

10 


15 

Days 

20 

Untreated 

Traditional Corona treatment (metal electrodes) 

VITO 1 (modified gas) 

VITO 3 (modified gas + chemicals (hydrophilic)) 

VITO (modified gas + chemicals (hydrophobic)) 

30

• 

• 

Dragergas 

Atmosfersiche plasma’s @ VITO 

Dielectrische barrière ontladingen (DBD) 

Dragergas 

N2 (He -Ar-Air) 

Frequencie range 

1 kHz – 100 kHz 

Plasma 

HV 

Aerosol generator 

HV 

• 

• 

Hoogspanning 

1 kV – 40 kV 

Vermogen 

0.5 – 10 W/cm2 Keramische plaat 

Behandelde folie 


Verschillende DBD-configuraties 

U. Kogelschatz et al., Proceedings Hakone VII (Greifswald) 


Aerosol 

generator 

Vloeibare 

precursor 

Purgeer 

gas 

Atmosferische plasma’s @ VITO 

Parallelle 

plaat 

elektrodes 

Bewegende 

HV electrode + 

dielectricum 

Vaste geaarde 

electrode + 

dielectrium 


filmpje 


Semi-industrieel 

rol-systeem 

• 

• 

Specificaties 

Folie 

breedte: 600 mm 

Rolsnelheid: 1 – 

200 m/min 



Plasma-toorts 

→ indirect plasma 

For locale behandeling van 3D componenten 

Eigenschappen: 

• Spot afmetingen: 20 - 40 mm 

• Gas consumptie (N2): 100 l/min 

• Variabel vermogen: 100 – 500 W 

• Speciaal elektrode ontwerp 

• Uniek precursor injectie systeem 


PLASMA ASSISTED SURFACE MODIFICATION 

Surface wettability (hydrophylic, hydrophobic,…) 

Adhesive coatings (printability,…) 

Controlled release coatings 

Barrier coatings (O 2, H 2O, oils, …) 

Anti-corrosion coatings 

Low friction coatings 

Antibacterial coatings 

Bio-functional coatings 

… 


• 

• 

• 

• 

PRECURSOR CHEMISTRIES FOR RELEASE 

Alkanes: CH4, C3H8, C6H14, C12H26 Fluorinated alkanes: CF4, C2H2F4 (Meth)acrylates 

CH2 CH 

C 

O 

ethyl hexyl 

O CH2CH CH2CH2CH2CH3 

CH2CH3 acrylate 

(EHA) 

Fluorinated (meth)acrylates 

CH2 CH 

C 

O 

O CH 

CF 3 

CF3 

CH 3 

hexafluoroisopropyl acrylate (AHFIP) 

CH 3CH3 

O 

C 

O 

CH 3 

C CH 2 

CH2 

CH3 

C 

C 

O 

O CH2 (CH2)16 CH3 

stearyl methacrylate (StMA) 

isobornyl methacrylate (IsBMA) 

CH2 

CH 3 

C 

C 

O 

O CH 2CF 3 

trifluoroethyl methacrylate (MATRIFE) 


Bio-engineering by 

atmospheric plasma treatment 

• 

• 

• 

BIOFUNCTIONAL COATINGS 

Immobilization of biomolecules in plasma polymers 

Development of low cost, one-step immobilization technology 

Applications: bio-sensors, intelligent packaging, bio-mimicking ... 

wet-chemical ~ 100ng/cm² in 

plasma coating 

Confocal laser scanning microscopy of 

GOX enzyme in C2H2 plasma coatings 


ANTIBACTERIAL ACTIVITY 

GOX enzyme in C2H2 plasma coatings 


CONCLUSIES 


• 

• 

• 

CONCLUSIONS 

Atmospheric DBD plasma processes, based upon the 

same technology as current state-of-the-art corona 

technology, offer new possibilities for sustainable dry 

surface engineering 

By controlling the gas atmosphere and the electrical 

conditions and by addition of reactive chemicals, one 

can increase the efficiency of the plasma surface 

treatment significantly and make the effects permanent 

The technology opens up new possibilities to deposit 

thin functional coatings in a continuous system at 

ambient pressure 


INTRODUCTION TO VITO 


Established in 1991 

INTRODUCTION TO VITO 

Split off from the Belgian nuclear research centre 

Autonomous public research company 

About 500 people in 7 centres of expertise 

To support sustainable technological development 

in domains of energy, advanced materials and 

environment 

Bridge between scientific knowledge and industrial 

applications or government policy 


Government 

VITO ACTIVITIES 

Scientific world 

policy supporting research 

contract research 

reference centres 

strategic research 

PhD students 

knowledge diffusion 

Industry 

contract research 

consultancy 

technology transfer 


1. 

2. 

3. 

4. 

VITO: Research 7 CENTRES in 7 Centres OF of EXPERTISE 

Expertise 

Integral environmental studies 

Environmental measurements 

Environmental toxicology 

Remote sensing and earth observation

Chemie in de 4de aggregatietoestand - Chemmystery forum 6

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?