שינוי פני שטח בפלזמת גז קר – אופטימיזציה של הידבקות והדבקה בפלסטיק

שינוי פני שטח בפלזמת גז קר – אופטימיזציה של הידבקות והדבקה בפלסטיק

נקודות עיקריות

• זוהי השיטה הנפוצה היחידה המטפלת בהצלחה ב-PTFE.
• פרמטרים אופייניים: 5–10 דקות, זרימת גז של 100–500 sccm, 300–1000 mTorr, הספק RF של 200–1000 W, 75–125°F.
• היא מסירה פחמימנים, ובכך עשויה לייתר שלב נפרד של ניקוי בממס, שבשיטות אטמוספריות עדיין נדרש.
• משך ההפעלה ארוך משמעותית והטיפול אחיד יותר מאשר בשיטות אטמוספריות.
• "אצווה בלבד" הוא מיתוס. טיפול רציף מגליל לגליל בחומרי יריעה מתבצע בתוך התא.

מצעים פולימריים ואלסטומריים יכולים להיות מאתגרים ביותר להשגת חוזק הידבקות יציב לחומרים דומים או שונים. יישומי הדבקה אינם מוגבלים לדבקים בלבד, אלא כוללים דיו להדפסה, צבעים וציפויים, תרכובות אנקפסולציה ויציקה, מתכות ועוד. מאמר זה מתאר שינוי פני שטח ב"פלזמת גז קר בלחץ נמוך" כסוג אחד של תהליך שיכול לפתור בעיות הדבקה תלת-ממדיות רבות באמצעות הפעלה כימית-פלזמתית של פני השטח והענקת קבוצות פונקציונליות. יושוו העקרונות המדעיים של תהליכי שינוי פני שטח "אטמוספריים או באוויר" המוכרים.

מצעים ידועים לשמצה כקשים להדבקה כוללים אלסטומרים של סיליקון וגומי ותרמופלסטים הנדסיים, ובהם אצטלים, פלואורופולימרים, פוליאולפינים, ניילונים, פוליקרבונטים, פוליאסטרים, סטירנים ועוד. הסיבות הבסיסיות לכך שפלסטיקים ואלסטומרים רבים קשים להדבקה הן שהם חומרים הידרופוביים לא קוטביים, אינרטיים כימית ובעלי יכולת הרטבה ירודה (כלומר אנרגיית פני שטח נמוכה).

שאלות נפוצות

במה שונה פלזמת גז קר מפלזמה אטמוספרית?

היא פועלת בתא סגור מרוקן ולא באוויר פתוח. גז נבחר — בדרך כלל חמצן בדרגה תעשייתית, אך גם ארגון, חנקן, אמוניה או פלואור — משוחרר בריק חלקי ונחשף לשדה RF או מיקרוגל, מה שמעניק שליטה מדויקת בגורמים התגובתיים.

האם פלזמת גז קר יכולה לטפל ב-PTFE?

כן, והיא ייחודית בין השיטות הנפוצות ביכולתה לעשות זאת בהצלחה. היא יכולה גם לגדל ציפויי פולימר על משטחים באמצעות שקיעת אדים כימית משופרת פלזמה, ולייצר ציפויים מתאימים לצורה הדומים ל-SiO2 ולציפוי יהלום בעובי של עד כ-2 µm.

אילו פרמטרי תהליך לצפות?

כקווים מנחים כלליים: זמן טיפול כולל של 5 עד 10 דקות, זרימת גז של 100 עד 500 sccm, לחץ של 300 עד 1000 mTorr, הספק RF של 200 עד 1000 וואט וטמפרטורת תהליך נמוכה בין 75 ל-125°F. הערכים המדויקים תלויים במערכת הספציפית.

האם פלזמת גז קר מוגבלת לעיבוד אצווה לא מקוון?

לא — זהו כינוי שגוי שחוזרים עליו לעיתים קרובות. טיפול רציף מגליל לגליל ביריעות בד פולימרי ארוג מתבצע ברציפות בתוך התא, ומידות התא מאפשרות טיפול בנפח גבוה הן בחלקים קטנים והן בגדולים.

מתי פלזמת גז קר שווה את עלותה הגבוהה יותר?

כאשר נדרשת התוצאה היציבה ביותר, אורך חיי ההפעלה הארוך ביותר, או טיפול במצעים כמו PTFE שאין בכוחן של שיטות אטמוספריות לטפל בהם. היא גם מסירה פחמימנים, ובכך עשויה לייתר שלב נפרד של ניקוי בממס. טיפולים אטמוספריים זולים יותר, אך עלולים לסבול משינויי לחות מיום ליום המשפיעים על האחידות.

מהי פלזמה?

ניתן להבין פלזמה כמצב צבירה רביעי של החומר. כשמספקים אנרגיה, מוצקים נמסים לנוזלים, נוזלים מתאדים לגזים, וגזים מיתיינים ל"פלזמות" – גז תגובתי ביותר. אלקטרונים חופשיים, יונים, מצבים מטא-יציבים, רדיקלים ו-UV הנוצרים בפלזמה יכולים להשפיע על משטח באנרגיות מספיקות כדי לשבור את הקשרים המולקולריים בפני השטח של רוב המצעים הפולימריים. הדבר יוצר רדיקלים חופשיים תגובתיים מאוד על פני הפולימר, ואלה יכולים בתורם ליצור קישורים צולבים או – בנוכחות חמצן – להגיב במהירות וליצור קבוצות פונקציונליות כימיות שונות על פני המצע. קבוצות פונקציונליות קוטביות שיכולות להיווצר ולשפר את יכולת ההדבקה כוללות קבוצות קרבוניל (C=O), קרבוקסיל (HOOC), הידרופרוקסיד (HOO-) והידרוקסיל (HO-). אפילו כמויות קטנות של קבוצות פונקציונליות תגובתיות המשולבות בפולימרים יכולות להועיל מאוד לשיפור הפונקציונליות הכימית והרטיבות של פני השטח.

שינוי פני שטח בפלזמת גז קר

בהשוואה לשיטות טיפול מקדים אטמוספריות (באוויר), שינוי פני שטח ב"פלזמת גז קר בלחץ נמוך" מתבצע בתא סגור מרוקן. גז חמצן (O2) בדרגה תעשייתית משמש בדרך כלל ביישומי טיפול מקדים בפלסטיק. גזים מחמצנים ואצילים נוספים כוללים ארגון, חנקן, אמוניה NH3, פלואור ושילובים שלהם. הגז הנבחר להתייננות לפלזמת גז תגובתית משוחרר לתא בריק חלקי ונחשף לשדה חשמלי (RF או MW).

תגובת הגורמים התגובתיים ביותר שנוצרים, עם הפולימרים המונחים בשדה הפלזמה, על מדפי אלומיניום או כלוב של אלקטרודה מוליכה פנימית, ושוברת קשרים מולקולריים, היא שמביאה לשינויי פני שטח כימיים/פיזיקליים מבלי להשפיע על תכונות המצע במסה. תהליך פלזמת הגז הקר משנה משטחים הידרופוביים בלתי ניתנים להרטבה למשטחים הידרופיליים הניתנים להדבקה ולהרטבה באמצעות מנגנונים כימיים ופיזיקליים. ראו תרשים 1.

משטחים מחוספסים בקנה מידה מיקרו-ננומטרי ניתנים לשינוי סלקטיבי בסביבת הפלזמה, הן באמצעות אפקט הפצצה של יונים המואצים לעבר פני השטח והן בתהליך חריטה כימי. למשטחים מחוספסים שטח פנים גדול יותר (פסגות ועמקים), המתורגם למספר רב יותר של אתרי קישור המשפרים את הידבקות ההדבקה. ראו תרשים 2.

ייחודה של פלזמת הגז הקר הוא שהיא מסוגלת לטפל טיפול מקדים ב-PTFE בהצלחה. יתר על כן, ניתן לגדל ציפויי פולימר על משטחים באמצעות תהליך הנקרא שקיעת אדים כימית משופרת פלזמה (PECVD). הציפויים מתאימים מאוד לצורה, ועוביים (עד 2µ) תלוי בזמן התהליך.

דוגמאות לציפויים כוללות ציפויים דמויי SiO2 ודמויי יהלום. יישום מרכזי הוא ציפוי החלק הפנימי של צינורות ומיכלי פלסטיק וזכוכית בחומר דמוי קוורץ המשמש מחסום בפני חומרים דולפים ומונע שבירה.

הקמת מערכת הציוד

ציוד מערכת פלזמת גז קר בלחץ נמוך כולל תא ריק העשוי אלומיניום עם דלת צירית לטעינה ופריקה של חלקים. לכל המערכות מאפיינים חשובים דומים של רכיבים, ובהם משאבת ואקום, מחולל RF, MFC (בקר זרימת מסה) ובקר מיקרו-מעבד.

החלקים המיועדים לניקוי מונחים פשוט על האלקטרודות הפנימיות, שהן מדפים נשלפים או כלוב. החלקים/המדפים נטענים לאחר מכן לתא התגובה, שבו התהליך מתחיל תחילה בשאיבה לריק.

לאחר מכן גז התהליך עשוי לזרום דרך המערכת בלחץ מבוקר בעוד השאיבה נמשכת. מחולל ה-RF מספק הספק עירור. בסוף תהליך הפלזמה התא הסגור חוזר ללחץ הסביבה, והחלקים שטופלו מוצאים ומוכנים להדבקה. רוב המערכות מאפשרות בקרה אוטומטית של משתני התהליך, ובהם (בדרך כלל) לחץ, הספק, זרימת גז, טמפרטורה וזמני מחזור (שלב ביניים וזמן כולל שחלף). ראו תרשים 3.

פרמטרי בקרת עיבוד

פרמטרי הפעלת התהליך מבוססים על מפרטי המערכת של דגם היצרן הספציפי. לכן חשוב להבין את דרישות היישום לשיפור יכולת ההדבקה, תפוקת הייצור ותהליכי הייצור בהמשך, כדי לשמר את חיי המדף של הטיפול (הזדקנות) ואת מקורות הזיהום בסביבת העבודה. כקווים מנחים כלליים, זמן הטיפול הכולל בפלזמת גז קר יהיה בין 5-10 דקות; זרימת גז 100-500 sccm; לחץ 300-1000 mTorr, הספק RF של 200-1000 וואט; וחום בטמפרטורה נמוכה במהלך העיבוד של 75-125°F.

כינויים שגויים לטיפול מקדים בפלזמת גז קר

מוזכר לעיתים קרובות שטיפול בפלזמת גז קר הוא שיטה "לא יעילה", המוגבלת לעיבוד אצווה לא מקוון בלבד, בהשוואה לשיטות פלזמה אטמוספרית. זה שגוי. טיפול רציף מגליל לגליל ביריעות בד פולימרי ארוג, למשל בד חיתולי תינוקות מפוליפרופילן משולב, מתבצע ברציפות בתוך התא. בהתאם למידות התא הפנימיות, תהליכי פלזמת גז קר יכולים לטפל בנפח גבוה בחלקים קטנים וגדולים. אף שפעולות תהליך הייצור מתבצעות ביעילות הרבה ביותר בקו, הרכבות מוצר רבות מתבצעות בייצור אצווה או בתאי ייצור.

טיפולים מקדימים של חימצון פני שטח בפאזה גזית

שינוי חימצון פני שטח, באמצעות טיפולים מקדימים בפני השטח, משמש לשיפור ההרטבה ויכולת ההדבקה של פולימרים ואלסטומרים הן מבחינה כימית והן מבחינה פיזיקלית. שיטות התהליך המוכרות הן חשמלית (פריקת קורונה) ופלזמת להבה. היסטורית, פלזמת גז קר בלחץ נמוך נהגתה ונדונה פחות לטיפול מקדים בחלקים תלת-ממדיים, בין השאר בשל כינויים שגויים של התהליך. במדעי הכימיה והפיזיקה, פלזמה חשמלית, להבה וגז קר הן כולן "תהליכי חימצון פני שטח בפאזה גזית" המאופיינים ביכולתן ליצור "פלזמת גז". המנגנון שבו נוצרות הפלזמות הוא גורם מבחין. כל שיטה יכולה להיות ייחודית ליישום מסוים ולכל אחת יתרונות ומגבלות.

מערכות אטמוספריות לשינוי פני שטח

בניגוד לפלזמת גז קר, המתבצעת בתא ואקום בלחץ נמוך, תהליכי טיפול בלהבה וטיפול מקדים חשמלי (פריקת קורונה) מתבצעים בתנאים אטמוספריים. טיפולים חשמליים מובחנים עוד כפלזמת "אוויר נפוח" ו"יונים נפוחים". ניתן להשתמש בתהליכים אטמוספריים הן בייצור אצווה והן בייצור בקו רציף. מבחינת המינוח חשוב להבין את המדע של כל תהליך.

טיפול בפלזמת להבה משתמש בגורמים התגובתיים ביותר הקיימים בבעירת אוויר וגז פחמימני (כדי ליצור את הפלזמה). טיפול בלהבה הוא אקסותרמי; עם זאת, החום אינו יוצר את הפונקציונליות הכימית ואת שיפור ההרטבה. הלהבה מנקה לכלוך, פסולת וחלק מהפחמימנים מהמצע. הלהבה אינה מסירה סיליקונים, חומרי שחרור מתבנית וחומרים נגד החלקה. טיפול בלהבה יכול להקנות הרטבה, חימצון וחיי מדף גבוהים יותר מטיפולים מקדימים חשמליים בשל עומק הטיפול הרדוד יחסית מפני השטח, 5-10nm. אוזון אינו נוצר2.

פריקת קורונה חשמלית קלאסית מתקבלת באמצעות מחולל ואלקטרודה/ות המחוברות למקור מתח גבוה, אלקטרודת נגד בפוטנציאל אפס, ודיאלקטרי המשמש מחסום. כלומר, פריקה בתדר גבוה ובמתח גבוה (שנאי מעלה) היוצרת הפרש פוטנציאל בין שתי נקודות הדורש הארקה של 35+kV ו-20-25kHz. לתהליך טיפול מקדים זה כמעט אין יכולת ניקוי. אוזון (NOx) נוצר.

"פלזמת אוויר" חשמלית היא טיפול נקודתי בפריקת קורונה (המכונה גם פלזמת אוויר נפוח/קורונה באוויר מאולץ/קשת נפוחה). ראש טיפול זה מורכב משתי אלקטרודות בצורת קרס בסמיכות זו לזו, המחוברות לשנאי מתח גבוה היוצר קשת חשמלית של כ-7-12 kV, בתדר נמוך יותר של 50-60 מחזורים/שנייה (ביחס לפריקת קורונה חשמלית). לאחר מכן, באמצעות אוויר מאולץ, קשת חשמלית רציפה מייצרת פריקת קורונה, "פלזמה". אין צורך בהארקה חיובית. לתהליך טיפול מקדים זה כמעט אין יכולת ניקוי. אוזון נוצר.

פלזמת יונים נפוחים חשמלית מכונה גם פלזמת קורונה ממוקדת/פלזמה נטולת פוטנציאל. טיפול זה משתמש באלקטרודת דיזה צרה יחידה, המופעלת על ידי מחולל חשמלי ושנאי מעלה ואוויר בלחץ גבוה, שבו נוצרת פלזמה ממוקדת עזה בתוך ראש הטיפול וזורמת החוצה. מכיוון שהתהליך נטול פוטנציאל, ניתן להשתמש בו לטיפול מקדים במוצרים מוליכים. תהליך טיפול מקדים זה יכול לנקות לכלוך, פסולת וחלק מהפחמימנים מהמצע, אך לא את רוב הסיליקונים והחומרים נגד החלקה. מחקר חדש מצביע על כך שחריטה עדינה של פני השטח יכולה ליצור טופוגרפיות חדשות להגברת ההדבקה המכנית. אוזון אינו תוצר לוואי.

טיפול מקדים בקרינת UV/אוזון ופריימרים כימיים מתבצעים אף הם בתנאים אטמוספריים. שיטות טיפול מקדים אלה יידונו במאמר עתידי.

גורמים המשפיעים על הידבקות והזדקנות

מידת הטיפול המקדים או איכותו לחוזק הידבקות גבוה מושפעות מניקיון משטחי הפלסטיק/אלסטומר. מקורות זיהום על פני המוצר המעכבים את הטיפול כוללים לכלוך, אבק, גריז ושמן. חומרים בעלי משקל מולקולרי נמוך כגון סיליקונים, חומרי שחרור מתבנית וחומרים נגד החלקה מזיקים במיוחד להדבקה. יתר על כן, חומרים מסוימים, מסיסים או בלתי מסיסים, המשמשים בחומרי צבע מסוג פיגמנט וצבען, יכולים לפגוע בהידבקות. חשיפת משטחים שעברו טיפול לטמפרטורות גבוהות מגבירה את ניידות שרשראות המולקולות. ככל שניידות השרשרת גבוהה יותר, כך הטיפול המקדים מזדקן מהר יותר.

משטחים שעברו טיפול בפלזמה מזדקנים בקצבים ובמידות שונות ביחס לגורמים בסביבה הסובבת. מאפייני ההזדקנות וחיי המדף שלהם באחסון חיוניים לפעולות תהליך הייצור. למשטחים מופעלים עשויים להיות חיי מדף של שעות, ימים, חודשים או יותר. תהליך פלזמת הגז הקר מפגין משך הפעלה ארוך משמעותית3 וטיפול אחיד יותר בהשוואה לשיטות אטמוספריות4. מומלץ להדביק, לצפות, לצבוע או לעטר מוצרים בהקדם האפשרי לאחר הטיפול המקדים.

הצורך העולמי להשיג הידבקות והדבקה יציבות במוצרי פלסטיק ואלסטומר מחייב טיפולים מקדימים של "הפעלה" באמצעות שינוי פני שטח. פונקציונליות כימית ופיזיקלית וחספוס פני שטח, באמצעות תהליכי חימצון פני שטח בפאזה גזית, יכולים לפתור את רוב בעיות ההידבקות. כל שיטה יכולה להיות ייחודית ליישום מסוים ועשויה להיות בעלת יתרונות ו/או מגבלות ייחודיים. משטחים שחומצנו בפלזמה עלולים לפגוע בתהליכי הרכבה בהמשך, כגון איטום/ריתוך בחום לקוי, כאשר מתרחש טיפול יתר. אף שפלזמת גז קר היא השיטה היקרה ביותר, ביישומים מסוימים יש בכוחה להניב את התוצאות היציבות ביותר. טיפולים אטמוספריים זולים יותר. עם זאת, במקרים מסוימים שינויי לחות מיום ליום יכולים להשפיע על אחידות הטיפול. חשוב להעריך בקפידה את כל גורמי התהליך ולהבין את טכנולוגיות שינוי פני השטח החלופיות.

מקורות

• Demetrius Chrysostomou, PVATepla, March 2009
• Scott R. Sabreen, Joe Digiacomo, Plastics Decorating Magazine
• Edward M. Liston, GaSonics International, Journal of Adhesion 1988
• Dori & Kushner, University of Illinois and 3M

Scott R. Sabreen הוא מייסד ונשיא The Sabreen Group, Inc. (TSG). TSG היא חברת הנדסה גלובלית המתמחה בתהליכי ייצור משניים של פלסטיק – טיפולים מקדימים בפני השטח, הדבקה, עיטור וגימור, סימון בלייזר ואבטחת מוצרים. למידע נוסף התקשרו ל-(888) SABREEN או בקרו באתרים www.sabreen.com ו-www.plasticslasermarking.com.

---