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Plasma a presión atmosférica

Un chorro de plasma a presión atmosférica formado por helio que fluye a través de una descarga de barrera dieléctrica concéntrica (DBD). El plasma a presión atmosférica (o plasm...

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Un chorro de plasma a presión atmosférica formado por helio que fluye a través de una descarga de barrera dieléctrica concéntrica (DBD).

El plasma a presión atmosférica (o plasma AP o plasma a presión normal ) es un plasma cuya presión coincide aproximadamente con la de la atmósfera circundante , la llamada presión normal.

Fundamentos de la generación de plasma a presión atmosférica

Se puede iniciar una descarga y mantener un plasma cuando la tensión continua suministrada al medio gaseoso mediante electrodos es superior a la tensión de ruptura del gas. La relación entre esta tensión de ruptura y el producto de p y d —donde p es la presión del gas y d es la distancia entre los electrodos— se conoce como la ley de Paschen . [ 1 ] [ 2 ] Para una gama de moléculas de gas, la tensión de ruptura estimada por la ley de Paschen tiene un valor mínimo de alrededor de pd = 1-10 Torr cm. Esto sugiere que, para obtener una tensión de ruptura práctica que permita la ignición de la descarga de gas, se prefiere una menor distancia entre electrodos a medida que aumenta la presión del gas. La condición mínima de Paschen a presión atmosférica se alcanza con una separación entre electrodos considerablemente menor a un milímetro, en cuyo caso la tensión continua necesaria para la ruptura del gas debería ser de unos pocos cientos de voltios. Sin embargo, se prevé que la tensión continua de ruptura para el gas argón a presión atmosférica aumente a unos pocos kV con una separación entre electrodos de 5 mm. [ 3 ]

Reducir la tensión de ruptura resulta ventajoso desde el punto de vista del diseño de una fuente de plasma, ya que permite una mayor flexibilidad en su manejo y facilita su operación. El uso de fuentes de tensión de alta frecuencia (HF) es una de las maneras de reducir dicha tensión.

A medida que aumenta la presión, la transferencia de energía de los electrones a las moléculas de gas e iones mediante colisiones se vuelve más eficiente, lo que da lugar al establecimiento del equilibrio térmico entre electrones, moléculas de gas e iones. Sin embargo, es posible inhibir la transferencia de energía entre los electrones y las moléculas de gas e iones. La descarga de barrera dieléctrica (DBD) es una de las principales formas de producir plasmas de baja temperatura en condiciones de no equilibrio a presión atmosférica. [ 4 ] [ 5 ]

Además, se han publicado informes que indican que la descarga luminiscente a presión atmosférica , cuando se alimenta con una fuente de baja frecuencia (10-100 kHz), requiere una barrera dieléctrica en un lado de los electrodos para garantizar un funcionamiento estable y constante. Sin embargo, cuando la frecuencia de operación se incrementa a radiofrecuencia (RF), alcanzando frecuencias de hasta 13,56 MHz, la estabilidad del plasma mejora notablemente, haciendo innecesaria la barrera dieléctrica para un funcionamiento estable. [ 6 ]

Importancia técnica

Los plasmas a presión atmosférica son importantes porque, a diferencia de los plasmas a baja o alta presión, no se necesita un recipiente de reacción para mantener la presión. Según el principio de generación, estos plasmas pueden emplearse directamente en la línea de producción. Esto elimina la necesidad de cámaras costosas para producir un vacío parcial, como las que se utilizan en la tecnología de plasma a baja presión. [ 7 ]

Generación

Aunque las desventajas de los plasmas de baja presión pueden evitarse mediante la formación de plasma a presión atmosférica, el mantenimiento de plasmas a presión atmosférica requiere un alto voltaje para la ruptura del gas y provoca mayores colisiones entre electrones y moléculas de gas, lo que puede conducir a la formación de arcos eléctricos y al calentamiento del gas. [ 8 ]

Se distinguen diversas formas de excitación:

Los plasmas a presión atmosférica que han alcanzado una importancia industrial destacable son aquellos generados por excitación de CC ( arco eléctrico ), excitación de CA ( descarga de corona , descarga de barrera dieléctrica , descarga directa piezoeléctrica y chorros de plasma, así como  microplasma de microondas de 2,45 GHz).

chorro de plasma de CC

Mediante una descarga de alto voltaje (5–15  kV, 10–100  kHz) se genera un arco eléctrico pulsado. Un gas de proceso, generalmente aire comprimido libre de aceite que fluye a través de esta sección de descarga, se excita y se convierte en plasma. Este plasma pasa a través de un cabezal de chorro hasta la superficie del material a tratar. El cabezal de chorro determina la geometría del haz y se encuentra a potencial de tierra para contener las partes del flujo de plasma que transportan potencial.

chorro de plasma de microondas

Un sistema de microondas utiliza amplificadores que emiten hasta 200 vatios de potencia de radiofrecuencia (RF) para producir el arco que genera el plasma. La mayoría de las soluciones funcionan a 2,45  GHz. Una nueva tecnología proporciona ignición y un funcionamiento altamente eficiente con la misma red electrónica y de acoplamiento. [ 9 ] Este tipo de plasmas a presión atmosférica es diferente. El plasma se encuentra solo en la parte superior del electrodo. Por eso fue posible la construcción de un chorro de cánula.

Aplicaciones

Los fabricantes utilizan chorros de plasma, entre otras cosas, para activar y limpiar superficies de plástico y metal, preparándolas para la adhesión y la pintura. Actualmente, se pueden tratar materiales en láminas de hasta varios metros de ancho alineando varios chorros en fila. La modificación de la superficie lograda con chorros de plasma es comparable a los efectos obtenidos con plasma de baja presión. [ 10 ]

Dependiendo de la potencia del chorro, el haz de plasma puede tener hasta 40  mm de longitud y alcanzar un ancho de tratamiento de 15  mm. Los sistemas rotatorios especiales permiten un ancho de tratamiento por herramienta de chorro de hasta 13  cm. [ 11 ] Según el rendimiento de tratamiento requerido, la fuente de plasma se mueve a una distancia de 10 a 40  mm y a una velocidad de 5 a 400  m/min con respecto a la superficie del material que se está tratando.

Una ventaja clave de este sistema es que puede integrarse en línea con los sistemas de producción existentes. Además, la activación que se logra es notablemente superior a la de los métodos de pretratamiento basados ​​en potencial (descarga de corona).

Con esta técnica es posible recubrir diversas superficies. Se pueden aplicar capas anticorrosivas y promotoras de adhesión a muchos metales sin disolventes, lo que proporciona una solución mucho más respetuosa con el medio ambiente.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Lieberman, Michael A.; Lichtenberg, Allan J. (8 de abril de 2005). Principios de descargas de plasma y procesamiento de materiales (1.ª  ed.). Wiley. doi : 10.1002/0471724254 . ISBN 978-0-471-72001-0.
  2. ^ Paschen, Friedrich (enero de 1889). "Ueber die zum Funkenübergang in Luft, Wasserstoff und Kohlensäure bei verschiedenen Drucken erforderliche Potentialdifferenz" . Annalen der Physik . 273 (5): 69– 96. Bibcode : 1889AnP...273...69P . doi : 10.1002/andp.18892730505 . ISSN 0003-3804 . 
  3. ↑ Schutze, A.; Jeong, JY; Babayan, SE; Jaeyoung Park; Selwyn, GS; Hicks, RF (dic. 1998). "El chorro de plasma a presión atmosférica: una revisión y comparación con otras fuentes de plasma". IEEE Transactions on Plasma Science . 26 (6): 1685– 1694. Bibcode : 1998ITPS...26.1685S . doi : 10.1109/27.747887 .
  4. ↑ Kogelschatz, U. (agosto de 2002). "Descargas de barrera filamentosas, con patrones y difusas". IEEE Transactions on Plasma Science . 30 (4): 1400– 1408. Bibcode : 2002ITPS...30.1400K . doi : 10.1109/TPS.2002.804201 . ISSN 0093-3813 . 
  5. ↑ Kanazawa, S; Kogoma, M; Moriwaki, T; Okazaki, S (14 de mayo de 1988). "Plasma luminiscente estable a presión atmosférica" . Journal of Physics D: Applied Physics . 21 (5): 838– 840. doi : 10.1088/0022-3727/21/5/028 . ISSN 0022-3727 . 
  6. ↑ Nozaki, Tomohiro; Okazaki, Ken (13 de junio de 2008). "Síntesis de nanotubos de carbono en descarga luminiscente a presión atmosférica: una revisión" . Plasma Processes and Polymers . 5 (4): 300–321 . doi : 10.1002/ppap.200700141 . ISSN 1612-8850 . 
  7. ↑ Wolf, Rory A., Plasma a presión atmosférica para la modificación de superficies, Wiley, 2012
  8. ↑ Schutze, A.; Jeong, JY; Babayan, SE; Jaeyoung Park; Selwyn, GS; Hicks, RF (diciembre de 1998). "El chorro de plasma a presión atmosférica: una revisión y comparación con otras fuentes de plasma". IEEE Transactions on Plasma Science . 26 (6): 1685– 1694. Bibcode : 1998ITPS...26.1685S . doi : 10.1109/27.747887 .
  9. ↑ Heuermann, Holger; et al. (junio de 2012). Diversas aplicaciones y antecedentes de microplasmas de 10-200 W a 2,45 GHz . 60.º Simposio Internacional de Microondas. Bibcode : 2012imsd.conf59386H . doi : 10.1109/MWSYM.2012.6259386 . 
  10. ↑ Noeske M., Degenhardt J., Strudhoff S., Lommattzsch U.: Tratamiento con chorro de plasma de cinco polímeros a presión atmosférica: modificaciones superficiales y su relevancia para la adhesión; International Journal of Adhesion and Adhesives; 24 (2) 2004, pp. 171–177
  11. ↑ Buske C., Förnsel P.: Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen (Dispositivo para el tratamiento de superficies con plasma); EP 0986939
Citas
Bibliografía
  • Tendero C., Tixier C., Tristant P., Desmaison J., Leprince P.: Plasmas a presión atmosférica: una revisión; Spectrochimica Acta Parte B: Espectroscopia atómica; Volumen 61, Número 1, enero de 2006, pp. 2–30.
  • Förnsel P.: Vorrichtung zur Oberflächen-Vorbehandlung von Werkstücken (Dispositivo para el pretratamiento superficial de piezas de trabajo); DE 195 32 412
  • Portal de aprendizaje electrónico EU-IP4Plasma : Datos básicos sobre el cuarto estado de la materia y su uso técnico.
  • Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM): Plasmatechnik und Oberflächen (Tecnología y superficies del plasma) – PLATO
  • Instituto Leibniz de Ciencia y Tecnología del Plasma (INP Greifswald eV) Archivado el 1 de febrero de 2014 en Wayback Machine
  • Generación de plasma atmosférico y su efecto en las superficies - Animaciones Flash
  • Tecnología de arco atmosférico pulsado
  • Tratamiento con plasma atmosférico explicado en términos sencillos por el fabricante británico Henniker Plasma.
  • Plasmatreat US LP: Tratamiento con plasma atmosférico
  • Fundamentos del plasma atmosférico impulsado por microondas