La tecnología del plasma en los polímeros

El plasma es mejor conocido como el cuarto estado de la materia y es un gas parcialmente ionizado compuesto por iones, electrones, átomos, moléculas, etcétera. El plasma en forma natural lo podemos encontrar en las estrellas, las nebulosas, en los relámpagos, el fuego, la aurora boreal, etcétera. El plasma se produce con una gran cantidad energía en forma de calor, pero el ser humano la ha producido con una menor cantidad de energía, usando las propiedades de la electricidad y el electromagnetismo.

Hay diversas técnicas para producir el plasma, pero es posible agruparlas en dos tipos: plasmas térmicos y plasmas fríos. Los plasmas térmicos poseen una gran densidad de partículas cargadas (electrones y iones positivos) y el plasma tiene una densidad menor. En el caso del plasma frío se utilizan técnicas como PVD (Physical Vapor Deposition) y CVD (Chemical Vapor Deposition)¹. Ambas se utilizan por lo general para recubrimientos en diversos materiales y en especial la técnica de CVD, se utiliza frecuentemente, en el caso de recubrimientos en polímeros.

El CVD puede generar el plasma utilizando diferentes métodos como la diferencial de potencia entre dos electrodos a presión de vacío o atmosférica. También usando RF (Radio frecuencia) con una bobina de cobre colocada alrededor de un reactor de vidrio, como el observado en la Figura 3 y para obtener el mismo resultado.

Aplicaciones generales del plasma

El plasma tiene la cualidad de producir que iones y estos interactúan químicamente con los materiales en estado sólido o gaseoso. Por consiguiente, se ha convertido en una alternativa en algunos procesos químicos. Tales procesos, por lo general, se relacionan con la modificación de superficies de los materiales y resultan, en algunos casos, en una técnica con mayor beneficio ecológico en comparación con los métodos químicos convencionales de modificación de materiales. Las principales aplicaciones de los plasmas son en la limpieza, la modificación química superficial, erosión, entrecruzamiento y grabado².

Limpieza: En este caso el plasma se utiliza para la eliminación de solventes orgánicos, grasas, residuos de lubricantes, polvos y suciedad de las superficies. Por lo general, se utiliza en la preparación de piezas para su pintado, adhesiones, tratamientos químicos superficiales, recubrimientos y erosión.

Modificación química superficial: Con el uso del plasma se modifica la naturaleza de la superficie sin alterar la masa del material. Se injertan diferentes tipos de grupos químicos (aldehídos, cetonas, hidróxilos, aminas, etc.), dependiendo del gas usado. Se utiliza comúnmente para buscar la compatibilidad en adhesiones, pinturas y alterar la hidrofilicidad de superficies. Se pueden emplear gases, tales como: oxígeno, aire, nitrógeno, etc.

Grabado: A través del plasma se generan diseños de rugosidad superficial para aplicaciones especializadas en la microelectrónica y nanotecnología.

La aplicación del plasma se hace principalmente en la industria del acero, automotriz, aeroespacial y biomédica. Un ejemplo de la aplicación en la industria electrónica es para la impresión de circuitos, en el área biomédica en la esterilización de equipos médicos y regeneración de tejidos, entre otros. Así también en los últimos años se ha incursionado en las áreas textiles, diamantes artificiales y superconductores.

Plasma aplicado a los polímeros

Dentro de la industria de los plásticos se ha utilizado principalmente en el sector de embalajes mediante la modificación de química superficial. Estas modificaciones consisten principalmente en la aplicación de recubrimientos delgados y en la activación de la superficie mediante la generación de nuevos grupos químicos superficiales.

Recubrimientos:

Consiste en generar una capa delgada de un material sobre la superficie de un material distinto y unirlos químicamente. Esto se logra mediante la reacción por plasma de un monómero (polimerización por plasma) en gas y la superficie del polímero obteniendo principalmente las siguientes propiedades:

1. Resistencia a la degradación
2. Resistencia a la ralladura
3. Barrera
4. Hidrofilia
5. Hidrofobia
6. Anti adherencia
7. Adherencia
8. Metalizado
9. Biocompatibilidad
10. Inmovilización de enzimas, proteínas o células

También se puede realizar con gases inorgánicos como el caso de la deposición química en fase vapor asistida por plasma en botellas PET en un ambiente rico en gas SiOx (óxido de silicio) con el fin de generar un recubrimiento ultradelgado y transparente sobre la superficie de la botella de PET, con la función barrera a gases que no permite la penetración del oxígeno (O₂) o el escape del dióxido de carbono, utilizado en las bebidas carbonatadas. Esta misma técnica se utiliza con otro tipo de polímeros con gases como el Hexametildisiloxan (HMDSO) o el Acetileno (C₂H₂) con el mismo objetivo de barrera a gases³.

Modificación química superficial de polímeros:

Hay polímeros como el polipropileno (PP), polioximetileno (POM) y polietileno (PE), entre otros que no tienen la energía superficial adecuada para imprimir sobre ellos, o no presentan buena adhesión hacia otros materiales, por lo que es importante modificar químicamente su superficie y de esta forma se mejora su energía superficial y propiedades superficiales generales. Si se mejoran las propiedades superficiales de los polímeros, se incrementa su número de aplicaciones.  Mediante la activación por plasma se logra generar superficies con una tensión superficial ideal para trabajar.

En el caso de algunos polímeros al generar plasma con gases tales como oxígeno, aire, nitrógeno, argón, amonio, etc. se crean nuevos grupos químicos, tales como hidróxilos, carbonilos, éteres, esteres, etc. que son altamente reactivos y favorecen la adhesión de pinturas y pegamentos. El tratamiento por plasma puede crear superficies altamente hidrofílicas o altamente hidrofóbicas, dependiendo del gas empleado durante el tratamiento superficial. Un ejemplo son los textiles de carácter hidrofílicos, al someterse a tratamientos con plasma con gases fluorados o gases que contienen silano entre otros, se obtienen superficies hidrofóbicas, ideales para aplicaciones que requieren poca o nula absorción de humedad en las telas³.

Por otro lado, en algunos grupos de investigación en el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) han utilizado el plasma para la funcionalización de nanopartículas o partículas, con el fin de obtener una mejor interacción de las partículas con una matriz polimérica y aprovechar las propiedades conferidas por ellas. Algunas de estas propiedades son la conductividad eléctrica, la conductividad térmica, la resistencia mecánica, entre otras⁴.

El plasma tiene amplias aplicaciones superficiales en el área de los polímeros según las propiedades que se requieran y se puede usar en piezas con diversas geometrías. Su uso en algunos casos representa una buena alternativa a procesos químicos usados en la industria y que no son benéficos al medio ambiente por el uso de solventes o reactivos peligrosos a los usuarios. El plasma es también muy empleado en la industria médica para producir materiales biocompatibles, también se emplea para esterilizar diferentes tipos de materiales o para la inmovilización de células o enzimas ^5,6.