Plasma de Flama
El tratamiento a la flama es un método de pretratamiento en fase gaseosa en el que la combustión de un combustible de hidrocarburo, bajo condiciones controladas, genera el plasma de flama que modifica la superficie del sustrato sin afectar las propiedades internas del polímero. La oxidación de la superficie del polímero como resultado del tratamiento a la flama ocurre a través de múltiples procesos físicos, incluyendo la combustión homogénea de los reactivos premezclados, el transporte de los productos de combustión hacia la superficie del polímero y la reacción heterogénea de los productos de la flama con el polímero. La temperatura adiabática de la flama es de aproximadamente 3,300°F (1,816°C). El mecanismo del tratamiento a la flama es la combustión controlada de un combustible de hidrocarburo para generar el plasma de flama. Las flamas laminares premezcladas producen una reacción exotérmica. La proporción exacta de oxidante a combustible necesaria para una combustión completa se conoce como relación estequiométrica. En la combustión estequiométrica no hay exceso de oxígeno ni de combustible. La relación estequiométrica es de aproximadamente 10:1 para gas natural y 24:1 para propano.
La flama es una mezcla de un combustible y un oxidante completamente mezclados antes de la combustión. La relación molar del combustible al oxidante es probablemente el parámetro más importante dentro del proceso de tratamiento a la flama. Para el gas natural, la siguiente ecuación describe la reacción de combustión:
CH4 + 2O2 + 8N2 ? CO2 + 2H2O + 8N2 + plasma de flama
Las tres principales variables de control del proceso son la química de la flama, la distancia del sustrato a la flama y el tiempo de exposición del tratamiento. En un sistema de combustión, la flama es una onda subsónica caracterizada por una velocidad denominada velocidad de flama laminar, definida como la velocidad a la que los gases sin quemar se desplazan a través de la onda de combustión en dirección normal a la superficie de dicha onda. Un perfil de flama laminar consta de tres zonas: reductora, luminosa y de post-combustión. Cada zona presenta gradientes de temperatura y especies químicas reactivas distintos. La colocación de la pieza que se desplaza a través de la flama es fundamental y debe ser precisa para lograr una humectación y funcionalización óptimas de la superficie.
El tratamiento óptimo (oxidación) ocurre en la zona luminosa u oxidante de la reacción principal. Esta es la región más caliente de la flama, donde la temperatura del sistema de combustión alcanza aproximadamente 1,700°C para el gas natural y de 1,900 a 2,000°C para mezclas a base de propano. En esta zona, el contenido de especies reactivas de radicales libres (incluyendo hidroxilo, carbonilo, carboxilo, éter y éster) aumenta drásticamente en detrimento de la concentración de reactivos. La alta concentración de especies radicales hace que esta región sea fuertemente oxidante, en contraste con la zona reductora.
El color de esta zona depende de la relación combustible/aire. Se produce una radiación violeta azulada intensa, con la flama volviéndose casi transparente si la cantidad de gas se reduce cada vez más, cuando la mezcla es pobre en gas (debido a radicales CH excitados). Aparece una radiación verde cuando la mezcla es rica en gas (debido a moléculas C2 excitadas). Cuando el gas en la mezcla aumenta aún más, la radiación se torna amarillenta debido a las partículas de carbono formadas. La química de flama ideal es aquella que proporciona una concentración de oxígeno en el plasma de flama que, después de la reacción de combustión, sea de 0.1% a 0.5%.
La distancia (posición) óptima de tratamiento del sustrato con respecto a la flama (justo por encima de la zona reductora de pre-combustión) es típicamente de entre 3/8″ y ½″ (9.5 mm a 12.7 mm). La porción de la flama que realmente trata se extiende aproximadamente 1½″ (38.1 mm) más allá de la punta de la flama, y aproximadamente ½″ (12.7 mm) produce el mayor nivel de tratamiento. Consulte la línea punteada amarilla en el Diagrama 1. La superficie a tratar nunca debe entrar en contacto con la zona reductora (sub-estequiométrica) de la flama.
La zona de pre-combustión o reductora es la región más fría de la flama, donde los gases premezclados sin quemar no han alcanzado la condición oxidante óptima. Caracterizada por su color azul acero brillante, esta región es ineficaz para la activación de superficies y no ofrece beneficios de oxidación. La zona de post-combustión es la más grande de las tres regiones en un perfil de flama laminar. La temperatura permanece alta debido a la reacción de oxidación exotérmica de CO a CO2, con liberación de calor.
Esta región se caracteriza por ser intermedia, entre las zonas reductora y luminosa, en términos de temperatura y concentración de radicales de oxígeno. Los gases quemados a alta temperatura generalmente presentan un color rojizo, dado por la radiación del vapor de agua y el dióxido de carbono (productos de combustión con combustibles de hidrocarburo) y algunas partículas de suciedad.
La separación (distancia) entre la flama luminosa y la superficie del sustrato es un factor crítico para determinar el grado de activación logrado por el tratamiento. Por lo general, cuando el sustrato pasa a través de la flama, se produce una rápida pérdida de humectabilidad de la superficie tratada conforme aumenta la distancia entre los conos de la flama y el sustrato. Sin embargo, todavía se aprecia un efecto beneficioso del tratamiento varios milímetros más allá de la zona de post-combustión. Para maximizar el beneficio del tratamiento, la flama debe trabajar en conjunto con su zona luminosa, que es la más rica en especies oxidantes activas (radicales OH y átomos de O) y la que presenta la temperatura más alta dentro de todo el sistema de combustión.
Deben instalarse reguladores de presión de gas cero con sistemas de quemadores premezclados, utilizando mezcladores venturi de aire/combustible para mantener una relación aire/combustible constante independientemente de la tasa de disparo del quemador. El mezclador venturi es un dispositivo de mezcla proporcional que cuenta con entradas tanto para el gas combustible (natural o propano) como para el aire/oxígeno, y en el interior del cuerpo mezcla estos gases adecuadamente y los distribuye a través de la salida. Funcionalmente, a medida que el aire de combustión fluye a través del orificio en el mezclador de aire/combustible, provoca una caída de presión que se detecta internamente como una presión negativa a través de un tubo sensor corriente abajo en el regulador de presión de gas cero, para mantener presión cero en relación con la atmósfera.
La selección adecuada del tipo de quemador es fundamental para la uniformidad y totalidad del tratamiento. El diseño del producto, la geometría y el sustrato de polímero son factores importantes. Un quemador bien diseñado tendrá un alto nivel de estabilidad, reduciendo la ocurrencia de retroceso de flama (flashback) y despegue de flama, que son dos tipos de inestabilidades que ocurren debido a un desequilibrio entre la velocidad de flujo de la mezcla combustible/oxidante y la velocidad de quemado de la mezcla combustible. El retroceso de flama puede presentarse en un quemador premezclado si la velocidad de quemado de la flama supera la velocidad de flujo de salida del puerto. Bajo estas condiciones, se ha superado el diámetro máximo de puerto que garantiza las pérdidas térmicas necesarias, permitiendo así que la flama se propague de regreso hacia la cámara de mezcla.
Se utilizan dos tipos de quemadores para el tratamiento a la flama: de listones (ribbon) y de puertos perforados. Los quemadores de listones consisten en una serie de listones de acero inoxidable rizados, insertados en latón, acero inoxidable, acero al carbono y hierro fundido. El número de listones, el patrón de rizado y el número de puertos del quemador, así como otras características del diseño del patrón de listones, dependen de la aplicación. Los quemadores de listones pueden ofrecer ventajas gracias a su capacidad de proporcionar una gran superficie de flama y estabilización de la flama. El segundo tipo de quemador es el de puertos perforados. Los quemadores de puertos perforados normalmente se fabrican en acero inoxidable y aluminio.
Los quemadores de listones son la generación más reciente de quemadores y la solución más ampliamente adoptada a nivel industrial, ya que los patrones de flama son personalizables ajustando el ancho de la ranura y configurando los listones. Los quemadores de listones son la solución óptima para la modificación de superficie o el tratamiento a la flama de películas de polímero.
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Preguntas frecuentes
¿Cómo cambia el tratamiento a la llama una superficie plástica?
La combustión controlada de un combustible hidrocarbonado genera el plasma de llama, que oxida la superficie del polímero sin afectar a las propiedades del volumen de la pieza. La oxidación ocurre por varios procesos a la vez: combustión homogénea de los reactivos premezclados, transporte de los productos de combustión hasta la superficie y reacción heterogénea de esos productos con el polímero. La temperatura de llama adiabática ronda los 3.300 °F (1.816 °C).
¿En qué punto de la llama debe situarse la pieza?
En la zona luminosa y oxidante, la región más caliente, donde las especies radicalarias —hidroxilo, carbonilo, carboxilo, éter y éster— aumentan bruscamente. La distancia óptima suele estar entre 3/8 y 1/2 pulgada (9,5 a 12,7 mm) por encima de la zona reductora. La porción tratante de la llama se extiende unas 1-1/2 pulgadas (38,1 mm) más allá de la punta, y aproximadamente la primera 1/2 pulgada aporta el mayor nivel de tratamiento. La superficie nunca debe tocar la zona reductora.
¿Qué indica el color de la llama sobre la mezcla?
Un violeta azulado intenso, que se vuelve casi transparente al reducir el gas, indica mezcla pobre en gas: ese color procede de radicales CH excitados. El verde indica mezcla rica en gas, por moléculas C2 excitadas. Si se aumenta más el gas, la radiación vira a amarillenta al formarse partículas de carbono. Una química de llama ideal deja una concentración de oxígeno del 0,1 al 0,5 por ciento en el plasma tras la reacción de combustión.
¿Cuáles son las variables de control del proceso?
Tres: la química de la llama, la distancia del sustrato a la llama y el tiempo de permanencia del tratamiento. La relación molar de combustible a comburente es probablemente el parámetro más importante por sí solo. La combustión estequiométrica —sin exceso de oxígeno ni de combustible— ronda 10:1 para gas natural y 24:1 para propano.
¿Quemador de cinta o de orificios taladrados?
Los quemadores de cinta son la generación posterior y la más extendida a escala industrial: cintas de acero inoxidable rizadas insertadas en un cuerpo, que dan una gran superficie de llama, buena estabilización y un patrón personalizable mediante el ancho de ranura y la configuración de la cinta. Son la elección habitual para tratar películas poliméricas. Los quemadores de orificios taladrados suelen fabricarse en acero inoxidable y aluminio. La elección del quemador determina la uniformidad y la integridad del tratamiento, de modo que la geometría de la pieza y el sustrato influyen en ella.
¿Qué son el retroceso de llama y el desprendimiento de llama?
Dos inestabilidades causadas por un desequilibrio entre la velocidad de flujo de la mezcla combustible/comburente y la velocidad de combustión de esa mezcla. El retroceso aparece en un quemador de premezcla cuando la velocidad de combustión de la llama supera la velocidad del flujo que sale del orificio, lo que permite que la llama se propague de vuelta a la cámara de mezcla. Un quemador bien diseñado es lo bastante estable para que no ocurra ninguno de los dos.
