Trattamento corona (scarica elettrica)
Punti chiave
- La corona ionizza l'aria ambiente in un piccolo intervallo tra un elettrodo e una superficie a massa, formando un plasma a bassa temperatura.
- L'ingresso tipico è 10–30 kV in c.a. applicati a un elettrodo appuntito o a rullo.
- Aumenta l'energia superficiale, così inchiostri e adesivi bagnano i film di polietilene, polipropilene e poliestere.
- Ha capacità di pulizia praticamente nulla: i contaminanti vanno rimossi prima del trattamento, non da esso.
Trattamento corona (scarica elettrica)
Il trattamento a scarica elettrica corona aumenta l'energia superficiale di film, fogli e nastri di plastica facendoli passare attraverso una scarica elettrica in aria, ad alta tensione e alta frequenza, a pressione atmosferica. È il pretrattamento dominante nella trasformazione in continuo di nastri (rivestimento per estrusione, imballaggio flessibile, supporti per etichette e stampa su film) perché è rapido, poco costoso per metro quadro e si integra direttamente nella linea.
Com'è costruito un trattatore corona
Il nastro passa in un intervallo ristretto tra un elettrodo ad alta tensione e un rullo a massa. Una delle due superfici porta un rivestimento dielettrico. L'applicazione di un'alta tensione ad alta frequenza attraverso l'intervallo, tipicamente nell'ordine di 10–20 kV a 10–30 kHz, ionizza l'aria e produce la scarica viola visibile che dà il nome al processo.
Le specie reattive dell'ossigeno formate in quella scarica ossidano la superficie del polimero, innestando gruppi ossidrile, carbonile e carbossile sulla struttura idrocarburica. I film di polietilene e polipropilene, essenzialmente non stampabili senza trattamento, passano abitualmente da circa 30 dyne/cm a 40–46 dyne/cm in un solo passaggio.
La dose e il suo controllo
Il trattamento corona si quantifica come densità di potenza, ossia la potenza erogata per unità di superficie e di tempo, di solito espressa in W·min/m²:
Densità di potenza = Potenza (W) ÷ [ larghezza del nastro (m) × velocità di linea (m/min) × numero di lati trattati ]
Mantenere costante la densità di potenza è ciò che mantiene costante il livello in dyne al variare della velocità di linea. Un trattatore regolato correttamente a 100 m/min sottotratterà a 200 m/min se la potenza non viene aumentata proporzionalmente.
Problemi caratteristici
- Decadimento del trattamento. Il film trattato con corona perde energia superficiale nell'arco di giorni o settimane man mano che le catene polimeriche si riorientano e il materiale ossidato a basso peso molecolare migra. Gli additivi scorrevoli e antiblocco accelerano la perdita. Le bobine vanno stampate o accoppiate entro la finestra validata, non mesi dopo.
- Trattamento sul retro. La scarica può avvolgere nastri sottili o stretti e trattare la faccia opposta, causando adesione tra gli strati (blocking) nella bobina avvolta. Il corretto rivestimento del rullo e la regolazione dell'intervallo controllano il fenomeno.
- Fori e microperforazioni. Una densità di potenza eccessiva su film sottili può forarli o creare uno strato limite debole e ossidato in eccesso che cede per coesione: più trattamento non è meglio.
- Ozono. Generato in modo continuo; sono necessarie aspirazione e distruzione.
- Geometria. Il processo si adatta a nastri bidimensionali. Per pezzi stampati tridimensionali sono indicati invece il plasma a fiamma, il plasma atmosferico o il plasma freddo.
Misurazione
Le penne dyne e le soluzioni per la tensione di bagnatura secondo ASTM D2578 restano il controllo standard in officina, applicate sull'intera larghezza del nastro per confermarne l'uniformità anziché in un solo punto. La variazione tra bordo e centro è un difetto comune e facile da non vedere. Per il lavoro di validazione, la misura dell'angolo di contatto fornisce il valore quantitativo dell'energia superficiale, secondo l'approccio descritto in la scienza della risoluzione dei problemi di adesione delle materie plastiche.
Obiettivi di densità di potenza in pratica
La densità di potenza è la variabile di controllo, ma il numero che conta è il livello in dyne che essa produce su un dato substrato. Questi sono gli intervalli comunemente incontrati nella trasformazione dei nastri; vanno considerati un punto di partenza per una prova, non una specifica, perché i pacchetti di additivi scorrevoli e antiblocco spostano notevolmente il requisito:
| Substrato | Energia superficiale non trattata | Obiettivo abituale dopo il trattamento | Note |
|---|---|---|---|
| Film LDPE | Circa 31 dyne/cm | 38–44 dyne/cm | Gli additivi scorrevoli migrano rapidamente e riportano verso il basso il livello trattato |
| Film HDPE | Circa 31 dyne/cm | 38–44 dyne/cm | Simile all'LDPE; il decadimento è in genere più lento |
| BOPP | Circa 29 dyne/cm | 38–42 dyne/cm | Il substrato classico per la corona; il sovratrattamento causa facilmente il blocking |
| Film PET | Circa 41 dyne/cm | 46–52 dyne/cm | Parte più in alto, quindi l'incremento necessario è minore |
| Film di nylon | Circa 40 dyne/cm | 46–52 dyne/cm | Igroscopico: l'umidità ambiente influisce sulla lettura |
| Rivestimento per estrusione di polietilene | Bassa, e in calo con la temperatura del fuso | Stabilito dal requisito di adesione dell'accoppiamento | Il trattamento a ozono della tenda di fuso accompagna spesso la corona sul substrato |
Definire il requisito in base all'inchiostro, all'adesivo o al rivestimento effettivamente utilizzato, anziché a un valore generico in dyne. Una specifica che indica 42 dyne/cm perché il settore spesso indica 42 dyne/cm è una specifica che nessuno ha verificato.
Risoluzione dei problemi di una linea corona
| Sintomo | Causa probabile | Correzione |
|---|---|---|
| Livello in dyne corretto al centro, basso ai bordi | Elettrodo che non copre l'intera larghezza del nastro, o intervallo variabile lungo il rullo | Misurare ogni volta sull'intera larghezza, mai in un solo punto. Controllare la lunghezza dell'elettrodo rispetto alla larghezza del nastro e verificare l'uniformità dell'intervallo. |
| Il livello di trattamento cala quando la linea accelera | Densità di potenza in calo perché la potenza non è stata aumentata proporzionalmente | Collegare la potenza alla velocità di linea in modo da mantenere costante la densità di potenza anziché la potenza. |
| La bobina aderisce su sé stessa allo svolgimento | Trattamento sul retro: la scarica avvolge un nastro sottile o stretto | Correggere rivestimento del rullo e intervallo. Verificare che la larghezza del nastro corrisponda alla configurazione dell'elettrodo. |
| Buona lettura in dyne, ma scarsa adesione dell'inchiostro | Contaminazione. La corona attiva qualsiasi cosa sia presente sulla superficie, compreso il contaminante | Individuare la fonte: essudazione dell'additivo scorrevole, trascinamento di olio del compressore, distaccante, silicone presente nell'aria. La corona non ha praticamente capacità di pulizia. |
| Adesione buona in trasformazione, in cedimento dopo settimane | Decadimento del trattamento nelle bobine stoccate | Stabilire e far rispettare una finestra validata tra trattamento e trasformazione. Rimisurare il livello in dyne sulle bobine invecchiate prima di lavorarle. |
| Fori o superficie debole e polverosa | Sovratrattamento: una densità di potenza eccessiva ha degradato la superficie in uno strato limite debole | Ridurre la densità di potenza. Più trattamento non è meglio; uno strato ossidato in eccesso cede per coesione. |
| Il risultato varia con il tempo atmosferico | L'umidità ambiente influisce sulla scarica e, sui film igroscopici, sulla lettura | Registrare le condizioni ambientali insieme alle letture in dyne prima di concludere che il trattatore sia andato in deriva. |
Dove si colloca la corona tra i pretrattamenti
| Corona | Plasma a fiamma | Plasma atmosferico | Plasma freddo | |
|---|---|---|---|---|
| Geometria ideale | Nastro bidimensionale | Nastro e tridimensionale semplice | Tridimensionale, aree selettive | Tridimensionale complessa, a lotti |
| Capacità di pulizia | Praticamente nulla | Discreta | Buona | Eccellente |
| Costo per unità di superficie | Il più basso | Basso | Moderato | Il più alto |
| Integrazione in linea | Diretta, in linea | In linea | In linea o montato su robot | A lotti, camera a vuoto |
| Tratta le superfici in ombra | No | No | No | Sì |
| Durabilità dell'attivazione | Da giorni a settimane | Da giorni a settimane | Da ore a giorni | La più lunga dei quattro |
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Applicazione in produzione
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Domande frequenti
Che cos'è il trattamento a scarica elettrica corona?
Un trattamento superficiale che applica un campo elettrico ad alta tensione attraverso un piccolo intervallo d'aria, ionizzando l'aria ambiente in un debole plasma a forma di pennello vicino alla superficie del materiale. La specie reattiva che si forma ossida la superficie, aumentandone l'energia in modo che inchiostri, adesivi e rivestimenti possano bagnarla.
Quale tensione utilizza il trattamento corona?
Corrente alternata, tipicamente tra 10 e 30 kV, applicata a un elettrodo appuntito o a rullo. L'intenso campo ionizza le molecole d'aria circostanti, creando specie reattive dell'ossigeno e fotoni UV che modificano la superficie.
Quali materiali traggono il maggior vantaggio dal trattamento corona?
I polimeri a bassa energia superficiale che resistono all'incollaggio, in particolare i film di polietilene, polipropilene e poliestere. È ampiamente utilizzato prima di stampa, accoppiamento, rivestimento e incollaggio con adesivi su questi substrati.
La scarica corona pulisce anche la superficie?
In pratica no. La corona ha una capacità di pulizia praticamente nulla, quindi sporco, grasso, oli, siliconi, distaccanti e agenti scorrevoli devono essere rimossi prima del trattamento. Trattare su una contaminazione attiva semplicemente il contaminante anziché il substrato.
Quanto dura il trattamento corona?
Il trattamento invecchia e la durata a magazzino dipende dalla resina, dalla sua formulazione e dall'ambiente di stoccaggio. I materiali a basso peso molecolare che migrano in superficie riducono progressivamente l'effetto, quindi incollaggio, rivestimento o stampa devono seguire il prima possibile.
Quale densità di potenza devo impostare?
Quella che mantiene il livello in dyne effettivamente richiesto dall'inchiostro, dall'adesivo o dal rivestimento: il valore deve derivare da una prova con la chimica reale, non da un dato generico di settore. I film poliolefinici passano comunemente da circa 30 dyne/cm non trattati a 38–44 dyne/cm trattati; PET e nylon partono più in alto e puntano a 46–52. Mantenere costante la densità di potenza, non la potenza, quando cambia la velocità di linea.
Perché l'adesione fallisce quando la lettura in dyne è a target?
Quasi sempre per contaminazione. La corona non ha capacità di pulizia, quindi attiva qualsiasi cosa si trovi sulla superficie: essudazione dell'additivo scorrevole, trascinamento di olio del compressore, distaccante o silicone presente nell'aria. Una penna dyne legge senza problemi l'energia superficiale del contaminante. Individuare e rimuovere la fonte anziché aumentare il livello di trattamento, che non servirebbe.
Una bobina trattata con corona può essere stoccata prima della stampa?
Solo entro una finestra validata. Il film trattato perde energia superficiale nell'arco di giorni o settimane man mano che le catene polimeriche si riorientano e il materiale a basso peso molecolare migra di nuovo in superficie, e gli additivi scorrevoli e antiblocco accelerano la perdita. Stabilire la finestra per lo specifico film e le condizioni di stoccaggio, farla rispettare e rimisurare il livello in dyne sull'intera larghezza di ogni bobina invecchiata prima di lavorarla.
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Domande frequenti
Che cos'è il trattamento a scarica corona elettrica?
La scarica corona elettrica classica — scarica a barriera dielettrica — impiega un generatore ed elettrodi su una sorgente ad alta tensione, un controelettrodo a potenziale zero e un dielettrico che funge da barriera. È una scarica ad alta frequenza e alta tensione che crea una differenza di potenziale tra due punti, e richiede tipicamente una messa a terra a oltre 35 kV e 20-25 kHz.
La scarica corona può trattare particolari tridimensionali o solo film piano?
Configurazioni di elettrodi su misura permettono di trattare geometrie superficiali molto diverse: piane, sagomate, incassate e isolate. Un'applicazione documentata è un sistema di trattamento corona per connettori elettrici in cui una combinazione di elettrodi ad ago e a sfera tratta contemporaneamente fori tridimensionali di piccolo diametro e superfici esterne piane, coperta dal brevetto statunitense US5051586 (1991).
Il plasma atmosferico è un sostituto più economico della scarica corona?
In genere no. La scarica corona è spesso più efficace su superfici più estese e a maggiore profondità di trattamento, e molti sistemi al plasma atmosferico sono in realtà più costosi e non meno. La scelta va fatta sul requisito di trattamento e sulla geometria, non su un'ipotesi di costo relativo.
Quanto è efficace la scarica corona nella pulizia?
Si è rivelata ragionevolmente efficace nel rimuovere i residui invisibili di idrocarburi che restano dopo un lavaggio con solvente o detergente, ed è quindi spesso impiegata come fase successiva alla pulizia anziché in sua sostituzione.
La scarica corona produce ozono?
Sì. Nella regione di plasma si produce ozono per effetto della scarica elettrica e va gestito nell'impianto.
