INFORMATIVA N. 7/2011. Tecnologia Plasma a pressione atmosferica Made in Italy

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1 INFORMATIVA N. 7/2011 Tecnologia Plasma a pressione atmosferica Made in Italy Lo sviluppo della tecnologia Plasma a livello industriale è, da anni, argomento di studio di molti centri di ricerca a livello mondiale. Tutto questo è dovuto, principalmente, a due motivi: il plasma è una tecnologia a bassissimo impatto ambientale e, potenzialmente, è in grado di conferire alla superficie dei materiali trattati n funzionalità, dove n non è infinito ma è, comunque, un numero molto grande. Il plasma, se preso nella sua accezione più generale, possiamo dire che è in grado di funzionalizzare la superficie di qualsiasi materiale, indipendentemente dalla sua composizione e forma: questo non vuol significare che con un plasma è possibile realizzare quanto appena detto, ma piuttosto che, individuato il materiale da funzionalizzare, questo potrà essere reso funzionale impiegando un plasma caratterizzato da un range ben determinato di energie, utilizzando un sistema di generazione del plasma conforme alla struttura del materiale e che sarà in grado di conferire al materiale un set di funzionalità sicuramente minore di n. In altre parole, un sistema plasma adatto a funzionalizzare tessuti o film polimerici non è idoneo alla funzionalizzazione di manufatti in legno o in metallo, così come un sistema sviluppato per conferire funzionalità organiche sarà diverso da un sistema di metallizzazione, ecc. Tutto questo ha portato all instaurarsi di diversi filoni di sviluppo della tecnologia plasma in funzione della sua applicazione industriale finale. Che cos è il Plasma? Il plasma è un gas parzialmente ionizzato composto da una miscela di elettroni, particelle cariche positivamente e negativamente, atomi neutri e molecole. È considerato il quarto stato della materia, il più reattivo. Le specie che lo compongono, infatti, sono capaci di innescare reazioni chimiche e fisiche sulle superfici dei polimeri sottoposti a processo e quindi produrre alterazioni delle proprietà e della morfologia sia in modo transitorio che permanente. Le principali interazioni che possono avvenire tra il plasma ed i polimeri sono: degradazione (etching) della superficie esterna del polimero, innesto di atomi presenti nel plasma, formazione di radicali nella catena polimerica e polimerizzazione.

2 Sistemi per la generazione del Plasma Un plasma può essere originato mediante generatore a: Bassa frequenza (LF, khz) Radio frequenza (RF, 13,56 o 27,12 MHz) Microonde (MW, 915 MHz o 2,45 GHz) Le potenze richieste spaziano da 10 a watt, in funzione del sistema impiegato per la generazione del plasma e del trattamento che si desidera realizzare. Di seguito vengono brevemente descritte le forme più comuni di plasma a pressione atmosferica. Trattamento Corona La cosiddetta scarica Corona consiste di tanti filamenti luminosi che, partendo dall elettrodo sotto tensione, attraversano il substrato che scorre sull elettrodo di massa (sistema capacitivo). Il trattamento Corona rappresenta, sicuramente, il processo plasma storicamente più vecchio ed anche il più usato: ha il vantaggio di operare a pressione atmosferica, impiegando come gas di processo l aria dell ambiente. I sistemi Corona incontrano, in linea di principio, le richieste dell industria tessile (altezza e velocità), ma il tipo di plasma prodotto non è in grado di conferire l ampio spettro di funzionalità di superficie necessarie per i tessuti ed i tessuti-non-tessuti. In particolare, i sistemi Corona mostrano, a basse potenze, una scarsa penetrabilità all interno dei filati o dei tessuti, tanto da rendere il loro effetto limitato e di breve durata mentre, a potenze elevate, l energia dei filamenti luminosi è tale da deteriorare il substrato. Inoltre, proprio per la natura dei filamenti che sono localizzati e puntiformi, è impossibile realizzare un trattamento uniforme. Trattamento HDBD (Homogeneus Dielectric Barrier Discharge) I plasmi DBD raggruppano un ampia gamma di sistemi plasma caratterizzati dal fatto di avere uno o entrambi gli elettrodi rivestiti di un materiale isolante (dielettrico) e di operare con generatori di potenza compresi nel range che va dalla bassa frequenza AC ai 100 khz. Anche il trattamento HDBD è fondamentalmente un sistema capacitivo. In questo caso, però, andando a configurare opportunamente i parametri di controllo come la composizione dei gas di generazione del plasma, la frequenza della potenza applicata, la distanza degli elettrodi e la loro conformazione, il DBD classico (microfilamentare) può essere trasformato in una scarica omogenea, continua e diffusa che prende l aspetto di un bagliore uniforme su tutto il volume del plasma.

3 Il Know-how di NEXT TECHNOLOGY Tecnotessile Nel 2000, La NEXT TECHNOLOGY Tecnotessile ha iniziato a studiare questa tecnologia, a cavallo tra la fisica e la chimica, partendo con un sistema a bassa pressione (altrimenti detto sotto vuoto, Figura 1), Figura 1 Prototipo Plasma LPGD di NEXT TECHNOLOGY Tecnotessile arrivando, nel 2005, a realizzare il suo primo prototipo di plasma a pressione atmosferica (Figura 2) Figura 2 Prototipo Plasma HDBD della NEXT TECHNOLOGY Tecnotessile Il prototipo plasma HDBD è in grado di trattare tessuti o materiali simili (come carta e film polimerici) di altezza massima 50 cm in continuo, con una velocità variabile da 2 a 20 m/min. Il prototipo plasma HDBD non è stato il punto di arrivo ma, bensì, il punto di partenza da cui NEXT TECHNOLOGY Tecnotessile ha iniziato il suo percorso di ottimizzazione del gruppo elettrodico che ha portato, nel 2007, alla realizzazione di un sistema di elettrodi concettualmente nuovo (Brevetto No. BO2007A000306).

4 La NEXT TECNOLOGY TECNOTESSILE, nell ambito di un recente progetto di ricerca, ha studiato e realizzato, in collaborazione con UNITECH TEXTILE MACHINERY di Montemurlo (PO), un prototipo industriale di macchina plasma HDBD (Next Plasma) attualmente installato e funzionante presso un azienda del distretto di Prato. La scarica per l accensione è controllata da un generatore elettronico AC a frequenze variabili fra 30 e 100 khz. Ciò si traduce in un plasma freddo e in una moltitudine casuale di archi di scarica che si forma tra gli elettrodi. Generalmente queste micro-scariche non uniformi non hanno un potenziale tale da generare un trattamento disomogeneo. Durante lo scorrimento del tessuto fra gli elettrodi, vengono insufflati uno o più gas tecnici in miscela per favorire, sia la formazione della nuvola di plasma, che per ottenere funzionalizzazioni differenti sul materiale. La macchina industriale NEXT PLASMA Fondamentalmente la macchina NEXT PLASMA è costituita da una serie di cilindri per il posizionamento e l alimentazione del tessuto, da un cilindro di grande diametro (controelettrodo) sul quale vanno a lavorare gli elettrodi alimentati con l alta tensione. Il controelettrodo è ricoperto di materiale isolante che costituisce la barriera dielettrica. Ogni elettrodo è collegato alla rete di distribuzione dei gas di processo. Sfruttare gli elettrodi stessi come diffusori ed iniettori dei gas, consente di avere un plasma molto uniforme limitatamente alla faccia dell elettrodo prospiciente il tessuto. Immagine della macchina Next Plasma lato uscita

5 Elettrodi durante la generazione del plasma Ogni gas ha un proprio circuito di alimentazione separato e dotato di dispositivi per la regolazione della pressione e della portata. Prima di essere diffusi nella zona di trattamento, i gas passano tramite una camera di espansione necessaria per la loro completa miscelazione. La macchina Next Plasma è inserita in una linea composta da uno svolgitore/centratore a monte e a valle da un rotolatore capace di lavorare sia su grandi rotoli che in falda.

6 Layout linea macchina NEXT PLASMA Il software di controllo del modulo Next Plasma consente la gestione della potenza applicata agli elettrodi in tre modalità differenti: a modalità MANUALE b modalità AUTOMATICO POTENZA EROGATA c modalità AUTOMATICO POTENZA SPECIFICA In modalità MANUALE l operatore inserisce direttamente da touch screen il valore in percentuale della potenza da applicare agli elettrodi. La velocità del tessuto viene regolata in maniera indipendente dall operatore stesso. In modalità AUTOMATICO POTENZA EROGATA, si inserisce il valore della potenza che il generatore deve fornire al processo ed il software provvederà, tramite un algoritmo, a mantenere tale valore costante anche al variare degli altri parametri. In modalità AUTOMATICO POTENZA SPECIFICA si definisce a priori la potenza specifica da applicare al tessuto (potenza su unità di superficie misurata in Wmin/m 2 )e la si imposta nella pagina di programma

7 dedicata. Il microprocessore di controllo provvederà a mantenere stabile tale valore anche al variare degli altri parametri (es. velocità). La linea è stata dimensionata per lavorare con tessuti di altezza 1,8 m ad una velocità variabile fino a 30 m/1. Queste velocità sono dettate esclusivamente dalla tipologia di lavorazioni tipica del cliente finale e possono quindi essere variate, entro determinati limiti, per incontrare le singole esigenze di produzione. La potenza specifica è indirettamente proporzionale alla velocità del tessuto. Riportiamo di seguito le curve tipiche dell andamento della POTENZA SPECIFICA in funzione delle velocità di lavoro. P o te n za W Potenza Specifica Wmin/m Velocità m/min Andamento della potenza specifica in funzione della velocità Chiunque sia interessato ad ulteriori informazioni o ad effettuare prove di trattamento plasma, non esiti a contattarci, saremo ben lieti di dimostrare l efficacia di questo trattamento plasma a pressione atmosferica. Next Technology Tecnotessile, Via del Gelso 13, Prato, , tecnotex@tecnotex.it,