Atmosferische plasmabehandeling van textiel

Plasma: de vierde aggregatietoestand voor de ‘proper’ en ‘droog’ voor- en
het voor- en nabehandelen van textiel
Deel 1: Atmosferische Bestralingstechnieken
Prof dr Marc Van Parys, ing. Ilse Garez, ing Tom Van Hove (TO2C)
1. Inleiding
Industriële problematiek
‘Natte’ oppervlaktebehandelingen
Topochemische reacties zijn processen specifiek gericht op het wijzigen (fysisch,- en chemisch)
van het textieloppervlak. Bij de chemische oppervlaktebehandelingen beoogt men de introductie
van polaire functionele groepen en/of het gedeeltelijk wegetsen van het oppervlak. De chemische
technieken maken doorgaans gebruik van agressieve chemicaliën. Typische voorbeelden zijn het
afkalven van polyester- en celluloseacetaatvezels door middel van NaOH, vaak in combinatie met
een kationisch hulpmiddel. Deze processen worden vooral op industriële schaal toegepast in het
Verre Oosten (Z-Korea, Taiwan, Japan), Tot voor kort was er in België één bedrijf dat dit procédé
heeft toegepast, zonder succes evenwel. De vele nadelen inherent verbonden aan deze technieken
vormden onoverkomelijke obstakels voor een grootschalige en succesvolle toepassing. Men noteert
o.a. het sterke gewichtsverlies van het textiel (tot 30 %), en de daaraan verbonden economische en
ecologische nadelen (chemicaliën, diverse hulpmiddelen zoals natmakers, buffersystemen,
degradatieproducten...), alsook het moeilijk beheersen en optimaliseren van het proces (cfr.
polaire chemicaliën toegepast op apolaire substraten).
‘Ecovoorbehandelen en ecoveredelen’
De algemene trend is de verschuiving van de ‘zware’ chemie naar alternatieve ‘clean- of zero
pollution’-technologieën. Het veelvuldiger gebruik van de biochemie is reeds gemeengoed in de
textiel. Hierbij worden de agressieve chemicaliën vervangen door milieuvriendelijke producten
zoals enzymen (cellulasen, proteasen...). Dit resulteert in een positieve impact op zowel de
milieuproblematiek als op de kwaliteit en de specificiteit van het eindproduct. Het blijft evenwel
een ‘nat’ proces met inherent daaraan verbonden de relatief hoge kosten voor drogen,
waterverbruik en energieconsumptie.
‘Droge’ behandelingen
Een nog verdere stap zijn de bestralingstechnieken zoals UV-laser bestraling (figuur 1) en de
plasmatechnologie. ‘Droge’
plasmatechnologieën zijn
technologische,
economische en
milieuvriendelijke alternatieven voor tal van ‘natte’ topochemische processen.
Figuur 1: UV-laser bestraling van PES-vezels
Een algemene vergelijking tussen natte en droge processen is geïllustreerd in tabel 1.
Tabel 1: plasmatechnieken versus klassieke ‘natte’ veredeling
Deze ‘droge’ technologie voldoet aan nieuwe noden in de textielsector op het niveau van economie en
ecologie, een sector die nog steeds zeer actief is in Vlaanderen.
2. De industriële implementatie van lagedruk-plasma en - in mindere mate - corona is vrijwel nihil
Niettegenstaande de werking van een lagedrukplasma als discontinu proces alsook de onderliggende
chemie vrij goed gekend zijn, bleef de extrapolatie van het lagedrukplasma naar een industriële
schaal evenwel uit. Diverse redenen liggen aan de grondslag hiervoor. Het beschikbare
lagedrukplasma is niet steeds industrievriendelijk: a) het discontinue karakter van deze techniek,
b) hoge investerings- en werkingskosten (een vacuüm -lage druk van ca. 1,5 mP- en speciale
voorzorgsmaatregelen zijn noodzakelijk), c) de toepasbaarheid op geringe breedtes, d) het tal van
moeilijkheden bij de transfer van laboratorium- naar industriële schaal, en e) de complexiteit
van het proces (lees: veelvoud aan dominante procesparameters zoals kamerdruk,
gasstroomsnelheid, elektrische stimulatie - MHz, GHz-, kamervolume, procesduur, procesgas en
-mengsel, gasventilatie,
en substraatvariabelen zoals aard, geometrie en ruwheid van het
substraat, voorverwarming of temperatuur van het substraat, dode tijd, temperatuur en omgeving
tussen het plasmaproces en verdere applicatie) die de consistentie van het proces sterk
bemoeilijken. Volledigheidshalve moet vermeld worden dat deze lage drukplasmatechnologie voor
bepaalde textieltoepassingen wel degelijk een hoge veredelingswaarde kan hebben (zie deel 2).
De positieve werking van een standaard-coronabehandeling (CD - Corona Discharge) op een
textielsubstraat is daarentegen reeds diverse malen aangetoond op synthetische textielsubstraten.
Het proces is evenwel moeilijk beheersbaar, alleen de intensiteit kan worden ingesteld. Voor heel
wat textieltoe-passingen is de klassieke coronabehandeling echter ruim voldoende. De behandeling
resulteert meestal in betere hechtingseigen-schappen van het behandelde oppervlak. De toepassing
situeert zich vooral bij PES en PP als een voorbehandelingsstap bij het daarop-volgend coaten en
lamineren. Jammer genoeg hebben ook coronatechnieken tot op heden onvoldoende hun weg gevonden
naar de Vlaamse veredelingsbedrijven. Slechts een drietal textielbedrijven in passen deze techniek
grootschalig toe, met succes overigens. Het geringe succes van deze techniek in Vlaanderen is zoals
reeds eerder vermeld vooral toe te schrijven aan het feit dat coronatechnieken zich nog te veel in
de ‘schemerzone’ bevinden en aan de vooringenomenheid en argwaan van sommige bedrijven om de
traditionele ‘natte’ paden te verlaten.
Nieuwe industrievriendelijke en -relevante plasmatechnieken
De situatie is evenwel duidelijk veranderd. Nieuwe belangrijke ontwikkelingen in de
plasmatechnologieën kunnen bijdragen tot de industriële implementatie van deze technieken.
Inderdaad, de ontwikkeling van atmosferische plasma- en Corona-WASKO-eenheden (AlhbrandtD) kunnen het scepticisme t.o.v. deze technieken wegwerken.
• De ‘in-lijn’-mogelijkheden alsook de geringere kostprijs en eenvoud van deze
systemen zijn belangrijke troeven. De ‘in-lijn’-toepassing verhoogt de flexibiliteit
(geen onderbreking van andere continue systemen) en elimineert econo-mische
restricties (geen dure vacuüminstallatie noodzakelijk).
• In tegenstelling tot de klassieke voorbehandelingen en veredelings-bewerkingen heeft
men geen water en zware chemie nodig voor het bekomen van bepaalde resultaten. Deze
‘droge en propere’ technieken passen dan ook volledig in de filosofie van een duurzaam
veredelen (lees: economisch en ecologisch verantwoord produ-ceren).
• In tegenstelling tot het lagedruk-plasma is bovendien het aantal procesvariabelen
sterk gelimi-teerd. Dit leidt gewoonlijk tot een zeer betrouwbaar en reproduceerbaar proces. Procesverander-lijken zijn o.a. de duur en intensiteit van de
bestraling, druk, en temperatuur.
• MAAR vooral op technisch vlak bieden deze technieken niets dan voordelen. De
potentiële mogelijk-heden van een atmosferische- en WASKO-plasma bij de
ontwikkeling van nieuwe producten met een hogere toegevoegde waarde zijn legio
(bijv. chemische bestendig-heid, zelfreinigende effecten ...).
• Ten slotte, worden er steeds nieuwe eisen gesteld door de introductie van ‘nieuwe’
producten, het frequenter gebruik van mengsels, hogere productiesnelheden en het
onder controle houden of beheersbaar maken van dominante procesparameters. Het is
duidelijk dat vele, momenteel toegepaste chemische behandelingen niet steeds kunnen
voldoen aan deze eisen en evoluties. Kortom, de introductie van alternatieve ‘clean’- of
‘zero pollution’-technieken wordt een must.
Economische impact
Om economisch te produceren moet men uiteraard het energieverbruik optimaliseren. Vanuit
economisch standpunt is het duidelijk dat de ‘droge’ plasma-opties zich kunnen vertalen in een
aanzienlijke besparing van het energie- en waterverbruik en dito kosten, zoals de behandeling zelf
en de daaropvolgende stappen (was- en spoelprocessen), wateropwarming, en besparingen van
droogkosten en effluent. Ze resulteren eveneens in gereduceerde arbeidskosten, kosten voor
chemicaliën en in een productiviteitsverhoging.
Kortom, plasmatechnieken vertegenwoordigen op korte en zeker op middellange termijn een
belangrijk economisch voordeel tegenover traditionele natte processen. Dit laat toe de
investeringen op een korte termijn af te schrijven. Water- en energieconsumptie, en
effluentpollutie moeten vandaag en nog meer in de toekomst aan strengere eisen voldoen zodat de
effectieve kostenbesparingen navenant zullen toenemen. Ook de totale behandelingstermijnen zullen
ingekort worden waardoor een snelle respons op de marktvraag mogelijk wordt. Finaal zal dit ook
de kwaliteit van het materiaal ten goede komen.
Kortom, deze technieken beantwoorden aan de vraag naar nieuwe procédés waarbij hoge kwaliteit
samengaat met een laag energie-, en waterverbruik.
3. Vergelijking van plasmabehandelingen tegenover klassieke natte processen
Klassieke ‘natte’ methoden
Topochemische reacties van textielmaterialen door middel van ‘natte’ behandelingen vereisen tal
van machines zoals voormengkuipen, verfmachines, impregnatiesystemen, drogers, h y d r o extractietoestellen,… Bovendien zijn ‘natte’ processen opgebouwd uit een aantal tijdrovende fasen:
• de voorbereiding: vooreerst moet het aan te brengen product op het textiel, opgelost of
gedispergeerd worden. Dit vergt tijd, handelingen, soms warmte en soms een afzuiging
van dampen;
• het proces: het textielmateriaal moet in een beperkte hoeveelheid (afhankelijk van de
capaciteit van de machine) in een proceskuip ondergedompeld worden in een
aangepaste hoeveelheid voorbereide vloeistof. Vervolgens wordt door mechanische
middelen het contact geïntensiveerd tussen de vloeistof en het textiel (roeren, v e r f sproeikoppen, drukrollen, rakels,…). Dit vraagt tal van handelingen, hitte (stoom),
pompen, verdunnen, lozen, zuiveren,…
• het drogen: typisch voor een ‘nat’ proces is de hydro-extractie en de droging van het
behandelde materiaal door middel van spanramen en droogtunnels. Hier opnieuw zijn
een groot aantal handelingen, intern transport, hitte, aandrijvingen en tijd nodig.
Ter informatie: de onderverdeling van het energieverbruik (in
GJ) tussen ‘natte’
veredelingsprocessen en mechanische processen schat men als volgt in: ongeveer 2/3 van het totale
energieverbruik gaat naar de natte veredelingsprocessen; ongeveer 1/3 gaat naar mechanische
processen. De onderverdeling van het energieverbruik ziet er als volgt uit:
• 70% thermisch (ongeveer 235.000 ton olieëquivalent)
• 30% elektrisch (ongeveer 1,2 miljard kWh)
Ten slotte moet worden opgemerkt dat in topochemische processen vaak een deel van de actieve
chemicaliën verloren gaat door hun absorptie in de vezels met aantasting van de
bulkeigenschappen, daar waar initieel slechts een oppervlaktebehandeling vereist was.
Corona, WASKO, atmosferische plasma
De droge voorbehandelingen en/of veredelings-bewerkingen zijn ‘ i n - l i n e ’ inzetbaar bij het
bedrukken, coaten, lamineren, verlijmen,… Men kan zich zelfs voorstellen dat bepaalde
materialen kunnen worden voor-behandeld vóór het opwikkelen bij de weefmachine.
In het proces worden prijsgunstige, gemakkelijk beschikbare (arbeidsvriendelijke en veilige)
gassen (lees: CO2, N2, O2...) gebruikt. De kosten zijn dan ook navenant laag i.v.m. natte processen.
Het energieverbruik is gering en droogprocessen vallen weg.
Een vergelijking tussen een klassieke natte behandelingsmethode en plasma’s nl. corona, WASKO en
atmosferische plasma, is op gebied van energieconsumptie en ecologische belasting vrijwel
onmogelijk; natte en droge processen zijn totaal verschillend en liggen buiten alle verhoudingen.
Bijvoorbeeld: in een typisch katoenveredelings-bedrijf is de ‘natte’ voorbehandeling gemiddeld
verantwoordelijk voor 40 % van het totale waterverbruik (gemiddeld 30-40 l/kg textiel) en
voor 70 % van de COD-belasting als gevolg van de niet of traag biodegradeerbare pol-luenten.
plasmatechnieken daarentegen vertalen zich in een aanzienlijke vermindering van de pollutie daar
het water- en chemicaliën-verbruik vrijwel nihil zijn.
Bij atmosferische plasma’s noteert men enkel een gering verbruik aan elektrische energie
(corona, WASKO en atmosferische plasma), persluchtverbruik (atmosferische plasma), minimale
hoeveelheden chemicaliën (WASKO) en evacuatie van afvalgassen (ozon bij corona, NOx bij
atmosferische plasma). De productie-kosten bij corona-, WASKO- en atmosferische plasma zijn
verder verwaarloosbaar in vergelijking met een klassieke textielbehan-deling. Een geschatte
verhouding op gebied van:
• energieverbruik per m 2 materiaal: 1/20e
• ecologische belasting per m2 materiaal: 1/50e
• verhandelingen en kosten voor intern transport: 1/100e
Deze geschatte gegevens worden min of meer bevestigd door een in 1992 verschenen rapport van
C&K Consulting (CH). In dit rapport werd een vergelijking gemaakt tussen natte en droge
plasmaprocessen bij de voorbehandeling van katoen. Hierbij werden o.a. de traditionele processen
(optie 1) gedeeltelijk (optie 2) vervangen door een plasmabehandeling (figuur 3).
Figuur 2: plasma als voorbehandelingsproces
Figuur 3 illustreert dat de gedeeltelijke substitutie van een klassiek voorbehandelings-proces
door een plasmabehandeling een substantiële vermindering van de kosten (-65 %) met zich
meebrengt.
Figuur 3: plasma versus ‘natte’ voorbehandelingsprocessen
Als deze droge (voor)behandelingsmethodes een voldoende resultaat kunnen
garanderen is het economisch meer dan verantwoord om
ze ook daadwerkelijk toe te passen
Plasmatechnieken
Een plasma is een complexe verzameling van hoogenergetische elektronen, en laagenergetische
ionen, gasvormige atomen, radicalen en moleculen in de grond- of geëxciteerde toestand. Deze
elektronen zijn in staat reacties te induceren en covalente bindingen te doorbreken. De ionen,
atomen en radicalen kunnen eveneens interfereren met het te behandelen oppervlak (figuur 4).
Figuur 4: plasma-mechanismen
Diverse plasma’s zijn mogelijk in functie van druk, de densiteit aan geladen deeltjes en de
aanwezigheid van externe elektrische en/of magnetische velden. Men onderscheidt meestal twee
types: koude- en hogetemperatuur-plasma’s. Koude plasma’s zijn geassocieerd met elektrische
ontladingen bij lage druk die chemische reacties en de modificatie van materialen mogelijk maken.
De meest geschikte methode voor het maken van koude plasma’s is door middel van elektrische
ontladingen. De frequentie van de elektromagnetische velden om het plasma te onderhouden varieert
van nul (dc) tot meer dan 1 0 1 1 Hz. De belangrijkste technieken zijn : hogefrequentie-of
lagedruk-plasma (vacuüm of glow discharge) en de ontladingen bij lage frequentie of corona (CD).
Een corona wordt gekarakteriseerd door een hoogelektrisch veld en atmosferische druk.
Ontladingen bij hoge frequentie situeren zich tussen de corona- en de microgolfontladingen.
Men noteert evenwel een belangrijke evolutie in de plasmatechnologieën die de bedrijven meer
kunnen charmeren en motiveren om open te staan voor deze innovatieve technieken. Vandaag
bestaat immers de mogelijkheid om in de kritische zone elektrische en chemische behandelingen te
bekomen (corona-WASKO en atmosferisch plasma). In functie van het gebruikte plasmagas of
aërosol kunnen de oppervlaktekarakteristieken van een textielmateriaal ingrijpend fysisch en
chemisch veranderd worden, o.a. door etsing, functionalisering, door plasma geïnduceerde enting,
en/of plasmapolymerisatie.
Kortom, het plasma-effect is een fysische behandeling waarbij
een chemische wijziging van het oppervlak wordt bekomen
In het kader van dit project zullen drie atmosferische plasmatechnieken geëvalueerd worden nl.
conventionele corona, corona-WASKO en atmosferische plasma. Deze proefapparaten zijn aanwezig
in het T02C en worden ter beschikking gesteld door de firma Alhbrandt (via zijn Vlaamse
vertegenwoordiger Rycobel).
Atmosferische plasma’s veroorzaken topochemische reacties waarbij de
bulkeigenschappen van de substraten onveranderd blijven
• Techniek 1: conventionele corona
In de coronatechnologie wordt een textielsubstraat getransporteerd door een behandelingsstation
dat voorzien is van hoogspanningselektroden en van een tegenelek-trode (geaarde basiswals, figuur
6). De hoogspanningselektrode brengt de lucht onder de elektroden in doorslag waardoor een
‘gordijn’ van kleine elektrische vonkjes ontstaat die het textielmateriaal ‘beschieten’. De fysische
impact van het plasma veroorzaakt topochemische reacties resulterend in een toestandswijziging
die er vooral in bestaat om bijv. apolaire bindingen te verbreken en polaire groepen in te bouwen
(cfr. verhoging van de oppervlaktespanning).
Wegens de elektrische stroomdoorgang in de lucht tussen de elektroden ontstaan tal van
bijproducten (zoals bijv. ozon), maar ook zuurstof- en stikstofradicalen, die op hun beurt met
elkaar (NO 2 ) en het substraat reageren (o.a. oxidatiereacties). Hierdoor worden bij
koolwaterstofbindingen (PES,PP,...) peroxiden gevormd. De introductie aan het oppervlak van
polaire functionele groepen zorgt voor nieuwe hechtingsmogelijkheden.
Figuur 5: conventionele corona
De coronabehandeling is een ‘droge’ milieu-vriendelijke technologie. Water noch chemica-liën
worden toegepast. Het ontstane ozon (typisch bijproduct van een vonkontlading door lucht) dat
aanvankelijk in te hoge concentraties wordt gevormd, wordt naar buiten gevoerd (afzuiging) waar
het zich met de buitenlucht verdunt.
Het coronaeffect behandelt het oppervlak zo intensief dat eventuele kleine partikeltjes of
stofdeeltjes eveneens worden losgemaakt en in de luchtstroom worden opgenomen. Het kan bijgevolg
beschouwd worden als een stofreinigingsapparaat, belangrijk bij bijv. een daaropvolgend
drukproces. Het effect van een coronabehandeling is goed te zien door de stijging van de
oppervlaktespanning van het substraat.
• Techniek 2 : WASKO (WAsser COrona) (Ahlbrandt System GmbH)
WASKO = corona + aërosolbehandeling
combinatie: fysisch/chemisch proces
Nieuwe effecten
De WASKO-technologie (Ahlbrandt System GmbH -D, figuur 6) werd vrij recentelijk
commercieel op de markt gebracht. Deze technologie is ideaal toepasbaar daar waar bepaalde
chemicaliën met zeer lage concentraties toegepast moeten worden. De chemicaliën worden direct op
het oppervlak gecondenseerd waarbij een gelijktijdige coronabehandeling zorgt voor een goede,
adequate en permanente verankering van deze producten. Het proces verloopt droog alhoewel er met
vloeistofdeeltjes gewerkt wordt. Een bijkomende droging is bijgevolg niet noodzakelijk. WASKO
kan bijgevolg als een ‘droge’ coatingeenheid gedefinieerd worden. Deze technologie biedt een brede
waaier aan mogelijkheden. De enige voorwaarde is dat het chemisch product vernevelbaar moet
zijn.
Figuur 6: lay-out WASKO-eenheid
Door het inbrengen van een chemicaliënnevel in de actieve coronaontlading wordt het geïnjecteerde
product bijgevolg met het behandelde oppervlak verankerd. Verder worden de aërosoldeeltjes (< 1
µm diameter) ook door de coronadeeltjes ‘beschoten’ waardoor ze soms uit elkaar vallen, radicalen
vormen,
en
nieuwe
reacties
aan
het
substraatoppervlak
teweeg-brengen.
De
standaardcoronastations werken met keramische (geïsoleerde) hoogspannings-elektroden. Dit
heeft als voordeel dat het ‘medium’ waarin de coronaontlading plaats vindt (gewoonlijk
omgevingslucht) niet veel belang heeft. Hierdoor worden de risico’s op kortsluitingen en
lekstromen nihil. M.a.w. het maakt niet uit of het te behandelen substraat elektrisch geleidend is of
niet.
Het ongevoelig zijn aan de omgevingslucht laat toe ook andere gassen of nevels te injecteren en op
die manier ook ‘andere’ resultaten te bekomen. Het condenseren van de aërosolnevel op het
substraatoppervlak wordt vergemak-kelijkt door de aërosolen lichtjes op te warmen (ongeveer 40
°C) en de wals waarop het materiaal loopt te koelen (ongeveer 10 °C) (figuur 7).
Figuur 7: werking van een WASKO-eenheid
Op een standaardbehandelingsstation wordt de ozon die ontstaat bij een vonkdoorslag door lucht,
weggezogen en naar buiten gevoerd. De luchtstroom over de actieve oppervlakte van de elektroden
fungeert eveneens als de noodzakelijke koeling van deze elektroden. Bij het inbrengen van
‘vreemde’ gassen of aërosolen onder de elektroden zouden deze dan ook haast onmiddellijk
geëvacueerd worden wat uiteraard niet de bedoeling kan zijn.
Door het geheel op een andere wijze binnen de gestelde temperatuurgrenzen te houden en geen
luchtstroom over de elektroden te laten stromen kunnen andere gassen, dampen of vloeistoffen in
nevelvorm in de actieve zone gebracht te worden. De koeling gebeurt bij een WASKO-toestel door
een waterstroom in de holle wand van de elektrodenbehuizing (cfr. vergelijkbaar met de koeling
van een benzinemotor). Het ozonprobleem lost zichzelf op doordat de temperatuur onder de
elektroden veel hoger is dan in een standaardtoepassing (geen koellucht) waardoor de ontstane ozon
spontaan door de hoge temperatuur (40 °C) omgezet wordt in normale zuurstof (figuur 8). De
resultaten op verschillende substraten of de te bereiken effecten in relatie tot de toegepaste
chemicaliën zijn alleen door experimenten te bekomen.
Naast de injectie van aërosolen kunnen ook gassen ingebracht worden waardoor het reactiemedium
kan bepaald en beïnvloed kan worden.
Figuur 8: vergelijking conventionele corona en WASKO
• Atmosferische plasma
Een atmosferische plasmaeenheid bestaat uit een generator, een hoogspanningstransformator en
een sproeikop. Binnenin de sproeikop wordt een intense coronaontlading met een hoge
energiedichtheid gerealiseerd. Dit houdt in dat de ganse binnenkamer een gas bevat dat elektrisch
tot ontsteking wordt gebracht (plasma). Door een luchtstroom (perslucht) door de kamer te
voeren wordt het plasma naar buiten gedrukt en is het waarneembaar als een kleine toorts aan de
mond van de sproeikop. Het gecreëerde plasma is zeer intensief en effectief. De beperking is de
eerder gelimiteerde omvang van de plasmatoorts (diameter 10 mm). Hieraan kan worden
verholpen door de toorts te laten roteren waardoor men een behandelingsbreedte van 40 mm
bekomt figuur 9).
Figuur 9: atmosferische plasma - plasmakop
Verder kunnen twee koppen op een roterende schijf geplaatst worden waardoor de
behandelingsbreedte tot 100 à 130 mm verhoogd wordt. Een aantal dergelijke, naast elkaar
geplaatste schijven maken het behandelen op industriële breedtes mogelijk. In tegenstelling tot de
conventionele corona heeft de atmosferische plasma het voordeel dat het niet beperkt is in de dikte
van de te behandelen textielsubstraten. M.a.w. ook dikkere textielsubstraten (> 1O mm) zoals
tapijten kunnen worden behandeld worden. Bovendien is het plasmaeffect intenser en duurzamer in
tijd in vergelijking met de conventionele corona.
Interessant is dat behalve perslucht ook andere gassen kunnen worden toegepast, wat resulteert in
het functionaliseren van het textielop-pervlak. M.a.w. atmosferische plasma kan niet enkel
gebruikt worden als een voorbehan-delingstechniek (gas: perslucht) maar is ook inzetbaar als een
veredelings-techniek.
Het gebruik van een WASKO-coronasysteem laat diverse combinaties toe van oppervlaktebehan-delingen
met corona, gassen en aërosolen
Algemeen - toepassingsmogelijkheden
Plasma’s kunnen aanleiding geven tot hoogreactieve procescondities bij lage tempera-tuur.
Uniforme ontladingen bij atmosferische druk zijn enkel gedurende de laatste 15-jaar bestudeerd.
Vandaag, zijn de nieuwe ontwik-kelingen meer relevant voor de industrie en veroorzaken ze een
groot enthousiasme en opwinding in de industrie en in de onder-zoekswereld.
• Mechanismen
De reactiviteit van plasma’s kan op diverse wijzen benut worden met tal van effecten tot gevolg:
1. Oppervlakteactivering - desactivatie - functionalisering
Goedingeburgerd is de plasmatechnologie voor de oppervlaktemodificatie van textieloppervlakken
zoals PES en PP. Deze synthetische substraten worden geken-merkt door een apolair oppervlak en
zijn derhalve moeilijk te bevochtigen, te coaten en/of te verkleven (lamineren). Door een
behandeling met een plasma worden aan het oppervlak polaire groepen (-OH, -CO-, -COOH met
O 2 -plasma en -NH 2 met N 2 -plasma) ingebouwd, die resulteren in een efficiënte natmaking
(hogere oppervlak-tespanning), en betere adhesie- en hechtingseigenschappen. Deze effecten
blijven beperkt tot het vezeloppervlak (1-10 µm), zodat de bulkeigenschappen onveranderd
blijven. Andere mogelijk-heden zijn bedrukken, verven...
2. Oppervlaktereining/droogetsen - ‘Nanotechnologie’
De stringentere reglementeringen maken dat klassieke natte chemische reacties minder populair
worden. Reiniging wordt geheel of gedeeltelijk mogelijk gebruikmakend van diverse plasma’s
(zuurstof, lucht, of andere niet-toxische gassen). Door de combinatie van waterige
verontreinigingen kunnen ook sterk bevuilde materialen behandeld worden. Voor de reiniging zijn
de reactieve bestanddelen van het plasma verantwoordelijk. Organische veront-reinigingen worden
vrijwel bij kamertem-peratuur residuloos ‘verbrand’ tot gasvormige producten zoals CO2, H2O,
...
-(CH 2 -CH 2 -)n + 3n O2 --> 2n CO2 + 2n H2 O
Figuur 10: vergelijking niet behandelde en
plasmabehandelde PES-vezel
Wordt het verbrandingsproces verdergezet, dan kan dit resulteren in een fysisch etsen (figuur
10) van het oppervlak. Met verschillende procesgassen kunnen ook diverse materialen behandeld
worden. Een belangrijk sleutelwoord hierbij is de ‘nanotechnologie’.
3. Nanocoaten van textieloppervlakken
Door de geringe thermische impact van de substraten is plasma bijzonder geschikt voor het
bekomen van organische nanocoatings. De plasmatechniek resulteert bijv. in een barrièrelaag
tegen vloeistoffen en zuurstof. Belangrijk voor dergelijke processen is de veelvoud van
coatingeigenschappen die op basis van talrijke procesparameters bekomen kunnen worden.
Tridimensionale coatings blijken mogelijk (hoge netvormings-graad) te zijn, resulterend in
chemisch, mechanisch en thermisch stabiele lagen. De behandeling is universeel inzetbaar (lees:
diverse natuurlijke en synthetische substraten in verschillende vormen). Dit laat o.a. toe om
hydrofiele oppervlakken om te zetten in hydrofobe en/of oleofobe substraten (bijv. vorming van
een barrièrelaag tegen vloeistoffen en zuurstof).
• State-of-the-art in het domein textiel
De atmosferische plasmabehandelingen bieden de mogelijkheid de conventionele natte t e x t i e l behandelingen te verbeteren of te vervangen, inclusief water- en vlekafstotendheid, antistatische
en vuilloslatende eigenschappen.
Plasmabehandelingen zijn topochemische reacties waarbij de bulkeigenschappen van het materiaal
niet veranderen. Ze zijn breed inzetbaar, gaande van conventionele materialen (natuurlijke,
synthetische onder vorm van weefsels, breisels, nonwovens) tot geavanceerde composieten. De
plasmavoorbehandelingen zorgen voor nieuwe hechtingsmogelijkheden en adhesie-eigenschappen
van coatings/laminaten op apolaire textielsubstraten. En, terwijl het verven van synthetische
vezels vrij moeilijk is, kan de functionalisering van het oppervlak resulteren in betere verf- en
drukeigen-schappen (toename van de kleurdiepte en -echtheid). Verschillende onderzoeken duiden
op een toename van
bepaalde mechanische eigenschappen zoals treksterkte, zachtheid,
krimpresistentie alsook comforteigenschappen (toename van het water- en het zweet-transport)
bijplasmabehandelingen van thermoplastische materialen. Een andere mogelijkheid van
plasmabehandelingen is het viltvrijmaken van wol als een alternatieve methode voor de
milieuonvriendelijke ‘chloor/hars’-behandelingen.
Ten slotte zijn plasmabehandelingen ook inzetbaar op vezels en filamenten, resulterend in een
vermindering van de wrijvings-eigenschappen. Hierdoor wordt het esthetisch aspect van het
materiaal verbeterd, duidend op een verminderde harigheid en fibrillatie.
Wordt vervolgd...
* Dit eerste artikel
houdt verband met een zopas opgestart HOBU-project: Plasma : de veirede ade technologische
opportuniteit van atmosferische plasmatechnologieën (lees: conventionele corona, WASKO-corona en atmosferische
plasma) als ‘droge en propere’ textielbehandelingen. De drie systemlen zijn beschikbaar op het TO2C. De corona-
eenheid is een industriële machine met een werkzame breedte van 1,52 m. De Wasko-eenheid wordt geïntegreerd in
de pilootcoatting-/lamineerlijn van Centexbel. De beschikbare plasmatoorts (Plasmatreat -D) is inzetbaar in het project
voor de behandeling op tapijten/meubelstoffen en bandjes. Met dit project wensen de auteurs aan te tonen dat deze
plasmatechnologieën in bepaalde toepassingen (voorbehandeling en/of veredeling) voor de industrie relevante,
evenwaardige of zelfs betere alternatieven zullen zijn dan de conventionele ‘natte’ behandelingen, die vaak van de
‘zware chemie’ gebruik maken.
Geïnteresseerd? gelieve conatct op te nemen met ing. Ilse Garez of ing. Tom Van Hove, TO2 C, Voskenslaan 362, B-9000
Gent, tel. : +32-9-2447919 of e-mail: [email protected]

Download Report