Plazma – a jövő technológiája

„Ózonizátor\" – az elsõ plazmaberendezés

A plazma egyébként nem ritka jelenség a természetben; az univerzum általunk ismert részének 99,8 százaléka plazma halmazállapotban található, melyben az anyagok jelentõs energiabevitel hatására idõlegesen pozitív és negatív töltésû részecskékre bomlanak. A természetes plazmák (pl. a Nap, a csillagok, a villám) igen magas hõfokúak (több 1000 C°), de léteznek alacsonyabb hõmérsékletûek is (pl. a láng, az aurora borealis vagyis északi fény), ezek pár 100 C-fokúak. Mesterséges körülmények között, elektromos energia bevitelével olyan plazmákat is elõ lehet állítani, amelyek alacsony hõfokkal rendelkeznek. Ezt nevezzük plazmatechnológiának, amely napjainkban még kevéssé közismert tudományága a fizikának; jelenleg sajnos világszerte nagyon kevés kutató munkálkodik ezen a szakterületen, ami többek között annak a számlájára írható, hogy kevés egyetem biztosít képzést ebben a témában. Pedig a plazma nem új keletû találmány, Werner von Siemens német mérnök és feltaláló fedezte fel 1857-ben, amikor sterilizációs célokra ózont akart elõállítani, és megépítette az elsõ, dielektrikusan gátolt kisülést létrehozó, kondenzátorhoz hasonlatos berendezést. Ez az „ózonizátor\" volt az elsõ alacsony hõmérsékleten mûködõ plazmaberendezés, amely tulajdonképpen egy úgynevezett ívfényt állított elõ. Ezt követték a múlt század 40-es éveitõl további elméleti kutatások, amelyek egyéb ipari felhasználásra irányultak, mint például a különbözõ gázlézer-berendezések megépítése. A gyakorlati kutatásokra a 80-as években került sor, amikor a plazmát a különbözõ anyagok felületi tulajdonságainak megváltoztatására kezdték el felhasználni.

Felhasználási lehetõségei: határtalanok

Napjainkban az ipar számára is jelentõs lehetõséggé nõtte ki magát ezen technológia gyakorlati alkalmazása, amelynek felhasználási területe elméletileg határtalan: az élelmiszeriparban például az erjesztett termékek (joghurtok, sajtok) csomagolásában az eddig alkalmazott antibiotikumos bevonat helyett a plazmakezelés biztosíthatná a termék tartósságát, a könnyen romló zöldségek, gyümölcsök, húsfélék felületén a plazmakezelés hatására elpusztulnak a kórokozók, ezáltal fölöslegessé válik a vegyi úton történõ tartósítás. A bútoriparban jelentõs mennyiségû lakk, festék, enyv és ragasztó válna megtakaríthatóvá a plazmatechnológia révén; de a gyógyászat is profitálhat ebbõl az eljárásból. Már alkalmazzák a plazmát a különbözõ vírusos vagy gombás eredetû bõrbetegségek kezelésében, valamint a csontrendszeri implantátumok bevonásában, igaz, ezek a felhasználási módszerek még kísérleti és fejlesztési stádiumban vannak. Mivel a plazma csak a legfelsõbb atomrétegeket aktiválja, maximálisan egy mikrométer mélységben, az ez alatti szöveteket nem érinti a kezelés, így valószínûleg a nem kívánatos mellékhatások fellépését is megelõzi ez a módszer. De a szépségápolás terén is van felhasználási lehetõség: a köröm plazmával való kezelése után a körömlakk hatékonyabban és idõtállóbban tapad a felsõ szaruréteghez.

Hõérzékeny felületek kezelése

A plazma ezen széles körû felhasználhatóságát azon tulajdonsága biztosítja, hogy a keletkezett hõmérséklettõl, a kezelés során felhasznált gázoktól (levegõ, oxigén, nitrogén, argon stb.) és a plazmakamrában uralkodó nyomástól (vákuum vagy légköri nyomás, valamint magasnyomás) függõen alakul a kezelés eredménye. A plazmatechnológia területén hõmérséklettõl függõen beszélünk magas hõmérsékletû plazmákról (2x107 Kelvin) és alacsony hõmérsékletû plazmákról, amelyek termikus plazmákra (2x104 Kelvin) és nem termikus plazmákra (300 Kelvin), ún. hideg plazmákra oszthatók; elõbbieket az acélgyártásban (plazmaolvasztó), utóbbiakat hõérzékeny felületek kezelésére lehet felhasználni. Ilyen felületek például a különbözõ mûanyagok, vékony fóliák és természetesen a fafelületek, amelyek magas hõ hatására megbarnulnak, elszenesednek, de a hideg plazmával történõ kezelés semmilyen optikai változást nem mutat rajtuk.

A plazmakamrában uralkodó nyomást illetõen megkülönböztetjük az alacsony nyomáson (vákuumban) történõ kisüléseket, valamint a légköri nyomáson elõidézett plazmakisüléseket; ez utóbbiak nem annyira költségigényesek, mint a légüres térben elõállítottaké, ezenkívül szélesebb körben alkalmazhatók. A kezelés során a plazmakamrába bevezetett gázoktól függõen hidrofil vagy hidrofób felületet állíthatunk elõ. A hidrofil felülethez levegõt, a hidrofóbhoz acetilént, metánt vagy szilánt lehet felhasználni. A hidrofil – vagyis jó nedvszívó képességgel ellátott – felületekhez jobban tapadnak a különbözõ bevonatanyagok (lakkok, ragasztók, festékek stb.), ezért ez a hidrofilizáló eljárás rendkívüli haszonnal jár a mûanyag, valamint a fa alapanyagú termékeknél.

Csökkenthetõk a bútoriparban használatos illóanyagok

Kutatócsoportunk a göttingeni fõiskolán többek között éppen a különbözõ fafelületek (laminált és természetes faelemek) kezelési technológiájának fejlesztését tûzte ki célul; többéves kutatómunka során sikerült egy olyan berendezést megépíteni, amely relatív nagy kiterjedésû fafelületek kezelését teszi lehetõvé pár másodperces kisülési idõ által, a fa milyenségétõl és nedvességtartalmától függetlenül. Ennek eredményeképpen a bútoriparban használatos illékony szerves oldóanyagok mintegy 90–95 százalékkal csökkenthetõk, ugyanis a kezelés révén lehetõvé vált olyan víz alapú bevonatanyagok alkalmazása, amelyek nem vagy csupán kis mennyiségben tartalmazzák ezeket az oldószereket. Fejlesztésre irányuló kutatásunk ezenkívül a felületi kezelés minõségének javítását tûzte ki célul; ugyanis igen nehéz olyan plazmakisülést elõállítani, amelyik homogén, vagyis a felületre minden pontban egyenletes hatással van. Munkánk során sikerült olyan, ún. nem filamentált plazmát elõállítani, amelyik a kezelés során a felületre konstans módon hat, ezáltal biztosítva a bevonatok egyenletes szétterülését és tapadását.

A fafelületeket ugyanígy hidrofobizálni is lehet, ami azt jelenti, hogy a fafelület víztaszító tulajdonságra tesz szert, ettõl ellenállóbbá válik a külsõ környezeti hatásokkal szemben (pl. esõ, pára), ami fõleg a kültérben használt fa alapanyagú elemek esetében szavatol hosszabb élettartamot (épülethomlokzatok, kerítések, ajtók, ablakok, kerti bútorok stb). A hidrofobizálás során a fafelületen semmilyen külsõdleges változás nem észlelhetõ, a fafelületet egy 10–80 µm vastagságú bevonatréteg borítja, a fa természetes színe pedig megmarad. Ezekre a plazmával megkezelt felületekre akár 8–10 éves jótállási idõ is vállalható, és újrakezeléssel ez az idõtartam ismét meghosszabbítható. Ezt a víztaszító tulajdonságot nevezik szaknyelven „lótuszeffektus\"-nak, ami azt jelenti, hogy a felület a plazmakezelés hatására olyanná válik, mint a lótusz levele, vagyis ha vizet csöpögtetünk rá, az azonnal lepereg róla, anélkül, hogy felszívódnék. A hidrofobizálás jelenleg csak laboratóriumi körülmények között érhetõ el. Ezt a tulajdonságot egyébként a textiliparban már felhasználják, a különbözõ vízálló ruházati cikkek (dzsekik, nadrágok, cipõk) elõállításában.

Mindezeken kívül a plazma felhasználásával különbözõ anyagok felületét lehet aktiválni, ami által a különben nehezen vagy egyáltalán nem ragasztható felületek tapadóképességét javíthatjuk fel (pl. mûanyag-fa-fém-kerámia-üvegszál). Ebben az esetben a plazmakezelés biztosítja a felületeken található zsír- és egyéb szennyezõdések eltávolítását és a felületek egymáshoz tapadását, ami elengedhetetlen például a tûzálló ajtók gyártásánál. A különbözõ fémfelületek megmunkálás elõtti kezelése, például autóbádog zsírtalanítása a zománcozás és festés elõtt jelenleg lúgfürdõkben történik, ami környezetszennyezõ és egészségkárosító, emellett költséges is; a plazmakezelés a tisztítást, valamint a tapadási képesség feljavítását egyszerre oldaná meg, hatékony, gazdaságos és környezetkímélõ módon.

Gazdaságos, környezetbarát berendezések

A plazmatechnológia eme sokoldalú felhasználási lehetõsége olyan gépek kifejlesztését tette és teszi szükségessé, amelyek különbözõ iparterületeken alkalmazhatók. A bútor- és autóiparban például, ahol nagy kiterjedésû felületek lehetõleg minél gyorsabb kezelése célirányos, olyan berendezésre van szükség, amely minél gazdaságosabb, és optimálisan illeszkedik a gyártási folyamatba. Egy ilyen plazmaberendezés megtervezése igen komplex probléma, mivel függ a mérettõl, a gyártósortól, a rendeltetéstõl, az alkalmazott gázoktól, eleget kell tennie bizonyos biztonsági és tûzvédelmi elõírásoknak, és természetesen mindezen követelmények befolyásolják az árát. Vannak több százezer eurós berendezések, ugyanakkor Nyugat-Európában most kerül piacra egy kézi, akkumulátorral mûködõ hordozható berendezés, amelynek az ára a hétköznapi ember számára is megfizethetõ, és amelynek felhasználási területe igen széles. A nagyobb gépezetek mûködtetése többféle szempontból is gazdaságos: mindenekelõtt igen környezetbarát, nem használ vegyszereket, csupán a felhasznált elektromos energia képezi az üzemeltetés költségét. Ez természetesen függ a berendezés kapacitásától, de egy hozzávetõleges példa szerint 1 m2 felület kezeléséhez kb. 0,01 kW/h elektromos áram szükséges, amely egy 100W-os izzó egyórai fogyasztásának felel meg. Nem elhanyagolható eme technológiának az a vetülete sem, hogy abszolút környezetbarát; mivel az elért hatást fizikai úton biztosítja, fölöslegessé teszi az olyan vegyszerek használatát, amelyek után jelentõs veszélyes kémiai hulladék marad vissza, gondoljunk a lúgfürdõkre vagy a bútorokra, amelyek a bevonatok illékony oldószer-tartalma miatt (formaldehyd, fenolok, benzophenonok, ecetsavbuthylészter) évekig mérgezik a lakások levegõjét, az ott élõk egészségét veszélyeztetve. Sõt fejlesztés alatt áll egy olyan berendezés, amely plazmakisülés segítségével hatástalanítja a kéményeken távozó koromszemcséket vagy légelszívó berendezések esetén a finomport. Ezenkívül a technológia biztonságos, bár az ipari berendezések kezeléséhez bizonyos szaktudás szükségeltetik.

A plazmatechnológia széles körû ipari alkalmazhatósága önmagáért beszél; sajnos gyakorlati alkalmazása még csak szórványos, de mint hatékony és környezetvédõ technológia remélhetõleg mihamarabb elterjedtté válik.