Plasma a Fiamma
Il trattamento a fiamma (flammatura) è un metodo di pretrattamento in fase gassosa in cui la combustione di un combustibile idrocarburico, in condizioni controllate, genera il plasma a fiamma che modifica la superficie del substrato senza influire sulle proprietà massive del polimero. L'ossidazione della superficie del polimero derivante dal trattamento a fiamma avviene attraverso molteplici processi fisici, tra cui la combustione omogenea dei reagenti premiscelati, il trasporto dei prodotti di combustione verso la superficie del polimero e la reazione eterogenea dei prodotti della fiamma con il polimero. La temperatura di fiamma adiabatica è di circa 3.300 °F (1.816 °C). Il meccanismo del trattamento a fiamma consiste nella combustione controllata di un combustibile idrocarburico per generare il plasma a fiamma. Le fiamme laminari premiscelate producono una reazione esotermica. Il rapporto esatto tra ossidante e combustibile necessario per una combustione completa è noto come rapporto stechiometrico. In una combustione stechiometrica non vi è eccesso di ossigeno o di combustibile. Il rapporto stechiometrico è di circa 10:1 per il gas naturale e 24:1 per il propano.
La fiamma è una miscela di combustibile e ossidante, accuratamente mescolati prima della combustione. Il rapporto molare tra combustibile e ossidante è probabilmente il parametro più importante nel processo di trattamento a fiamma. Per il gas naturale, la seguente equazione descrive la reazione di combustione:
CH4 + 2O2 + 8N2 → CO2 + 2H2O + 8N2 + plasma a fiamma
Le tre principali variabili di controllo del processo sono la chimica della fiamma, la distanza del substrato dalla fiamma e il tempo di permanenza del trattamento. In un sistema di combustione, la fiamma è un'onda subsonica caratterizzata da una velocità detta velocità di fiamma laminare, definita come la velocità con cui i gas incombusti si muovono attraverso l'onda di combustione in direzione normale alla superficie dell'onda. Un profilo di fiamma laminare è costituito da tre zone: riducente, luminosa e post-combustione. Ciascuna zona presenta gradienti di temperatura e specie chimiche reattive differenti. Il posizionamento del pezzo durante il passaggio nella fiamma è critico e deve essere preciso per ottenere la massima bagnabilità e funzionalizzazione della superficie.
Il trattamento ottimale (ossidazione) avviene nella zona luminosa della reazione principale, o zona ossidante. Questa è la regione più calda della fiamma, dove la temperatura del sistema di combustione raggiunge circa 1.700 °C per il gas naturale e da 1.900 a 2.000 °C per le miscele a base di propano. In questa zona, il contenuto di specie reattive radicaliche libere (tra cui idrossile, carbonile, carbossile, etere ed estere) aumenta drasticamente a scapito della concentrazione dei reagenti. L'elevata concentrazione di specie radicaliche rende questa regione fortemente ossidante, in contrasto con la zona riducente.
Il colore di questa zona dipende dal rapporto combustibile/aria. Una radiazione blu-violetto intenso, con la fiamma che diventa quasi trasparente se la quantità di gas viene progressivamente ridotta, si produce quando la miscela è povera di gas (a causa dei radicali CH eccitati). Una radiazione verde compare quando la miscela è ricca di gas (a causa delle molecole di C2 eccitate). Quando la quantità di gas nella miscela aumenta ulteriormente, la radiazione diventa giallastra a causa delle particelle di carbonio che si formano. La chimica di fiamma ideale è quella che garantisce, dopo la reazione di combustione, una concentrazione di ossigeno nel plasma a fiamma compresa tra lo 0,1% e lo 0,5%.
La distanza (posizione) ottimale di trattamento del substrato dalla fiamma (appena sopra la zona riducente di pre-combustione) è tipicamente compresa tra 3/8″ e ½″ (da 9,5 mm a 12,7 mm). La porzione effettiva di trattamento della fiamma si estende per circa 1½″ (38,1 mm) oltre la punta della fiamma, con circa ½″ (12,7 mm) che produce il livello di trattamento più elevato. Fare riferimento alla linea tratteggiata gialla nel Diagramma 1. La superficie da trattare non deve mai entrare in contatto con la zona riducente (sub-stechiometrica) della fiamma.
La zona di pre-combustione, o zona riducente, è la regione più fredda della fiamma, dove i gas incombusti premiscelati non hanno ancora raggiunto la condizione ossidante ottimale. Caratterizzata da un colore blu acciaio brillante, questa regione è inefficace per l'attivazione della superficie e non offre alcun beneficio ossidativo. La zona di post-combustione è la più estesa delle tre regioni del profilo di fiamma laminare. La temperatura rimane elevata a causa della reazione esotermica di ossidazione del CO in CO2, con rilascio di calore.
Questa regione si colloca in posizione intermedia tra la zona riducente e quella luminosa, sia per temperatura sia per concentrazione di radicali dell'ossigeno. I gas combusti ad alta temperatura presentano generalmente una colorazione rossastra, dovuta alla radiazione del vapore acqueo e dell'anidride carbonica (prodotti della combustione con combustibili idrocarburici) e ad alcune particelle di sporco.
Lo scarto (la distanza) tra la fiamma luminosa e la superficie del substrato è un fattore critico nel determinare l'entità dell'attivazione ottenuta dal trattamento. In generale, quando il substrato attraversa la fiamma, si verifica un rapido calo della bagnabilità della superficie trattata man mano che aumenta la distanza tra i coni della fiamma e il substrato. Tuttavia, un effetto benefico derivante dal trattamento resta apprezzabile per diversi millimetri oltre la zona di post-combustione. Per massimizzare il beneficio del trattamento, la fiamma dovrebbe operare in sinergia con la propria zona luminosa, che è la più ricca di specie ossidanti attive (radicali OH e atomi di O) e quella con la temperatura più elevata dell'intero sistema di combustione.
I regolatori di pressione del gas a zero dovrebbero essere installati con sistemi di bruciatori a premiscelazione, utilizzando miscelatori venturi aria/combustibile per mantenere costante il rapporto aria/combustibile indipendentemente dalla portata di combustione del bruciatore. Il miscelatore venturi è un dispositivo di miscelazione proporzionale dotato di ingressi sia per il gas combustibile (naturale o propano) sia per aria/ossigeno, che al suo interno miscela correttamente questi gas e li distribuisce attraverso l'uscita. Dal punto di vista funzionale, quando l'aria di combustione attraversa l'orifizio del miscelatore aria/combustibile, genera una caduta di pressione che viene rilevata internamente come pressione negativa tramite un tubo di rilevamento a valle nel regolatore di pressione del gas a zero, al fine di mantenere una pressione pari a zero rispetto all'atmosfera.
La corretta selezione del tipo di bruciatore è fondamentale per l'uniformità e la completezza del trattamento. La geometria del prodotto, il design e il substrato polimerico sono fattori importanti. Un bruciatore ben progettato avrà un elevato livello di stabilità, riducendo il verificarsi di ritorno di fiamma e sollevamento di fiamma, due tipi di instabilità dovute a uno squilibrio tra la velocità di flusso della miscela combustibile/ossidante e la velocità di combustione della miscela combustibile. Il ritorno di fiamma può svilupparsi in un bruciatore premiscelato se la velocità di combustione della fiamma supera la velocità del flusso in uscita dall'ugello. In tali condizioni, il diametro massimo dell'ugello che garantisce le necessarie perdite termiche è stato superato, consentendo così alla fiamma di propagarsi all'indietro nella camera di miscelazione.
Per il trattamento a fiamma si utilizzano due tipi di bruciatori: a nastro e a fori. I bruciatori a nastro sono costituiti da una serie di nastri in acciaio inossidabile corrugato inseriti in corpi di ottone, acciaio inossidabile, acciaio dolce o ghisa. Il numero di nastri, il motivo di corrugatura, il numero di ugelli del bruciatore e altre caratteristiche di progettazione del motivo dei nastri dipendono dall'applicazione. I bruciatori a nastro possono offrire vantaggi grazie alla loro capacità di fornire un'ampia superficie di fiamma e una buona stabilizzazione della fiamma. Il secondo tipo di bruciatore è quello a fori. I bruciatori a fori sono generalmente realizzati in acciaio inossidabile e alluminio.
I bruciatori a nastro rappresentano l'ultima generazione di bruciatori e la soluzione più diffusa a livello industriale, poiché i profili di fiamma sono personalizzabili regolando la larghezza della fessura e configurando i nastri. I bruciatori a nastro sono la soluzione ottimale per la modifica superficiale o il trattamento a fiamma delle pellicole polimeriche.
Plasma freddo a bassa pressione
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