1.2. Was ist Plasma?

Wird Materie kontinuierlich Energie zugeführt, erhöht sich ihre Temperatur und sie geht vom festen über den flüssigen in den gasförmigen Zustand über. Wird die Energiezufuhr weiter fortgesetzt, wird die bestehende Atomhülle aufgebrochen und es entstehen geladene Teilchen (negativ geladene Elektronen und positiv geladene Ionen). Dieses Gemisch wird als Plasma oder der "vierte Aggregatzustand" bezeichnet.

Kurz: Änderung des Aggregatzustands unter Energiezufuhr:
fest > flüssig > gasförmig > Plasma

In der Natur kommt Plasma z.B. in Blitzen, Polarlichtern, Flammen und der Sonne vor. Künstlich erzeugte Plasmen kennt man unter anderem durch die Neonröhre, vom Schweißen und von Blitzlichtern.

Aufbau einer Plasmakammer:

Abb. 15: Aufbau einer Plasmakammer

Die Ionisation beginnt mit dem Zusammenstoß eines Elektrons (negativ geladenes Teilchen) mit einem Molekül oder Atom des Restgases. Ein weiteres Elektron wird aus dem Molekül geschossen. Das Molekül wird zum positiv geladenen Ion und bewegt sich zur Kathode. Das Elektron fliegt zur Anode und trifft dabei weitere Moleküle. Die beschleunigten Kationen setzen aus der Kathode zahlreiche Elektronen frei. Dieser Vorgang setzt sich lawinenartig fort, bis das Gas ionisiert ist. Verschiedene Stoßprozesse führen zur Lichtemission. Diese elektrische Gasentladung bleibt solange bestehen, wie die Energiezufuhr erhalten wird.

Wechselspannungsquellen werden mit unterschiedlichen Frequenzen eingesetzt. Die Vor- und Nachteile der verschiedenen Anregungsfrequenzen werden in dem Kapitel 2.4., "Welche Frequenz ist die beste Frequenz" beschrieben.

Plasmen im Niederdruckbereich erwärmen die Behandlungsgüter nur leicht. Bei einer Kunststoffaktivierung von z.B. Polypropylen ist die Erwärmung kaum messbar. Beim Entfetten von Metallteilen kann es sein, dass sich die Behandlungsgüter bis auf 150° C erwärmen. Bei wärmeempfindlichen Teilen kann man die Temperatur mittels Kühlung oder geringerer Leistung regulieren.

Die bekannteste Anwendung von Plasma ist die Neonröhre. Bei Plasmaprozessen entsteht sichtbare und unsichtbare Strahlung. Der Bereich der erzeugten Strahlung reicht von infrarot bis zu ultraviolett. Die Infrarotstrahlung hat für den Plasmaprozess nur eine relativ geringe Bedeutung, sie bewirkt lediglich eine geringe Erwärmung der Behandlungsgüter. Die sichtbare Strahlung dient vor allem der Prozessbeobachtung. Anhand der Farbe und Intensität können Parameter wie Druck, Gasart und Generatorleistung kontrolliert werden. Die UV-Strahlung hat eine starke Auswirkung auf den Prozess, denn sie bewirkt chemische und physikalische Reaktionen an den Behandlungsgütern.

Abb. 16: Heliumplasma Abb. 17: Sauerstoffplasma, hoher Druck Abb. 18: Sauerstoffplasma, niedriger Druck

Im Plasmaprozess werden verschiedene Effekte ausgenutzt.

Abb. 19: Effekte im Plasmaprozess

Zum Teil wird die Oberfläche der Behandlungsgüter von den energiereichen Ionen nur mechanisch "mikrosandgestrahlt" (z.B. Edelgasplasma). Das entstehende Plasma reagiert chemisch mit dem Behandlungsgut (z.B. Sauerstoffplasma). Der UV-Strahlungsanteil im Plasma bricht Kohlenstoffketten auf, der Sauerstoff hat eine größere Reaktionsfläche und es werden Radikalstellen erzeugt (Abb. 19).

Bei Polymerisationsprozessen werden "Monomere" in die Kammer eingeleitet, die mit sich selbst chemisch zu "Polymeren" reagieren und sich dann als Schicht auf dem Behandlungsgut niederschlagen.