Plasma de Chama
O tratamento a chama (flamagem) é um método de pré-tratamento em fase gasosa no qual a combustão de um combustível de hidrocarboneto, sob condições controladas, gera o plasma de chama que modifica a superfície do substrato sem afetar as propriedades do polímero em sua massa. A oxidação da superfície do polímero, resultante do tratamento a chama, ocorre por meio de múltiplos processos físicos, incluindo a combustão homogênea dos reagentes pré-misturados, o transporte dos produtos de combustão até a superfície do polímero e a reação heterogênea dos produtos da chama com o polímero. A temperatura adiabática da chama é de aproximadamente 3.300°F (1.816°C). O mecanismo do tratamento a chama é a combustão controlada de um combustível de hidrocarboneto para gerar o plasma de chama. Chamas laminares pré-misturadas produzem uma reação exotérmica. A proporção exata entre oxidante e combustível necessária para a combustão completa é conhecida como razão estequiométrica. Na combustão estequiométrica não há excesso de oxigênio nem de combustível. A razão estequiométrica é de aproximadamente 10:1 para gás natural e 24:1 para propano.
A chama é uma mistura de combustível e oxidante completamente misturados antes da combustão. A razão molar entre combustível e oxidante é provavelmente o parâmetro mais importante dentro do processo de tratamento a chama. Para o gás natural, a equação a seguir descreve a reação de combustão:
CH4 + 2O2 + 8N2 → CO2 + 2H2O + 8N2 + plasma de chama
As três principais variáveis de controle do processo são a química da chama, a distância do substrato em relação à chama e o tempo de permanência do tratamento. Em um sistema de combustão, a chama é uma onda subsônica caracterizada por uma velocidade chamada velocidade de chama laminar, definida como a velocidade na qual os gases não queimados se deslocam através da onda de combustão, na direção normal à superfície da onda. Um perfil de chama laminar é composto por três zonas — redutora, luminosa e pós-combustão. Cada zona apresenta gradientes de temperatura e espécies quimicamente reativas diferentes. O posicionamento da peça ao passar pela chama é crítico e deve ser preciso para garantir a máxima molhabilidade e funcionalização da superfície.
O tratamento ideal (oxidação) ocorre na zona luminosa de reação principal, também chamada de zona oxidante. Esta é a região mais quente da chama, onde a temperatura do sistema de combustão atinge aproximadamente 1.700°C para o gás natural e de 1.900°C a 2.000°C para misturas à base de propano. Nessa zona, o teor de espécies radicais livres reativas (incluindo hidroxila, carbonila, carboxila, éter e éster) aumenta drasticamente, em detrimento da concentração de reagentes. A alta concentração de espécies radicais torna essa região fortemente oxidante, em contraste com a zona redutora.
A cor dessa zona depende da proporção combustível/ar. Uma radiação violeta-azulada profunda, com a chama tornando-se quase transparente à medida que a quantidade de gás é reduzida progressivamente, ocorre quando a mistura é pobre em gás (devido a radicais CH excitados). Uma radiação esverdeada aparece quando a mistura é rica em gás (devido a moléculas C2 excitadas). Quando a quantidade de gás na mistura aumenta ainda mais, a radiação assume tom amarelado devido às partículas de carbono formadas. A química de chama ideal é aquela que proporciona, na mistura de plasma de chama, uma concentração de oxigênio de 0,1% a 0,5% após a reação de combustão.
A distância ideal de tratamento (posição) do substrato em relação à chama (logo acima da zona redutora de pré-combustão) fica tipicamente entre 3/8″ e ½” (9,5 mm a 12,7 mm). A porção efetivamente tratante da chama se estende aproximadamente 1½” (38,1 mm) além da ponta da chama, sendo que cerca de ½” (12,7 mm) produz o maior nível de tratamento. Consulte a linha pontilhada amarela no Diagrama 1. A superfície a ser tratada nunca deve entrar em contato com a zona redutora (sub-estequiométrica) da chama.
A zona de pré-combustão, ou zona redutora, é a região mais fria da chama, onde os gases não queimados pré-misturados ainda não atingiram a condição oxidante ideal. Caracterizada por sua cor azul-aço brilhante, essa região é ineficaz para a ativação de superfície e não oferece benefícios de oxidação. A zona de pós-combustão é a maior das três regiões em um perfil de chama laminar. A temperatura permanece elevada devido à reação exotérmica de oxidação do CO em CO2, com liberação de calor.
Essa região é caracterizada como intermediária, entre as zonas redutora e luminosa, em termos de temperatura e concentração de radicais de oxigênio. Os gases queimados de alta temperatura geralmente apresentam coloração avermelhada, causada pela radiação do vapor d'água e do dióxido de carbono (produtos da combustão com combustíveis hidrocarbonetos) e por algumas partículas de fuligem.
A distância (folga) entre a chama luminosa e a superfície do substrato é um fator crítico na determinação da extensão da ativação alcançada pelo tratamento. Em geral, quando o substrato passa pela chama, ocorre uma rápida redução na molhabilidade da superfície tratada à medida que aumenta a distância entre os cones da chama e o substrato. No entanto, um efeito benéfico decorrente do tratamento ainda é perceptível vários milímetros além da zona de pós-combustão. Para maximizar o benefício do tratamento, a chama deve atuar em conjunto com sua zona luminosa, que é a mais rica em espécies oxidantes ativas (radicais OH e átomos de O) e a que apresenta a temperatura mais alta em todo o sistema de combustão.
Reguladores de pressão de gás zero devem ser instalados em sistemas de queimador com pré-mistura, utilizando misturadores venturi de ar/combustível para manter uma proporção ar/combustível constante, independentemente da taxa de disparo do queimador. O misturador venturi é um dispositivo de mistura proporcional que possui entradas tanto para o gás combustível (natural ou propano) quanto para o ar/oxigênio, misturando adequadamente esses gases no interior do corpo e distribuindo-os pela saída. Funcionalmente, à medida que o ar de combustão flui pelo orifício do misturador ar/combustível, ocorre uma queda de pressão que é detectada internamente como pressão negativa por um tubo sensor a jusante no regulador de pressão de gás zero — mantendo a pressão zero em relação à atmosfera.
A seleção adequada do tipo de queimador é crítica para a uniformidade e a totalidade do tratamento. O design do produto, a geometria e o substrato polimérico são fatores importantes. Um queimador bem projetado apresenta alto nível de estabilidade, reduzindo a ocorrência de retrocesso de chama (flashback) e de descolamento de chama (flame lift), duas instabilidades que ocorrem devido a um desequilíbrio entre a velocidade de fluxo da mistura combustível/oxidante e a velocidade de queima da mistura combustível. O retrocesso de chama pode ocorrer em um queimador com pré-mistura quando a velocidade de queima da chama excede a velocidade do fluxo que sai da porta. Nessas condições, o diâmetro máximo de porta que garante as perdas térmicas necessárias foi excedido, permitindo que a chama se propague de volta para a câmara de mistura.
Dois tipos de queimadores são utilizados no tratamento a chama: de fita (ribbon) e de porta perfurada. Os queimadores de fita consistem em uma série de fitas de aço inoxidável crimpadas, inseridas em latão, aço inoxidável, aço-carbono ou ferro fundido. O número de fitas, o padrão de crimpagem, o número de portas do queimador e outras características de design do padrão de fita dependem da aplicação. Os queimadores de fita podem oferecer vantagens por sua capacidade de proporcionar uma grande superfície de chama e estabilização da chama. O segundo tipo de queimador é o de porta perfurada. Os queimadores de porta perfurada normalmente são fabricados em aço inoxidável e alumínio.
Os queimadores de fita são a geração mais recente de queimadores e a solução mais amplamente adotada em nível industrial, pois os padrões de chama são personalizáveis ajustando-se a largura da fenda e configurando as fitas. Os queimadores de fita são a solução ideal para a modificação de superfície ou tratamento a chama de filmes poliméricos.
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