फ्लेम प्लाज़्मा सतह पूर्व-उपचार समाधान

फ्लेम प्लाज़्मा

फ्लेम ट्रीटमेंट एक गैस-फेज़ पूर्व-उपचार विधि है, जिसमें नियंत्रित परिस्थितियों में हाइड्रोकार्बन ईंधन के दहन से फ्लेम प्लाज़्मा उत्पन्न होता है, जो पॉलिमर के बल्क गुणों को प्रभावित किए बिना सब्सट्रेट सतह को संशोधित करता है। फ्लेम ट्रीटमेंट के परिणामस्वरूप पॉलिमर सतह का ऑक्सीकरण कई भौतिक प्रक्रियाओं के माध्यम से होता है, जिनमें प्रीमिक्स्ड अभिकारकों का समांगी दहन, दहन उत्पादों का पॉलिमर सतह तक परिवहन, तथा फ्लेम उत्पादों की पॉलिमर के साथ विषम प्रतिक्रिया शामिल है। एडियाबेटिक फ्लेम तापमान लगभग 3,300°F (1,816°C) है। फ्लेम ट्रीटमेंट का तंत्र, फ्लेम प्लाज़्मा उत्पन्न करने हेतु हाइड्रोकार्बन ईंधन का नियंत्रित दहन है। प्रीमिक्स्ड लैमिनार फ्लेम एक एक्ज़ोथर्मिक प्रतिक्रिया उत्पन्न करती हैं। पूर्ण दहन के लिए आवश्यक ऑक्सीडाइज़र से ईंधन का सटीक अनुपात स्टॉइकियोमेट्रिक अनुपात कहलाता है। स्टॉइकियोमेट्रिक दहन में कोई अतिरिक्त ऑक्सीजन या ईंधन नहीं होता। स्टॉइकियोमेट्रिक अनुपात प्राकृतिक गैस के लिए लगभग 10:1 और प्रोपेन के लिए 24:1 है।

फ्लेम, दहन से पहले पूरी तरह मिश्रित ईंधन व ऑक्सीडाइज़र का मिश्रण है। ईंधन का ऑक्सीडाइज़र से मोलर अनुपात संभवतः फ्लेम ट्रीटमेंट प्रक्रिया के भीतर सबसे महत्वपूर्ण पैरामीटर है। प्राकृतिक गैस के लिए, निम्नलिखित समीकरण दहन प्रतिक्रिया का वर्णन करता है:

CH4 + 2O2 + 8N2 → CO2 + 2H2O + 8N2 + फ्लेम प्लाज़्मा

तीन मुख्य प्रक्रिया नियंत्रण चर हैं: फ्लेम कैमिस्ट्री, फ्लेम से सब्सट्रेट की दूरी, तथा उपचार का ड्वेल टाइम। दहन प्रणाली में फ्लेम एक सबसोनिक तरंग है, जिसकी विशेषता लैमिनार फ्लेम स्पीड नामक वेग से होती है, जिसे उस वेग के रूप में परिभाषित किया जाता है जिस पर अदाहित गैसें तरंग सतह के लंबवत दिशा में दहन तरंग के भीतर गति करती हैं। एक लैमिनार फ्लेम प्रोफाइल में तीन क्षेत्र होते हैं – रिड्यूसिंग, ल्यूमिनस व पोस्ट-कम्बशन। प्रत्येक क्षेत्र में भिन्न तापमान प्रवणता व रासायनिक अभिक्रियाशील स्पीशीज़ होती हैं। फ्लेम से गुज़रते हुए पार्ट की स्थिति महत्वपूर्ण है और अधिकतम सतह वेटिंग व फंक्शनलाइज़ेशन के लिए सटीक होनी चाहिए।

इष्टतम उपचार (ऑक्सीकरण) मुख्य प्रतिक्रिया ल्यूमिनस ज़ोन या ऑक्सीडाइज़िंग ज़ोन में होता है। यह फ्लेम का सबसे गर्म क्षेत्र है, जहाँ दहन प्रणाली का तापमान प्राकृतिक गैस के लिए लगभग 1,700°C और प्रोपेन-आधारित मिश्रणों के लिए 1,900 से 2,000°C तक पहुँचता है। इस ज़ोन में, फ्री रैडिकल अभिक्रियाशील स्पीशीज़ की मात्रा (हाइड्रॉक्सिल, कार्बोनिल, कार्बोक्सिल, ईथर व एस्टर सहित) अभिकारक सांद्रता की कीमत पर नाटकीय रूप से बढ़ जाती है। रैडिकल स्पीशीज़ की उच्च सांद्रता इस क्षेत्र को रिड्यूसिंग ज़ोन के विपरीत, प्रबल रूप से ऑक्सीडाइज़िंग बनाती है।

इस ज़ोन का रंग ईंधन/वायु अनुपात पर निर्भर करता है। जब मिश्रण गैस-लीन होता है (उत्तेजित CH रैडिकल्स के कारण), तो एक गहरा नीला-बैंगनी विकिरण उत्पन्न होता है, और गैस की मात्रा और अधिक घटने पर फ्लेम लगभग पारदर्शी हो जाती है। जब मिश्रण गैस-रिच होता है (उत्तेजित C2 अणुओं के कारण), तो हरा विकिरण दिखाई देता है। जब मिश्रण में गैस की मात्रा और बढ़ती है, तो बने कार्बन कणों के कारण विकिरण पीलापन लिए हो जाता है। आदर्श फ्लेम कैमिस्ट्री वह है जो दहन प्रतिक्रिया के बाद फ्लेम प्लाज़्मा में 0.1% से 0.5% की ऑक्सीजन सांद्रता प्रदान करती है।

फ्लेम से सब्सट्रेट की इष्टतम उपचार दूरी (स्थिति) (प्री-कम्बशन रिड्यूसिंग ज़ोन के ठीक ऊपर) सामान्यतः 3/8″ से ½″ (9.5 mm से 12.7 mm) के बीच होती है। फ्लेम का वास्तविक उपचार भाग फ्लेम टिप से लगभग 1½″ (38.1 mm) आगे तक फैला होता है, जिसमें लगभग ½″ (12.7 mm) उच्चतम स्तर का उपचार उत्पन्न करता है। डायग्राम 1 में पीली बिंदीदार रेखा का संदर्भ लें। उपचारित की जाने वाली सतह को फ्लेम के रिड्यूसिंग ज़ोन (सब-स्टॉइकियोमेट्रिक) के संपर्क में कभी नहीं आना चाहिए।

प्री-कम्बशन या रिड्यूसिंग ज़ोन फ्लेम का सबसे ठंडा क्षेत्र है, जहाँ प्रीमिक्स्ड अदाहित गैसें इष्टतम ऑक्सीडाइज़िंग स्थिति तक नहीं पहुँची होतीं। अपने चमकीले स्टील-ब्लू रंग की विशेषता वाला यह क्षेत्र सतह सक्रियण के लिए अप्रभावी है और कोई ऑक्सीकरण लाभ प्रदान नहीं करता। पोस्ट-कम्बशन ज़ोन लैमिनार फ्लेम प्रोफाइल के तीन क्षेत्रों में सबसे बड़ा है। CO के CO2 में एक्ज़ोथर्मिक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया के कारण, ऊष्मा की रिहाई के साथ, तापमान उच्च बना रहता है।

तापमान व ऑक्सीजन रैडिकल सांद्रता के संदर्भ में यह क्षेत्र रिड्यूसिंग व ल्यूमिनस ज़ोन के बीच मध्यवर्ती माना जाता है। उच्च तापमान वाली दाहित गैसें सामान्यतः लाल रंगत प्रदर्शित करती हैं, जो जल वाष्प व कार्बन डाइऑक्साइड (हाइड्रोकार्बन दहनशीलों के साथ दहन उत्पाद) के विकिरण व कुछ धूल कणों के कारण होती है।

ल्यूमिनस फ्लेम व सब्सट्रेट सतह के बीच का अंतर (दूरी), उपचार द्वारा प्राप्त सक्रियण की सीमा निर्धारित करने में एक महत्वपूर्ण कारक है। सामान्यतः, जब सब्सट्रेट फ्लेम से गुज़रता है, तो फ्लेम व सब्सट्रेट के शंकुओं के बीच दूरी बढ़ने पर उपचारित सतह की वेटेबिलिटी में तेज़ी से कमी आती है। हालाँकि, उपचार से उत्पन्न लाभकारी प्रभाव पोस्ट-कम्बशन ज़ोन से कई मिलीमीटर आगे तक भी सराहनीय बना रहता है। उपचार से अधिकतम लाभ प्राप्त करने के लिए, फ्लेम को अपने ल्यूमिनस ज़ोन के साथ तालमेल में काम करना चाहिए, जो सक्रिय ऑक्सीडाइज़िंग स्पीशीज़ (OH रैडिकल्स व O परमाणु) में सबसे समृद्ध है और संपूर्ण दहन प्रणाली में सबसे उच्च तापमान वाला है।

बर्नर की फायरिंग दर के बावजूद निरंतर वायु/ईंधन अनुपात बनाए रखने के लिए, वेंचुरी वायु/ईंधन मिक्सर का उपयोग करते हुए, प्रीमिक्स बर्नर सिस्टम के साथ ज़ीरो गैस प्रेशर रेगुलेटर स्थापित किए जाने चाहिए। वेंचुरी मिक्सर एक आनुपातिक मिश्रण उपकरण है, जिसमें ईंधन गैस (प्राकृतिक या प्रोपेन) व वायु/ऑक्सीजन दोनों के लिए इनलेट होते हैं, और यह अपने भीतरी हिस्से में इन गैसों को उचित रूप से मिलाकर आउटलेट के माध्यम से वितरित करता है। कार्यात्मक रूप से, जैसे ही दहन वायु वायु/ईंधन मिक्सर के ऑरिफिस से होकर प्रवाहित होती है, यह एक प्रेशर ड्रॉप उत्पन्न करती है, जिसे ज़ीरो गैस प्रेशर रेगुलेटर में डाउनस्ट्रीम सेंसिंग ट्यूब के माध्यम से आंतरिक रूप से नेगेटिव प्रेशर के रूप में महसूस किया जाता है – ताकि वायुमंडल के सापेक्ष शून्य दाब बनाए रखा जा सके।

उपचार की एकरूपता व पूर्णता के लिए बर्नर प्रकार का उचित चयन महत्वपूर्ण है। उत्पाद डिज़ाइन, ज्यामिति व पॉलिमर सब्सट्रेट महत्वपूर्ण कारक हैं। एक अच्छी तरह डिज़ाइन किया गया बर्नर उच्च स्तर की स्थिरता रखेगा, जिससे फ्लैशबैक व फ्लेम लिफ्ट की घटना कम होगी — ये दो प्रकार की अस्थिरताएँ हैं, जो ईंधन/ऑक्सीडाइज़र मिश्रण प्रवाह वेग व दहनशील मिश्रण के बर्न वेग के बीच असंतुलन के कारण होती हैं। यदि फ्लेम का बर्न वेग पोर्ट से बाहर बहने वाले स्ट्रीम वेग से अधिक हो जाए, तो प्रीमिक्स्ड बर्नर में फ्लैशबैक विकसित हो सकता है। इन परिस्थितियों में, आवश्यक ऊष्मीय हानि सुनिश्चित करने वाला अधिकतम पोर्ट व्यास पार हो चुका होता है, जिससे फ्लेम मिक्सिंग चैंबर में वापस फैलने लगती है।

फ्लेम ट्रीटिंग के लिए दो प्रकार के बर्नर उपयोग किए जाते हैं: रिबन व ड्रिल्ड पोर्ट। रिबन बर्नर, पीतल, स्टेनलेस स्टील, माइल्ड स्टील व कास्ट आयरन में डाली गई क्रिम्प्ड स्टेनलेस स्टील रिबन की एक श्रृंखला से बने होते हैं। रिबन की संख्या, क्रिम्प पैटर्न, बर्नर पोर्ट की संख्या तथा अन्य रिबन पैटर्न डिज़ाइन विशेषताएँ अनुप्रयोग पर निर्भर करती हैं। रिबन बर्नर, बड़े फ्लेम सतह क्षेत्र व फ्लेम स्थिरीकरण प्रदान करने की अपनी क्षमता के कारण लाभ प्रदान कर सकते हैं। दूसरा प्रकार ड्रिल्ड पोर्ट बर्नर है। ड्रिल्ड पोर्ट बर्नर सामान्यतः स्टेनलेस स्टील व एल्युमिनियम में निर्मित होते हैं।

रिबन बर्नर, बर्नरों की नवीनतम पीढ़ी हैं और औद्योगिक स्तर पर सबसे व्यापक रूप से अपनाया जाने वाला समाधान हैं, क्योंकि स्लॉट की चौड़ाई समायोजित कर और रिबन कॉन्फ़िगर कर फ्लेम पैटर्न को अनुकूलित किया जा सकता है। पॉलिमर फिल्मों के सतह संशोधन या फ्लेम ट्रीटमेंट के लिए रिबन बर्नर इष्टतम समाधान हैं।

वायुमंडलीय प्लाज़्मा

UV विकिरण ओज़ोन

इलेक्ट्रिकल कोरोना डिस्चार्ज

Pyrosil फ्लेम प्लाज़्मा

फ्लोरो-ऑक्सीकरण

इलेक्ट्रिकल एयर प्लाज़्मा

कोल्ड गैस प्लाज़्मा

रासायनिक व यांत्रिक

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