Entwicklung, Charakterisierung und Anwendungen nichtthermischer Luft-Plasmajets

Abstract

Hauptanwendungsgebiet für nichtthermische Plasmajets ist die Behandlung von Oberflächen zur Reinigung, Aktivierung, Modifizierung oder auch Beschichtung. Voraussetzung für eine effektive Plasmabehandlung ist in jedem Fall eine hohe Konzentration reaktiver Plasmaspezies und eine ausreichende Reichweite dieser Spezies.Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein nichtthermischer Plasmajet entwickelt, der ausschließlich mit Umgebungsluft betrieben werden kann. Eine Herausforderung ist hierbei der hohe Sauerstoffgehalt der Luft. Da Sauerstoff ein effektiver Quencher angeregter Zustände ist, ist es prinzipbedingt nicht möglich, langreichweitige Plasmastrahlen mit Luft zu erzeugen. Ein weiteres, generelles Problem beim Betrieb von Plasmajets ist die Ozonproduktion. Naturgemäß entstehen bei allen atmosphärischen Plasmen erhebliche Mengen an gesundheitsschädlichem Ozon. Ein Ziel dieser Arbeit war es daher, eine möglichst hohe Konzentration chemisch reaktiver Plasmaspezies zu erzeugen und die Reichweite dieser Spezies zu maximieren. Ein zusätzliches Ziel war die Minimierung der Ozonproduktion beim Betrieb des Plasmajets.Zum Erreichen dieser Ziele wurden umfangreiche analytische Untersuchungen zur Optimierung von Plasmaquellen einhergehend mit der numerischen Simulation durchgeführt. Hierdurch konnten weitreichende Erkenntnisse über die Vorgänge im Plasma und deren Zusammenhang mit äußeren Betriebsparametern erlangt werden.Auf Grundlage dieser Erkenntnisse erfolgte die Umsetzung dieser Ziele im Wesentlichen an vier Stellen: - Der hier entwickelte Jet besitzt ein dünnes Dielektrikum aus MgO. MgO besitzt einen vergleichsweise hohen Sekundärelektronenkoeffizienten. Daher werden während der Entladung mehr Sekundärelektronen emittiert. Dies führt zu einer höheren Elektronendichte und somit insgesamt zu mehr reaktiven Plasmaspezies. - Der Gasspalt ist relativ schmal. Dies führt zur Erhöhung der Anzahl an Mikroentladungen. Dies verbessert die Homogenität des Plasmas und die Konzentration angeregter Spezies steigt. Zusätzlich wird hierdurch die Ozonkonzentration reduziert. - Der Jet besitzt eine sehr kurze Elektrode. Hierdurch steigt bei gleicher Leistung die Spannung über dem Gasspalt, was zu einer höheren Elektronendichte und damit zu einem dichteren Plasma führt. Gleichzeitig wird hierdurch die Ozonkonzentration deutlich reduziert, da die Aufenthaltsdauer der Gasmoleküle im Plasma kürzer als die Bildungsgeschwindigkeit von Ozon ist. - Der Jet arbeitet mit einem sehr hohen Gasfluss und besitzt gleichzeitig eine sehr schmale Düse. Dadurch ist die Strömungsgeschwindigkeit im Plasmastrahl sehr hoch und die Reichweite kurzlebiger Plasmaspezies (insbesondere die der O-Atome) wird verlängert.Die Wirksamkeit des Plasmajets auch im Vergleich zu anderen Jets konnte über Messungen der Erhöhung der Oberflächenspannung auf PP- und PVC-Substraten nachgewiesen werden.Die Zusammensetzung des Plasmas und des Plasmastrahls konnte zusätzlich zu analytischen Untersuchungen über numerische Simulation ermittelt werden.