¿Cómo actúa el plasma con los plásticos?

Un plasma es un gas que ha recibido un tratamiento de exposición a alta energía. Como consecuencia, en el gas se forman electrones libres y radicales de moléculas, que de por sí tienen alta energía y por lo tanto son capaces de interactuar con otras formas de materia; por ejemplo, las superficies de sólidos.

La energía contenida en los electrones libres y los iones de un plasma de gas puede ser transferida a una superficieplástica para crear una variedad de efectos importantes. Entre estos se encuentran la ionización de átomos neutros, el rompimiento de moléculas para formar especies reactivas, la generación de estados excitados en átomos y moléculas, y el calentamiento localizado de la superficie. Dependiendo del tipo de gas empleado para formar el plasma y del proceso de tratamiento, es posible erosionar la superficie del plástico o de modificar la naturaleza química de ésta. De hecho, el efecto de los plasmas puede manifestarse en: a) la ablación de la superficie plástica, por ejemplo para limpiar y eliminar residuos; b) aumento de la energía superficial, por ejemplo para mejorar las propiedades de adhesión; c) deposición química, para adicionar recubrimientos con funciones especiales como el mejoramiento de las propiedades de barrera; d) modificación de las moléculas superficiales mediante mecanismos de entrecruzamiento químico y generación de copolímeros de injertos, y e) modificación de la función química de las superficies.

En resumen, un plasma es un gas parcialmente ionizado que contiene electrones libres e iones, así como átomos y moléculas neutras. Aunque la temperatura de los electrones es muy alta, el promedio de la temperatura del plasma es cercana a la ambiental. Un plasma puede ser generado por un campo eléctrico oscilante, como las frecuencias de radio o las microondas. Se pueden emplear para el efecto placas capacitivas o inducción magnética. Ubicando el gas a baja presión en un campo eléctrico oscilante, los electrones de los átomos y moléculas se aceleran debido a un efecto de aumento de la energía cinética; que hace que éstos se calienten. Si el calentamiento es suficientemente alto, los electrones se liberan de los átomos y moléculas.

Por otro lado, el plasma puede afectar solamente la superficie del material y por lo tanto, no afecta la masa sólida como un todo. El plasma puede usarse para producir efectos superficiales específicos; tal como el de la limpieza, mencionado anteriormente. En este caso, el efecto limpiador del plasma no deja residuos orgánicos y puede lograr una remoción completa de los contaminantes. Estos efectos tan completos superan a los que se pueden lograr con limpiadores líquidos porque entre otras cosas, los gases plasma no son afectados por la tensión superficial de la superficie. Tampoco la rugosidad de la superficie o la porosidad son un impedimento para lograr contacto con el gas, lo que no siempre puede afirmarse de los líquidos. El mismo concepto se aplica a los productos de geometría intrincada. Además, debido al hecho de que la limpieza puede hacerse prácticamente a temperatura ambiente, el material sólido no se expone a condiciones que produzcan daños térmicos.

La acción de activación de la superficie para hacerla más receptiva a otros materiales, como los adhesivos, se puede obtener mediante tratamientos con oxígeno y nitrógeno. Oxidantes como el aire, el oxígeno, el vapor de agua o el óxido nitroso, en estado de plasma, proporcionan una adecuada activación de la superficie de los plásticos mediante la creación de grupos que contienen oxígeno. Estos grupos son efectivos aumentando la energía superficial y los enlaces cohesivos con las moléculas de adhesivos. La esterilización de la superficie de los plásticos también puede lograrse mediante el plasma de gases oxidantes como el ozono y el peróxido de hidrógeno.

Si el gas escogido es un gas noble, como el argón o el helio, debido a su inercia y aunque esté en estado de plasma, éste no se combinará químicamente con la superficie del plástico. En su lugar, actúa como un portador de energía que rompe los enlaces en las cadenas de polímeros en la superficie. Los puntos de rotura son lugares propensos para reaccionar y formar nuevos enlaces con otros sitios activos. De esta manera, ocurre una reestructuración de la superficie que se manifiesta con la formación de enlaces cruzados entre polímeros vecinos. Otra posible especie resultante de la reacción de reestructuración es la formación de insertos, una forma de coopolimerización.

Y finalmente, para modificar la funcionalidad química de la superficie plástica, se pueden emplear gases como el amonio para incrustar la función amina, que afecta propiedades como el pH y la acidez. Si en cambio, se emplean gases como el CF4, SF6 y los perfluorohidrocarburos, se puede lograr el reemplazo de átomos de hidrógeno por flúor. El resultado puede ser entonces una superficie con las propiedades del teflón; esto es, una superficie hidrofóbica y químicamente inerte (a la vez muy estable).