Plasma de chama

Plasma de chama

Principais conclusões

• Uma chama aberta de gás e ar ou gás e oxigênio oxida e ativa termicamente a superfície, removendo contaminantes ao mesmo tempo.
• A exposição é medida em frações de segundo, o que a torna viável em linha.
• Trata plásticos quimicamente inertes e de energia de superfície muito baixa, com os quais outros métodos têm dificuldade.
• Não serve para peças sensíveis ao calor ou finas, que podem empenar ou se degradar sob uma chama aberta.

Plasma de chama

O tratamento por plasma de chama ativa a superfície de um polímero ao passá-la rapidamente pela região oxidante de uma chama de ar e gás controlada com precisão, elevando a energia de superfície para que adesivos, tintas e revestimentos molhem e adiram. Embora envolva chama aberta, o processo não é térmico em sua intenção: a exposição dura milissegundos, o corpo da peça nunca se aproxima da temperatura de deflexão térmica, e é a química da chama — não o seu calor — que faz o trabalho.

É o pré-tratamento de uso geral para peças de poliolefina tridimensionais de alto volume: carenagens de para-choques automotivos, tanques de combustível, recipientes e tampas.

A química da chama

Uma mistura pré-misturada de ar e combustível hidrocarboneto — gás natural ou propano — é queimada em um queimador de fita. Na zona oxidante logo além do cone azul visível, a chama é rica em oxigênio atômico, radicais hidroxila e outras espécies excitadas. Elas retiram hidrogênio da cadeia do polímero e enxertam em seu lugar grupos funcionais polares contendo oxigênio. O polipropileno passa de cerca de 29–31 mN/m para bem acima de 40 dyne/cm em uma única passagem.

A relação ar–gás é a variável crítica e a que mais vezes é ajustada de forma errada. A mistura deve ficar ligeiramente pobre — com excesso de ar — para produzir a química de chama oxidante que ativa a superfície. Uma chama rica deposita carbono e pode contaminar ativamente a peça. Essa relação deve ser dosada e monitorada, e não ajustada a olho.

Variáveis do processo

Por que a chama é escolhida

• Produtividade e custo. Em peças grandes e de alto volume, é o menor custo por unidade entre os pré-tratamentos eficazes.
• Seções espessas e contornadas. Trata geometrias tridimensionais substanciais que um tratador corona de bobina não consegue atender de forma alguma.
• Decaimento mais lento que o do corona. As superfícies de poliolefina tratadas a chama tendem a manter a ativação por mais tempo do que o filme tratado por corona, embora o decaimento ainda ocorra e a colagem imediata continue sendo a melhor prática.
• Robusto e bem compreendido. O hardware do queimador é maduro, passível de manutenção e simples de integrar.

As restrições são igualmente claras: uma chama aberta exige salvaguardas adequadas da instalação e controles de combustão; a linha de visada significa que reentrâncias e superfícies internas ficam sem tratamento; e peças sensíveis ao calor ou de parede fina podem não tolerar o processo. Onde essas restrições pesam, o plasma atmosférico ou o plasma frio são as alternativas usuais, e para os substratos mais intratáveis o plasma de chama Pyrosil deposita uma camada de silicato em vez de depender da ativação.

Verificação

Confirme o tratamento com soluções de tensão de molhamento conforme a ASTM D2578 ou com a medição do ângulo de contato, amostrando vários locais da peça, e não apenas um. A uniformidade em uma peça contornada é o ponto fraco habitual, porque a distância chama–superfície varia necessariamente com a geometria.

O que esperar por substrato

O tratamento a chama eleva a energia de superfície da maioria dos polímeros de baixa energia, mas o nível alcançável e a tolerância ao calor diferem o bastante para mudar a forma de configurar a estação:

Solução de problemas do tratamento a chama

Requisitos de segurança e instalação

O tratamento a chama é o único pré-tratamento comum que leva uma chama aberta e um suprimento de gás combustível para a célula de produção, o que o coloca sob um conjunto de obrigações diferente do dos métodos elétricos:

• A supervisão de chama e o corte automático de gás são os principais intertravamentos de segurança. A perda de chama deve fechar a válvula de gás imediatamente; caso contrário, combustível não queimado se acumula no gabinete.
• Purga antes da ignição. A sequência deve limpar o gabinete de qualquer gás acumulado antes de uma tentativa de ignição e deve bloquear após uma tentativa malsucedida, em vez de tentar indefinidamente.
• Exaustão dos produtos de combustão. A chama consome oxigênio e produz dióxido de carbono, vapor d’água e subprodutos de combustão em um espaço ocupado.
• Controle da relação ar–gás, e não apenas ajuste. Como a relação governa tanto a qualidade do tratamento quanto a segurança, ela pertence a um suprimento regulado e monitorado, e não a uma válvula ajustada manualmente que deriva.
• Superfícies quentes e calor radiante ao redor do queimador, que exigem proteção e atenção ao ambiente do operador.
• Aceitação da instalação. Algumas plantas e algumas seguradoras não aceitam de forma alguma um processo com chama aberta, o que costuma ser o fator decisivo a favor do plasma de ar elétrico, mesmo com a chama sendo tecnicamente adequada.

Termos e leituras relacionados

• Serviços de tratamento por plasma de chama
• Modificação de superfície de polímeros por plasma de chama para colagem por adesão
• Preparação de plásticos para pintura
• Revestimento líquido industrial de produtos de poliolefina

Aplicação na produção

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Perguntas frequentes

O que é o tratamento por plasma de chama?

Um processo de ativação de superfície a alta temperatura que usa uma chama aberta controlada — normalmente propano, butano ou gás natural misturado a ar ou oxigênio — para modificar as propriedades químicas e físicas de uma superfície. Ele oxida e ativa termicamente o material, elevando a energia de superfície.

Em quais plásticos é usado?

Polímeros difíceis de colar, em geral polipropileno, polietileno, PET e ABS. Prepara superfícies para a colagem com adesivos em conjuntos automotivos, de eletrodomésticos e da construção, e antes de operações de impressão.

Como a chama se compara ao tratamento corona?

A chama é mais quente e mais agressiva, o que a torna adequada a plásticos espessos ou difíceis de tratar. O corona é melhor para filmes finos e materiais sensíveis à temperatura. A chama também produz maior vida útil após o tratamento em poliolefinas, por causa de sua menor profundidade de tratamento.

Como a chama se compara ao plasma atmosférico?

O plasma atmosférico permite controle mais fino da química e é mais suave, enquanto a chama entrega maior poder de ativação em substratos inertes e de energia de superfície muito baixa e limpa contaminantes ao mesmo tempo.

Quais são as limitações do tratamento a chama?

O estresse térmico a descarta para materiais sensíveis ao calor ou finos que possam empenar ou se degradar. Exige ventilação adequada, proteções contra chama e protocolos de segurança. A uniformidade da superfície também depende do posicionamento preciso do bico e do manuseio consistente das peças.

A chama deve ser rica ou pobre?

Ligeiramente pobre, gerando uma chama oxidante. Uma chama rica deposita fuligem na superfície, contaminando exatamente a área que está sendo preparada, e a falha de união resultante costuma ser diagnosticada de forma errada como tratamento insuficiente. Como a relação ar–gás governa tanto a qualidade do tratamento quanto a segurança, ela pertence a um suprimento regulado e monitorado, e não a uma válvula ajustada manualmente.

O tratamento a chama pode ser usado em peças de parede fina?

Em geral, não. As seções finas têm pouca massa térmica; assim, atingem a temperatura de amolecimento antes que a superfície seja tratada de forma adequada, o que aparece como mudança de brilho, distorção ou rechupes. O filme fino pertence ao tratamento corona, e as peças moldadas de parede fina ao plasma atmosférico, que entregam ativação sem a carga térmica.

Que sistemas de segurança uma estação de tratamento a chama precisa?

Supervisão de chama com corte automático de gás na perda de chama, um ciclo de purga antes da ignição que bloqueia após uma tentativa malsucedida em vez de repetir, exaustão dos produtos de combustão, suprimento regulado de ar e gás e proteção contra superfícies quentes. Algumas plantas e seguradoras recusam de vez processos com chama aberta, o que muitas vezes decide uma instalação a favor de um método elétrico.

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Perguntas frequentes

Como o tratamento à chama altera uma superfície plástica?

A combustão controlada de um combustível hidrocarbônico gera o plasma de chama, que oxida a superfície do polímero sem afetar as propriedades de massa da peça. A oxidação ocorre por vários processos ao mesmo tempo: combustão homogênea dos reagentes pré-misturados, transporte dos produtos de combustão até a superfície e reação heterogênea desses produtos com o polímero. A temperatura de chama adiabática fica em torno de 3.300 °F (1.816 °C).

Em que ponto da chama a peça deve ficar?

Na zona luminosa e oxidante — a região mais quente, onde as espécies radicalares, incluindo hidroxila, carbonila, carboxila, éter e éster, aumentam acentuadamente. A distância ótima fica tipicamente entre 3/8 e 1/2 polegada (9,5 a 12,7 mm) acima da zona redutora. A porção tratante da chama se estende por cerca de 1-1/2 polegada (38,1 mm) além da ponta, com aproximadamente a primeira 1/2 polegada oferecendo o maior nível de tratamento. A superfície nunca deve tocar a zona redutora.

O que a cor da chama indica sobre a mistura?

Um violeta azulado intenso, tornando-se quase transparente conforme o gás é reduzido, indica mistura pobre em gás — essa cor vem de radicais CH excitados. Verde indica mistura rica em gás, por moléculas C2 excitadas. Aumentando ainda mais o gás, a radiação torna-se amarelada à medida que se formam partículas de carbono. Uma química de chama ideal deixa uma concentração de oxigênio de 0,1 a 0,5 por cento no plasma após a reação de combustão.

Quais são as variáveis de controle do processo?

Três: a química da chama, a distância do substrato à chama e o tempo de permanência do tratamento. A razão molar entre combustível e comburente é provavelmente o parâmetro isolado mais importante. A combustão estequiométrica — sem excesso de oxigênio nem de combustível — é de cerca de 10:1 para gás natural e 24:1 para propano.

Queimador de fita ou de orifícios?

Os queimadores de fita são a geração posterior e a mais adotada em escala industrial: fitas de aço inoxidável onduladas inseridas em um corpo, dando grande superfície de chama, boa estabilização e um padrão personalizável pela largura da fenda e pela configuração da fita. São a escolha usual para tratar filmes poliméricos. Os queimadores de orifícios são normalmente feitos em aço inoxidável e alumínio. A escolha do queimador determina a uniformidade e a completude do tratamento, de modo que a geometria da peça e o substrato entram ambos na decisão.

O que são retorno de chama e descolamento de chama?

Duas instabilidades causadas por desequilíbrio entre a velocidade de escoamento da mistura combustível/comburente e a velocidade de queima dessa mistura. O retorno de chama ocorre em um queimador de pré-mistura quando a velocidade de queima da chama supera a velocidade do fluxo que sai do orifício, permitindo que a chama se propague de volta para a câmara de mistura. Um queimador bem projetado é estável o bastante para que nenhum dos dois ocorra.