火炎プラズマ

火炎処理は、制御された条件下で炭化水素燃料を燃焼させることにより火炎プラズマを発生させ、ポリマーのバルク特性に影響を与えることなく基材表面を改質する気相前処理法です。火炎処理によるポリマー表面の酸化は、予混合反応物の均一燃焼、燃焼生成物の重合体表面への輸送、および火炎生成物とポリマーとの不均一反応という複数の物理プロセスを経て生じます。断熱火炎温度は約3,300°F（1,816°C）です。火炎処理のメカニズムは、炭化水素燃料を制御燃焼させて火炎プラズマを発生させることにあります。予混合層流火炎は発熱反応を生じます。完全燃焼に必要な酸化剤と燃料の正確な比率は化学量論比（ストイキオメトリー比）と呼ばれます。化学量論燃焼では、酸素や燃料の過不足がありません。化学量論比は天然ガスで約10:1、プロパンで約24:1です。

火炎は、燃焼前に十分に混合された燃料と酸化剤の混合気です。燃料と酸化剤のモル比は、火炎処理プロセスにおいておそらく最も重要なパラメータです。天然ガスの場合、燃焼反応は次の式で表されます。

CH4 + 2O2 + 8N2 ? CO2 + 2H2O + 8N2 + 火炎プラズマ

主な3つのプロセス制御変数は、火炎の化学的性質、基材と火炎との距離、および処理のドウェルタイム（滞留時間）です。燃焼系において、火炎は層流燃焼速度と呼ばれる速度で特徴づけられる亜音速の波です。層流燃焼速度とは、未燃焼ガスが波面に垂直な方向に燃焼波を通過する速度として定義されます。層流火炎のプロファイルは、還元帯、輝炎帯、燃焼後帯の3つのゾーンで構成されます。各ゾーンは温度勾配と化学反応種が異なります。火炎中を通過する部品の位置決めは極めて重要であり、表面の最大濡れ性および官能基化を得るためには精密でなければなりません。

最適な処理（酸化）は、主反応帯である輝炎帯（酸化帯）で生じます。ここは火炎の中で最も高温な領域であり、燃焼系の温度は天然ガスで約1,700°C、プロパン系混合気で1,900～2,000°Cに達します。このゾーンでは、ヒドロキシル基、カルボニル基、カルボキシル基、エーテル、エステルを含むフリーラジカル反応種の含有量が、反応物濃度を犠牲にして急激に増加します。ラジカル種の濃度が高いことから、還元帯とは対照的にこの領域は強い酸化性を示します。

このゾーンの色は燃料と空気の比率により異なります。混合気が希薄（リーン）である場合、励起したCHラジカルにより深い青紫色の発光が生じ、ガス量をさらに減らすと火炎はほぼ透明になります。混合気が濃い（リッチ）場合は、励起したC2分子により緑色の発光が現れます。混合気中のガス量がさらに増加すると、生成される炭素粒子により発光は黄色みを帯びます。理想的な火炎の化学組成とは、燃焼反応後の火炎プラズマ中の酸素濃度が0.1％から0.5％となる組成です。

基材と火炎との最適な処理距離（位置）（燃焼前の還元帯のすぐ上）は、通常3/8インチから1/2インチ（9.5mmから12.7mm）の範囲です。火炎の実際の処理部分は火炎先端から約1と1/2インチ（38.1mm）延び、そのうち約1/2インチ（12.7mm）が最も高い処理効果を生み出します。図1の黄色い点線をご参照ください。処理対象の表面が火炎の還元帯（化学量論比未満の状態）に接触することは避けてください。

燃焼前帯（還元帯）は火炎の中で最も低温な領域であり、予混合された未燃焼ガスが最適な酸化条件に達していません。鮮やかな鋼青色を特徴とするこの領域は表面活性化には効果がなく、酸化効果も得られません。燃焼後帯は、層流火炎プロファイルの3つの領域の中で最も広い範囲を占めます。COからCO2への発熱酸化反応により熱が放出されるため、温度は高いまま保たれます。

この領域は、温度および酸素ラジカル濃度の点で、還元帯と輝炎帯の中間的な特性を示します。高温の既燃ガスは、一般に、水蒸気や二酸化炭素（炭化水素系燃料の燃焼生成物）の発光および一部の煤粒子により、赤みがかった色を呈します。

輝炎帯と基材表面との間のギャップ（距離）は、処理によって達成される活性化の程度を決定づける重要な要素です。一般に、基材が火炎を通過する際、火炎の炎心と基材との距離が広がるにつれて、処理面の濡れ性は急速に低下します。ただし、燃焼後帯を数ミリメートル超えた位置でも、処理による有益な効果は依然として認められます。処理効果を最大化するには、活性酸化種（OHラジカルおよびO原子）が最も豊富で、燃焼系全体の中で最も高温となる輝炎帯と連動させて火炎を運用する必要があります。

ゼロガス圧力レギュレーターは、バーナーの燃焼速度にかかわらず一定の空気/燃料比を維持するベンチュリー式空気/燃料ミキサーを用いた予混合バーナーシステムに設置する必要があります。ベンチュリーミキサーは、燃料ガス（天然ガスまたはプロパン）と空気/酸素の両方の入口を備えた比例混合装置であり、本体内部でこれらのガスを適切に混合し、出口から分配します。機能的には、燃焼用空気が空気/燃料ミキサーのオリフィスを通過する際に圧力降下が生じ、これがゼロガス圧力レギュレーターの下流センシングチューブを通じて内部的に負圧として検知され、大気に対してゼロ圧力を維持します。

バーナータイプの適切な選定は、処理の均一性と網羅性にとって極めて重要です。製品設計、形状、ポリマー基材が重要な要素となります。設計の優れたバーナーは安定性が高く、フラッシュバックとフレームリフトの発生を抑制します。この2つは、燃料/酸化剤混合気の流速と燃焼速度との不均衡により生じる不安定現象です。予混合バーナーでは、火炎の燃焼速度がポートから流出するガス流速を上回った場合にフラッシュバックが発生する可能性があります。この状態では、必要な熱損失を確保できる最大ポート径を超えているため、火炎が混合室内へ逆伝播してしまいます。

火炎処理には、リボン式とドリルドポート式の2種類のバーナーが使用されます。リボンバーナーは、真鍮、ステンレス鋼、軟鋼、鋳鉄に挿入された、波形加工されたステンレス鋼リボンの列で構成されています。リボンの本数、波形パターン、バーナーポートの数、その他のリボンパターン設計上の特徴は、用途によって異なります。リボンバーナーは、広い火炎面と火炎の安定性を提供できるという利点があります。もう一方のタイプであるドリルドポートバーナーは、通常ステンレス鋼やアルミニウムで製造されます。

リボンバーナーは最新世代のバーナーであり、スロット幅の調整やリボンの構成により火炎パターンをカスタマイズできることから、工業レベルで最も広く採用されているソリューションです。リボンバーナーは、ポリマーフィルムの表面改質または火炎処理における最適なソリューションです。