火焰等离子处理

火焰处理是一种气相预处理方法，在受控条件下，烃类燃料的燃烧产生火焰等离子体，在不影响聚合物本体性能的前提下改性基材表面。火焰处理导致的聚合物表面氧化通过多种物理过程实现，包括预混反应物的均相燃烧、燃烧产物向聚合物表面的传质，以及火焰产物与聚合物的非均相反应。绝热火焰温度约为 3,300°F（1,816°C）。火焰处理的机制是通过受控燃烧烃类燃料来产生火焰等离子体。预混层流火焰产生放热反应。完全燃烧所需的氧化剂与燃料精确比例称为化学计量比。在化学计量燃烧条件下，既无多余氧气，也无多余燃料。天然气的化学计量比约为 10:1，丙烷约为 24:1。

火焰是燃料与氧化剂在燃烧前充分混合形成的混合物。燃料与氧化剂的摩尔比可能是火焰处理工艺中最重要的参数。对于天然气，以下方程式描述了燃烧反应：

CH4 + 2O2 + 8N2 ? CO2 + 2H20 + 8N2 + flame plasma

三个主要工艺控制变量为：火焰化学成分、基材与火焰的间距以及处理停留时间。在燃烧系统中，火焰是一种亚声速波，其特征速度称为层流火焰速度，定义为未燃气体沿垂直于波面方向在燃烧波中的传播速度。层流火焰剖面由三个区域组成——还原区、发光区和后燃区。每个区域具有不同的温度梯度和化学活性物种。零件通过火焰时的位置定位至关重要，必须精确以实现最佳的表面润湿性和官能化。

最优处理（氧化）发生在主反应发光区或氧化区。这是火焰温度最高的区域，天然气燃烧系统温度约达 1,700°C，丙烷基混合物则为 1,900 至 2,000°C。在此区域，自由基活性物种（包括羟基、羰基、羧基、醚基和酯基）的含量急剧增加，而反应物浓度相应降低。高浓度的自由基物种使该区域具有强氧化性，与还原区形成鲜明对比。

该区域的颜色取决于燃料/空气比。当混合物贫气时（因激发态 CH 自由基所致），产生深蓝紫色辐射，气体量持续减少时火焰趋近透明。当混合物富气时（因激发态 C2 分子所致），出现绿色辐射。当混合物中气体进一步增加时，由于碳粒子生成，辐射转变为黄色。理想火焰化学成分是指在燃烧反应后，火焰等离子体中氧浓度为 0.1% 至 0.5% 的状态。

基材距火焰的最优处理距离（位置）（预燃还原区上方）通常为 3/8″ 至 ½"（9.5 mm 至 12.7 mm）。火焰的实际处理部分在火焰尖端以外延伸约 1½"（38.1 mm），其中约 ½"（12.7 mm）处产生最高处理效果。请参见图1中的黄色虚线标注。待处理表面切勿接触火焰的还原区（亚化学计量区）。

预燃区或还原区是火焰中温度最低的区域，预混未燃气体尚未达到最佳氧化条件。该区域呈明亮的钢蓝色，对表面活化无效，无任何氧化作用。后燃区是层流火焰剖面三个区域中最大的一个。由于 CO 氧化为 CO2 的放热反应持续进行并释放热量，该区域温度仍然较高。

在温度和氧自由基浓度方面，该区域介于还原区与发光区之间。高温燃烧气体通常呈红色，这是由水蒸气、二氧化碳（烃类燃烧产物）辐射以及少量尘粒所致。

发光火焰与基材表面之间的间距是决定处理活化程度的关键因素。一般而言，基材通过火焰时，随着火焰锥与基材间距增大，被处理表面的润湿性会迅速下降。然而，处理带来的有益效果在后燃区数毫米之外仍可观察到。为最大化处理效果，火焰应与其发光区协同作用——该区域活性氧化物种（OH 自由基和 O 原子）最为富集，且是整个燃烧系统温度最高的区域。

应在预混燃烧器系统中安装零气压调节器，使用文丘里气/燃料混合器，以在任意燃烧器点火率下保持恒定的空气/燃料比。文丘里混合器是一种比例混合装置，设有燃料气体（天然气或丙烷）进口和空气/氧气进口，在腔体内将两种气体充分混合后经出口分配。其工作原理为：当燃烧空气流经气/燃料混合器的孔口时，产生压降，该压降通过零气压调节器内的下游感应管以负压形式被内部感知——从而相对大气压维持零压差。

燃烧器类型的正确选择对处理的均匀性和完整性至关重要。产品设计、几何形状和聚合物基材是重要影响因素。设计良好的燃烧器应具有高度稳定性，降低回火和火焰脱火的发生率——这两种不稳定性均因燃料/氧化剂混合物流速与可燃混合物燃烧速度失衡而引发。若预混燃烧器中火焰燃烧速度超过端口流出的气流速度，则可能发生回火。在此条件下，确保必要热损失的最大端口直径被超越，从而允许火焰回传至混合室。

火焰处理使用两种燃烧器：波纹带式燃烧器和钻孔端口燃烧器。波纹带式燃烧器由一系列嵌入黄铜、不锈钢、低碳钢和铸铁中的压波纹不锈钢带组成。钢带数量、压波纹图案、燃烧器端口数量及其他钢带图案设计特征取决于具体应用。波纹带式燃烧器的优势在于能够提供较大的火焰面积和火焰稳定性。第二种燃烧器为钻孔端口型，通常采用不锈钢和铝合金制造。

波纹带式燃烧器是最新一代燃烧器，也是工业层面应用最广泛的解决方案，因为其火焰图案可通过调整槽宽和配置钢带进行定制³。波纹带式燃烧器是聚合物薄膜表面改性或火焰处理的最优方案。