Plazma płomieniowa
Obróbka płomieniowa to metoda obróbki wstępnej w fazie gazowej, w której spalanie paliwa węglowodorowego w kontrolowanych warunkach wytwarza plazmę płomieniową modyfikującą powierzchnię podłoża bez wpływu na właściwości objętościowe polimeru. Utlenianie powierzchni polimeru w wyniku obróbki płomieniowej zachodzi poprzez wiele procesów fizycznych, w tym homogeniczne spalanie wstępnie zmieszanych reagentów, transport produktów spalania do powierzchni polimeru oraz heterogeniczną reakcję produktów płomienia z polimerem. Adiabatyczna temperatura płomienia wynosi około 3300°F (1816°C). Mechanizm obróbki płomieniowej polega na kontrolowanym spalaniu paliwa węglowodorowego w celu wytworzenia plazmy płomieniowej. Wstępnie zmieszane płomienie laminarne dają reakcję egzotermiczną. Dokładny stosunek utleniacza do paliwa niezbędny do całkowitego spalania nazywany jest stosunkiem stechiometrycznym. Przy spalaniu stechiometrycznym nie występuje nadmiar tlenu ani paliwa. Stosunek ten wynosi około 10:1 dla gazu ziemnego i 24:1 dla propanu.
Płomień to mieszanina paliwa i utleniacza dokładnie wymieszanych przed spalaniem. Stosunek molowy paliwa do utleniacza jest prawdopodobnie najważniejszym parametrem procesu obróbki płomieniowej. Dla gazu ziemnego reakcję spalania opisuje następujące równanie:
CH4 + 2O2 + 8N2 ? CO2 + 2H20 + 8N2 + plazma płomieniowa
Trzy główne zmienne sterujące procesem to chemia płomienia, odległość podłoża od płomienia oraz czas ekspozycji. W układzie spalania płomień jest falą poddźwiękową charakteryzowaną prędkością zwaną laminarną prędkością płomienia, definiowaną jako prędkość, z jaką niespalone gazy przemieszczają się przez falę spalania w kierunku prostopadłym do jej powierzchni. Profil płomienia laminarnego składa się z trzech stref: redukującej, świetlnej i pospalaniowej. Każda strefa ma inne gradienty temperatury i inne reaktywne indywidua chemiczne. Ustawienie elementu przemieszczającego się przez płomień jest krytyczne i musi być precyzyjne, aby uzyskać maksymalną zwilżalność i funkcjonalizację powierzchni.
Optymalna obróbka, czyli utlenianie, zachodzi w głównej świetlnej strefie reakcji lub w strefie utleniającej. Jest to najgorętszy obszar płomienia, w którym temperatura układu spalania sięga około 1700°C dla gazu ziemnego oraz 1900–2000°C dla mieszanek propanowych. W strefie tej zawartość reaktywnych rodników — w tym hydroksylowych, karbonylowych, karboksylowych, eterowych i estrowych — gwałtownie rośnie kosztem stężenia reagentów. Wysokie stężenie rodników czyni ten obszar silnie utleniającym, w przeciwieństwie do strefy redukującej.
Barwa tej strefy zależy od stosunku paliwa do powietrza. Przy mieszance ubogiej w gaz powstaje głębokie niebiesko-fioletowe promieniowanie pochodzące od wzbudzonych rodników CH, a płomień staje się niemal przezroczysty, gdy ilość gazu jest stopniowo zmniejszana. Przy mieszance bogatej w gaz pojawia się promieniowanie zielone, wywołane wzbudzonymi cząsteczkami C2. Gdy udział gazu rośnie jeszcze bardziej, promieniowanie przechodzi w żółte z powodu powstających cząstek węgla. Idealna chemia płomienia zapewnia stężenie tlenu w plazmie płomieniowej po reakcji spalania na poziomie 0,1–0,5%.
Optymalna odległość (położenie) podłoża od płomienia, tuż nad strefą redukującą poprzedzającą spalanie, wynosi zwykle od 3/8″ do 1/2″ (9,5 mm do 12,7 mm). Właściwie obrabiająca część płomienia sięga około 1½″ (38,1 mm) poza wierzchołek płomienia, przy czym najwyższy poziom obróbki występuje w okolicy 1/2″ (12,7 mm). Zobacz żółtą linię przerywaną na Schemacie 1. Obrabiana powierzchnia nigdy nie powinna stykać się ze strefą redukującą (podstechiometryczną) płomienia.
Strefa poprzedzająca spalanie, czyli redukująca, jest najzimniejszym obszarem płomienia, w którym wstępnie zmieszane, niespalone gazy nie osiągnęły jeszcze optymalnych warunków utleniania. Charakteryzuje się jasną, stalowoniebieską barwą, jest nieskuteczna w aktywacji powierzchni i nie daje korzyści utleniających. Strefa pospalaniowa jest największym z trzech obszarów profilu płomienia laminarnego. Temperatura pozostaje wysoka dzięki egzotermicznej reakcji utleniania CO do CO2, której towarzyszy wydzielanie ciepła.
Pod względem temperatury i stężenia rodników tlenowych obszar ten ma charakter pośredni, między strefą redukującą a świetlną. Spalone gazy o wysokiej temperaturze przybierają zwykle czerwonawą barwę, nadawaną przez promieniowanie pary wodnej i dwutlenku węgla — produktów spalania paliw węglowodorowych — oraz przez pewne cząstki zanieczyszczeń.
Szczelina, czyli odległość między świetlnym płomieniem a powierzchnią podłoża, jest czynnikiem krytycznym decydującym o stopniu aktywacji uzyskanym w obróbce. Zasadniczo, gdy podłoże przechodzi przez płomień, zwilżalność obrobionej powierzchni gwałtownie maleje wraz ze wzrostem odległości między stożkami płomienia a podłożem. Korzystny efekt obróbki jest jednak nadal zauważalny kilka milimetrów poza strefą pospalaniową. Aby zmaksymalizować korzyści, płomień powinien pracować w powiązaniu ze swoją strefą świetlną, najbogatszą w aktywne indywidua utleniające (rodniki OH i atomy O) i mającą najwyższą temperaturę w całym układzie spalania.
W układach palników z mieszaniem wstępnym należy instalować regulatory zerowego ciśnienia gazu wraz z mieszaczami zwężkowymi powietrze/paliwo, aby utrzymać stały stosunek powietrza do paliwa niezależnie od mocy palnika. Mieszacz zwężkowy to proporcjonalne urządzenie mieszające z wlotami dla gazu palnego (ziemnego lub propanu) oraz powietrza/tlenu, które wewnątrz korpusu właściwie miesza te gazy i rozprowadza je przez wylot. Funkcjonalnie, gdy powietrze do spalania przepływa przez kryzę w mieszaczu, powoduje spadek ciśnienia wykrywany wewnętrznie jako podciśnienie przez rurkę pomiarową za regulatorem zerowego ciśnienia — w celu utrzymania zerowego ciśnienia względem atmosfery.
Właściwy dobór typu palnika ma decydujące znaczenie dla równomierności i kompletności obróbki. Istotnymi czynnikami są konstrukcja wyrobu, jego geometria oraz polimerowe podłoże. Dobrze zaprojektowany palnik cechuje się wysoką stabilnością, ograniczając występowanie cofnięcia płomienia i oderwania płomienia — dwóch rodzajów niestabilności wynikających z braku równowagi między prędkością przepływu mieszanki paliwo/utleniacz a prędkością spalania mieszanki palnej. Cofnięcie płomienia może wystąpić w palniku z mieszaniem wstępnym, jeśli prędkość spalania płomienia przewyższy prędkość strumienia wypływającego z otworu. W takich warunkach przekroczona zostaje maksymalna średnica otworu zapewniająca niezbędne straty cieplne, co pozwala płomieniowi cofnąć się do komory mieszania.
Do obróbki płomieniowej stosuje się dwa typy palników: taśmowe i z otworami wierconymi. Palniki taśmowe składają się z szeregu karbowanych taśm ze stali nierdzewnej osadzonych w mosiądzu, stali nierdzewnej, stali niskowęglowej i żeliwie. Liczba taśm, wzór karbowania, liczba otworów palnika i inne cechy układu taśm zależą od zastosowania. Palniki taśmowe mają przewagę dzięki zdolności do wytworzenia dużej powierzchni płomienia i jego stabilizacji. Drugim typem są palniki z otworami wierconymi, wytwarzane zwykle ze stali nierdzewnej i aluminium.
Palniki taśmowe to najnowsza generacja palników i rozwiązanie najszerzej przyjęte w przemyśle, ponieważ kształt płomienia można dostosować, regulując szerokość szczeliny i konfigurację taśm3. Palniki taśmowe są optymalnym rozwiązaniem do modyfikacji powierzchni lub obróbki płomieniowej folii polimerowych.
Metody chemiczne i mechaniczne
Zamów bezpłatną wycenę
Scott Sabreen — prezes i główny inżynier, ponad 30 lat doświadczenia. Prosimy o kontakt już dziś, aby bezpłatnie i bez zobowiązań omówić Państwa aplikację i rozwiązania SABREEN. Powierzcie nam Państwo swoje najtrudniejsze wyzwania.
Telefon: +1 972-820-6777
