화염 플라즈마

화염 처리는 탄화수소 연료를 통제된 조건에서 연소시켜, 폴리머의 벌크 특성에는 영향을 주지 않으면서 기재 표면을 개질하는 화염 플라즈마를 생성하는 기상 전처리 방법입니다. 화염 처리로 인한 폴리머 표면의 산화는 여러 물리적 과정을 통해 일어나며, 여기에는 예혼합 반응물의 균일 연소, 연소 생성물의 폴리머 표면으로의 이동, 그리고 화염 생성물과 폴리머 간의 불균일 반응이 포함됩니다. 단열 화염 온도는 약 3,300°F(1,816°C)입니다. 화염 처리의 메커니즘은 탄화수소 연료를 통제된 방식으로 연소시켜 화염 플라즈마를 생성하는 것입니다. 예혼합 층류 화염은 발열 반응을 일으킵니다. 완전 연소에 필요한 산화제와 연료의 정확한 비율을 화학양론비라고 합니다. 화학양론적 연소에서는 산소나 연료가 과잉으로 남지 않습니다. 화학양론비는 천연가스의 경우 약 10:1, 프로판의 경우 약 24:1입니다.

화염은 연소 전에 철저히 혼합된 연료와 산화제의 혼합물입니다. 연료와 산화제의 몰 비율은 화염 처리 공정에서 가장 중요한 변수라고 할 수 있습니다. 천연가스의 경우 다음 방정식이 연소 반응을 나타냅니다.

CH4 + 2O2 + 8N2 → CO2 + 2H2O + 8N2 + 화염 플라즈마

세 가지 주요 공정 제어 변수는 화염 화학, 기재와 화염 사이의 거리, 그리고 처리 체류 시간입니다. 연소 시스템에서 화염은 층류 화염 속도라고 하는 속도로 특징지어지는 아음속 파동이며, 이는 미연소 가스가 화염 파면에 수직인 방향으로 연소파 전체를 이동하는 속도로 정의됩니다. 층류 화염 프로파일은 환원 영역, 발광 영역, 후연소 영역의 세 영역으로 구성됩니다. 각 영역은 서로 다른 온도 구배와 화학 반응종을 가집니다. 화염을 통과하는 부품의 위치 배치는 매우 중요하며, 최대 표면 젖음성과 관능화를 위해 정밀해야 합니다.

최적의 처리(산화)는 주 반응 영역인 발광 영역, 즉 산화 영역에서 일어납니다. 이곳은 화염에서 가장 뜨거운 영역으로, 연소 시스템의 온도가 천연가스의 경우 약 1,700°C, 프로판 기반 혼합물의 경우 1,900~2,000°C에 달합니다. 이 영역에서는 하이드록실, 카르보닐, 카르복실, 에테르, 에스터를 포함한 유리 라디칼 반응종의 함량이 반응물 농도를 희생시키며 급격히 증가합니다. 라디칼 종의 높은 농도로 인해 이 영역은 환원 영역과 대조적으로 강한 산화성을 띱니다.

이 영역의 색상은 연료 대 공기 비율에 따라 달라집니다. 혼합물이 연료가 부족한 상태(가스 희박)일 때는 여기된 CH 라디칼로 인해 짙은 청보라색 복사가 나타나며, 가스량이 점점 줄어들면 화염이 거의 투명해집니다. 혼합물이 가스가 풍부한 상태일 때는 여기된 C2 분자로 인해 녹색 복사가 나타납니다. 혼합물 내 가스량이 더욱 증가하면 생성되는 탄소 입자로 인해 복사가 황색을 띠게 됩니다. 이상적인 화염 화학이란 연소 반응 후 화염 플라즈마 내 산소 농도가 0.1%~0.5%가 되도록 하는 것입니다.

화염으로부터 기재까지의 최적 처리 거리(위치, 예연소 환원 영역 바로 위)는 일반적으로 3/8인치에서 1/2인치(9.5mm~12.7mm) 사이입니다. 실제 처리에 유효한 화염 부분은 화염 끝단에서 약 1과 1/2인치(38.1mm)까지 이어지며, 그중 약 1/2인치(12.7mm) 구간에서 가장 높은 수준의 처리 효과가 나타납니다. 다이어그램 1의 노란색 점선을 참고하십시오. 처리 대상 표면은 화학양론 이하인 화염의 환원 영역에 절대 접촉해서는 안 됩니다.

예연소 영역, 즉 환원 영역은 화염 내에서 가장 온도가 낮은 영역으로, 예혼합된 미연소 가스가 아직 최적의 산화 조건에 도달하지 못한 상태입니다. 밝은 강청색을 띠는 것이 특징인 이 영역은 표면 활성화에 효과가 없으며 산화 효과를 전혀 제공하지 않습니다. 후연소 영역은 층류 화염 프로파일의 세 영역 중 가장 넓습니다. 이 영역은 CO가 CO2로 산화되는 발열 반응으로 인해 열이 방출되며 높은 온도를 유지합니다.

이 영역은 온도와 산소 라디칼 농도 면에서 환원 영역과 발광 영역의 중간적 특성을 보입니다. 고온의 연소 가스는 일반적으로 수증기와 이산화탄소(탄화수소 연료의 연소 생성물)의 복사와 일부 그을음 입자로 인해 붉은빛을 띱니다.

발광 화염과 기재 표면 사이의 간격(거리)은 처리로 달성되는 활성화 정도를 결정하는 데 있어 중요한 요소입니다. 일반적으로 기재가 화염을 통과할 때, 화염 원뿔과 기재 사이의 거리가 멀어질수록 처리된 표면의 젖음성이 급격히 저하됩니다. 그러나 후연소 영역을 몇 밀리미터 지난 지점까지도 처리로 인한 유익한 효과는 여전히 나타날 수 있습니다. 처리 효과를 극대화하려면, 활성 산화종(OH 라디칼 및 O 원자)이 가장 풍부하고 전체 연소 시스템에서 온도가 가장 높은 발광 영역과 화염이 함께 작용하도록 해야 합니다.

제로 가스 압력 조절기는 벤투리 공기/연료 혼합기를 사용하는 예혼합 버너 시스템에 설치하여, 버너의 점화율과 관계없이 일정한 공기/연료 비율을 유지해야 합니다. 벤투리 혼합기는 연료 가스(천연가스 또는 프로판)와 공기/산소의 입구를 모두 갖춘 비례 혼합 장치로, 본체 내부에서 이들 가스를 적절히 혼합한 뒤 출구를 통해 분배합니다. 기능적으로, 연소용 공기가 공기/연료 혼합기의 오리피스를 통과할 때 압력 강하가 발생하며, 이는 제로 가스 압력 조절기의 하류 감지관을 통해 음압으로 내부적으로 감지되어 대기압 대비 제로 압력을 유지합니다.

버너 유형을 올바르게 선택하는 것은 처리의 균일성과 완전성에 있어 매우 중요합니다. 제품 설계, 형상, 폴리머 기재가 중요한 요소입니다. 잘 설계된 버너는 안정성이 높아 역화(플래시백)와 화염 부양(리프트) 발생을 줄여줍니다. 이 두 가지 불안정 현상은 연료/산화제 혼합물의 유속과 가연성 혼합물의 연소 속도 사이의 불균형으로 인해 발생합니다. 예혼합 버너에서 화염의 연소 속도가 포트에서 흘러나오는 유속을 초과하면 역화가 발생할 수 있습니다. 이러한 조건에서는 필요한 열손실을 보장하는 최대 포트 직경이 초과되어, 화염이 혼합실 내부로 역전파하게 됩니다.

화염 처리에는 리본 버너와 드릴드 포트 버너, 두 가지 유형이 사용됩니다. 리본 버너는 황동, 스테인리스강, 연강, 주철에 삽입된 여러 겹의 주름진 스테인리스강 리본으로 구성됩니다. 리본의 개수, 주름 패턴, 버너 포트 개수 및 기타 리본 패턴 설계 특성은 용도에 따라 달라집니다. 리본 버너는 넓은 화염 표면과 화염 안정화를 제공할 수 있다는 점에서 장점을 지닙니다. 두 번째 버너 유형은 드릴드 포트 버너입니다. 드릴드 포트 버너는 일반적으로 스테인리스강과 알루미늄으로 제작됩니다.

리본 버너는 최신 세대의 버너로, 슬롯 폭 조정과 리본 구성을 통해 화염 패턴을 맞춤 설정할 수 있어 산업 현장에서 가장 널리 채택되고 있는 솔루션입니다. 리본 버너는 폴리머 필름의 표면 개질 또는 화염 처리에 최적의 솔루션입니다.