بلازما اللهب » المعالجة الأولية للأسطح بالاحتراق

بلازما اللهب

المعالجة باللهب طريقة معالجة أولية في الطور الغازي، يولّد فيها احتراق وقود هيدروكربوني في ظروف محكومة بلازما اللهب التي تعدّل سطح الركيزة دون التأثير في الخصائص الكتلية للبوليمر. وتحدث أكسدة سطح البوليمر نتيجة المعالجة باللهب عبر عمليات فيزيائية متعددة، تشمل الاحتراق المتجانس للمتفاعلات المخلوطة مسبقاً، ونقل نواتج الاحتراق إلى سطح البوليمر، والتفاعل غير المتجانس بين نواتج اللهب والبوليمر. وتبلغ درجة حرارة اللهب الأديباتية نحو 3,300°F (1,816°C). وآلية المعالجة باللهب هي الاحتراق المحكوم لوقود هيدروكربوني لتوليد بلازما اللهب. وتنتج الألسنة الصفائحية المخلوطة مسبقاً تفاعلاً طارداً للحرارة. أما النسبة الدقيقة للمؤكسد إلى الوقود اللازمة للاحتراق الكامل فتُعرف بالنسبة الستويكيومترية؛ وعندها لا يوجد فائض من الأكسجين أو الوقود. وتبلغ هذه النسبة نحو 10:1 للغاز الطبيعي و24:1 للبروبان.

اللهب خليط من الوقود والمؤكسد يُمزجان مزجاً تاماً قبل الاحتراق. والنسبة المولية للوقود إلى المؤكسد هي على الأرجح أهم معامل في عملية المعالجة باللهب. وبالنسبة إلى الغاز الطبيعي، تصف المعادلة التالية تفاعل الاحتراق:

CH4 + 2O2 + 8N2 ? CO2 + 2H20 + 8N2 + بلازما اللهب

متغيرات التحكم الرئيسية الثلاثة هي كيمياء اللهب، ومسافة الركيزة عن اللهب، وزمن بقاء المعالجة. وفي نظام الاحتراق يكون اللهب موجة دون صوتية تتميز بسرعة تُسمى سرعة اللهب الصفائحي، وتُعرَّف بأنها السرعة التي تتحرك بها الغازات غير المحترقة عبر موجة الاحتراق في اتجاه عمودي على سطح الموجة. ويتكوّن مقطع اللهب الصفائحي من ثلاث مناطق: المنطقة المختزِلة والمنطقة المضيئة ومنطقة ما بعد الاحتراق. ولكل منطقة تدرجات حرارية وأنواع كيميائية نشطة مختلفة. ويُعد وضع القطعة المتحركة عبر اللهب أمراً بالغ الأهمية ويجب أن يكون دقيقاً لتحقيق أقصى بلل وأقصى إكساب وظيفي للسطح.

تحدث المعالجة المثلى، أي الأكسدة، في المنطقة المضيئة للتفاعل الرئيسي أو المنطقة المؤكسدة. وهي أشد مناطق اللهب حرارة، إذ تصل حرارة نظام الاحتراق إلى نحو 1,700°C للغاز الطبيعي و1,900 إلى 2,000°C للخلائط القائمة على البروبان. وفي هذه المنطقة يرتفع محتوى الأنواع الجذرية الحرة النشطة ارتفاعاً حاداً، ومنها الهيدروكسيل والكربونيل والكربوكسيل والإيثر والإستر، على حساب تركيز المتفاعلات. والتركيز العالي للأنواع الجذرية يجعل هذه المنطقة شديدة الأكسدة، على النقيض من المنطقة المختزِلة.

يعتمد لون هذه المنطقة على نسبة الوقود إلى الهواء. فعندما يكون الخليط فقيراً بالغاز يتولّد إشعاع بنفسجي مزرقّ داكن ناتج عن جذور CH المثارة، ويكاد اللهب يصبح شفافاً إذا خُفضت كمية الغاز تدريجياً. وعندما يكون الخليط غنياً بالغاز يظهر إشعاع أخضر ناتج عن جزيئات C2 المثارة. وإذا ازداد الغاز في الخليط أكثر، يتحول الإشعاع إلى اللون المصفرّ بسبب جسيمات الكربون المتكوّنة. وكيمياء اللهب المثالية هي التي توفر تركيز أكسجين في بلازما اللهب بعد تفاعل الاحتراق يتراوح بين 0.1% و0.5%.

مسافة المعالجة المثلى، أي موضع الركيزة من اللهب فوق المنطقة المختزِلة السابقة للاحتراق مباشرةً، تتراوح عادةً بين 3/8 بوصة و1/2 بوصة (9.5 mm إلى 12.7 mm). ويمتد الجزء المعالِج فعلياً من اللهب نحو 1½ بوصة (38.1 mm) بعد طرف اللهب، مع تحقيق أعلى مستوى معالجة عند نحو 1/2 بوصة (12.7 mm). انظر الخط الأصفر المتقطع في المخطط 1. ويجب ألّا يلامس السطح المراد معالجته المنطقة المختزِلة من اللهب على الإطلاق.

منطقة ما قبل الاحتراق أو المنطقة المختزِلة هي أبرد مناطق اللهب، حيث لم تبلغ الغازات المخلوطة مسبقاً وغير المحترقة الحالة المؤكسدة المثلى بعد. وتتميز بلونها الأزرق الفولاذي الساطع، وهي غير فعّالة في تنشيط السطح ولا تقدم أي فائدة أكسدة. أما منطقة ما بعد الاحتراق فهي الأكبر بين المناطق الثلاث في مقطع اللهب الصفائحي، وتبقى حرارتها مرتفعة بفعل تفاعل أكسدة أول أكسيد الكربون CO إلى ثاني أكسيد الكربون CO2 الطارد للحرارة.

من حيث الحرارة وتركيز جذور الأكسجين، تُصنَّف هذه المنطقة على أنها وسطية بين المنطقتين المختزِلة والمضيئة. وتظهر الغازات المحترقة عالية الحرارة بلون مائل إلى الحمرة، ناتج عن إشعاع بخار الماء وثاني أكسيد الكربون، وهما من نواتج احتراق الوقود الهيدروكربوني، إضافةً إلى بعض جسيمات الغبار.

تمثل الفجوة، أي المسافة بين اللهب المضيء وسطح الركيزة، عاملاً حاسماً في تحديد مدى التنشيط الذي تحققه المعالجة. وبوجه عام، عندما تمر الركيزة عبر اللهب، تتراجع قابلية بلل السطح المعالَج بسرعة كلما زادت المسافة بين مخاريط اللهب والركيزة. ومع ذلك يظل الأثر المفيد للمعالجة ملموساً على بعد عدة مليمترات خارج منطقة ما بعد الاحتراق. ولتحقيق أقصى فائدة، ينبغي أن يعمل اللهب بالتناغم مع منطقته المضيئة، وهي الأغنى بالأنواع المؤكسدة النشطة (جذور OH وذرات O) والأعلى حرارة في نظام الاحتراق بأكمله.

ينبغي تركيب منظمات ضغط غاز صفرية مع أنظمة الشعلات ذات المزج المسبق، مع استخدام خلاطات فنتوري للهواء والوقود للحفاظ على نسبة ثابتة بينهما بصرف النظر عن معدل إشعال الشعلة. وخلاط فنتوري جهاز مزج تناسبي له مدخلان، أحدهما لغاز الوقود (طبيعي أو بروبان) والآخر للهواء أو الأكسجين، ويمزج هذه الغازات على النحو الصحيح داخل الجسم ثم يوزعها عبر المخرج. ومن الناحية الوظيفية، عندما يتدفق هواء الاحتراق عبر الفتحة في خلاط الهواء والوقود، يُحدث هبوطاً في الضغط يُستشعر داخلياً كضغط سالب عبر أنبوب استشعار في اتجاه التدفق داخل منظم الضغط الصفري، وذلك للحفاظ على ضغط صفري نسبةً إلى الجو.

يُعد الاختيار السليم لنوع الشعلة أمراً حاسماً لانتظام المعالجة وشمولها. وتشكل تصميم المنتج وشكله الهندسي وركيزة البوليمر عوامل مهمة. والشعلة جيدة التصميم تتمتع بدرجة عالية من الاستقرار، فتقلل حدوث الارتداد اللهبي وانفصال اللهب، وهما نوعان من عدم الاستقرار ينشآن عن اختلال التوازن بين سرعة تدفق خليط الوقود والمؤكسد وسرعة احتراق الخليط القابل للاشتعال. وقد يحدث الارتداد اللهبي في شعلة ذات مزج مسبق إذا تجاوزت سرعة احتراق اللهب سرعة التيار الخارج من الفتحة. وفي هذه الظروف يكون قد جرى تجاوز القطر الأقصى للفتحة الذي يضمن الفواقد الحرارية اللازمة، مما يسمح للهب بالانتشار عائداً إلى حجرة المزج.

يُستخدم نوعان من الشعلات في المعالجة باللهب: الشريطية وذات الفتحات المثقوبة. وتتكوّن الشعلات الشريطية من سلسلة من الأشرطة المموّجة من الفولاذ المقاوم للصدأ مركّبة في النحاس الأصفر أو الفولاذ المقاوم للصدأ أو الفولاذ الطري أو الحديد الزهر. ويعتمد عدد الأشرطة ونمط التمويج وعدد فتحات الشعلة وغيرها من خصائص تصميم نمط الأشرطة على التطبيق. وتوفر الشعلات الشريطية مزايا بفضل قدرتها على تقديم سطح لهب كبير وتثبيت اللهب. أما النوع الثاني فهو الشعلة ذات الفتحات المثقوبة، وتُصنع عادةً من الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم.

الشعلات الشريطية هي أحدث أجيال الشعلات وأوسع الحلول اعتماداً على المستوى الصناعي، لأن أنماط اللهب قابلة للتخصيص بضبط عرض الشق وتهيئة الأشرطة3. وتُعد الشعلات الشريطية الحل الأمثل لتعديل السطح أو المعالجة باللهب لأغشية البوليمرات.

البلازما الجوية

الأشعة فوق البنفسجية والأوزون

معالجة الكورونا بالتفريغ الكهربائي

بلازما اللهب Pyrosil

الأكسدة الفلورية

بلازما الهواء الكهربائية

بلازما الغاز البارد

الطرق الكيميائية والميكانيكية

---