火焰電漿

火焰處理是一種氣相前處理方法，藉由碳氫燃料在受控條件下燃燒，產生火焰電漿以改質基材表面，同時不影響高分子的整體本體性質。火焰處理造成的高分子表面氧化，是透過多重物理過程達成的，包括預混反應物的均相燃燒、燃燒產物向高分子表面的傳輸，以及火焰產物與高分子之間的異相反應。絕熱火焰溫度約為 3,300°F（1,816°C）。火焰處理的機制是以受控方式燃燒碳氫燃料以產生火焰電漿。預混層流火焰產生放熱反應。完全燃燒所需的氧化劑與燃料精確比例稱為化學計量比。在化學計量燃燒下，不會有過量的氧氣或燃料。天然氣的化學計量比約為 10:1，丙烷約為 24:1。

火焰是燃料與氧化劑在燃燒前充分混合的混合物。燃料與氧化劑的莫耳比，可能是火焰處理製程中最重要的參數。對於天然氣，其燃燒反應可由下列方程式描述：

CH4 + 2O2 + 8N2 ? CO2 + 2H20 + 8N2 + 火焰電漿

三項主要製程控制變數為火焰化學、基材與火焰的距離，以及處理停留時間。在燃燒系統中，火焰是一種次音速波，其特徵速度稱為層流火焰速度，定義為未燃氣體沿垂直於波面方向通過燃燒波的速度。層流火焰剖面由三個區域組成——還原區、發光區與後燃區。每個區域具有不同的溫度梯度與化學活性物種。零件通過火焰時的位置至關重要，必須精確控制，方能達到最大的表面潤濕與官能化效果。

最佳處理（氧化）發生在主要反應發光區或氧化區。這是火焰中溫度最高的區域，天然氣燃燒系統的溫度約達 1,700°C，丙烷基混合氣則為 1,900 至 2,000°C。在此區域中，自由基活性物種含量（包括羥基、羰基、羧基、醚基與酯基）急遽增加，而反應物濃度則相應下降。高濃度的自由基使該區域具有強氧化性，與還原區形成對比。

此區域的顏色取決於燃料與空氣的比例。當混合氣偏貧（燃氣不足）時，會產生深藍紫色輻射，源自受激發的 CH 自由基；若燃氣量持續減少，火焰幾乎變得透明。當混合氣偏富（燃氣過多）時，則出現綠色輻射，源自受激發的 C2 分子。若混合氣中的燃氣進一步增加，輻射會因生成碳粒而轉為黃色。理想的火焰化學，是使燃燒反應後火焰電漿中的氧濃度維持在 0.1% 至 0.5%。

基材與火焰之間的最佳處理距離（位置，即恰位於預燃還原區上方）通常介於 3/8 英吋至 1/2 英吋（9.5 mm 至 12.7 mm）。火焰實際具有處理作用的部分，約自焰尖向外延伸 1½ 英吋（38.1 mm），其中約 1/2 英吋（12.7 mm）處的處理程度最高，參見圖 1 中的黃色虛線。待處理表面絕不可接觸火焰的還原區（次化學計量區）。

預燃區或還原區是火焰中溫度最低的區域，此處預混的未燃氣體尚未達到最佳氧化條件。該區以明亮的鋼藍色為特徵，對表面活化無效，也不具氧化效益。後燃區是層流火焰剖面三個區域中最大的一個；由於 CO 氧化為 CO2 的放熱反應並釋出熱量，溫度仍維持在高檔。

就溫度與氧自由基濃度而言，此區域介於還原區與發光區之間，屬於中間狀態。高溫已燃氣體通常呈現偏紅的顏色，這是由水蒸氣與二氧化碳（碳氫燃料的燃燒產物）的輻射以及部分塵粒所造成。

發光火焰與基材表面之間的間隙（距離），是決定處理所達成活化程度的關鍵因素。一般而言，當基材通過火焰時，隨著火焰錐體與基材間距離增加，處理表面的潤濕性會迅速衰減。不過，在後燃區之外數毫米處，處理帶來的有益效果仍相當明顯。為使處理效益最大化，火焰應與其發光區協同作用——該區富含活性氧化物種（OH 自由基與 O 原子），且是整個燃燒系統中溫度最高的區域。

預混燃燒器系統應安裝零壓燃氣調壓器，並採用文氏管空氣／燃料混合器，以在任何燃燒率下維持恆定的空燃比。文氏管混合器是一種比例混合裝置，設有燃氣（天然氣或丙烷）與空氣／氧氣兩個入口，在本體內將這些氣體適當混合後由出口分配輸出。就作用原理而言，當助燃空氣流經空燃混合器中的節流孔時會產生壓降，此壓降經由零壓調壓器下游的感測管在內部被感知為負壓，藉此維持相對於大氣的零壓狀態。

燃燒器類型的正確選擇，對處理的均勻性與完整性至關重要。產品設計、幾何形狀與高分子基材都是重要因素。設計良好的燃燒器具有高度穩定性，可減少回火與離焰的發生——這是兩種因燃料／氧化劑混合氣流速與可燃混合氣燃燒速度失衡而產生的不穩定現象。若火焰的燃燒速度超過自燃燒口流出的氣流速度，預混燃燒器就可能發生回火。在此情況下，代表已超出能確保必要熱損失的最大孔徑，使火焰得以回傳至混合室內。

火焰處理使用兩種燃燒器：帶狀燃燒器與鑽孔式燃燒器。帶狀燃燒器由一系列壓摺的不鏽鋼帶片組成，嵌入黃銅、不鏽鋼、低碳鋼或鑄鐵本體中。帶片數量、壓摺樣式、燃燒孔數量及其他帶片圖樣設計特徵，均視應用而定。帶狀燃燒器的優點在於能提供大面積火焰與良好的火焰穩定性。第二種為鑽孔式燃燒器，通常以不鏽鋼與鋁製造。

帶狀燃燒器是最新一代的燃燒器，也是工業層級上最廣泛採用的方案，因為只要調整開槽寬度並配置帶片，即可自訂火焰形態3。對於高分子薄膜的表面改質或火焰處理而言，帶狀燃燒器是最佳選擇。