Atmosphärendruckplasma

Als Atmosphärendruckplasma (auch AD-Plasma oder Normaldruckplasma) bezeichnet man den Sonderfall eines Plasmas, bei welchem der Druck ungefähr dem der umgebenden Atmosphäre - dem sogenannten Normaldruck - entspricht.

Technische Bedeutung

Atmosphärendruckplasmen haben eine hervorgehobene technische Bedeutung, weil im Gegensatz zum Niederdruckplasma oder Hochdruckplasma kein Reaktionsgefäß nötig ist, das für die Aufrechterhaltung eines zum Atmosphärendruck unterschiedlichen Druckniveaus sorgt. Je nach Erzeugungsprinzip lassen sich diese Plasmen deshalb direkt in der Produktionslinie einsetzen. Kostenintensive Kammern zur Erzeugung eines Unterdrucks, wie sie in der Niederdruckplasmatechnik eingesetzt werden, entfallen.

Erzeugung des Plasmas

Man unterscheidet verschiedene Anregungsarten:

• AC (Alternating Current) Anregung
• DC (Direct Current) und Niederfrequenzanregung
• Anregung mit Radiowellen
• Mikrowellenanregung

Eine erwähnenswerte industrielle Bedeutung haben aber nur Atmosphärendruckplasmen erlangt, die durch AC-Anregung erzeugt werden (Koronaentladung und Plasmadüsen). Im folgenden Abschnitt wird näher auf die Plasmadüse eingegangen. Eine weitere wichtige Anwendung bildet die dielektrisch behinderte Entladung (DBE), welche zur Erzeugung von Ozon oder zu Behandlung von Kunststoffen eingesetzt wird. Weitere Plasmaerzeuger finden sich in Tendero et. al, siehe Literatur. Ebenso wichtig ist das Plasmaspritzen (thermisches Beschichtungsverfahren). Hierfür werden DC-Arc-Plasmen bei Atmosphärendruck verwendet ^[1]. Ein wichtiger Hersteller im Bereich Plasmaspritzen ist z.B. Sulzer Metco.

Funktionsprinzip einer Plasmadüse

Schema einer Plasmadüse DE 19522412

In der Plasmadüse wird mittels Hochspannungsentladung (5 - 15 kV, 10 - 100 kHz) ein gepulster Lichtbogen erzeugt. Ein Prozessgas, gewöhnlich wird ölfreie Druckluft eingesetzt, das an dieser Entladungsstrecke vorbeiströmt, wird angeregt und in den Plasmazustand überführt. Dieses Plasma gelangt anschließend durch einen Düsenkopf auf die Oberfläche des zu behandelnden Materials. Der Düsenkopf liegt auf Massepotential und hält so potentialführende Teile des Plasmastromes weitgehend zurück. Zusätzlich bestimmt er die Geometrie des austretenden Strahls.

Anwendungen

Industrielle Anwendung findet die Plasmadüse unter anderem zur Aktivierung und Reinigung von Kunststoff- und Metalloberflächen vor Verklebe- und Lackierprozessen. Auch Bahnware mit Behandlungsbreiten von mehreren Metern lässt sich heute durch Aneinanderreihung vieler Düsen behandeln. Die durch die Plasmadüse erzielte Modifikation der Oberfläche kann dabei durchaus mit den im Niederdruckplasma erzielten Effekten verglichen werden.^[2]

Der Plasmastrahl kann, abhängig von der Leistung der Düse, bis zu 40 mm lang sein und eine Behandlungsbreite von 15 mm erzielen. Spezielle Rotationssysteme ermöglichen heute eine Behandlungsbreite pro Düsentool von bis zu 13 cm.^[3]

Die Plasmaquelle wird je nach erforderlicher Behandlungsleistung im Abstand von 10 – 40 mm mit einer Geschwindigkeit von 5 – 400 m/min relativ zur Oberfläche des zu behandelnden Materials bewegt.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Systeme liegt in der so genannten Inlinefähigkeit, das heißt, ein Einbau in bestehende Produktionsanlagen ist meist problemlos möglich. Die Kosten sind hingegen vergleichsweise gering. Zudem ist die erzielbare Aktivierung deutlich höher als bei potentialbehafteten Vorbehandlungsmethoden (Koronaentladung).

Seit einigen Jahren besteht auch die Möglichkeit mit diesen Systemen die unterschiedlichsten Oberflächen zu beschichten. So können Korrosionsschutzschichten und Haftvermittlerschichten auf diverse Metalle lösungsmittelfrei und somit sehr umweltfreundlich aufgetragen werden.

Einzelnachweise

1. ↑ http://www.gordonengland.co.uk/ps.htm
2. ↑ Noeske M., Degenhardt J., Strudthoff S., Lommatzsch U: Plasma Jet Treatment of five Polymers at atmospheric Pressure: Surface Modifications and the Relevance for Adhesion; International Journal of Adhesion and Adhesives; 24 (2); 2004, S. 171-177
3. ↑ Buske C.; Förnsel P.: Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen; EP 0986939

Literatur

• Tendero, C.; Tixier, C.; Tristant, P.; Desmaison, J.; Leprince, P.: Atmospheric pressure plasmas: A review; Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy; 2005.
• Förnsel, P.: Vorrichtung zur Oberflächen-Vorbehandlung von Werkstücken; DE 195 32 412
• R. Kovacs, N. Bibinov, P. Awakowicz, H.-E. Porteanu, S. Kühn, R. Gesche: An Integrated Atmospheric Microwave Plasma Source; Plasma Processes and Polymers, No. 6, 2009.

Weblinks

• Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM): Plasmatechnik und Oberflächen – PLATO (PDF-Datei; 106 kB)
• Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik Berlin: Mikroplasmaquellen
• Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie (INP Greifswald e.V.)