Plasma de ar (descarga elétrica)

Plasma de ar (descarga elétrica)

Principais conclusões

• O ar ambiente é o gás de trabalho; portanto, não são necessários suprimento de gás especial nem cilindros.
• Opera ao ar livre, sem câmara de vácuo, o que atende a linhas de produção contínuas.
• Três tipos de sistema: descarga corona, plasma à pressão atmosférica e configurações de jato de plasma.
• A ativação decai com o tempo. Os ganhos de energia de superfície se perdem, a menos que a peça seja colada ou revestida logo.

Plasma de ar (descarga elétrica)

O plasma de ar elétrico é um pré-tratamento de superfície à pressão atmosférica que usa ar comprimido ambiente como gás de processo, ionizando-o eletricamente para oxidar e ativar superfícies de polímeros imediatamente antes da colagem, impressão ou revestimento. Não exige vácuo, gás engarrafado nem combustível — ar comprimido limpo e seco e energia elétrica são as únicas entradas, o que o torna um dos pré-tratamentos mais simples de integrar a uma célula de produção existente.

Mecanismo

Uma descarga elétrica dentro do cabeçote de tratamento ioniza o fluxo de ar, gerando radicais de oxigênio, ozônio, espécies excitadas de nitrogênio e UV. Direcionadas à superfície do polímero, essas espécies rompem ligações carbono–hidrogênio nas primeiras camadas moleculares e enxertam grupos polares contendo oxigênio em seu lugar. A energia de superfície sobe imediatamente, o ângulo de contato diminui e adesivos, tintas e revestimentos molham a superfície em vez de formar gotas sobre ela.

A mesma descarga remove, ao mesmo tempo, por ablação, a camada limite fraca de desmoldantes, aditivos de deslizamento e óleos do ar, que de outra forma dominam as falhas de adesão. Na prática, essa contribuição de limpeza costuma ser tão importante quanto a própria ativação química — ponto examinado na discussão da Sabreen sobre falhas de adesão.

Principais parâmetros do processo

Pontos fortes e limites

• Em linha e compatível com robôs. Os cabeçotes são facilmente montados em um braço robótico ou esteira para o tratamento de peças moldadas tridimensionais.
• Tratamento seletivo. Apenas a área de colagem precisa ser ativada, o que preserva a aparência sem tratamento e a imprimibilidade do restante da peça.
• Sem chama aberta. Onde um processo de combustão é inaceitável por motivos de segurança ou de instalação, o plasma de ar elétrico é o substituto prático do plasma de chama.
• Limitado à linha de visada. Reentrâncias, rebaixos e superfícies internas ficam sombreados; essas geometrias apontam para o plasma frio de baixa pressão.
• Geração de ozônio. Normalmente é necessária exaustão local.
• O tratamento decai. A energia de superfície cai em horas ou dias à medida que as cadeias poliméricas se reorientam; por isso, a colagem deve seguir o tratamento sem demora.

Confirmação do resultado

O nível de tratamento deve ser verificado, e não presumido. Soluções de tensão de molhamento conforme a ASTM D2578 dão uma leitura rápida de dyne no posto de trabalho; a goniometria de ângulo de contato fornece o valor quantitativo para a validação do processo. Estabeleça empiricamente o nível de dyne necessário para o sistema específico de adesivo ou tinta e depois o monitore — desgaste do bico, deriva da qualidade do ar e oscilação do dispositivo de fixação alteram o resultado ao longo do tempo.

O que esperar por substrato

O plasma de ar eleva a energia de superfície em essencialmente todos os polímeros commodity e de engenharia, mas o tamanho do ganho e a velocidade do decaimento diferem o bastante para alterar o planejamento do processo. Comportamento indicativo, a ser confirmado na peça real:

Solução de problemas do tratamento por plasma de ar

Integração de um cabeçote a uma célula de produção

A maioria das instalações de plasma de ar decepcionantes são problemas de integração, não de processo. O tratamento em si é robusto; o que exige engenharia é mantê-lo constante:

• Trate imediatamente antes da colagem. A ativação decai em horas ou dias; assim, cada estação entre o cabeçote de plasma e o adesivo é tempo de decaimento. O sequenciamento em linha supera o estoque tratado em quase todos os casos.
• Fixe a distância de trabalho mecanicamente. Uma trajetória de robô ou um cabeçote fixo com a peça posicionada de forma positiva mantém a distância muito melhor do que uma peça apresentada por um operador. Essa única variável domina o resultado.
• Especifique o ar. Limpo, seco e isento de óleo é uma especificação, não uma aspiração. O arraste de óleo do compressor deposita contaminação exatamente sobre a superfície que se quer limpar e é uma causa comum de problemas de adesão em toda a planta que surgem sem qualquer mudança de processo.
• Faça a exaustão do ozônio. Normalmente é necessária exaustão local; confirme a exigência com a avaliação de ventilação da planta.
• Monitore, não presuma. Soluções de tensão de molhamento conforme a ASTM D2578 no posto de trabalho, registradas em gráfico de tendência, mostrarão o desgaste do bico e a deriva da qualidade do ar muito antes de surgirem como falhas em campo.
• Trate apenas o que precisa ser tratado. A ativação seletiva da área de colagem preserva a aparência e a imprimibilidade do restante da peça e, ao mesmo tempo, reduz a carga de ozônio.

Termos e leituras relacionados

• Serviços de tratamento por plasma de ar elétrico
• Pré-tratamento de superfície por plasma atmosférico
• Pré-tratamentos de superfície por plasma em polímeros para melhorar a adesão
• Medição da adesão e da resistência à abrasão de revestimentos e tintas

Aplicação na produção

A The Sabreen Group oferece suporte de engenharia independente para plasma de ar elétrico e ativação de superfície em linha. Se você está especificando um processo, qualificando um material ou resolvendo um problema de produção, nossa equipe de serviços de engenharia pode ajudar. Fale conosco para discutir sua aplicação.

Perguntas frequentes

O que é plasma de ar elétrico?

Um tratamento por plasma que usa ar ambiente como gás de trabalho, energizado por descarga elétrica de alta tensão para criar um campo de plasma reativo. Modifica as propriedades da superfície para melhorar a adesão, sem exigir gases especiais nem ambiente de vácuo.

Como o plasma é gerado?

Um campo elétrico intenso — por arco, corona ou descarga de barreira dielétrica — ioniza o ar ambiente entre eletrodos ou perto de um bico. O ar ionizado forma um plasma frio reativo, com as espécies que oxidam e ativam a superfície.

Para que o plasma de ar pode ser usado?

Limpeza de superfície para remover óleos, resíduos e contaminantes orgânicos antes de revestimento, pintura ou colagem; ativação de superfície para elevar a energia de superfície e melhorar a adesão de tintas, adesivos e revestimentos; e microcorrosão para rugosar levemente a superfície e favorecer a ancoragem mecânica.

Qual é a profundidade do tratamento?

Pouca. As modificações são superficiais, em geral restritas aos primeiros nanômetros ou micrômetros da superfície. Isso basta para a adesão, já que a colagem é um fenômeno de interface, mas significa que o efeito é frágil.

Por que a energia de superfície tratada diminui?

Porque a mobilidade das cadeias poliméricas permite que os grupos funcionais oxidados se reorientem para longe da superfície, e aditivos de baixa massa molar migram de volta a ela. O efeito é sensível ao tempo; portanto, as peças devem ser coladas ou revestidas logo após o tratamento.

Qual variável mais importa no tratamento por plasma de ar?

A distância de trabalho, com folga. As espécies reativas que fazem o trabalho se recombinam em milímetros no ar livre; assim, poucos milímetros de variação alteram bastante a dose entregue. A repetibilidade da fixação importa, portanto, mais do que a potência bruta — se os resultados variam de peça para peça, corrija a apresentação antes de ajustar os parâmetros do processo.

Quanto tempo após o tratamento a peça deve ser colada?

O mais rápido possível. A ativação decai em horas ou dias à medida que as cadeias poliméricas se reorientam e aditivos de baixa massa molar migram de volta à superfície, e o decaimento é mais rápido em poliolefinas e em elastômeros com óleos ou plastificantes. Posicione o cabeçote de plasma imediatamente antes da estação de colagem ou revestimento, em vez de tratar para um estoque intermediário.

O plasma de ar consegue tratar o interior de reentrâncias e rebaixos?

Não — é um processo de linha de visada; portanto, as superfícies sombreadas recebem pouco ou nenhum tratamento. Esse é o motivo mais comum de um processo que funciona em um corpo de prova plano falhar na peça moldada real. Mapeie quais superfícies o cabeçote realmente alcança; geometrias internas complexas apontam para o plasma frio de baixa pressão, que preenche a câmara em vez de ser direcionado a uma superfície.

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Perguntas frequentes

O que é o tratamento com plasma de ar elétrico?

O plasma de ar elétrico é um tratamento pontual por descarga corona, também chamado de plasma de ar soprado, corona de ar forçado ou blown arc. O cabeçote traz dois eletrodos em gancho próximos um do outro sobre um transformador de alta tensão, gerando um arco elétrico de cerca de 7 a 12 kV a uma frequência mais baixa, de 50 a 60 ciclos por segundo. Ar forçado leva a descarga corona resultante até a peça. Não é necessário aterramento.

Em que o plasma de ar elétrico difere da descarga corona elétrica?

Ambos são descargas corona, mas o plasma de ar opera em frequência muito mais baixa — 50 a 60 Hz contra os 20 a 25 kHz da descarga corona clássica — e não precisa de aterramento nem de barreira dielétrica. É um tratamento pontual e não de área, o que o torna adequado a locais específicos em vez de ao tratamento de toda uma superfície.

O plasma de ar elétrico limpa a superfície?

Praticamente não tem capacidade de limpeza. A contaminação presente na peça antes do tratamento continuará lá depois, de modo que peças com desmoldantes, óleos ou resíduos de manuseio precisam ser limpas antes.

O tratamento corona pontual dá vida útil maior que o tratamento à chama?

Não — em poliolefinas é o contrário. Estudos acadêmicos mostram que o plasma de chama produz vida útil pós-tratamento mais longa em poliolefinas, o que se atribui à sua profundidade de tratamento comparativamente menor. A crença de que o tratamento corona pontual dura mais é um dos mitos mais persistentes nesta área.

Há produção de ozônio?

Sim. A descarga gera ozônio, o que precisa ser considerado no projeto de exaustão e ventilação em torno da estação de tratamento.