Beflammung (Flammenplasma)
Die Beflammung ist ein Gasphasen-Vorbehandlungsverfahren, bei dem die Verbrennung eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs unter kontrollierten Bedingungen das Flammenplasma erzeugt, welches die Substratoberfläche modifiziert, ohne die Eigenschaften des Polymers im Kernmaterial zu beeinträchtigen. Die Oxidation der Polymeroberfläche infolge der Beflammung erfolgt über mehrere physikalische Prozesse, darunter die homogene Verbrennung der vorgemischten Reaktanten, der Transport der Verbrennungsprodukte zur Polymeroberfläche und die heterogene Reaktion der Flammenprodukte mit dem Polymer. Die adiabatische Flammentemperatur liegt bei etwa 3.300 °F (1.816 °C). Der Mechanismus der Beflammung besteht in der kontrollierten Verbrennung eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs zur Erzeugung des Flammenplasmas. Vorgemischte laminare Flammen erzeugen eine exotherme Reaktion. Das exakte Verhältnis von Oxidationsmittel zu Brennstoff, das für eine vollständige Verbrennung erforderlich ist, wird als stöchiometrisches Verhältnis bezeichnet. Bei stöchiometrischer Verbrennung liegt weder Sauerstoff- noch Brennstoffüberschuss vor. Das stöchiometrische Verhältnis beträgt etwa 10:1 für Erdgas und 24:1 für Propan.
Die Flamme ist ein Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel, das vor der Verbrennung gründlich vermischt wird. Das Molverhältnis von Brennstoff zu Oxidationsmittel ist wahrscheinlich der wichtigste Parameter im Beflammungsprozess. Für Erdgas beschreibt die folgende Gleichung die Verbrennungsreaktion:
CH4 + 2O2 + 8N2 → CO2 + 2H20 + 8N2 + Flammenplasma
Die drei wichtigsten Prozessregelgrößen sind die Flammenchemie, der Abstand des Substrats von der Flamme und die Verweilzeit der Behandlung. In einem Verbrennungssystem ist die Flamme eine Unterschallwelle, die durch eine Geschwindigkeit charakterisiert wird, die als laminare Flammengeschwindigkeit bezeichnet wird und als die Geschwindigkeit definiert ist, mit der sich unverbrannte Gase senkrecht zur Wellenoberfläche durch die Verbrennungswelle bewegen. Ein laminares Flammenprofil besteht aus drei Zonen – Reduktionszone, Leuchtzone und Nachverbrennungszone. Jede Zone weist unterschiedliche Temperaturgradienten und chemisch reaktive Spezies auf. Die Positionierung des Bauteils beim Durchlauf durch die Flamme ist entscheidend und muss für maximale Oberflächenbenetzung und Funktionalisierung präzise erfolgen.
Die optimale Behandlung (Oxidation) erfolgt in der Haupt-Reaktionszone, der Leuchtzone bzw. Oxidationszone. Dies ist der heißeste Bereich der Flamme, in dem die Temperatur des Verbrennungssystems bei Erdgas etwa 1.700 °C und bei propanbasierten Gemischen 1.900 bis 2.000 °C erreicht. In dieser Zone nimmt der Gehalt an freien radikalischen reaktiven Spezies (einschließlich Hydroxyl-, Carbonyl-, Carboxyl-, Ether- und Estergruppen) drastisch zu, auf Kosten der Reaktantenkonzentration. Die hohe Konzentration an Radikalspezies macht diesen Bereich stark oxidierend, im Gegensatz zur Reduktionszone.
Die Farbe dieser Zone hängt vom Brennstoff-Luft-Verhältnis ab. Eine tiefblau-violette Strahlung, wobei die Flamme bei zunehmend reduzierter Gasmenge nahezu transparent wird, entsteht, wenn das Gemisch gasarm ist (durch angeregte CH-Radikale). Eine grüne Strahlung tritt auf, wenn das Gemisch gasreich ist (durch angeregte C2-Moleküle). Nimmt der Gasanteil im Gemisch weiter zu, färbt sich die Strahlung durch die entstehenden Kohlenstoffpartikel gelblich. Eine ideale Flammenchemie ist eine solche, bei der die Sauerstoffkonzentration im Flammenplasma nach der Verbrennungsreaktion 0,1 % bis 0,5 % beträgt.
Der optimale Behandlungsabstand (Position) des Substrats zur Flamme (unmittelbar oberhalb der Vorverbrennungs- bzw. Reduktionszone) liegt typischerweise zwischen 3/8″ und ½″ (9,5 mm bis 12,7 mm). Der eigentliche Behandlungsbereich der Flamme erstreckt sich etwa 1½″ (38,1 mm) über die Flammenspitze hinaus, wobei etwa ½″ (12,7 mm) den höchsten Behandlungsgrad erzielen. Siehe die gelb gepunktete Linie in Diagramm 1. Die zu behandelnde Oberfläche darf niemals mit der Reduktionszone (unterstöchiometrisch) der Flamme in Kontakt kommen.
Die Vorverbrennungs- bzw. Reduktionszone ist der kälteste Bereich der Flamme, in dem die vorgemischten, unverbrannten Gase den optimalen Oxidationszustand noch nicht erreicht haben. Diese durch ihre helle stahlblaue Farbe gekennzeichnete Zone ist für die Oberflächenaktivierung wirkungslos und bietet keinerlei Oxidationsvorteile. Die Nachverbrennungszone ist die größte der drei Zonen eines laminaren Flammenprofils. Die Temperatur bleibt aufgrund der exothermen Oxidationsreaktion von CO zu CO2, bei der Wärme freigesetzt wird, hoch.
Dieser Bereich liegt hinsichtlich Temperatur und Sauerstoffradikalkonzentration zwischen der Reduktions- und der Leuchtzone. Die heißen Verbrennungsgase weisen im Allgemeinen eine rötliche Farbe auf, die durch die Strahlung von Wasserdampf und Kohlendioxid (Verbrennungsprodukte brennbarer Kohlenwasserstoffe) sowie einige Schmutzpartikel hervorgerufen wird.
Der Abstand zwischen der Leuchtflamme und der Substratoberfläche ist ein entscheidender Faktor für das Ausmaß der durch die Behandlung erzielten Aktivierung. Wenn das Substrat durch die Flamme geführt wird, nimmt die Benetzbarkeit der behandelten Oberfläche in der Regel rasch ab, je größer der Abstand zwischen den Flammenkegeln und dem Substrat wird. Ein positiver Effekt der Behandlung ist jedoch noch mehrere Millimeter jenseits der Nachverbrennungszone spürbar. Um den größtmöglichen Nutzen aus der Behandlung zu ziehen, sollte die Flamme mit ihrer Leuchtzone zusammenwirken, die den höchsten Gehalt an aktiven oxidierenden Spezies (OH-Radikale und O-Atome) aufweist und die höchste Temperatur im gesamten Verbrennungssystem erreicht.
Bei Vormisch-Brennersystemen sollten Nulldruckregler installiert werden, die Venturi-Luft/Brennstoff-Mischer verwenden, um unabhängig von der Brennerleistung ein konstantes Luft/Brennstoff-Verhältnis aufrechtzuerhalten. Der Venturi-Mischer ist ein proportionales Mischgerät mit Einlässen sowohl für das Brenngas (Erdgas oder Propan) als auch für Luft/Sauerstoff, das diese Gase im Inneren des Gehäuses korrekt vermischt und über den Auslass verteilt. Funktional erzeugt die durch die Öffnung des Luft/Brennstoff-Mischers strömende Verbrennungsluft einen Druckabfall, der intern über eine nachgeschaltete Messleitung im Nulldruckregler als Unterdruck erfasst wird – um einen Druck von null relativ zur Atmosphäre aufrechtzuerhalten.
Die richtige Wahl des Brennertyps ist entscheidend für die Gleichmäßigkeit und Vollständigkeit der Behandlung. Produktdesign, Geometrie und Polymersubstrat sind dabei wichtige Faktoren. Ein gut konstruierter Brenner weist eine hohe Stabilität auf und verringert das Auftreten von Flammenrückschlag und Flammenabheben – zwei Arten von Instabilitäten, die durch ein Ungleichgewicht zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff-/Oxidationsmittelgemischs und der Brenngeschwindigkeit des brennbaren Gemischs entstehen. Ein Flammenrückschlag kann bei einem Vormischbrenner auftreten, wenn die Brenngeschwindigkeit der Flamme die Ausströmgeschwindigkeit aus der Düsenöffnung übersteigt. Unter diesen Bedingungen wird der maximale Düsendurchmesser, der die erforderlichen Wärmeverluste sicherstellt, überschritten, sodass sich die Flamme in die Mischkammer zurück ausbreiten kann.
Für die Beflammung werden zwei Brennertypen eingesetzt: Bandbrenner und Bohrlochbrenner. Bandbrenner bestehen aus einer Reihe gewellter Edelstahlbänder, die in Messing, Edelstahl, unlegierten Stahl oder Gusseisen eingesetzt werden. Die Anzahl der Bänder, das Wellmuster, die Anzahl der Brenneröffnungen sowie weitere Gestaltungsmerkmale des Bandmusters richten sich nach der Anwendung. Bandbrenner bieten Vorteile durch ihre Fähigkeit, eine große Flammenoberfläche sowie eine stabile Flamme bereitzustellen. Der zweite Brennertyp ist der Bohrlochbrenner. Bohrlochbrenner werden in der Regel aus Edelstahl und Aluminium gefertigt.
Bandbrenner sind die neueste Brennergeneration und die in der Industrie am weitesten verbreitete Lösung, da sich die Flammenmuster durch Anpassen der Schlitzbreite und Konfigurieren der Bänder³ individuell gestalten lassen. Bandbrenner sind die optimale Lösung für die Oberflächenmodifikation bzw. Beflammung von Polymerfolien.
Luftplasma (elektrische Entladung)
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