Plasma

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En seulement deux décennies, les procédés au plasma se sont imposés dans de nombreux secteurs et domaines technologiques comme un outil polyvalent pour les applications industrielles, permettant de réaliser un grand nombre de tâches dans le traitement de surface, du nettoyage et du revêtement, ainsi que pour l’activation des plastiques, la gravure de structures semi-conductrices, et bien d’autres encore.

Par définition, un plasma est un gaz partiellement ionisé, souvent qualifié de quatrième état de la matière. Des phénomènes tels que la foudre ou les aurores boréales sont des plasmas d’origine naturelle. Sur le plan technique, ils peuvent être générés par l'application de champs électriques.

Les plasmas présentent un intérêt particulier en raison de leurs propriétés physiques et chimiques. Ils génèrent des particules hautement excitées et des radicaux capables de déclencher des réactions chimiques impossibles dans des conditions normales. Parallèlement, la température des pièces à traiter peut être maintenue à un niveau très bas.

Les ions fortement accélérés présents dans un plasma permettent des applications telles que la pulvérisation cathodique.

C’est à toutes ces propriétés physiques et chimiques que le plasma doit son rôle exceptionnel dans la science et la technologie industrielle.

Activation par plasma

L’activation des surfaces plastiques est une application spécifique de la technologie du plasma. L’activation désigne ici une augmentation de l’énergie de surface, ce qui se traduit par de meilleures propriétés d’adhérence et, par conséquent, une meilleure mouillabilité. L’angle de contact d’une goutte sur un plastique est une mesure courante de l’adhérence.

Dans de nombreux cas, les polymères présentent de faibles énergies de surface ou sont hydrophobes, ce qui peut par exemple poser des problèmes lors de l’utilisation de peintures à base d’eau. Ils doivent donc être modifiés avant d’être peints ou imprimés. Le plasma s’est révélé être un moyen très efficace à cette fin. L’activation par plasma remplace ainsi les agents d’adhérence habituels.

De plus, il n’y a pratiquement aucune limite quant à la géométrie des pièces à traiter ni au type de polymère, car la température n’augmente pas de manière significative pendant le processus. Par ailleurs, la topographie du plastique reste pratiquement inchangée : seules les monocouches supérieures sont modifiées.

Pour les procédés d’activation, le plasma est généralement composé d’oxygène, mais parfois aussi d’azote ou d’ammoniac. Lorsque l’on utilise de l’oxygène, il est possible de modifier les polymères de manière à former des groupes hydroxyle, carboxyle ou peroxyde à la surface. En revanche, l’utilisation d’azote ou d’ammoniac conduit à la formation de groupes amine ou imine, qui peuvent également présenter un intérêt pour certaines applications. Ces groupes polaires hydrophiles améliorent la mouillabilité de la surface. La durée des processus d’activation n’est généralement que de quelques secondes. Une fois activées, les pièces sont prêtes pour un traitement ultérieur immédiat, qui peut même être effectué dans le même système à plasma.

Un domaine d’application typique de ce procédé bien établi est le prétraitement de pièces en plastique dans la construction automobile, comme par exemple les pare-chocs prélaqués.

Aperçu de certains avantages

Procédé

Très bonne adhérence
Meilleure homogénéité
Grande stabilité du procédé
Contrôle aisé du procédé
Compatibilité avec les matériaux sensibles à la température

Rentabilité

Pas de frais d’élimination
Aucune étape de séchage nécessaire
Faible consommation de gaz plasma
Aucune couche d'apprêt d'adhérence nécessaire

Écologie

Absence de solvants
Pas de déchets dangereux
Respect de l'environnement intégré

Nettoyage par plasma

Le nettoyage des surfaces est l'une des possibilités offertes par la technologie du plasma. Pour cela, on utilise différentes méthodes de génération de plasma. Les plus courantes sont l'application de tensions alternatives à haute fréquence (40 kHz ou 13,56 MHz) ainsi que l'excitation par micro-ondes. Les mélanges gazeux typiques contiennent de l’oxygène, de l’argon et parfois de l’hydrogène et du tétrafluorure de carbone (_CF₄). La composition du mélange dépend des exigences spécifiques du processus de nettoyage, qui découlent de la nature de la contamination et du matériau traité.

Il n'y a pratiquement aucune restriction quant au matériau à nettoyer. Ainsi, les plastiques sensibles à la température peuvent être traités au même titre que le métal, le verre et la céramique. Le système plasma doit toutefois être adapté dans tous les cas à la tâche à accomplir.

Selon le mélange gazeux utilisé, le plasma a un effet oxydant ou réducteur. Les plasmas oxydants sont particulièrement efficaces pour éliminer les impuretés organiques (huiles, graisses), tandis que les plasmas réducteurs conviennent mieux aux dépôts inorganiques (tels que les oxydes métalliques).

Presque toutes les surfaces s’encrassent au cours des différentes étapes de fabrication. Pour les étapes de traitement suivantes, telles que la peinture, le durcissement ou le scellement, les pièces doivent être nettoyées.
Le nettoyage au plasma est le meilleur moyen d’obtenir des surfaces parfaitement propres et exemptes de graisse.

Les méthodes de nettoyage classiques sont souvent des procédés chimiques humides et contiennent des hydrocarbures (HC), des hydrocarbures chlorés (HCC) ou des détergents agressifs dissous dans l’eau. Tous ces produits posent des problèmes environnementaux tant lors de leur utilisation que lors de leur élimination. La réduction des déchets est assurée par des solutions dites « en bout de chaîne », qui engendrent des coûts supplémentaires.

Contrairement à la chimie humide, le nettoyage au plasma répond aux exigences d’une protection environnementale intégrée.

Pour comprendre le fonctionnement du nettoyage par plasma, il faut observer une zone microscopique. Que se passe-t-il immédiatement sur et à la surface ?

En cas de contamination organique, le gaz plasma contient de l’oxygène et de l’argon. Le processus de nettoyage résulte de la combinaison de deux phénomènes : l’un physique, l’autre chimique.

Processus physique :
Lorsque la pièce à traiter est placée sur la cathode ou connectée en tant que cathode, le champ électrique appliqué accélère les ions positifs du plasma dans sa direction. Lorsqu’ils entrent en collision, les ions détachent des atomes et des molécules de la surface par transfert direct d’impulsion. On pourrait qualifier ce processus de « billard atomique ».

Chimique :
L’oxygène excité et les ions oxygène forment, lors de leur réaction avec les hydrocarbures, du dioxyde de carbone et de l’eau. L’équation chimique exacte se présente comme suit :

Les hydrocarbures sont donc transformés en composés chimiques relativement inoffensifs. Les produits d’une combustion incomplète, s’il y en a, peuvent être facilement éliminés des gaz d’échappement à l’aide de filtres à charbon actif.

Le nettoyage par plasma offre plusieurs avantages remarquables en termes de procédé, de rentabilité, d’écologie et de sécurité au travail :

Procédé

Haut degré de dégraissage
Grande capacité de craquage
Bonne préparation pour d'autres procédés plasma, tels que le revêtement
Grande stabilité
Contrôle aisé du procédé
Compatibilité avec les matériaux sensibles à la température

Rentabilité

Pas de frais d'élimination
Aucune étape de séchage nécessaire
Faible consommation de gaz plasma

Écologie

Absence de solvants
Pas de déchets dangereux
Faible charge liée à l'élimination des déchets
Protection intégrée de l'environnement

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Allemagne