Plazma płomieniowa

Plazma płomieniowa

Najważniejsze informacje

• Otwarty płomień gazowo-powietrzny lub gazowo-tlenowy utlenia i aktywuje termicznie powierzchnię, usuwając przy tym zanieczyszczenia.
• Ekspozycja mierzona jest w ułamkach sekundy, co umożliwia stosowanie w linii.
• Radzi sobie z chemicznie obojętnymi tworzywami o bardzo niskiej energii powierzchniowej, z którymi inne metody mają trudności.
• Nie nadaje się do detali wrażliwych na ciepło ani cienkich, które mogą się odkształcić lub ulec degradacji pod otwartym płomieniem.

Plazma płomieniowa

Obróbka plazmą płomieniową aktywuje powierzchnię polimeru poprzez szybkie przeprowadzenie jej przez strefę utleniającą precyzyjnie kontrolowanego płomienia powietrzno-gazowego, zwiększając energię powierzchniową tak, aby kleje, farby drukarskie i powłoki zwilżały ją i się z nią wiązały. Mimo użycia otwartego płomienia proces nie ma charakteru termicznego: ekspozycja trwa milisekundy, materiał w masie nigdy nie zbliża się do temperatury odkształcenia cieplnego, a pracę wykonuje chemia płomienia, a nie jego ciepło.

Jest to podstawowa metoda obróbki wstępnej dla wielkoseryjnych trójwymiarowych detali z poliolefin: pasów zderzaków samochodowych, zbiorników paliwa, pojemników i zamknięć.

Chemia płomienia

Wstępnie zmieszane powietrze i paliwo węglowodorowe — gaz ziemny lub propan — spala się w palniku taśmowym. W strefie utleniającej tuż za widocznym niebieskim stożkiem płomień jest bogaty w atomowy tlen, rodniki hydroksylowe i inne wzbudzone cząstki. Odrywają one wodór z łańcucha polimeru i szczepią w jego miejsce polarne grupy funkcyjne zawierające tlen. Polipropylen przechodzi z ok. 29–31 mN/m do wartości znacznie powyżej 40 dyne/cm w jednym przejściu.

Stosunek powietrza do gazu jest zmienną krytyczną i tą, którą najczęściej ustawia się błędnie. Mieszanka musi być lekko uboga — z nadmiarem powietrza — aby uzyskać utleniającą chemię płomienia aktywującą powierzchnię. Płomień bogaty osadza węgiel i może wręcz zanieczyścić detal. Ten stosunek należy dozować i monitorować, a nie regulować na oko.

Zmienne procesu

Dlaczego wybiera się płomień

• Wydajność i koszt. Przy dużych, wielkoseryjnych detalach jest to najtańsza w przeliczeniu na sztukę ze wszystkich skutecznych metod obróbki wstępnej.
• Grube i profilowane przekroje. Radzi sobie z rozbudowaną geometrią trójwymiarową, której taśmowa stacja koronowa w ogóle nie obsłuży.
• Wolniejszy zanik niż w przypadku korony. Powierzchnie poliolefin po obróbce płomieniowej utrzymują aktywację dłużej niż folia po obróbce koronowej, choć zanik nadal występuje, a szybkie klejenie pozostaje najlepszą praktyką.
• Solidność i dobre poznanie. Palniki są dojrzałą, serwisowalną konstrukcją, łatwą do zintegrowania.

Ograniczenia są równie jasne: otwarty płomień wymaga odpowiednich zabezpieczeń zakładowych i kontroli spalania; bezpośrednia widoczność oznacza, że zagłębienia i powierzchnie wewnętrzne pozostają nieobrobione; a detale wrażliwe na ciepło lub cienkościenne mogą w ogóle nie tolerować procesu. Tam, gdzie te ograniczenia obowiązują, zwykłymi alternatywami są plazma atmosferyczna lub plazma zimna, a dla najtrudniejszych podłoży plazma płomieniowa Pyrosil osadza warstwę krzemianową, zamiast polegać na aktywacji.

Weryfikacja

Obróbkę należy potwierdzać roztworami do pomiaru napięcia zwilżania wg ASTM D2578 lub pomiarem kąta zwilżania, pobierając próbki w kilku miejscach detalu, a nie w jednym. Jednorodność na detalu o konturze jest zwykle słabym punktem, ponieważ odległość płomienia od powierzchni z konieczności zmienia się wraz z geometrią.

Czego oczekiwać w zależności od podłoża

Obróbka płomieniowa zwiększa energię powierzchniową większości polimerów o niskiej energii, ale osiągalny poziom i tolerancja na ciepło różnią się na tyle, że zmieniają sposób ustawienia stanowiska:

Diagnostyka obróbki płomieniowej

Wymagania bezpieczeństwa i instalacji

Obróbka płomieniowa jest jedyną popularną metodą obróbki wstępnej, która wprowadza do gniazda produkcyjnego otwarty płomień i instalację paliwa gazowego, co poddaje ją innym obowiązkom niż metody elektryczne:

• Nadzór płomienia i automatyczne odcięcie gazu to główne blokady bezpieczeństwa. Zanik płomienia musi natychmiast zamknąć zawór gazu, w przeciwnym razie niespalone paliwo gromadzi się w obudowie.
• Przedmuch przed zapłonem. Sekwencja musi usunąć z obudowy nagromadzony gaz przed próbą zapłonu i musi się zablokować po nieudanej próbie, zamiast ponawiać ją w nieskończoność.
• Odciąg produktów spalania. Płomień zużywa tlen i wytwarza dwutlenek węgla, parę wodną i produkty uboczne spalania w przestrzeni zajmowanej przez ludzi.
• Kontrola stosunku powietrza do gazu, a nie tylko jego ustawienie. Ponieważ stosunek ten decyduje zarówno o jakości obróbki, jak i o bezpieczeństwie, powinien być realizowany na regulowanym i monitorowanym zasilaniu, a nie na ręcznie ustawianym zaworze, który dryfuje.
• Gorące powierzchnie i ciepło promieniowania wokół palnika, wymagające osłon i uwzględnienia środowiska pracy operatora.
• Akceptacja przez zakład. Niektóre zakłady i niektórzy ubezpieczyciele w ogóle nie akceptują procesu z otwartym płomieniem, co jest często decydującym czynnikiem na korzyść plazmy powietrznej wytwarzanej wyładowaniem elektrycznym, mimo że płomień jest technicznie odpowiedni.

Powiązane terminy i lektura uzupełniająca

• Usługi obróbki plazmą płomieniową
• Modyfikacja powierzchni polimerów plazmą płomieniową w celu łączenia adhezyjnego
• Przygotowanie tworzyw sztucznych do malowania
• Przemysłowe powlekanie wyrobów z poliolefin powłokami ciekłymi

Zastosowanie w produkcji

The Sabreen Group zapewnia niezależne wsparcie inżynieryjne w zakresie projektowania procesu obróbki płomieniowej, ustawienia palników i optymalizacji stosunku powietrza do gazu. Jeśli określają Państwo proces, kwalifikują materiał lub usuwają problem produkcyjny, pomocy udzieli nasz zespół usług inżynieryjnych. Prosimy o kontakt, aby omówić Państwa zastosowanie.

Najczęściej zadawane pytania

Czym jest obróbka plazmą płomieniową?

Wysokotemperaturowy proces aktywacji powierzchni z użyciem kontrolowanego otwartego płomienia — zwykle propanu, butanu lub gazu ziemnego zmieszanego z powietrzem lub tlenem — służący do modyfikacji chemicznych i fizycznych właściwości powierzchni. Utlenia i aktywuje termicznie materiał, zwiększając energię powierzchniową.

Na jakich tworzywach się ją stosuje?

Na polimerach trudnych do klejenia, zwykle polipropylenie, polietylenie, PET i ABS. Przygotowuje powierzchnie do klejenia w zespołach motoryzacyjnych, sprzętu AGD i budowlanych oraz przed operacjami drukowania.

Jak płomień wypada w porównaniu z obróbką koronową?

Płomień jest gorętszy i bardziej agresywny, co dobrze sprawdza się przy grubych lub trudnych do obróbki tworzywach. Korona lepiej nadaje się do cienkich folii i materiałów wrażliwych na temperaturę. Płomień zapewnia też dłuższy okres przydatności po obróbce na poliolefinach ze względu na płytszą głębokość obróbki.

Jak płomień wypada w porównaniu z plazmą atmosferyczną?

Plazma atmosferyczna pozwala na dokładniejszą kontrolę chemii i jest łagodniejsza, natomiast płomień zapewnia większą moc aktywacji na podłożach obojętnych o bardzo niskiej energii powierzchniowej i jednocześnie czyści zanieczyszczenia.

Jakie są ograniczenia obróbki płomieniowej?

Naprężenia termiczne wykluczają ją w przypadku materiałów wrażliwych na ciepło lub cienkich, które mogą się odkształcić lub ulec degradacji. Wymaga właściwej wentylacji, osłon płomienia i protokołów bezpieczeństwa. Jednorodność powierzchni zależy też od precyzyjnego ustawienia dyszy i spójnego prowadzenia detali.

Czy płomień powinien być bogaty, czy ubogi?

Lekko ubogi, dający płomień utleniający. Płomień bogaty osadza sadzę na powierzchni, zanieczyszczając dokładnie ten obszar, który jest przygotowywany, a wynikające z tego uszkodzenie połączenia jest często błędnie diagnozowane jako niedostateczna obróbka. Ponieważ stosunek powietrza do gazu decyduje zarówno o jakości obróbki, jak i o bezpieczeństwie, powinien być realizowany na regulowanym i monitorowanym zasilaniu, a nie na ręcznie ustawianym zaworze.

Czy obróbkę płomieniową można stosować na detalach cienkościennych?

Zasadniczo nie. Cienkie przekroje mają zbyt małą masę cieplną, więc osiągają temperaturę mięknienia, zanim powierzchnia zostanie odpowiednio obrobiona, co objawia się zmianą połysku, odkształceniem lub zapadnięciami. Cienka folia należy do obróbki koronowej, a cienkościenne wypraski do plazmy atmosferycznej, które zapewniają aktywację bez obciążenia termicznego.

Jakich systemów bezpieczeństwa wymaga stanowisko obróbki płomieniowej?

Nadzoru płomienia z automatycznym odcięciem gazu po zaniku płomienia, cyklu przedmuchu przed zapłonem, który blokuje się po nieudanej próbie zamiast ją ponawiać, odciągu produktów spalania, regulowanego zasilania powietrzem i gazem oraz osłon gorących powierzchni. Niektóre zakłady i ubezpieczyciele odrzucają procesy z otwartym płomieniem w ogóle, co często przesądza o wyborze metody elektrycznej.

---

Najczęściej zadawane pytania

Jak obróbka płomieniowa zmienia powierzchnię tworzywa?

Kontrolowane spalanie paliwa węglowodorowego wytwarza plazmę płomieniową, która utlenia powierzchnię polimeru bez wpływu na właściwości objętościowe części. Utlenianie zachodzi przez kilka procesów naraz: homogeniczne spalanie wstępnie zmieszanych reagentów, transport produktów spalania do powierzchni i heterogeniczną reakcję tych produktów z polimerem. Adiabatyczna temperatura płomienia wynosi około 3 300 °F (1 816 °C).

W którym miejscu płomienia powinna znaleźć się część?

W świecącej strefie utleniającej — najgorętszym obszarze, gdzie gwałtownie rośnie udział rodników, w tym hydroksylowych, karbonylowych, karboksylowych, eterowych i estrowych. Optymalna odległość to zwykle 3/8 do 1/2 cala (9,5 do 12,7 mm) nad strefą redukującą. Obrabiająca część płomienia sięga około 1-1/2 cala (38,1 mm) poza jego wierzchołek, przy czym mniej więcej pierwsze 1/2 cala daje najwyższy poziom obróbki. Powierzchnia nigdy nie powinna dotykać strefy redukującej.

Co barwa płomienia mówi o mieszance?

Głęboki niebieskofioletowy, przechodzący niemal w przezroczysty przy zmniejszaniu gazu, oznacza mieszankę ubogą w gaz — ta barwa pochodzi od wzbudzonych rodników CH. Zieleń oznacza mieszankę bogatą w gaz, od wzbudzonych cząsteczek C2. Przy dalszym zwiększaniu gazu promieniowanie żółknie, bo tworzą się cząstki węgla. Idealna chemia płomienia pozostawia po reakcji spalania stężenie tlenu w plazmie na poziomie 0,1 do 0,5 procent.

Jakie są zmienne sterujące procesem?

Trzy: chemia płomienia, odległość podłoża od płomienia i czas przebywania w obróbce. Stosunek molowy paliwa do utleniacza jest prawdopodobnie najważniejszym pojedynczym parametrem. Spalanie stechiometryczne — bez nadmiaru tlenu ani paliwa — to mniej więcej 10:1 dla gazu ziemnego i 24:1 dla propanu.

Palnik taśmowy czy z wierconymi otworami?

Palniki taśmowe to późniejsza generacja i szerzej przyjęta w skali przemysłowej: karbowane taśmy ze stali nierdzewnej osadzone w korpusie dają dużą powierzchnię płomienia, dobrą stabilizację i obraz płomienia konfigurowalny szerokością szczeliny i układem taśmy. To zwykły wybór przy obróbce folii polimerowych. Palniki z wierconymi otworami wykonuje się zazwyczaj ze stali nierdzewnej i aluminium. Dobór palnika decyduje o równomierności i kompletności obróbki, więc wpływ mają zarówno geometria części, jak i podłoże.

Czym są cofnięcie płomienia i oderwanie płomienia?

To dwie niestabilności wywołane niedopasowaniem prędkości przepływu mieszanki paliwo/utleniacz do prędkości spalania tej mieszanki. Cofnięcie powstaje w palniku z mieszaniem wstępnym, gdy prędkość spalania płomienia przewyższa prędkość strumienia wychodzącego z otworu, co pozwala płomieniowi rozprzestrzenić się z powrotem do komory mieszania. Dobrze zaprojektowany palnik jest na tyle stabilny, że nie występuje żadne z tych zjawisk.