tratamiento de superficies mediante técnicas de plasma para

TECNOLOGÍAS LIMPIAS EN EL
SECTOR TEXTIL
TRATAMIENTO MEDIANTE
TÉCNICAS DE PLASMA PARA
MEJORA DE PROPIEDADES EN
SUBSTRATOS POLIMÉRICOS
Jornada Xarxa Ambiental
Sostenibilidad en las Empresas
(10 noviembre 2009, AITEX Alcoi)
María Blanes Company
(Responsable G. I. Acabados Técnicos y Confort)
Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
 Tratamiento de superficies
 Tecnología de plasma
- Plasma a baja presión
- Plasma por descarga corona
 Consecuencias y resultados
 Conclusiones
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10/11/09
Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Tratamiento de superficies
Procesos químicos o físicos que modifican la
superficie de un material mejorando sus propiedades
superficiales, tales como corrosión, dureza,
humectabilidad, adhesión…, sin afectar a las
propiedades generales del material tratado.
Directamente
Indirectamente mediante la deposición de una
capa de algún otro material.
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Tratamiento de superficies
Principales técnicas de tratamiento superficial empleadas
sobre textiles y plásticos, y sus características principales.
Humectación
(mojabilidad)
Mejora
adhesión
P atmosfér.
T ambiente
Bajo coste
equipos
Plasma BP
SÍ
SÍ
NO
SÍ
NO
SÍ
Medio
Sí
Plasma
Corona
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
Bajo
Genera O3
Electron
beam
Limitada
NO
NO
SÍ
NO
SÍ
Alto
Sí
UV-coat
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
NO
Medio
Sí
Proceso en seco Coste global
Ecológico
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Tecnología de plasma para modificación superficial
de substratos poliméricos
El plasma está considerado el cuarto estado de la materia,
consistiendo en la ionización (parcial o total) de un gas o
mezcla de gases, gracias a la aplicación de un campo eléctrico
entre dos electrodos.
Se
generan
especies
activas (electrones, iones,
radicales
libres…)
que
interaccionan con las capas
más exteriores del sólido,
modificándolo
a
nivel
superficial.
Plasmas generados de manera natural o artificial
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Tecnología de plasma para modificación superficial
de substratos poliméricos
PLASMA
La elevada reactividad de dichas
especies activas presentes en el
plasma
provocará
efectos
superficiales de:
- Limpieza.
- Activación/modificación.
-Deposición
(plasmapolimerización).
e
+
M
M
e
M
M
*e
º
~
~
+ *
M
º
M
+
SUBSTRATO
M
~
M
º
M
*
e
e
*
+
e
M
M
º
+
M
*
M
M
*
º
GAS
VACIO
M:GAS;
M*:MOLECULAS
EXCITADAS; Mª:RADICALES;
e:ELECTRONES;
+:
CATIONES; ~: FOTONES
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Tecnología de plasma para modificación superficial
de substratos poliméricos
Pueden emplearse diversos gases en la generación de
plasma, dependiendo de la técnica empleada y del efecto a
conseguir:
 Gases de naturaleza inorgánica (O2, N2, aire, gases
nobles…): efectos de limpieza y/o activación superficial.
 Gases de naturaleza orgánica (hidrocarburos o
compuestos de Si-reactivos orgánicos como el
hexametildisiloxano, HMDSO) se podrá obtener el efecto
de deposición/plasmapolimerización.
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Tecnología de plasma para modificación superficial
de substratos poliméricos
Hay diferentes formas de inducir la ionización de
los gases, en función de la tecnología aplicada:
 Descarga luminiscente “Glow discharge”.
 Descarga corona.
 Descarga barrera dieléctrica.
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Plasma a baja presión
Este tipo de plasma (también conocido como descarga
luminiscente o “glow discharge”) se genera en cámaras de
reacción a presiones muy reducidas (entre 0,1 y 1 mbar).
Es el método que permite tratamientos con más
uniformidad y reproducibilidad de resultados.
El plasma con esta tecnología se
obtiene aplicando una diferencia de
potencial entre pares de electrodos,
mediante un generador de energía, que
puede ser de baja frecuencia (50 Hz) o
radiofrecuencia (40 kHz a 13,56 MHz)
ionizando así el gas de tratamiento.
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Plasma a baja presión
Las principales ventajas que aporta esta técnica son la
homogeneidad del tratamiento, necesaria para mejorar las
propiedades humectantes y de adhesión de los substratos
tratados, así como la posibilidad de trabajar con distintos tipos
de gases y conseguir tanto superficies hidrófobas como
hidrofílicas.
Las desventajas principales son que se trata de un proceso
discontinuo al tener que trabajar a bajas presiones, por lo que
material es tratado por lotes, así como el elevado coste de los
equipos.
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Plasma por descarga corona
Se produce al aplicar un voltaje elevado (del orden de kV)
entre un par de electrodos metálicos de geometría
determinada. El substrato en forma de film/lámina pasa por el
espacio libre entre los electrodos y es tratado mediante el aire
ionizado a presión atmosférica.
El aire ionizado mediante descarga
corona es el causante del aumento
de la energía superficial de los
materiales tratados y, por tanto, del
aumento en la hidrofilidad y la
capacidad de adhesión.
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Plasma por descarga corona
Arriba izquierda: electrodo cilíndrico
dieléctrico y paso del no tejido por la
estación de tratamiento; arriba
derecha: luz emitida por el plasma
corona generado. Abajo: electrodo
superior e inferior, con el no tejido
entre ellos, listo para ser tratado.
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Plasma por descarga corona
El nivel de tratamiento depende de factores tales como el
tipo de material a tratar, la potencia suministrada y la
velocidad de paso del substrato. El tratamiento en
continuo es la principal ventaja de esta técnica.
Por el contrario, las desventajas que presenta la
tecnología de descarga corona para el tratamiento de
polímeros hacen referencia a cierta no homogeneidad del
tratamiento, a la limitación de utilizar únicamente aire
como gas de tratamiento y a la generación de ozono, al
ionizar el aire.
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Consecuencias y resultados
- Mejora del escaso carácter hidrofílico de las fibras sintéticas.
- Mejora de la capacidad de adhesión en los tejidos tratados y
en láminas, films o membranas, y más receptividad hacia
productos de acabado en tejidos (para recubrimiento o
fulardado).
- Aumento de la capacidad de absorción de colorantes.
- Incremento de la microrrugosidad de las fibras, generándose
en el caso de la lana un efecto antipilling/antienfieltrado.
- Mejora de las propiedades mecánicas en laminados (↑ R
pegado).
- Mejora de la capilaridad y de la penetración de la tintura.
- Limpieza superficial.
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Consecuencias y resultados
Antienfieltrado
Tintura/
estampación
O2
aire/Ar/N2/O2
Humectación
(mojabilidad)
Hidrofobicidad
Lino
aire/Ar/N2/O2
SF6
Seda
aire
SF6
Algodón
aire/Ar/N2/O2
HMDSO
Lana
aire
Poliéster
N2/O2
PP
CO2/O2
N2/O2
PET film
He/H2/Ar/N2/O2
N2/O2
PE / PP film
aire/O2
N2/aire/O2
PTFE film
He/H2/Ar/NH3
He/H2/Ar/NH3
Recuper. arrugas
Capacidad adhesiva
NH3
He/H2/N2
O2
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Consecuencias y resultados
Gota de agua sobre film
sin tratamiento (izqda)
y sobre film tratado
durante 2 min con
plasma de O2 a baja
presión (dcha). Se pasa
de algo más de 90º a
poco más de 40º.
El aumento de la mojabilidad se relaciona con el incremento
de la energía superficial del material y, por tanto, con la
mejora de la capacidad adhesiva del substrato polimérico.
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Consecuencias y resultados
El aumento de mojabilidad se traduce en disminuciones del
ángulo de contacto de los materiales e incremento de la
energía superficial.
100
70
Film de PE.
agua
glicerol
Film de PE.
60
Ángulo de contacto (º)
2
Energía superficial (mJ/m )
90
80
70
60
50
50
40
30
20
40
10
30
0
No tratado
500 W;15 m/min
(corona)
(baja presión) (baja presión)
2 min O2
2 min N2
No tratado
2 min O2
2 min N2
500 W;15 m/min
(corona)
(baja presión) (baja presión)
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Consecuencias y resultados
8
7
R mecánica delaminado (N)
Al laminar un film de PE sobre
espuma poliolefínica (usando PU
reactivo como adhesivo), se obtienen
estos valores de resistencia al
delaminado: el film no tratado tiene
una pobre adherencia, mientras que
el tratado ha experimentado una
notable mejora al delaminado.
6
5
4
3
2
1
0
No tratado
2 min O2
2 min N2
500 W;15 m/min
(corona)
(baja presión) (baja presión)
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Consecuencias y resultados
Mejora de la mojabilidad en un
tejido flocado de PA6,6 (tratado 1
min con plasma de O2).
Mejora de la estabilidad en la
estampación de un tejido de rizo de
PES (tratado 1 min con plasma de O2).
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Consecuencias y resultados
ESTABILIDAD TEJIDO ALGODÓN PLASMAPOLIMERIZADO FRENTE LAVADOS 40ºC
120
100
98,618
95,58
90,672
84,75
101,772
100,885
101,374
95,019
94,512
90,144
89,672
84,1
83,604
91,106
84,761
84,197
84,938
81,941
82,709
80
Angulo de contactoq)(
90,026
73,368
68,28
60,243
60
50,924
46,918
42,393
40
39,601
20
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Tiempo (s)
Tejido sin tratar
Tejido tratado con 10 min monómero Primer lavado
Segundo lavado
Tercer lavado
Cuarto lavado
Quinto lavado
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Conclusiones
La tecnología de plasma es una alternativa de
pretratamiento donde de un modo seco, amigable con
el medioambiente y eficiente a nivel de coste, sin
operaciones manuales ni uso de productos químicos,
se modifica la superficie de un textil o film polimérico a
nivel microscópico, para hacerlo más receptivo a la
sustancia que se vaya a aplicar (líquidos, resinas,
adhesivos…) o para inducirle carácter hidrofílico o
hidrofóbico en vistas a una aplicación final concreta.
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Tecnologías Limpias en el Sector Textil – Tratamientos de plasma
Conclusiones
La tecnología de descarga corona es una técnica
ampliamente utilizada con éxito sobre substratos
plásticos en forma de films para aumentar la afinidad
de tintas y adhesivos, estando actualmente en estudio
su aplicación sobre textiles para aumentar la
hidrofilidad y la capacidad de adhesión de las fibras
sintéticas.
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AITEX, centro de
investigación e innovación, y
servicios técnicos avanzados
para los sectores textil,
confección y textiles técnicos