פלזמת להבה וטיפול בלהבה

פלזמת להבה

טיפול בלהבה הוא שיטת טיפול מקדים בפאזת גז, שבה בעירה של דלק פחמימני בתנאים מבוקרים מייצרת את פלזמת הלהבה המשנה את פני המצע מבלי להשפיע על תכונות הנפח של הפולימר. חמצון פני הפולימר כתוצאה מטיפול בלהבה מתרחש באמצעות מספר תהליכים פיזיקליים, ובהם בעירה הומוגנית של המגיבים המעורבבים מראש, הובלת תוצרי הבעירה אל פני הפולימר ותגובה הטרוגנית בין תוצרי הלהבה לפולימר. טמפרטורת הלהבה האדיאבטית היא כ-3,300°F (1,816°C). מנגנון הטיפול בלהבה הוא בעירה מבוקרת של דלק פחמימני לשם יצירת פלזמת הלהבה. להבות למינריות המעורבבות מראש מייצרות תגובה אקסותרמית. היחס המדויק בין המחמצן לדלק הנדרש לבעירה מלאה מכונה היחס הסטויכיומטרי. בבעירה סטויכיומטרית אין עודף חמצן או דלק. היחס הסטויכיומטרי הוא כ-10:1 עבור גז טבעי וכ-24:1 עבור פרופאן.

הלהבה היא תערובת של דלק ומחמצן המעורבבים היטב לפני הבעירה. היחס המולרי בין הדלק למחמצן הוא ככל הנראה הפרמטר החשוב ביותר בתהליך הטיפול בלהבה. עבור גז טבעי, המשוואה הבאה מתארת את תגובת הבעירה:

CH4 + 2O2 + 8N2 → CO2 + 2H20 + 8N2 + פלזמת להבה

שלושת משתני הבקרה העיקריים בתהליך הם כימיית הלהבה, מרחק המצע מהלהבה ומשך זמן הטיפול. במערכת בעירה הלהבה היא גל תת-קולי המאופיין במהירות הקרויה מהירות להבה למינרית, המוגדרת כמהירות שבה גזים שטרם נשרפו נעים לאורך גל הבעירה בכיוון הניצב לפני הגל. פרופיל להבה למינרית מורכב משלושה אזורים – אזור החיזור, האזור הזוהר והאזור שלאחר הבעירה. לכל אזור מפלי טמפרטורה שונים ורכיבים כימיים ריאקטיביים שונים. מיקום החלק הנע דרך הלהבה הוא קריטי וחייב להיות מדויק כדי להשיג הרטבה ופונקציונליזציה מרביות של פני השטח.

הטיפול האופטימלי (החמצון) מתרחש באזור הזוהר של התגובה העיקרית, הוא האזור המחמצן. זהו אזור הלהבה החם ביותר, שבו טמפרטורת מערכת הבעירה מגיעה לכ-1,700°C עבור גז טבעי ולכ-1,900 עד 2,000°C עבור תערובות מבוססות פרופאן. באזור זה תכולת הרדיקלים החופשיים הריאקטיביים (ובכללם הידרוקסיל, קרבוניל, קרבוקסיל, אתר ואסתר) עולה באופן דרמטי על חשבון ריכוז המגיבים. הריכוז הגבוה של הרדיקלים הופך אזור זה למחמצן במידה רבה, בניגוד לאזור החיזור.

צבע האזור הזה תלוי ביחס הדלק לאוויר. כאשר התערובת דלה בגז נוצרת קרינה סגולה-כחלחלה עמוקה, והלהבה נעשית כמעט שקופה ככל שכמות הגז פוחתת (בשל רדיקלי CH מעוררים). קרינה ירוקה מופיעה כאשר התערובת עשירה בגז (בשל מולקולות C2 מעוררות). כאשר כמות הגז בתערובת גדלה עוד יותר, הקרינה הופכת צהבהבה בשל חלקיקי הפחמן הנוצרים. כימיית הלהבה האידיאלית היא זו המספקת ריכוז חמצן בפלזמת הלהבה, לאחר תגובת הבעירה, של 0.1% עד 0.5%.

מרחק הטיפול האופטימלי (המיקום) של המצע מהלהבה, ממש מעל אזור החיזור שלפני הבעירה, הוא בדרך כלל בין 3/8 אינץ' ל-1/2 אינץ' (9.5 mm עד 12.7 mm). החלק המטפל בפועל של הלהבה משתרע כ-1.5 אינץ' (38.1 mm) מעבר לקצה הלהבה, כאשר כ-1/2 אינץ' (12.7 mm) מפיק את רמת הטיפול הגבוהה ביותר. ראו את הקו המקווקו הצהוב בתרשים 1. פני השטח המיועדים לטיפול לעולם אינם צריכים לבוא במגע עם אזור החיזור (התת-סטויכיומטרי) של הלהבה.

אזור טרום-הבעירה, או אזור החיזור, הוא האזור הקר ביותר בלהבה, שבו הגזים המעורבבים מראש שטרם נשרפו לא הגיעו לתנאי החמצון האופטימליים. אזור זה, המאופיין בצבע כחול-פלדה בהיר, אינו יעיל להפעלת פני השטח ואינו מספק כל יתרון חמצוני. האזור שלאחר הבעירה הוא הגדול מבין שלושת האזורים בפרופיל להבה למינרית. הטמפרטורה נותרת גבוהה בשל תגובת החמצון האקסותרמית של CO ל-CO2, המלווה בשחרור חום.

אזור זה מאופיין כאזור ביניים, בין אזור החיזור לאזור הזוהר, מבחינת הטמפרטורה וריכוז רדיקלי החמצן. הגזים השרופים בטמפרטורה גבוהה מציגים בדרך כלל צבע אדמדם, הנובע מקרינת אדי מים ופחמן דו-חמצני (תוצרי הבעירה של דלקים פחמימניים) ומחלקיקי לכלוך מסוימים.

המרווח (המרחק) בין הלהבה הזוהרת לפני המצע הוא גורם קריטי בקביעת מידת ההפעלה המושגת בטיפול. ככלל, כאשר המצע עובר דרך הלהבה, חלה ירידה מהירה ביכולת ההרטבה של פני השטח המטופלים ככל שגדל המרחק בין חרוטי הלהבה לבין המצע. עם זאת, השפעה מיטיבה של הטיפול עדיין ניכרת במרחק של כמה מילימטרים מעבר לאזור שלאחר הבעירה. כדי למקסם את התועלת מהטיפול, על הלהבה לפעול בשילוב עם האזור הזוהר שלה, העשיר ביותר ברכיבים מחמצנים פעילים (רדיקלי OH ואטומי O) והחם ביותר בכל מערכת הבעירה.

יש להתקין וסתי לחץ גז אפס במערכות מבערים עם ערבוב מוקדם, בשילוב מערבלי אוויר/דלק מסוג ונטורי, כדי לשמור על יחס אוויר/דלק קבוע ללא תלות בקצב הבעירה של המבער. מערבל הוונטורי הוא התקן ערבוב פרופורציונלי בעל כניסות לגז הדלק (טבעי או פרופאן) ולאוויר/חמצן, המערבב את הגזים כראוי בתוך גופו ומחלק אותם דרך היציאה. מבחינה תפקודית, כאשר אוויר הבעירה זורם דרך הנקב שבמערבל האוויר/דלק, נוצרת ירידת לחץ המזוהה פנימית כלחץ שלילי דרך צינור חישה במורד הזרם בווסת לחץ הגז האפס – כדי לשמור על לחץ אפס ביחס לאטמוספרה.

בחירה נכונה של סוג המבער היא קריטית לאחידות הטיפול ולשלמותו. תכן המוצר, הגיאומטריה שלו ומצע הפולימר הם גורמים חשובים. מבער מתוכנן היטב יאופיין ביציבות גבוהה, המפחיתה את שכיחותם של החזר להבה (flashback) והתרוממות להבה (flame lift), שני סוגי אי-יציבות הנגרמים מחוסר איזון בין מהירות הזרימה של תערובת הדלק/מחמצן לבין מהירות השרפה של התערובת הדליקה. החזר להבה עלול להתפתח במבער עם ערבוב מוקדם אם מהירות השרפה של הלהבה עולה על מהירות הזרם היוצא מהנקב. בתנאים אלה חורג קוטר הנקב מהערך המרבי המבטיח את איבודי החום הנדרשים, ובכך מתאפשר ללהבה להתפשט בחזרה אל תא הערבוב.

בטיפול בלהבה משתמשים בשני סוגי מבערים: מבערי סרט (ribbon) ומבערי נקבים קדוחים (drilled port). מבערי סרט מורכבים מסדרת סרטי פלדת אל-חלד מקומטים המושחלים לתוך פליז, פלדת אל-חלד, פלדה רכה ויציקת ברזל. מספר הסרטים, תבנית הקימוט, מספר נקבי המבער ומאפייני תכן נוספים של תבנית הסרט תלויים ביישום. מבערי סרט עשויים להציע יתרונות בזכות יכולתם לספק שטח להבה גדול וייצוב להבה. הסוג השני הוא מבער הנקבים הקדוחים. מבערי נקבים קדוחים מיוצרים בדרך כלל מפלדת אל-חלד ומאלומיניום.

מבערי סרט הם דור המבערים החדש ביותר והפתרון הנפוץ ביותר ברמה התעשייתית, משום שניתן להתאים אישית את דגמי הלהבה באמצעות כוונון רוחב החריץ וקביעת תצורת הסרטים3. מבערי סרט הם הפתרון האופטימלי לשינוי פני השטח או לטיפול בלהבה של יריעות פולימריות.

פלזמה אטמוספרית

קרינת UV ואוזון

פריקת קורונה חשמלית

פלזמת להבה Pyrosil

פלואורואוקסידציה

פלזמת אוויר חשמלית

פלזמת גז קר

כימי ומכני

---