Soğuk gaz plazma yüzey modifikasyonu – plastik yapıştırma adhezyonunu optimize edin

Soğuk gaz plazma yüzey modifikasyonu – plastik yapıştırma adhezyonunu optimize edin

Temel çıkarımlar

• PTFE'yi başarıyla işleyen tek yaygın yöntemdir.
• Tipik parametreler: 5–10 dakika, 100–500 sccm gaz akışı, 300–1000 mTorr, 200–1000 W RF, 75–125°F.
• Hidrokarbonları giderir; bu da atmosferik yöntemlerin hâlâ gerektirdiği ayrı bir solvent temizleme adımını ortadan kaldırabilir.
• Aktivasyon, atmosferik yöntemlere göre belirgin biçimde daha uzun sürer ve daha homojen işlem sağlar.
• “Yalnızca toplu işlem” bir efsanedir. Rulo bazlı malzemelerde makaradan makaraya sürekli işlem, hazne içinde gerçekleşir.

Polimerik ve elastomerik altlıklarda, benzer veya farklı malzemelere karşı sağlam yapışma mukavemeti elde etmek son derece zor olabilir. Yapıştırma uygulamaları yalnızca yapıştırıcılarla sınırlı değildir; baskı mürekkeplerini, boyaları ve kaplamaları, kapsülleme ve döküm bileşiklerini, metalizasyonu ve daha fazlasını da içerir. Bu makale, plazma kimyasal yüzey aktivasyonu ve fonksiyonelleştirme yoluyla birçok üç boyutlu yapıştırma sorununu çözebilen bir proses türü olarak “düşük basınçlı soğuk gaz plazması” yüzey modifikasyonunu anlatır. Yaygın olarak bilinen “atmosferik veya hava” yüzey modifikasyonu proseslerinin bilimi ile karşılaştırma yapılacaktır.

Yapıştırılması özellikle zor olan altlıklar arasında silikon ve kauçuk elastomerler ile asetaller, florlu polimerler, poliolefinler, naylonlar, polikarbonatlar, polyesterler, stirenikler ve daha fazlasını içeren mühendislik termoplastikleri yer alır. Birçok plastiğin ve elastomerin yapıştırılmasının zor olmasının altında yatan nedenler; hidrofobik, polar olmayan malzemeler olmaları, kimyasal açıdan inert olmaları ve zayıf yüzey ıslanabilirliğine (yani düşük yüzey enerjisine) sahip olmalarıdır.

Sık sorulan sorular

Soğuk gaz plazmasını atmosferik plazmadan ayıran nedir?

Açık havada değil, kapalı ve vakumlanmış bir hazne içinde çalışır. Seçilen bir gaz (yaygın olarak endüstriyel kalitede oksijen, ancak argon, azot, amonyak veya flor da kullanılabilir) kısmi vakum altında verilir ve RF veya mikrodalga alanına maruz bırakılır; bu da reaktif türler üzerinde hassas kontrol sağlar.

Soğuk gaz plazması PTFE'yi işleyebilir mi?

Evet ve bunu başarıyla yapması bakımından yaygın yöntemler arasında benzersizdir. Ayrıca plazma destekli kimyasal buhar biriktirme yoluyla yüzeylerde polimer kaplamalar büyütebilir; yaklaşık 2 µm'ye kadar uyumlu SiO2 benzeri ve elmas benzeri kaplamalar üretir.

Hangi proses parametrelerini beklemeliyim?

Genel kılavuz olarak: toplam işlem süresi 5 ila 10 dakika, gaz akışı 100 ila 500 sccm, basınç 300 ila 1000 mTorr, RF gücü 200 ila 1000 watt ve 75 ile 125°F arasında düşük proses sıcaklığı. Kesin değerler belirli sisteme bağlıdır.

Soğuk gaz plazması yalnızca hat dışı toplu işlemle mi sınırlıdır?

Hayır; bu, sık tekrarlanan yanlış bir adlandırmadır. Dokuma polimerik kumaş rulo malzemelerin makaradan makaraya sürekli işlemi hazne içinde kesintisiz çalışır ve hazne boyutları hem küçük hem de büyük parçaların yüksek hacimli işlenmesine olanak tanır.

Soğuk gaz plazması yüksek maliyetine ne zaman değer?

En sağlam sonuca, en uzun aktivasyon ömrüne veya atmosferik yöntemlerin işleyemediği PTFE gibi altlıkların işlenmesine ihtiyaç duyduğunuzda. Ayrıca hidrokarbonları giderir; bu da ayrı bir solvent temizleme adımını ortadan kaldırabilir. Atmosferik işlemler daha ucuzdur ancak günden güne değişen nem, homojenliği etkileyebilir.

Plazma nedir?

Plazmalar maddenin dördüncü hali olarak kavramsallaştırılabilir. Enerji verildikçe katılar sıvılara erir, sıvılar gazlara buharlaşır ve gazlar iyonlaşarak son derece reaktif bir gaz olan “plazmalara” dönüşür. Plazmada oluşan serbest elektronlar, iyonlar, yarı kararlı türler, radikaller ve UV, çoğu polimerik altlığın yüzeyindeki moleküler bağları kırmaya yetecek enerjilerle yüzeye etki edebilir. Bu, polimer yüzeyinde çok reaktif serbest radikaller oluşturur; bunlar da altlık yüzeyinde çapraz bağlanma yapabilir veya oksijen varlığında hızla tepkimeye girerek çeşitli kimyasal fonksiyonel gruplar oluşturabilir. Oluşabilen ve yapıştırılabilirliği artıran polar fonksiyonel gruplar arasında karbonil (C=O), karboksil (HOOC), hidroperoksit (HOO-) ve hidroksil (HO-) grupları bulunur. Polimerlere eklenen az miktardaki reaktif fonksiyonel gruplar bile yüzey kimyasal fonksiyonelliğini ve ıslanabilirliği iyileştirmek için son derece yararlı olabilir.

Soğuk gaz plazma yüzey modifikasyonu

Atmosferik (hava) yüzey ön işlemi yöntemlerine kıyasla, “düşük basınçlı soğuk gaz plazması” yüzey modifikasyonu kapalı ve vakumlanmış bir hazne içinde gerçekleştirilir. Plastik ön işlem uygulamalarında yaygın olarak endüstriyel kalitede oksijen gazı (O2) kullanılır. Diğer oksitleyici ve soy gazlar arasında argon, azot, amonyak NH3, flor ve bunların kombinasyonları bulunur. Reaktif gaz plazmasına iyonlaştırılacak seçilen gaz, kısmi vakum altında hazneye verilir ve bir elektrik alanına (RF veya MW) maruz bırakılır.

Plazma alanında, iç iletken elektrot alüminyum raflar veya kafes üzerine yerleştirilmiş polimerlerle oluşan yüksek reaktif türlerin tepkimesi, moleküler bağları kırarak altlığın kütle özelliklerini etkilemeden kimyasal/fiziksel yüzey modifikasyonlarıyla sonuçlanır. Soğuk gaz plazma prosesi, ıslanmayan hidrofobik yüzeyleri kimyasal ve fiziksel mekanizmalarla yapıştırılabilir, hidrofilik ve ıslanabilir yüzeylere dönüştürür. Bkz. Diyagram 1.

Mikro-nano ölçekli pürüzlü yüzeyler, plazma ortamında ya yüzeye doğru hızlandırılan iyonların bombardıman etkisiyle ya da kimyasal dağlama prosesiyle seçici olarak değiştirilebilir. Pürüzlü yüzeyler (tepeler ve vadiler) daha büyük yüzey alanlarına sahiptir; bu da yapıştırma adhezyonunu iyileştiren daha fazla bağlanma bölgesi anlamına gelir. Bkz. Diyagram 2.

Soğuk gaz plazmasının kendine özgü yanı, PTFE'yi başarıyla ön işleyebilmesidir. Ayrıca polimer kaplamalar, plazma destekli kimyasal buhar biriktirme (PECVD) adı verilen bir proses ile yüzeylerde büyütülebilir. Kaplamalar son derece uyumludur ve kalınlıkları (~2µ) proses süresine bağlıdır.

Kaplama örnekleri arasında SiO2 benzeri ve elmas benzeri kaplamalar bulunur. Önemli bir uygulama, plastik ve cam tüplerin ve kapların iç yüzeylerini, süzülebilir maddelere karşı bariyer görevi gören ve kırılmayı önleyen kuvars benzeri bir malzemeyle kaplamaktır.

Ekipman sistemi kurulumu

Düşük basınçlı soğuk gaz plazma sistemi ekipmanı, parçaların yüklenmesi ve boşaltılması için menteşeli bir kapıya sahip, alüminyumdan yapılmış bir vakum haznesinden oluşur. Tüm sistemlerde vakum pompası, RF jeneratörü, MFC (kütle akış kontrolörü) ve mikroişlemci kontrolörü gibi benzer önemli bileşen özellikleri bulunur.

Temizlenecek parçalar, çıkarılabilir raflar veya kafes olan iç elektrotların üzerine yerleştirilir. Parçalar/raflar ardından reaksiyon haznesine yüklenir; proses, önce vakum çekilmesiyle başlar.

Proses gazı daha sonra pompalama devam ederken düzenlenmiş bir basınçta sistemden geçebilir. RF jeneratörü uyarma gücünü sağlar. Plazma prosesinin sonunda kapalı vakum haznesi ortam basıncına döner; işlem görmüş parçalar çıkarılır ve yapıştırmaya hazır hale gelir. Çoğu sistem; (tipik olarak) basınç, güç, gaz akışı, sıcaklık ve çevrim süreleri (ara aşama ve toplam geçen süre) dahil proses değişkenlerinin otomatik kontrolüne olanak tanır. Bkz. Diyagram 3.

Proses kontrol parametreleri

İşletme proses parametreleri, üreticinin belirli model sistem spesifikasyonlarına dayanır. Bu nedenle, geliştirilmiş yapıştırılabilirlik, üretim verimi ve işlem raf ömrünün (yaşlanma) ile çalışma ortamındaki kirlenme kaynaklarının korunması için sonraki üretim proseslerine ilişkin uygulama gereksinimlerini anlamak önemlidir. Genel kılavuz olarak toplam soğuk gaz plazma işlem süresi 5-10 dakika; gaz akışı 100-500 sccm; basınç 300-1000 mTorr, RF gücü 200-1000 Watt ve proses sırasında düşük sıcaklıkta ısı 75-125°F aralığındadır.

Soğuk gaz plazma ön işlemine ilişkin yanlış adlandırmalar

Soğuk gaz plazma işleminin, atmosferik plazma yöntemlerine kıyasla yalnızca hat dışı toplu işlemle sınırlı “verimsiz” bir yöntem olduğu sıkça dile getirilir. Bu yanlıştır. Dokuma polimerik kumaş rulo malzemelerin (ör. iplikli polipropilen bebek bezi kumaşı) makaradan makaraya sürekli işlemi, hazne içinde kesintisiz yapılır. İç hazne boyutlarına bağlı olarak soğuk gaz plazma prosesleri yüksek hacimli küçük ve büyük parçaları işleyebilir. Üretim proses operasyonları en verimli biçimde hat içinde yapılabilse de birçok ürün montajı toplu veya hücre üretiminde gerçekleştirilir.

Gaz fazlı yüzey oksidasyonu ön işlemleri

Yüzey ön işlemleri yoluyla yüzey oksidasyonu modifikasyonu, polimerlerin ve elastomerlerin ıslanabilirliğini ve yapıştırılabilirliğini hem kimyasal hem de fiziksel olarak iyileştirmek için kullanılır. Yaygın bilinen proses yöntemleri elektriksel (korona deşarj) ve alev plazmasıdır. Tarihsel olarak düşük basınçlı soğuk gaz plazması, kısmen prosese ilişkin yanlış adlandırmalar nedeniyle üç boyutlu parçaların ön işlemi için daha az uygulanmış ve tartışılmıştır. Kimya ve fizik biliminde elektriksel, alev ve soğuk gaz plazması, “gaz plazması” üretme yetenekleriyle karakterize edilen “gaz fazlı yüzey oksidasyonu prosesleridir.” Plazmaların oluşma mekanizması ayırt edici bir etkendir. Her yöntem uygulamaya özgü olabilir ve her birinin avantajları ile sınırlamaları vardır.

Atmosferik yüzey modifikasyonu sistemleri

Düşük basınçlı bir vakum haznesinde gerçekleştirilen soğuk gaz plazmasının aksine alev işlemi ve elektriksel (korona deşarj) ön işlem prosesleri atmosferik koşullarda gerçekleştirilir. Elektriksel işlemler ayrıca “üflemeli hava” plazması ve “üflemeli iyon” olarak ayrılır. Atmosferik prosesler hem toplu hem de sürekli hat üretiminde kullanılabilir. Terminoloji açısından her prosesin bilimini anlamak önemlidir.

Alev plazma işlemi, havanın ve hidrokarbon gazının yanmasında (plazmayı oluşturmak için) bulunan yüksek reaktif türleri kullanır. Alev işlemi ekzotermiktir; ancak kimyasal fonksiyonelliği ve iyileştirilmiş yüzey ıslanmasını oluşturan ısı değildir. Alevleme, altlıktaki kiri, kalıntıları ve bazı hidrokarbonları temizler. Alevleme silikonları, kalıp ayırıcıları ve kaydırıcı ajanları gidermez. Yüzeyden itibaren 5-10 nm gibi nispeten daha sığ bir işlem derinliğine sahip olması nedeniyle alev işlemi, elektriksel ön işlemlere göre daha yüksek ıslanma, oksidasyon ve raf ömrü kazandırabilir. Ozon üretilmez2.

Klasik elektriksel korona deşarj; bir jeneratör ve yüksek gerilim kaynağına bağlı elektrot(lar), sıfır potansiyelli bir karşı elektrot ve bariyer olarak kullanılan bir dielektrik kullanılarak elde edilir. Yani yüksek frekanslı-yüksek gerilimli deşarj (yükseltici transformatör), toprak bağlantısı gerektiren iki nokta arasında 35+kV ve 20-25kHz'lik bir potansiyel fark yaratır. Bu ön işlem prosesinin neredeyse hiçbir temizleme yeteneği yoktur. Ozon (NOx) üretilir.

Elektriksel “hava plazması”, korona deşarj nokta işlemidir (üflemeli hava plazması/zorlamalı hava koronası/üflemeli ark olarak da adlandırılır). Bu işlem kafası, birbirine çok yakın iki kanca elektrottan oluşur ve yaklaşık 7-12 kV'luk elektrik arkı üreten, (elektriksel korona deşarja göre) daha düşük frekanslı 50-60 devir/sn'lik yüksek gerilim transformatörüne bağlıdır. Ardından zorlamalı hava kullanılarak sürekli bir elektrik arkı korona deşarjı, yani “plazma” üretir. Pozitif toprak gerekmez. Bu ön işlem prosesinin neredeyse hiçbir temizleme yeteneği yoktur. Ozon üretilir.

Elektriksel üflemeli iyon plazması, Odaklanmış Korona plazması/Potansiyelsiz plazma olarak da adlandırılır. Bu işlem, bir elektrik jeneratörü ve yükseltici transformatörle beslenen tek bir dar nozul elektrot ve yüksek basınçlı hava kullanır; işlem kafası içinde yoğun, odaklanmış bir plazma oluşur ve dışarı doğru akar. Proses potansiyelsiz olduğundan iletken ürünleri ön işlemek için kullanılabilir. Bu ön işlem prosesi altlıktaki kiri, kalıntıları ve bazı hidrokarbonları temizleyebilir, ancak silikonların ve kaydırıcı ajanların çoğunu temizleyemez. Yeni araştırmalar, yüzeyin ince dağlanmasının artan mekanik bağlanma için yeni topografyalar oluşturabileceğini göstermektedir. Ozon yan ürün değildir.

UV radyasyonu/ozon ön işlemi ve kimyasal astarlar (primerler) de atmosferik koşullarda gerçekleştirilir. Bu ön işlem yöntemleri gelecekteki bir makalede ele alınacaktır.

Yapışmayı ve yaşlanmayı etkileyen etkenler

Güçlü yapışma mukavemeti için ön işlemin derecesi veya kalitesi, plastik/elastomerik yüzeylerin temizliğinden etkilenir. Ürün yüzeylerinde işlemi engelleyen kirlilik kaynakları arasında kir, toz, gres ve yağ bulunur. Silikonlar, kalıp ayırıcılar ve kaydırıcı ajanlar gibi düşük molekül ağırlıklı maddeler, yapıştırma için özellikle zararlıdır. Ayrıca pigment ve boya renklendiricilerinde kullanılan bazı çözünür veya çözünmez bileşik ajanlar yapışmayı olumsuz etkileyebilir. İşlem görmüş yüzeylerin yüksek sıcaklıklara maruz kalması moleküler zincir hareketliliğini artırır. Zincir hareketliliği ne kadar yüksekse ön işlemin yaşlanması o kadar hızlıdır.

Plazma ile işlem görmüş yüzeyler, çevredeki ortama ilişkin etkenlere göre farklı hızlarda ve farklı ölçülerde yaşlanır. Yaşlanma özellikleri ve depolama raf ömrü, üretim proses operasyonları için önemlidir. Aktive edilmiş yüzeylerin raf ömrü saatler, günler, aylar veya daha uzun olabilir. Soğuk gaz plazma prosesi, atmosferik yöntemlere kıyasla belirgin biçimde uzatılmış aktivasyon ömürleri3 ve daha homojen işlem4 sergiler. Ürünlerin ön işlemden hemen sonra mümkün olan en kısa sürede yapıştırılması, kaplanması, boyanması veya dekore edilmesi önerilir.

Plastik ve elastomerik ürünlerde sağlam yapıştırma adhezyonu elde etme yönündeki küresel ihtiyaç, yüzey modifikasyonu “aktivasyon” ön işlemlerini gerektirir. Gaz fazlı yüzey oksidasyonu prosesleri yoluyla kimyasal ve fiziksel fonksiyonellik ile yüzey pürüzlendirme, yapışma sorunlarının çoğunu çözebilir. Her yöntem uygulamaya özgü olabilir ve kendine özgü avantajlara ve/veya sınırlamalara sahip olabilir. Plazma ile oksitlenmiş yüzeyler, aşırı işlem uygulandığında zayıf ısıl yapıştırma/kaynak gibi sonraki montaj proseslerini olumsuz etkileyebilir. Soğuk gaz plazması en pahalı yöntem olmakla birlikte bazı uygulamalarda en sağlam sonuçları verme kapasitesine sahiptir. Atmosferik işlemler daha düşük maliyetlidir. Ancak bazı durumlarda günden güne değişen nem, işlem homojenliğini etkileyebilir. Tüm proses etkenlerinin dikkatle değerlendirilmesi ve alternatif yüzey modifikasyonu teknolojilerinin anlaşılması önemlidir.

Kaynaklar

• 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, The Sabreen Group, Inc.'in (TSG) kurucusu ve başkanıdır. TSG; yüzey ön işlemleri, yapıştırma, dekorasyon ve yüzey işleme, lazer markalama ve ürün güvenliği gibi plastik ikincil işleme proseslerinde uzmanlaşmış küresel bir mühendislik şirketidir. Daha fazla bilgi için (888) SABREEN numaralı telefonu arayın veya www.sabreen.com ya da www.plasticslasermarking.com adreslerini ziyaret edin.

---