Plasma à flamme
Le traitement à la flamme est une méthode de prétraitement en phase gazeuse dans laquelle la combustion d'un combustible hydrocarboné, dans des conditions contrôlées, génère le plasma à flamme qui modifie la surface du substrat sans affecter les propriétés massiques du polymère. L'oxydation de la surface du polymère résultant du traitement à la flamme se produit par le biais de plusieurs processus physiques, notamment la combustion homogène des réactifs prémélangés, le transport des produits de combustion vers la surface du polymère et la réaction hétérogène des produits de flamme avec le polymère. La température de flamme adiabatique est d'environ 3,300°F (1,816°C). Le mécanisme du traitement à la flamme repose sur la combustion contrôlée d'un combustible hydrocarboné pour générer le plasma à flamme. Les flammes laminaires prémélangées produisent une réaction exothermique. Le rapport exact comburant/combustible nécessaire à une combustion complète est appelé rapport stœchiométrique. Lors d'une combustion stœchiométrique, il n'y a ni excès d'oxygène ni excès de combustible. Le rapport stœchiométrique est d'environ 10:1 pour le gaz naturel et de 24:1 pour le propane.
La flamme est un mélange d'un combustible et d'un comburant soigneusement mélangés avant combustion. Le rapport molaire combustible/comburant est probablement le paramètre le plus important du procédé de traitement à la flamme. Pour le gaz naturel, l'équation suivante décrit la réaction de combustion :
CH4 + 2O2 + 8N2 ? CO2 + 2H20 + 8N2 + plasma à flamme
Les trois principales variables de contrôle du procédé sont la chimie de la flamme, la distance entre le substrat et la flamme, ainsi que le temps de séjour du traitement. Dans un système de combustion, la flamme est une onde subsonique caractérisée par une vitesse appelée vitesse de flamme laminaire, définie comme la vitesse à laquelle les gaz non brûlés se déplacent à travers l'onde de combustion, dans la direction normale à la surface de l'onde. Un profil de flamme laminaire comprend trois zones : réductrice, lumineuse et post-combustion. Chaque zone présente des gradients de température et des espèces chimiques réactives différents. Le positionnement de la pièce lors de son passage dans la flamme est essentiel et doit être précis pour obtenir un mouillage et une fonctionnalisation optimaux de la surface.
Le traitement optimal (oxydation) se produit dans la zone lumineuse de réaction principale, dite zone oxydante. Il s'agit de la région la plus chaude de la flamme, où la température du système de combustion atteint environ 1,700°C pour le gaz naturel et de 1,900 à 2,000°C pour les mélanges à base de propane. Dans cette zone, la teneur en espèces réactives radicalaires libres (notamment hydroxyle, carbonyle, carboxyle, éther et ester) augmente fortement, au détriment de la concentration en réactifs. La forte concentration en espèces radicalaires rend cette région fortement oxydante, contrairement à la zone réductrice.
La couleur de cette zone dépend du rapport combustible/air. Un rayonnement violet bleuté profond, la flamme devenant presque transparente si la quantité de gaz est réduite de façon croissante, est produit lorsque le mélange est pauvre en gaz (en raison de radicaux CH excités). Un rayonnement vert apparaît lorsque le mélange est riche en gaz (en raison de molécules C2 excitées). Lorsque la quantité de gaz dans le mélange augmente encore davantage, le rayonnement vire au jaunâtre en raison des particules de carbone formées. Une chimie de flamme idéale est celle qui procure, dans le plasma à flamme, une concentration en oxygène de 0.1% à 0.5% après la réaction de combustion.
La distance de traitement optimale (position) du substrat par rapport à la flamme (juste au-dessus de la zone réductrice de pré-combustion) se situe généralement entre 3/8″ et ½” (9.5 mm à 12.7 mm). La portion de flamme réellement active pour le traitement s'étend sur environ 1½” (38.1 mm) au-delà de la pointe de la flamme, la zone d'environ ½” (12.7 mm) produisant le niveau de traitement le plus élevé. Se référer à la ligne pointillée jaune du Diagramme 1. La surface à traiter ne doit jamais entrer en contact avec la zone réductrice (sous-stœchiométrique) de la flamme.
La zone de pré-combustion, ou zone réductrice, est la région la plus froide de la flamme, où les gaz non brûlés prémélangés n'ont pas encore atteint la condition oxydante optimale. Caractérisée par sa couleur bleu acier vif, cette région est inefficace pour l'activation de surface et n'apporte aucun bénéfice d'oxydation. La zone de post-combustion est la plus étendue des trois régions du profil de flamme laminaire. La température y reste élevée en raison de la réaction d'oxydation exothermique du CO en CO2, avec dégagement de chaleur.
Cette région est considérée comme intermédiaire, entre les zones réductrice et lumineuse, en termes de température et de concentration en radicaux oxygénés. Les gaz brûlés à haute température présentent généralement une couleur rougeâtre, due au rayonnement de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone (produits de combustion des combustibles hydrocarbonés) ainsi qu'à quelques particules de poussière.
L'écart (distance) entre la flamme lumineuse et la surface du substrat est un facteur déterminant pour l'étendue de l'activation obtenue par le traitement. En général, lorsque le substrat traverse la flamme, une diminution rapide de la mouillabilité de la surface traitée se produit à mesure que la distance augmente entre les cônes de la flamme et le substrat. Toutefois, un effet bénéfique du traitement reste appréciable plusieurs millimètres au-delà de la zone de post-combustion. Pour maximiser le bénéfice du traitement, la flamme doit agir en synergie avec sa zone lumineuse, qui est la plus riche en espèces oxydantes actives (radicaux OH et atomes O) et celle qui présente la température la plus élevée dans l'ensemble du système de combustion.
Des régulateurs de pression nulle doivent être installés avec les systèmes de brûleurs à prémélange, en utilisant des mélangeurs air/combustible à effet venturi afin de maintenir un rapport air/combustible constant, quel que soit le taux de combustion du brûleur. Le mélangeur venturi est un dispositif de mélange proportionnel doté d'entrées pour le gaz combustible (naturel ou propane) et pour l'air/oxygène ; à l'intérieur du corps, il mélange correctement ces gaz et les distribue par la sortie. Sur le plan fonctionnel, lorsque l'air de combustion traverse l'orifice du mélangeur air/combustible, il génère une chute de pression détectée en interne comme une pression négative par un tube de détection situé en aval, dans le régulateur de pression nulle, afin de maintenir une pression nulle par rapport à l'atmosphère.
Le choix approprié du type de brûleur est essentiel à l'uniformité et à l'exhaustivité du traitement. La conception du produit, sa géométrie et le substrat polymère sont des facteurs importants. Un brûleur bien conçu présente un haut niveau de stabilité, réduisant l'apparition de retours de flamme et de décollement de flamme, deux types d'instabilités résultant d'un déséquilibre entre la vitesse d'écoulement du mélange combustible/comburant et la vitesse de combustion du mélange combustible. Un retour de flamme peut se produire dans un brûleur à prémélange si la vitesse de combustion de la flamme dépasse la vitesse d'écoulement en sortie de l'orifice. Dans ces conditions, le diamètre maximal de l'orifice assurant les pertes thermiques nécessaires est dépassé, permettant ainsi à la flamme de se propager en amont, dans la chambre de mélange.
Deux types de brûleurs sont utilisés pour le traitement à la flamme : les brûleurs à rubans et les brûleurs à orifices percés. Les brûleurs à rubans se composent d'une série de rubans en acier inoxydable ondulés, insérés dans du laiton, de l'acier inoxydable, de l'acier doux ou de la fonte. Le nombre de rubans, le motif d'ondulation, le nombre d'orifices du brûleur et d'autres caractéristiques de conception du motif de rubans dépendent de l'application. Les brûleurs à rubans peuvent offrir des avantages grâce à leur capacité à fournir une grande surface de flamme et une bonne stabilisation de la flamme. Le second type de brûleur est le brûleur à orifices percés. Les brûleurs à orifices percés sont généralement fabriqués en acier inoxydable et en aluminium.
Les brûleurs à rubans représentent la dernière génération de brûleurs et la solution la plus largement adoptée au niveau industriel, car les profils de flamme sont personnalisables en ajustant la largeur de la fente et en configurant les rubans3. Les brûleurs à rubans constituent la solution optimale pour la modification de surface ou le traitement à la flamme des films polymères.
Plasma à air (décharge électrique)
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