Plasma

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En tan solo dos décadas, los procesos de plasma se han convertido, en numerosos sectores e campos tecnológicos, en una herramienta versátil para aplicaciones industriales, utilizada en un amplio abanico de tareas relacionadas con el tratamiento de superficies, limpieza y recubrimiento de superficies, así como en la activación de plásticos, el grabado de estructuras semiconductoras y un sinfín de aplicaciones más.

Por definición, un plasma es un gas parcialmente ionizado, que a menudo se denomina también el cuarto estado de la materia. Fenómenos como, por ejemplo, un rayo o la aurora boreal son plasmas que se producen en la naturaleza. Desde el punto de vista técnico, pueden generarse mediante la aplicación de campos eléctricos.

Los plasmas son especialmente interesantes debido a sus propiedades físicas y químicas. En ellos se generan partículas y radicales altamente excitados que pueden desencadenar reacciones químicas que no serían posibles en condiciones normales. Al mismo tiempo, la temperatura de las piezas a tratar puede mantenerse muy baja.

Los iones altamente acelerados en un plasma permiten aplicaciones como la pulverización catódica.

El plasma debe su extraordinario papel en la ciencia y la tecnología industrial a todas estas propiedades físicas y químicas.

Activación por plasma

La activación de superficies plásticas es una aplicación específica de la tecnología del plasma. En este contexto, la activación consiste en un aumento de la energía superficial, lo que da lugar a unas mejores propiedades de adherencia y, por lo tanto, a una mayor humectabilidad. El ángulo de contacto de una gota sobre un plástico es una medida habitual de la capacidad de adherencia.

En muchos casos, los polímeros tienen bajas energías superficiales o son hidrófobos, lo que puede causar, por ejemplo, problemas a la hora de utilizar barnices a base de agua. Por lo tanto, deben modificarse antes del barnizado o la impresión. El plasma ha demostrado ser un medio muy eficaz para este fin. Así, la activación por plasma constituye una alternativa a los agentes de adhesión habituales.

Además, apenas hay limitaciones en cuanto a la geometría de las piezas y al tipo de polímero, ya que la temperatura no aumenta de forma significativa durante el proceso. Asimismo, la topografía del plástico permanece prácticamente inalterada; solo se modifican las monocapas más superficiales.

Para los procesos de activación, el plasma suele estar compuesto por oxígeno, aunque a veces también por nitrógeno o amoníaco. Cuando se utiliza oxígeno, es posible modificar los polímeros de tal forma que se formen grupos hidroxilo, carboxilo o peróxido en la superficie. Por el contrario, si se utiliza nitrógeno o amoníaco, se forman grupos amina o imina, que también pueden resultar interesantes para determinadas aplicaciones. Estos grupos polares hidrofílicos mejoran la humectabilidad de la superficie. La duración de los procesos de activación suele ser de tan solo unos segundos. Tras la activación, las piezas quedan preparadas para su procesamiento inmediato, lo que en algunos casos puede incluso realizarse en el mismo sistema de plasma.

Un campo de aplicación típico de este procedimiento consolidado es el pretratamiento de piezas de plástico en la industria de la automoción, como, por ejemplo, los parachoques pintados.

Resumen de algunas ventajas

Proceso

Excelente adherencia
Mayor homogeneidad
Elevada estabilidad del proceso
Fácil control del proceso
Aplicable a materiales sensibles a la temperatura

Rentabilidad

Sin costes de eliminación de residuos
No se requiere proceso de secado
Bajo consumo de gases de plasma
No se necesita imprimación de adherencia

Ecología

Sin disolventes
Sin residuos peligrosos
Compatibilidad medioambiental integrada

Limpieza por plasma

La limpieza de superficies es una de las posibilidades que ofrece la tecnología del plasma. Para ello se utilizan diversos métodos de generación de plasma. Los más habituales son la aplicación de tensiones alternas de alta frecuencia (40 kHz o 13,56 MHz) y la excitación mediante microondas. Las mezclas de gases típicas contienen oxígeno, argón y, en ocasiones, hidrógeno y tetrafluorometano (_CF₄). La mezcla depende de los requisitos específicos del proceso de limpieza, que vienen determinados por el tipo de contaminante y el material tratado.

Apenas existen restricciones en cuanto al material que se va a limpiar. Así, se pueden tratar tanto plásticos sensibles a la temperatura como metales, vidrio y cerámica. No obstante, el sistema de plasma debe adaptarse en todo caso a la tarea concreta.

Dependiendo de la mezcla de gases, el plasma actúa de forma oxidante o reductora. Los plasmas oxidantes resultan ventajosos para eliminar impurezas orgánicas (aceites, grasas), mientras que los plasmas reductores son más adecuados para depósitos inorgánicos (como, por ejemplo, los óxidos metálicos).

Casi todas las superficies se ensucian durante los distintos procesos de trabajo. Para poder realizar otros pasos de tratamiento, como el pintado, el endurecimiento o el sellado, es necesario limpiar las piezas.
La limpieza por plasma es la mejor forma de obtener superficies absolutamente limpias y libres de grasa.

Los métodos de limpieza clásicos suelen ser químicos húmedos y contienen hidrocarburos (HC), clorohidrocarburos (CHC) o detergentes agresivos disueltos en agua. Todos estos productos plantean problemas medioambientales tanto durante su uso como en su eliminación. La reducción de residuos se lleva a cabo mediante las denominadas soluciones «end-of-pipe», que generan costes adicionales.

A diferencia de la química húmeda, la limpieza por plasma cumple los requisitos de la protección medioambiental integrada.

Para comprender cómo funciona la limpieza por plasma, hay que observar una zona microscópica. ¿Qué ocurre inmediatamente sobre y en la superficie?

En el caso de la contaminación orgánica, el gas de plasma contiene oxígeno y argón. El proceso de limpieza es la suma de dos procesos: uno físico y otro químico.

Físico:
Si se coloca la pieza de trabajo sobre el cátodo o se conecta a este como cátodo, los iones positivos del plasma se aceleran en su dirección debido al campo eléctrico aplicado. Al impactar, los iones desprenden átomos y moléculas de la superficie mediante una transferencia directa de impulso. Se podría describir este proceso como «billar con átomos».

Químico:
El oxígeno excitado y los iones de oxígeno forman dióxido de carbono y agua al reaccionar con los hidrocarburos. La ecuación de reacción exacta es la siguiente:

Así pues, los hidrocarburos se transforman en compuestos químicos relativamente inocuos. Los productos de una combustión incompleta, en caso de que los haya, pueden filtrarse fácilmente de los gases de escape mediante filtros de carbón activo.

La purificación por plasma ofrece algunas ventajas notables en cuanto a proceso, rentabilidad, ecología y seguridad laboral:

Proceso

Alto grado de desengrasado
Alta capacidad de descomposición
Buena preparación para otros procesos de plasma, como, por ejemplo, el recubrimiento
Gran estabilidad
Fácil control del proceso
Aplicable a materiales sensibles a la temperatura

Rentabilidad

Sin costes de eliminación de residuos
No requiere proceso de secado
Bajo consumo de gases de plasma

Ecología

Sin disolventes
Ausencia de residuos peligrosos
Mínimo esfuerzo de gestión de residuos
Protección medioambiental integrada

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