La Bicocca per le imprese Le applicazioni delle tecnologie del plasma nell industria tessile

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1 La Bicocca per le imprese Le applicazioni delle tecnologie del plasma nell industria tessile Seminario del 4 Luglio 2000 organizzato presso l Università degli Studi di Milano Bicocca Dipartimento di Scienza dei Materiali, via Cozzi 53, Milano

2 La Bicocca per le imprese Le applicazioni delle tecnologie del plasma nell industria tessile Ricerche sperimentali sul trattamento dei tessuti con plasmi freddi di Claudia Riccardi

3 Ricerche sperimentali sul trattamento dei tessuti con plasmi freddi di Claudia Riccardi* Motivazioni L uso di tecnologie di produzione con i plasmi si sta sempre più diffondendo ed è diventato un tipo di processo standard in molti settori industriali. Infatti, questo genere di trattamento ha dimostrato un efficacia e una versatilità sorprendenti che gli hanno permesso di soppiantare tecniche meno flessibili (ad esempio nell industria dei semiconduttori). Inoltre, rispetto ai trattamenti superficiali tradizionali, la tecnologia del plasma ha ulteriori vantaggi, in quanto si tratta di un processo a secco che non richiede solventi o prodotti chimici a rischio per l ambiente e le modificazioni introdotte dal trattamento coinvolgono strati superficiali senza alterare le proprietà generali del materiale. Perciò la ricerca di nuovi processi di trattamento dei materiali utilizzando la tecnologia dei plasmi anche in campo tessile si inquadra in una prospettiva di innovazione molto interessante anche per questo settore industriale. Trattamento dei materiali con plasmi freddi L utilizzo dei plasmi come componenti attivi nei processi di tipo chimico (ormai ampiamente diffuso tanto da poter parlare di una Chimica dei Plasmi) e chimico-fisico (nell interazione con le superfici dei materiali) sta diventando una tecnologia standard nei processi di trattamento dei materiali al fine di modificarne le proprietà superficiali. Ciò è dovuto al fatto che questo tipo di tecnica permette facilmente di ottenere composti

4 chimici reattivi che non sono disponibili in processi chimici tradizionali. Infatti, una delle proprietà peculiari di un plasma freddo consiste nella presenza di elettroni ad elevata energia e di ioni liberi di muoversi, in grado di trasferire nell urto prodotto quantità sufficientemente elevate di energia alle molecole del gas neutro, in modo da accelerare processi chimici che naturalmente risultano inibiti o a causa delle alte energie di attivazione necessarie alla reazione o per le basse velocità di reazione dei componenti a temperatura ambiente. Per fare un esempio, un trattamento chimico di ossidazione si può ottenere usando ossigeno (che si trova in fase gassosa molecolare come O 2 ) o suoi composti (ad esempio ozono O 3 o perossidi H 2 O 2 ) dovendo rompere i legami chimici che trattengono l ossigeno. Mentre producendo un plasma in un gas contenente ossigeno si ha direttamente a disposizione l ossigeno atomico O prodotto nella scarica. Gli elettroni energetici sono infatti in grado di dissociare le molecole di ossigeno O 2 in radicali atomici O, fortemente reattivi chimicamente e in grado di innescare processi normalmente preclusi in reattori chimici ordinari. Infatti, sia i radicali atomici sia gli ioni non possono essere prodotti efficientemente in reattori chimici tradizionali (basati su processi cosiddetti di CVD, Chemical Vapour Deposition, cioè processi di deposizione chimica) a causa delle proibitive energie di attivazione necessarie a sintetizzarli in reazioni ordinarie (che imporrebbero come unica soluzione praticabile di lavorare a temperature dell ordine delle migliaia di gradi). Invece radicali e ioni sono generati copiosamente dagli urti degli elettroni liberi presenti nei plasmi. Pertanto, in un trattamento con plasma freddo, i materiali sono sottoposti all azione chimica di componenti che sarebbero prodotti naturalmente solo a temperature di decine di migliaia di gradi pur rimanendo a temperatura ordinaria.

5 I processi fondamentali che intervengono durante il trattamento di un materiale sono molteplici. La sua superficie si troverà a subire un bombardamento dovuto ad elettroni veloci, ioni e radicali, nonché il continuo irraggiamento di radiazione visibile e ultravioletta. Queste interazioni produrranno reazioni di inserzione di atomi o di interi gruppi chimici (grafting), generazione di radicali liberi sulla superficie (attivazione), deposizione di polimeri formati in fase gassosa sotto forma di strati sottili aderenti alla superficie (film deposition) oppure provocheranno un fenomeno di ablazione superficiale del materiale (etching). L effetto dell esposizione al plasma è limitato essenzialmente alla zona di contatto costituita dalla superficie del materiale e quindi le proprietà massive di quest ultimo non sarebbero significativamente modificate. Generalmente il risultato del trattamento è limitato a profondità dell ordine di una decina di nanometri. La ricerca delle condizioni di plasma più favorevoli e la scelta dei gas appropriati, permette di selezionare alcune interazioni specifiche tra tutte quelle possibili; in tal modo si possono favorire i processi più promettenti in vista delle possibili applicazioni. Il trattamento dei tessuti I trattamenti al plasma in campo tessile sono ancora poco diffusi a livello industriale, anche se molti studi hanno evidenziato le potenzialità di tale tecnologia anche in questo settore. Innanzitutto alcuni processi, che sono ormai impiegati correntemente per il trattamento superficiale dei materiali, possono essere applicati anche ai tessuti. Ad esempio è possibile realizzare i seguenti trattamenti: - Incisione, rimozione di uno strato superficiale e pulizia della superficie delle fibre usando gas inerti come argon o elio. - Ossidazione dello strato superficiale usando plasmi di ossigeno o aria.

6 - Deposizione sul tessuto di film sottili di metalli (alluminio, argento, etc.) o polimeri (teflon-ptfe, carbonio). Alcune proprietà superficiali si prestano particolarmente a essere modificate da un opportuno trattamento della superficie stessa. Ad esempio si possono cambiare le proprietà di assorbimento di acqua e bagnabilità, idrorepellenza e oleorepellenza, resistenza all usura, antistaticità e biocompatibilità. Di seguito la tabella I riassume i risultati degli studi che sono stati effettuati sul trattamento al plasma dei tessuti.

7 Proprietà Materiale Trattamento Sofficità Cotone, Cellulose Ossigeno Antinfeltrente Lana Ossigeno, Aria Resistenza alle pieghe Lana, Cotone, Seta Azoto Antistaticità Rayon, sintetiche Cloro-metil-silani Bagnabilità PA, PP, PET, PE, PTFE Ossigeno, Aria, Ammoniaca Idrofilicità PET Ossigeno, Aria Idrofobicità Cotone, PET Silossani, CFC Oleorepellenza Cotone, PET Silano, composti di Si Capillarità Lana, Cotone Ossigeno Tingibilità PET PA SiCl 4 Argon Antifiamma PA, Rayon, Cotone Fosforo Sbiancante Lana Ossigeno Tab. I Ricerche esistenti su trattamenti al plasma di tessuti * Laboratorio di Fisica dei Plasmi, Dipartimento di Fisica G. Occhialini Università di Milano Bicocca, P.za delle Scienze 3, Milano

8 La Bicocca per le imprese Le applicazioni delle tecnologie del plasma nell industria tessile I processi di modificazione superficiale dei materiali con l utilizzo di un plasma a radio-frequenza Dott. Espedito Vasallo

9 Processi di modificazione superficiale dei materiali con l utilizzo di un Plasma a radio-frequenza di Espedito Vassallo* Introduzione Presso l Istituto di Fisica del Plasma del CNR di Milano è attiva una linea di ricerca sulla deposizione di film sottili per la modificazione superficiale dei materiali attraverso l utilizzo di un plasma freddo. Allo scopo sono stati progettati e realizzati alcuni impianti di deposizione di film di Si:O x :C y :H z su differenti materiali e tipologie di prodotto in funzione di differenti applicazioni industriali. In particolare sono stati realizzati film con le seguenti caratteristiche: - film barriera antipermeazione di gas su vetro e PET; - film idrofili su carta; - film idrofobici su metalli, vetro, ceramica, carta e tessuti.

10 Impianto per la deposizione di film sottili realizzato presso l Istituto di Fisica del Plasma del CNR di Milano Il processo è utilizzabile sia per modificare gli strati più esterni (anche pochi Angstroms) della superficie sia per generare depositi (pochi µm) sulla superficie, senza perdere le proprietà di bulk. Il processo consiste nell eccitazione/ionizzazione di prodotti gassosi (a bassa pressione ed alla temperatura di circa 300 K) attraverso energia a radio-frequenza (RF). Le particelle energetiche del plasma, attraverso collisioni con le superfici del materiale, posizionato nella zona di plasma, rompono i legami chimici, generando radicali liberi sulla superficie. Questi radicali liberi sono sottoposti a reazioni addizionali che dipendono dal tipo di gas presente nel

11 plasma. Il risultato è la generazione di superfici che hanno proprietà molto differenti dal bulk del materiale iniziale. L effetto del plasma sulla superficie dipende sia dalla chimica del gas sia dai parametri di processo del sistema plasma. Il tipo di modificazione dipende dal pre-trattamento e composizione del substrato, dal tipo e dalla quantità di gas reattivo impiegato, dalla pressione totale nella camera di processo, dalla potenza RF e dal tempo di processo. Applicazioni Un esempio di applicazione è la modificazione delle caratteristiche di bagnabilità di un materiale. Il plasma viene usato per aumentare o diminuire la bagnabilità (misurata attraverso la diminuzione o l aumento dell angolo di contatto di diversi liquidi tra cui l acqua). Quindi una superficie può essere trasformata da idrofoba a idrofila e viceversa. Il tempo di trattamento varia da secondi a minuti in funzione del tipo di materiale da trattare. La bagnabilità della superficie di un materiale verso l acqua, dipendono dalle proprietà della superficie stessa. Superficie idrofila significa forte interazione con l acqua; la superficie del materiale sarà composta principalmente da gruppi polari. L angolo di contatto della superficie del materiale contro l acqua è molto piccolo. Se l energia superficiale del materiale è più grande di quella dell acqua, la superficie del materiale combacerà completamente con l acqua, e l angolo di contatto sarà zero. Superficie idrofoba significa bassa interazione con l acqua; la superficie del materiale sarà composta principalmente da gruppi non-polari. L angolo di contatto della superficie del materiale contro l acqua può raggiungere 90, in alcuni casi più di 100.

12 Come rendere idrorepellente un tessuto La fig.1 mostra schematicamente l impianto al plasma utilizzato per cambiare le proprietà di superficie del tessuto. Il tessuto viene posizionato nella camera di processo nella zona fra i due elettrodi dove si genera il plasma. Il plasma è composto da ossigeno ed un organosilano. La potenza di eccitazione; fornita da un generatore RF (frequenza MHz), è dell ordine di qualche W/cm 2. Il tempo di trattamento è dell ordine di qualche secondo. La pressione totale nella camera di processo è dell ordine di mbar. Figura 1

13 Fig.2 e Fig.3: alcuni campioni trattati In questo caso il campione di partenza è un panno assorbente Prima del trattamento Dopo il trattamento Figura 2 In questo caso il campione di partenza è un pezzo di camicia di cotone Figura 3

14 Fig.4 Modificazione delle proprietà assorbenti di una carta In questo caso il campione di partenza è una carta idrorepellente Prima del trattamento Dopo il trattamento Figura 4 * Istituto di Fisica del Plasma del CNR di Milano, via Cozzi 53, Milano

15 La Bicocca per le imprese Le applicazioni delle tecnologie del plasma nell industria tessile Trattamenti superficiali di materiali tessili mediante plasma freddo di Bruno Marcandalli

16 Trattamenti superficiali di materiali tessili mediante plasma freddo di Bruno Marcandalli* Introduzione Le applicazioni pratiche dei materiali polimerici solidi, come per es. le fibre tessili, sono spesso determinate in notevole misura dalle loro proprietà superficiali. Infatti, l idrorepellenza, l idrofilicità, l adesività, il comportamento antistatico, la lucentezza, la permeabilità, la biocompatibilità, la tingibilità e stampabilità, il comfort in generale e molte altre caratteristiche sono connesse più alle caratteristiche chimiche e fisiche dello strato superficiale del polimero che alla sua massa. La modificazione delle superfici polimeriche può essere ottenuta con metodi sia fisici che chimici. I metodi chimici convenzionali, di gran lunga i più utilizzati, consistono nelle tecniche di spalmatura (coating) e comprendono i seguenti stadi: sintesi di un polimero idoneo, pulizia della superficie del substrato, applicazione del rivestimento, reticolazione o essiccazione. Tali tecnologie presentano spesso aspetti non del tutto accettabili dal punto di vista ambientale, quali l impiego di sostanze chimiche spesso tossiche o nocive e di solventi, elevati consumi energetici, modificazione delle caratteristiche di mano proprie dei substrati tessili, emissioni liquide e gassose che richiedono idonei trattamenti di purificazione. D altra parte la richiesta di tessuti con caratteristiche sempre più specifiche e particolari, non solo per il settore dei tessili ad uso tecnico, ma anche per quello dei tessili tradizionali ad uso abbigliamento, spinge ad un continuo sviluppo delle tecnologie di modificazione superficiale. Ciò ha ridestato l interesse verso tecniche alternative di modificazione superficiale dei tessili quali l innesto di monomeri od oligomeri

17 direttamente sulla fibra (grafting), trattamenti del tipo electron beam o corona e trattamenti con plasma freddo. Quest ultima tecnica presenta almeno dal punto di vista teorico notevoli vantaggi rispetto alle tecniche tradizionali, quali il basso consumo energetico, il bassissimo impatto ambientale e la notevole versatilità di effetti che possono essere ottenuti, utilizzando gas diversi e condizioni applicative diverse. Anche se gli studi sul trattamento con plasma di tessili non rappresentano senz altro una novità, poiché i primi tentativi risalgono ancora alla fine degli anni 60, è solo negli ultimi anni che si è manifestato un interesse particolarmente spiccato per questa tecnologia. Ciò è stato causato da una molteplicità di ragioni tra cui emergono da un lato le crescenti limitazioni imposte ai processi di nobilitazione tessile dalla legislazione ambientale e dall altro la prospettiva di poter ottenere prodotti anche del tutto innovativi e allo stato attuale non immaginabili e dall altro, prospettiva estremamente interessante in questo momento in cui la richiesta di caratteristiche prestazionali speciali è molto vivace sia per quanto riguarda il settore dei tessili tecnici, in rapido sviluppo, sia anche per il settore abbigliamento attualmente molto interessato ad aspetti tecnologici e innovativi. Il plasma freddo Il plasma freddo (cold plasma) viene prodotto applicando a un gas a bassa pressione un campo elettrico fino ad ottenere la cosiddetta glow discharge (scarica a bagliore), caratterizzata da un elevata densità di particelle reattive (elettroni, atomi, molecole, ioni e radicali) e non ottenibile in nessun altro modo. Il campo elettrico può essere ottenuto da un generatore di corrente continua (DC) o alternata (AC), di microonde (MW) o di radiofrequenze (RF). Nel plasma freddo quindi accanto a una popolazione di elettroni aventi temperature dell ordine di decine di ev, convive una popolazione di specie reattive, la cui temperatura è prossima

18 a quella ambiente. L interazione di tale plasma con le superfici polimeriche può produrre diverse modificazioni secondo il gas utilizzato e delle condizioni operative adottate: -attacco (etching) e attivazione (formazione di specie radicaliche) della superficie mediante gas nobili -attacco e inserzione (grafting) utilizzando gas con idonee strutture chimiche. Per es. il trattamento con ossigeno dà luogo all inserzione di gruppi idrofilici, quello con NH 3 di gruppi amminici e quello di SO 2 di gruppi solfonici. -processi di polimerizzazione, innesto e reticolazione se le specie generate dal plasma possono reagire tra loro (per es. idrocarburi fluorurati). Di conseguenza il risultato di un trattamento al plasma consiste sempre in una modificazione delle proprietà chimiche e fisiche della superficie del substrato. La penetrazione dell azione all'interno della massa polimerica si estende per circa Å e quindi le caratteristiche generali del polimero non risultano sostanzialmente modificate. Ciò è particolarmente importante per le proprietà fisico-meccaniche, la resistenza al calore o all attacco chimico, la coibenza termica, etc. I problemi che ancora limitano l impiego generalizzato di questa tecnologia sono riconducibili sostanzialmente a varie motivazioni: - l ancora estremamente scarsa offerta di impianti concepiti appositamente per il tessile da parte dell industria meccano-tessile, - la diffidenza dei tecnici del settore verso una tecnologia completamente innovativa e non ancora pienamente padroneggiata, - l insufficiente ricerca di base sull argomento. Purtroppo il settore tessile non è considerato trainante e la ricerca accademica non viene incoraggiata ad occuparsi di problematiche tessili nonostante l importanza estrema che il settore rappresenta per l economia nazionale.

19 Alcuni risultati già noti Volendo passare in rassegna alcuni dei risultati già noti sull applicazione di questa tecnologia possiamo ricordare in breve tutta una serie di punti senza alcuna pretesa di completezza. Per quanto riguarda i processi di etching e inserzione di gruppi funzionali specifici su tessuti, l idrofilizzazione di fibre di per sé idrofobe può essere ottenuta facilmente mediante plasma di ossigeno, di azoto o di aria [4-7]. In generale tale effetto è causato dall inserzione di gruppi idrofilici di varia natura, tra i quali soprattutto gruppi ossidrilici, sulle catene polimeriche nonché all aumento dell area superficiale per fenomeni di ablazione e vaporizzazione locale. Ciò consente un incremento sensibile della tingibilità e della stampabilità di quasi tutti i materiali tessili sperimentati. L inserimento di gruppi amminici o solfonici risulta anch esso in grado di accrescere la tingibilità di vari tessili con coloranti di diverso tipo, mentre il trattamento con monomeri fluorurati permette di impartire ottime proprietà idrofobiche a cotone, seta, viscosa e lana. Tali proprietà risultano ben resistenti ai normali trattamenti di manutenzione domestica, senza modificare in alcun modo le proprietà fisico-meccaniche e di mano dei tessuti. La deposizione di metalli consente effetti coloristici particolari, nonché un accresciuta conducibilità termica. Un altro aspetto che fornisce risultati di notevole portata è la possibilità di aumentare le proprietà di adesività di un tessuto per spalmature successive, produzione di compositi o di accoppiati. Per esempio il trattamento al plasma di C 2 H 4 di un tessuto di PET ha condotto a un aumento di adesione tra una matrice di polietilene e un tessuto di poliestere di almeno 3 volte superiore. Notevoli miglioramenti nelle caratteristiche di ripresa dalla gualcitura della seta sono stati ottenuti utilizzando plasmi a base di tetradimetilsilossano. Gli effetti antifeltranti sulla lana sono molto ben noti e costituiscono uno

20 dei pochi campi dove la tecnologia del plasma ha già raggiunto applicazioni industriali consolidate. Come già accennato più volte gli studi applicativi in questo campo si stanno sviluppando molto fortemente, anche se in Italia, come al solito, le risorse disponibili per la ricerca nel settore tessile sia da parte pubblica che privata sono estremamente limitate e si rischia di essere costretti, in un futuro molto prossimo, ad un affannosa corsa di inseguimento per mantenere il contatto con le nazioni più avanzate tecnologicamente.

21 SINTESI: IL PLASMA Le applicazioni pratiche dei materiali polimerici solidi, come per es. le fibre tessili, sono spesso determinate in notevole misura dalle loro proprietà superficiali. Infatti, l idrorepellenza, l idrofilicità, l adesività, il comportamento antistatico, la lucentezza, la permeabilità, la biocompatibilità, la tingibilità e stampabilità, il comfort in generale e molte altre caratteristiche sono connesse più alle caratteristiche chimiche e fisiche dello strato superficiale del polimero che alla sua massa. La modificazione delle superfici polimeriche può essere ottenuta con metodi sia fisici che chimici. I metodi chimici convenzionali, di gran lunga i più utilizzati, consistono nelle tecniche di spalmatura. Tali tecnologie presentano spesso aspetti non del tutto accettabili dal punto di vista ambientale, quali l impiego di sostanze chimiche spesso tossiche o nocive e di solventi, elevati consumi energetici, modificazione delle caratteristiche di mano proprie dei substrati tessili, emissioni liquide e gassose che richiedono idonei trattamenti di purificazione. Ciò ha ridestato l interesse verso tecniche alternative di modificazione superficiale dei tessili quali l innesto di monomeri od oligomeri direttamente sulla fibra (grafting), trattamenti del tipo electron beam o corona e trattamenti con plasma freddo. Quest ultima tecnica presenta almeno dal punto di vista teorico notevoli vantaggi rispetto alle tecniche tradizionali, quali il basso consumo energetico, il bassissimo impatto ambientale e la notevole versatilità di effetti che possono essere ottenuti, utilizzando gas diversi e condizioni applicative diverse. * Stazione sperimentale per la Seta, Via Giuseppe Colombo Milano

22 La Bicocca per le imprese Le applicazioni delle tecnologie del plasma nell industria tessile Cos è il plasma, parametri fondamentali, plasmi freddi, la produzione del plasma e concetti impiantistici per il trattamento di fibre e tessuti di Giovanni Bonizzoni Effetti del plasma sui materiali polimerici di Espedito Vassallo

23 Cos è il plasma, parametri fondamentali, plasmi freddi di Giovanni Bonizzoni * In generale un plasma è un gas composto da ioni, elettroni, particelle neutre in stato fondamentale, specie eccitate, e fotoni. Tale miscela viene detta plasma se la quantità di carica positiva bilancia quella negativa, cioè il plasma deve essere globalmente elettricamente neutro. Proprietà detta di quasi neutralità. A differenza dei gas ordinari, i plasmi sono elettricamente conduttivi a causa della presenza di portatori di carica liberi. Infatti i plasmi possono raggiungere conduttività elettriche maggiori di quelle dei metalli a temperatura ambiente. Esempio, un plasma di H 2 a 1 atm riscaldato a 10 6 K ha circa la stessa conduttività elettrica del rame a temperatura ambiente. Esempi di plasmi naturali sono i lampi e l aurora boreale. Questi due fenomeni di plasma avvengono rispettivamente ad alta e molto bassa pressione. La pressione del plasma influenza non solo la propria luminosità (bassa nei plasmi tenui) ma anche l energia (temperatura) delle varie componenti del plasma e il loro stato termodinamico. I plasmi vengono caratterizzati in termini di Te e densità elettronica. La figura a lato mostra tale caratterizzazione. I plasmi utilizzabili per applicazioni nel campo tessile vengono detti plasmi freddi ed hanno le seguenti caratteristiche: sono sostenuti elettricamente

24 le collisioni delle particelle cariche con le molecole del gas neutro sono preponderanti la ionizzazione degli atomi neutri sostiene il plasma gli e - non sono in equilibrio termico con gli ioni Una semplice scarica è illustrata nella fig. sottostante Essa è generata da una differenza di potenziale che produce una corrente attraverso un gas a bassa pressione fra due elettrodi. Le molecole del gas vengono eccitate e ionizzate per formare il plasma. Di solito il plasma è debolmente ionizzato, cioè la densità di plasma è solo una piccola frazione della densità del gas neutro. Il plasma freddo è caratterizzato da alti campi elettrici in cui gli elettroni, a causa della loro elevata mobilità, raggiungono temperature molto più grandi di quelle degli atomi o degli ioni, che rimangono ad una temperatura prossima a quella ambiente. * CNR Istituto di Fisica del Plasma, via Cozzi 53, Milano

25 La produzione del plasma di Giovanni Bonizzoni * Per raggiungere lo stato di plasma freddo, l'energia per l eccitazione e ionizzazione del gas, viene fornita da una sorgente energetica esterna. La stato di plasma freddo non avviene a pressione atmosferica, ma a basse pressioni minori del kpa. Quindi, per la generazione del plasma sono necessari: 1) una sorgente energetica 2) un sistema da vuoto 3) una camera di reazione. Generalmente, l'energia elettrica per l eccitazione e ionizzazione di atomi e molecole viene usata come sorgente di energia. Per l'energia elettrica sono applicabili correnti continue, correnti alternate di frequenza di 50 o 60 Hz, e correnti con frequenze superiori. La potenza elettrica viene fornita in genere ad atomi e molecole nella camera di reazione da una coppia di elettrodi posti nella camera di reazione con un accoppiamento capacitivo con il generatore elettrico. Un modo di accoppiamento induttivo è possibile per generatori elettrici con una frequenza maggiore di 1MHz. Un sistema da vuoto è composto in generale da una combinazione di una pompa di pre-vuoto e una pompa di alto vuoto. CNR Istituto di Fisica del Plasma, via Cozzi 53, Milano

26 Effetti del plasma sui materiali polimerici di Espedito Vassallo * Il processo di trattamento via plasma dei materiali polimerici consiste essenzialmente nell esposizione della superficie del materiale ad un plasma a radio-frequenza. Il plasma generato è un gas parzialmente ionizzato composto da atomi eccitati, molecole, ioni, elettroni, radicali liberi ed altre particelle metastabili. Il processo fisico consiste nella collisione (associata a trasferimento di energia ricevuta dal campo elettrico) di elettroni liberi con le molecole del gas di processo con successiva dissociazione delle molecole del gas stesso, con formazione di numerose specie reattive che interagiscono con la superficie del materiale generando radicali liberi sulla superficie stessa. I radicali sono sottoposti a reazioni addizionali con il risultato di generare superfici che hanno delle proprietà molto differenti dal bulk del materiale iniziale Questi processi causano dei cambiamenti solo sulla superficie del materiale, quindi l effetto è confinato a pochi layers molecolari (anche pochi Angstroms) I gas o le miscele di gas, usate per il trattamento al plasma possono includere aria, azoto, ossigeno, argon, elio, metano, ammoniaca e differenti monomeri. Ogni gas produce una propria composizione di plasma e modifica differenti proprietà della superficie. Per ogni composizione di gas, durante il trattamento al plasma della superficie del materiale, diversi processi possono avvenire contemporaneamente: ablazione, attivazione, reticolazione e polimerizzazione.

27 Ablazione il bombardamento della superficie del materiale attraverso particelle energetiche e radiazioni rompe i legami chimici; i monomeri e gli oligomeri volatili ablati sono estratti con un pompaggio da vuoto. Attivazione i gruppi funzionali della superficie del materiale sono sostituiti con atomi o gruppi chimici differenti. Reticolazione rottura dei legami chimici sulla superficie del materiale (non ci sono radicali liberi aggiunti); formazione di un altro legame con un vicino radicale libero. Polimerizzazione gas reattivo polimerizza e aderisce alla superficie del materiale; generazione di nuove proprietà della superficie. * CNR Istituto di Fisica del Plasma, via Cozzi 53, Milano

28 Concetti impiantistici per il trattamento di fibre e tessuti di Giovanni Bonizzoni * Negli ultimi anni si è verificato un progressivo aumento d impiego di supporto flessibile trattato in vuoto nei settori più disparati e quindi una continua espansione nell'uso d impianti in alto vuoto a ciclo continuo o semi continuo oggi i familiari a molte aziende industriali. Mentre è ormai tecnologia acquisita l'utilizzo d impianti roll-to-roll per processi di metallizzazione su film plastici di ogni tipo, su carta e cartoncino, nel settore tessile queste tipologia d impianti è oggi disponibile solo per trattamenti superficiali di metallizzazione con alluminio o con metalli in genere su superfici tessili vere e su tessuti non tessili per impieghi tecnici di rivestimento e d isolamento. I processi di metallizzazione permettono un'alta velocità di scorrimento del supporto con velocità dell'ordine di centinaia di metri al secondo e con singolo passaggio al fine dell'ottenimento di uno strato di rivestimento su una singola faccia. La tecnologia al plasma per la modificazione superficiale del tessuto, indipendentemente dal tipo di processo richiesto, richiede invece il trattamento di entrambe le superfici e necessita di tempi di permanenza a contatto con il plasma in ogni caso più lunghi dell'ordine del secondo in funzione del tipo di processo e di substrato da trattare. Molto più agevole, dal punto di vista del trattamento al plasma su fibre tessili, è il trattamento del filato prima della tessitura poiché esso può essere fatto scorrere nella zona plasma a velocità elevatissima ma con numerosi rimandi in modo che il tempo di permanenza in ambiente plasma sia adeguato.

29 Anche la tipologia di impianto risulta semplificata e con l'accoppiamento plasma fibra più efficace. Durante il seminario saranno presentati schemi l'impianto roll-to-roll e per filo continuo, discusse le tipologie di sorgenti al plasma più idonee e commentate le richieste di impiantistica da vuoto. * CNR Istituto di Fisica del Plasma, via Cozzi 53, Milano A cura di Giorgio Carnevale - Consorzio Milano Ricerche Larice IRC Lombardia