การปรับปรุงพื้นผิวพอลิเมอร์ด้วยเฟลมพลาสมาเพื่อการยึดติดด้วยแรงยึดเกาะ: การควบคุมกระบวนการ อุปกรณ์ และการใช้งาน

การปรับปรุงพื้นผิวพอลิเมอร์ด้วยเฟลมพลาสมาเพื่อการยึดติดด้วยแรงยึดเกาะ: การควบคุมกระบวนการ อุปกรณ์ และการใช้งาน

เทอร์โมพลาสติกเป็นวัสดุรองรับที่ไม่ชอบน้ำโดยธรรมชาติและมีพลังงานพื้นผิวต่ำ จึงยึดเกาะกับวัสดุชนิดเดียวกันหรือต่างชนิดได้ไม่ดี พอลิเมอร์กึ่งผลึกโดยทั่วไปยึดติดได้ยากกว่า (เมื่อเทียบกับพอลิเมอร์อสัณฐาน) เนื่องจากสัณฐานวิทยาของโครงสร้างที่เป็นระเบียบ เช่น พอลิโอเลฟิน พอลิเอไมด์ (ไนลอน) อะซีทัล พอลิเอสเทอร์ พอลิฟีนิลีนซัลไฟด์ เป็นต้น

แม้ปัจจัยต่าง ๆ เช่น ลักษณะพื้นผิวจะช่วยปรับปรุงการเปียกผิว แต่การปรับปรุงพื้นผิวแก้ปัญหาการยึดติดได้เกือบทั้งหมด วิธีปรับปรุงพื้นผิวที่พบบ่อย ได้แก่ การปล่อยประจุไฟฟ้า (โคโรนา) เฟลมพลาสมา พลาสมาความดันบรรยากาศ พลาสมาแก๊สเย็น และรังสี UV-โอโซน การปรับสภาพพื้นผิวด้วยออกซิเดชันของวัสดุพอลิเมอร์ทำให้เกิดหมู่ที่ว่องไวมีขั้ว ซึ่งช่วยเพิ่มพลังงานอิสระของพื้นผิว และส่งผลให้ความสามารถในการเปียกผิวและการยึดติดของพื้นผิวเหล่านี้ดีขึ้น แม้ทุกกระบวนการเหล่านี้จะสร้างพลาสมาแก๊สที่ว่องไวสูง แต่ต้องตระหนักว่าพื้นผิวที่ผ่านการปรับสภาพอาจมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ

บทความนี้กล่าวถึงการปรับสภาพด้วยเปลวไฟสำหรับผลิตภัณฑ์พลาสติกสามมิติ ซึ่งเป็นเทคนิคที่มีคุณค่าในการปรับปรุงคุณสมบัติพื้นผิวของพอลิเมอร์ โดยเริ่มจากหลักการของกระบวนการเผาไหม้ ตามด้วยการเน้นเป็นพิเศษที่โซนเปลวไฟลามินาร์ การเลือกหัวเผาและเสถียรภาพของเปลวไฟ ตัวควบคุมความดันแก๊สศูนย์ อายุการปรับสภาพ และปัจจัยควบคุมกระบวนการ ข้อมูลอิสระนี้นำเสนอด้วยความหวังว่าจะลดความเข้าใจคลาดเคลื่อนเกี่ยวกับการปรับสภาพด้วยเปลวไฟ และส่งเสริมประสิทธิผลเมื่อเทียบกับการปรับสภาพวิธีอื่น

ประเด็นสำคัญ

• ตัวแปรสามตัวควบคุมกระบวนการ ได้แก่ เคมีของเปลวไฟ ระยะห่างจากเปลวไฟ และเวลาสัมผัส
• ปรับสภาพในโซนเรืองแสง ซึ่งร้อนที่สุดและอุดมด้วยอนุมูล OH มากที่สุด วัสดุรองรับต้องไม่สัมผัสโซนรีดิวซ์เด็ดขาด
• ระยะห่างที่เหมาะสมที่สุดอยู่ที่ประมาณ 3/8–1/2 นิ้ว (9.5–12.7 mm) เหนือโซนรีดิวซ์ก่อนการเผาไหม้
• เปลวไฟเหนือกว่าโคโรนาด้านเสถียรภาพ ออกซิเดชันกระจุกตัวในชั้นบนสุด 5–10 nm และไม่เกิดวัสดุออกซิไดซ์โมเลกุลต่ำ การปรับสภาพจึงเสื่อมช้ากว่า
• ตัวควบคุมความดันแก๊สศูนย์เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อรักษาอัตราส่วนอากาศ/เชื้อเพลิงให้คงที่ตลอดช่วงการจุดหัวเผา

การปรับสภาพด้วยเฟลมพลาสมา

การปรับสภาพด้วยเปลวไฟเป็นวิธีการปรับสภาพในเฟสแก๊ส ซึ่งการเผาไหม้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนภายใต้สภาวะที่ควบคุมจะสร้างเฟลมพลาสมาที่ปรับปรุงพื้นผิววัสดุรองรับโดยไม่กระทบคุณสมบัติเนื้อวัสดุของพอลิเมอร์ ออกซิเดชันของพื้นผิวพอลิเมอร์จากการปรับสภาพด้วยเปลวไฟเกิดขึ้นผ่านกระบวนการทางกายภาพหลายอย่าง ได้แก่ การเผาไหม้เนื้อเดียวของสารตั้งต้นที่ผสมไว้ล่วงหน้า การลำเลียงผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ไปยังพื้นผิวพอลิเมอร์ และปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์ของผลิตภัณฑ์จากเปลวไฟกับพอลิเมอร์ อุณหภูมิเปลวไฟอะเดียแบติกอยู่ที่ประมาณ 3,300°F (1,816°C)

กลไกของการปรับสภาพด้วยเปลวไฟคือการเผาไหม้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนอย่างควบคุมเพื่อสร้างเฟลมพลาสมา เปลวไฟลามินาร์แบบผสมล่วงหน้าทำให้เกิดปฏิกิริยาคายความร้อน อัตราส่วนที่แน่นอนของตัวออกซิไดซ์ต่อเชื้อเพลิงที่ต้องใช้เพื่อให้เผาไหม้สมบูรณ์เรียกว่าอัตราส่วนสโตอิชิโอเมตริก ที่การเผาไหม้แบบสโตอิชิโอเมตริกจะไม่มีออกซิเจนหรือเชื้อเพลิงเหลือ อัตราส่วนสโตอิชิโอเมตริกอยู่ที่ประมาณ 10:1 สำหรับก๊าซธรรมชาติ และ 24:1 สำหรับโพรเพน

เปลวไฟคือส่วนผสมของเชื้อเพลิงและตัวออกซิไดซ์ที่ผสมกันอย่างทั่วถึงก่อนการเผาไหม้ อัตราส่วนโมลของเชื้อเพลิงต่อตัวออกซิไดซ์น่าจะเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดในกระบวนการปรับสภาพด้วยเปลวไฟ สำหรับก๊าซธรรมชาติ สมการต่อไปนี้อธิบายปฏิกิริยาการเผาไหม้

CH4 + 2O2 + 8N2 → CO2 + 2H20 + 8N2 + flame plasma

คำถามที่พบบ่อย

ระยะห่างที่เหมาะสมระหว่างเปลวไฟกับชิ้นงานคือเท่าใด

โดยทั่วไป 3/8 ถึง 1/2 นิ้ว หรือ 9.5 ถึง 12.7 mm โดยวางไว้เหนือโซนรีดิวซ์ก่อนการเผาไหม้เล็กน้อย ส่วนของเปลวไฟที่ทำหน้าที่ปรับสภาพขยายออกไปประมาณ 1½ นิ้วเลยปลายเปลวไฟ โดยช่วงประมาณ ½ นิ้วให้ระดับการปรับสภาพสูงสุด

เหตุใดการปรับสภาพด้วยเปลวไฟจึงเสถียรกว่าการปรับสภาพด้วยโคโรนา

กลไกออกซิเดชันต่างกัน โคโรนาทำให้สายโซ่แตกอย่างกว้างขวางจนเกิดวัสดุออกซิไดซ์โมเลกุลต่ำ ซึ่งเคลื่อนที่และทำให้ผลการปรับสภาพเสื่อมลง ออกซิเดชันจากเปลวไฟถูกครอบงำโดยปฏิกิริยาของอนุมูล OH และไม่เกิดวัสดุดังกล่าว พอลิโพรพิลีนที่ผ่านการปรับสภาพด้วยเปลวไฟจึงเปียกผิวได้ดีกว่าและเสถียรกว่าพอลิโพรพิลีนที่ผ่านโคโรนา

ควรกำหนดเป้าหมายเคมีของเปลวไฟอย่างไร

ความเข้มข้นของออกซิเจนในเฟลมพลาสมาหลังการเผาไหม้ที่ 0.1% ถึง 0.5% อัตราส่วนสโตอิชิโอเมตริกอยู่ที่ประมาณ 10:1 สำหรับก๊าซธรรมชาติ และ 24:1 สำหรับโพรเพน สีของเปลวไฟเป็นตัวบ่งชี้ที่มีประโยชน์ โดยสีม่วงอมน้ำเงินเข้มหมายถึงส่วนผสมแก๊สน้อย สีเขียวหมายถึงส่วนผสมแก๊สมาก และสีเหลืองบ่งชี้การเกิดอนุภาคคาร์บอน

หัวเผาแบบริบบอนหรือแบบเจาะรู

หัวเผาแบบริบบอนเป็นตัวเลือกที่ทันสมัยกว่าและถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในระดับอุตสาหกรรม รูปแบบเปลวไฟปรับแต่งได้ด้วยการปรับความกว้างของช่องและการจัดวางริบบอน และให้พื้นผิวเปลวไฟขนาดใหญ่พร้อมเสถียรภาพของเปลวไฟที่ดี จึงเป็นทางออกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการปรับปรุงพื้นผิวพอลิเมอร์

ความชื้นส่งผลต่อผลการปรับสภาพด้วยเปลวไฟหรือไม่

ส่งผล อุณหภูมิหรือความชื้นสัมพัทธ์ที่เพิ่มขึ้นทำให้ส่วนผสมแก๊ส/อากาศเลื่อนไปทางส่วนผสมที่มีเชื้อเพลิงมาก ซึ่งเปลี่ยนคุณสมบัติของพื้นผิวที่ผ่านการปรับสภาพ ควรตรวจสอบทั้งสองค่าในงานที่ต้องการผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้

ตัวแปรควบคุมกระบวนการหลักสามตัว ได้แก่ เคมีของเปลวไฟ ระยะห่างของวัสดุรองรับจากเปลวไฟ และเวลาสัมผัสในการปรับสภาพ ในระบบเผาไหม้ เปลวไฟเป็นคลื่นความเร็วต่ำกว่าเสียง ซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยความเร็วที่เรียกว่าความเร็วเปลวไฟลามินาร์ ซึ่งนิยามว่าเป็นความเร็วที่ก๊าซที่ยังไม่ไหม้เคลื่อนผ่านคลื่นการเผาไหม้ในทิศทางตั้งฉากกับพื้นผิวคลื่น โปรไฟล์เปลวไฟลามินาร์ประกอบด้วยสามโซน ได้แก่ โซนรีดิวซ์ โซนเรืองแสง และโซนหลังการเผาไหม้ แต่ละโซนมีการไล่ระดับอุณหภูมิและสปีชีส์ที่ว่องไวทางเคมีต่างกัน ตำแหน่งของชิ้นงานที่เคลื่อนผ่านเปลวไฟมีความสำคัญและต้องแม่นยำเพื่อให้เปียกผิวและเติมหมู่ฟังก์ชันได้สูงสุด

การปรับสภาพที่เหมาะสมที่สุด (ออกซิเดชัน) เกิดขึ้นในโซนเรืองแสงหรือโซนออกซิไดซ์ซึ่งเป็นโซนปฏิกิริยาหลัก นี่คือบริเวณที่ร้อนที่สุดของเปลวไฟ ซึ่งอุณหภูมิของระบบเผาไหม้สูงถึงประมาณ 1,700°C สำหรับก๊าซธรรมชาติ และ 1,900 ถึง 2,000°C สำหรับส่วนผสมที่ใช้โพรเพน ในโซนนี้ ปริมาณสปีชีส์อนุมูลอิสระที่ว่องไว (รวมถึงไฮดรอกซิล คาร์บอนิล คาร์บอกซิล อีเทอร์ และเอสเทอร์) เพิ่มขึ้นอย่างมากโดยแลกกับความเข้มข้นของสารตั้งต้น ความเข้มข้นสูงของสปีชีส์อนุมูลทำให้บริเวณนี้มีฤทธิ์ออกซิไดซ์รุนแรง ตรงข้ามกับโซนรีดิวซ์

สีของโซนนี้ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนเชื้อเพลิง/อากาศ รังสีสีม่วงอมน้ำเงินเข้ม และเปลวไฟที่เกือบโปร่งใสเมื่อปริมาณแก๊สลดลงเรื่อย ๆ เกิดขึ้นเมื่อส่วนผสมมีแก๊สน้อย (เนื่องจากอนุมูล CH ที่ถูกกระตุ้น) รังสีสีเขียวปรากฏเมื่อส่วนผสมมีแก๊สมาก (เนื่องจากโมเลกุล C2 ที่ถูกกระตุ้น) เมื่อแก๊สในส่วนผสมเพิ่มขึ้นอีก รังสีจะเปลี่ยนเป็นสีเหลืองเนื่องจากอนุภาคคาร์บอนที่เกิดขึ้น เคมีของเปลวไฟที่เหมาะสมคือแบบที่ให้ความเข้มข้นของออกซิเจนในเฟลมพลาสมาหลังปฏิกิริยาการเผาไหม้ที่ 0.1% ถึง 0.5%

ระยะการปรับสภาพ (ตำแหน่ง) ที่เหมาะสมที่สุดของวัสดุรองรับจากเปลวไฟ (เหนือโซนรีดิวซ์ก่อนการเผาไหม้เล็กน้อย) โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 3/8″ ถึง ½” (9.5 mm ถึง 12.7 mm) ส่วนของเปลวไฟที่ทำหน้าที่ปรับสภาพจริงขยายออกไปประมาณ 1½” (38.1 mm) เลยปลายเปลวไฟ โดยช่วงประมาณ ½” (12.7 mm) ให้ระดับการปรับสภาพสูงสุด ดูเส้นประสีเหลืองในแผนภาพ 1 พื้นผิวที่จะปรับสภาพต้องไม่สัมผัสโซนรีดิวซ์ (ต่ำกว่าสโตอิชิโอเมตริก) ของเปลวไฟเด็ดขาด

โซนก่อนการเผาไหม้หรือโซนรีดิวซ์เป็นบริเวณที่เย็นที่สุดในเปลวไฟ ซึ่งก๊าซที่ผสมไว้ล่วงหน้าและยังไม่ไหม้ยังไม่ถึงสภาวะออกซิไดซ์ที่เหมาะสม บริเวณนี้มีลักษณะเด่นคือสีน้ำเงินเหล็กสว่าง ไม่มีประสิทธิผลในการกระตุ้นพื้นผิวและไม่ให้ประโยชน์ด้านออกซิเดชัน โซนหลังการเผาไหม้เป็นโซนที่ใหญ่ที่สุดในสามบริเวณของโปรไฟล์เปลวไฟลามินาร์ อุณหภูมิยังคงสูงเนื่องจากปฏิกิริยาออกซิเดชันคายความร้อนของ CO เป็น CO2 พร้อมการปล่อยความร้อน

บริเวณนี้มีลักษณะเป็นโซนกลางระหว่างโซนรีดิวซ์และโซนเรืองแสงในแง่อุณหภูมิและความเข้มข้นของอนุมูลออกซิเจน ก๊าซที่ไหม้แล้วที่อุณหภูมิสูงโดยทั่วไปมีสีแดง เกิดจากการแผ่รังสีของไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ (ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน) และอนุภาคสิ่งสกปรกบางส่วน

ช่องว่าง (ระยะห่าง) ระหว่างเปลวไฟเรืองแสงกับพื้นผิววัสดุรองรับเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดระดับการกระตุ้นที่การปรับสภาพทำได้ โดยทั่วไปเมื่อวัสดุรองรับผ่านเปลวไฟ ความสามารถในการเปียกผิวของพื้นผิวที่ผ่านการปรับสภาพจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อระยะห่างระหว่างกรวยเปลวไฟกับวัสดุรองรับเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม ผลดีจากการปรับสภาพยังคงเห็นได้ชัดเจนเลยโซนหลังการเผาไหม้ออกไปหลายมิลลิเมตร

เพื่อให้ได้ประโยชน์สูงสุดจากการปรับสภาพ เปลวไฟควรทำงานร่วมกับโซนเรืองแสง ซึ่งอุดมด้วยสปีชีส์ออกซิไดซ์ที่ว่องไว (อนุมูล OH และอะตอม O) มากที่สุด และมีอุณหภูมิสูงสุดในระบบเผาไหม้ทั้งหมด3

เนื่องจากออกซิเดชันในระดับที่มากกว่ากระจุกตัวใกล้บริเวณผิวนอกสุดที่ตื้น (5 ถึง 10 nm) พื้นผิวที่ผ่านการปรับสภาพด้วยเปลวไฟจึงมักเปียกผิวได้ดีขึ้นและคงความเสถียรต่อการเสื่อมสภาพ (อายุการเก็บรักษา) ได้มากกว่าพื้นผิวที่ผ่านโคโรนา พอลิเมอร์ที่ผ่านเปลวไฟอาจแสดงคุณสมบัติการเปียกผิวที่ดีขึ้นเพราะมีส่วนผสมของหมู่ฟังก์ชันเคมีต่างกัน หมู่ฟังก์ชันที่ถูกออกซิไดซ์ต่างชนิดกันมีส่วนต่อความสามารถในการเปียกผิวของพอลิเมอร์ที่ผ่านออกซิเดชันพื้นผิวในระดับที่ต่างกัน

การศึกษาแสดงให้เห็นว่า แม้พอลิโอเลฟินที่ผ่านโคโรนาและเปลวไฟจะเป็นกระบวนการออกซิเดชันพื้นผิวเช่นเดียวกัน แต่ทั้งสองวิธีมีกลไกออกซิเดชันที่ต่างกันมาก

การแตกของสายโซ่อย่างกว้างขวางที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการโคโรนาส่งผลต่อความสามารถในการเปียกผิวและความเสถียรของฟิล์มพอลิโพรพิลีน (PP) ที่ผ่านการปรับสภาพ ในทางตรงกันข้าม ออกซิเดชันพื้นผิวด้วยเปลวไฟถูกครอบงำโดยปฏิกิริยาของอนุมูล OH ซึ่งนำไปสู่ออกซิเดชันโดยไม่เกิดวัสดุออกซิไดซ์โมเลกุลต่ำ (LMWOM) การแตกของสายโซ่ที่จำกัดกว่าจากการปรับสภาพด้วยเปลวไฟนำไปสู่การเกิดปุ่มนูนระดับภูมิประเทศของวัสดุที่มีน้ำหนักโมเลกุลปานกลาง ซึ่งเล็กกว่ากองของ LMWOM มาก เนื่องจากไม่เกิด LMWOM PP ที่ผ่านเปลวไฟจึงถูกออกซิไดซ์สูงกว่าหลังล้างด้วยน้ำ เปียกผิวได้ดีกว่า และเสถียรกว่า PP ที่ผ่านโคโรนา

การลดลงของความเสถียรของการปรับสภาพในแง่ระดับออกซิเดชัน หรือการสูญเสียความสามารถในการเปียกผิวตามการเสื่อมสภาพ มักมีสาเหตุจากการจัดเรียงตัวใหม่หรือการเคลื่อนที่เฉพาะที่ของหมู่ฟังก์ชันที่ถูกออกซิไดซ์ซึ่งอยู่ใกล้พื้นผิวของ PP ที่ผ่านการปรับปรุง เมื่อน้ำหนักโมเลกุลของบริเวณผิวลดลง แนวโน้มการจัดเรียงตัวใหม่หรือการเคลื่อนที่ของหมู่ฟังก์ชันน่าจะเพิ่มขึ้น น้ำหนักโมเลกุลของพื้นผิวพอลิโพรพิลีนที่ผ่านโคโรนาต่ำกว่าพื้นผิว PP ที่ผ่านเปลวไฟ ดังนั้น PP ที่ผ่านโคโรนาจึงเสถียรน้อยกว่า PP ที่ผ่านเปลวไฟ ความเสถียรของการปรับสภาพเป็นตัวอย่างว่าน้ำหนักโมเลกุลของพื้นผิวอาจสำคัญกว่าระดับออกซิเดชันในการกำหนดคุณสมบัติเชิงสมรรถนะที่ใช้งานได้จริง1

ควรติดตั้งตัวควบคุมความดันแก๊สศูนย์กับระบบหัวเผาแบบผสมล่วงหน้า โดยใช้ตัวผสมอากาศ/เชื้อเพลิงแบบเวนทูรีเพื่อรักษาอัตราส่วนอากาศ/เชื้อเพลิงให้คงที่ไม่ว่าอัตราการจุดหัวเผาจะเป็นเท่าใด ตัวผสมเวนทูรีเป็นอุปกรณ์ผสมตามสัดส่วนที่มีช่องรับทั้งก๊าซเชื้อเพลิง (ก๊าซธรรมชาติหรือโพรเพน) และอากาศ/ออกซิเจน และผสมก๊าซเหล่านี้อย่างเหมาะสมภายในตัวเรือนก่อนกระจายออกทางช่องออก ในทางการทำงาน เมื่ออากาศเผาไหม้ไหลผ่านรูในตัวผสมอากาศ/เชื้อเพลิง จะเกิดความดันลดซึ่งตรวจจับภายในเป็นความดันลบผ่านท่อตรวจจับปลายน้ำในตัวควบคุมความดันแก๊สศูนย์ เพื่อรักษาความดันเป็นศูนย์เมื่อเทียบกับบรรยากาศ

เมื่อตรวจจับความดันลบ ตัวควบคุมความดันแก๊สศูนย์จะเปิดมากพอให้ความดันบวกเท่ากับความดันดูดลบ เมื่ออัตราการไหลของอากาศเผาไหม้เพิ่มหรือลดตามความต้องการพลังงานของกระบวนการ แรงดูดจะเพิ่มหรือลดตาม และตัวควบคุมความดันแก๊สศูนย์จะเปิด (เมื่ออากาศเผาไหม้ไหลเพิ่ม) หรือปิด (เมื่ออากาศเผาไหม้ไหลลด) เพื่อรักษาความดันเป็นศูนย์อยู่เสมอ ด้วยวิธีนี้ ไม่ว่าอัตราการไหลของอากาศเผาไหม้จะเป็นเท่าใด อัตราส่วนอากาศ/เชื้อเพลิงก็ควรคงที่โดยประมาณ

ตัวควบคุมความดันแก๊สศูนย์ส่วนใหญ่ออกแบบให้ไม่ต้องปรับตั้ง เพราะสปริงของตัวควบคุมออกแบบให้สมดุลกับน้ำหนักของชิ้นส่วนภายในวาล์วอย่างแม่นยำ มีรุ่นใหม่ที่ให้ปรับสปริงสมดุลได้ ซึ่งเพิ่มความยืดหยุ่น ในการเลือกตัวควบคุมความดันแก๊สศูนย์ ควรพิจารณาอัตราส่วนการลดการไหล (turndown) คือการไหลของเชื้อเพลิงสูงสุดต่อต่ำสุด ยิ่งมากยิ่งดี

ควรพิจารณาขนาดของไดอะแฟรมด้วย ยิ่งใหญ่ยิ่งดีเพราะควบคุมได้แม่นยำกว่า ในการกำหนดขนาดตัวควบคุมความดันแก๊สศูนย์ ควรจำไว้ว่าความดันลดคร่อมตัวควบคุมเท่ากับความดันขาเข้า เนื่องจากความดันขาออกเป็นศูนย์

การเลือกชนิดหัวเผาให้เหมาะสมมีความสำคัญต่อความสม่ำเสมอและความครบถ้วนของการปรับสภาพ การออกแบบผลิตภัณฑ์ รูปทรงเรขาคณิต และวัสดุรองรับพอลิเมอร์เป็นปัจจัยสำคัญ หัวเผาที่ออกแบบมาดีจะมีเสถียรภาพสูง ลดการเกิดเปลวไฟย้อนกลับและเปลวไฟลอยตัว ซึ่งเป็นความไม่เสถียรสองประเภทที่เกิดจากความไม่สมดุลระหว่างความเร็วการไหลของส่วนผสมเชื้อเพลิง/ตัวออกซิไดซ์กับความเร็วการเผาไหม้ของส่วนผสมที่ติดไฟได้ เปลวไฟย้อนกลับเกิดได้ในหัวเผาแบบผสมล่วงหน้าหากความเร็วการเผาไหม้ของเปลวไฟเกินความเร็วของกระแสที่ไหลออกจากช่อง ภายใต้เงื่อนไขนี้ เส้นผ่านศูนย์กลางช่องสูงสุดที่รับประกันการสูญเสียความร้อนที่จำเป็นถูกเกินไปแล้ว ทำให้เปลวไฟแพร่กลับเข้าสู่ห้องผสมได้

หัวเผาที่ใช้ปรับสภาพด้วยเปลวไฟมีสองประเภท คือ แบบริบบอนและแบบเจาะรู หัวเผาแบบริบบอนประกอบด้วยริบบอนสเตนเลสสตีลจีบชุดหนึ่งที่สอดเข้าไปในทองเหลือง สเตนเลสสตีล เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ และเหล็กหล่อ จำนวนริบบอน รูปแบบการจีบ จำนวนช่องของหัวเผา และลักษณะการออกแบบรูปแบบริบบอนอื่น ๆ ขึ้นอยู่กับการใช้งาน หัวเผาแบบริบบอนอาจให้ข้อดีเพราะสามารถให้พื้นผิวเปลวไฟขนาดใหญ่และเสถียรภาพของเปลวไฟ หัวเผาประเภทที่สองคือแบบเจาะรู ซึ่งโดยปกติผลิตจากสเตนเลสสตีลและอะลูมิเนียม

หัวเผาแบบริบบอนเป็นหัวเผารุ่นล่าสุดและเป็นทางออกที่ถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางที่สุดในระดับอุตสาหกรรม เพราะรูปแบบเปลวไฟปรับแต่งได้ด้วยการปรับความกว้างของช่องและการจัดวางริบบอน3 หัวเผาแบบริบบอนเป็นทางออกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการปรับปรุงพื้นผิวหรือการปรับสภาพด้วยเปลวไฟของฟิล์มพอลิเมอร์2

ริบบอนประกอบด้วยแผ่นสเตนเลสสตีลลูกฟูกที่วางซ้อนกันแน่น เกิดเป็นแถวของช่องออกหรือพอร์ตรูปเกือบวงรี แต่ละช่องมีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนหลัก 2.4 mm และแกนรอง 1.5 mm แถวขนานกันแต่เยื้องกันเพื่อให้ศูนย์กลางของช่องออกสลับตำแหน่ง หัวเผาแบบช่องเดี่ยวและช่องสามช่องถูกใช้อย่างกว้างขวาง พร้อมด้วยการออกแบบอื่น ๆ รวมถึงหัวเผาแบบวงแหวนจุดภายใน

เวลาสัมผัสเป็นปัจจัยกระบวนการที่สำคัญในการปรับหมู่ฟังก์ชันเคมีของพื้นผิวให้เหมาะสมที่สุด ชิ้นงานต้องสัมผัสเฟลมพลาสมาเป็นเวลานานพอเพื่อให้จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาสูงสุด เวลาสัมผัสสั้น ๆ ควบคุมด้วยความเร็วที่ชิ้นงานผ่านเปลวไฟ และขึ้นอยู่กับความกว้างของหัวเผา กำลังผลิตพลาสมา และชนิดของเรซิน เช่น พอลิโพรพิลีนอาจต้องใช้เวลาสัมผัสต่างจากพอลิเอทิลีน การปรับสภาพที่เหมาะสมที่สุดต้องมีโซนปฏิกิริยาหลังเปลวไฟที่เป็นเนื้อเดียวกันเชิงพื้นที่ แม้ใช้กับหัวเผายาวถึงสามเมตร

อุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ของสภาพแวดล้อมโดยรอบมีความสำคัญ การเพิ่มขึ้นของค่าใดค่าหนึ่งอาจทำให้ส่วนผสมแก๊ส/อากาศเลื่อนไปทางส่วนผสมที่มีเชื้อเพลิงมาก จึงทำให้คุณสมบัติของพื้นผิวพอลิเมอร์ที่ผ่านการปรับสภาพเปลี่ยนไป การตรวจสอบอย่างระมัดระวังเป็นประโยชน์ต่อผลลัพธ์ที่แข็งแกร่ง เช่นเดียวกับการปรับสภาพด้วยพลาสมาทุกประเภท ต้องหลีกเลี่ยงการปรับสภาพมากเกินไป เพราะอาจทำให้พลังงานพื้นผิวและการยึดเกาะสูงเกินจริง หรือเกิดความล้มเหลวจากการหลุดลอกในการใช้งานจริง และต้องหลีกเลี่ยงการปรับสภาพน้อยเกินไปอันเนื่องมาจากการตั้งค่าเปลวไฟหรือการออกแบบระบบเผาไหม้ที่ไม่เหมาะสมด้วย

การปรับสภาพผลิตภัณฑ์พอลิเมอร์สามมิติด้วยเปลวไฟเกือบทุกครั้งทำโดยผ่านเพียงครั้งเดียว ต่างจากฟิล์มพลาสติกที่มักปรับสภาพสองครั้งตามแนวเว็บ ในทางทฤษฎี การให้ผลิตภัณฑ์ผ่านเปลวไฟอุณหภูมิสูงเพียงครั้งเดียวอย่างรวดเร็วจะไม่กระตุ้นให้สารเติมแต่งน้ำหนักโมเลกุลต่ำ (พลาสติไซเซอร์ สารเสถียรความร้อน/UV สารปลดแบบ สารป้องกันไฟฟ้าสถิต เป็นต้น) เคลื่อนที่มายังพื้นผิวจนขัดขวางการยึดเกาะ

นอกจากประโยชน์ด้านการปรับปรุงพื้นผิวแล้ว การปรับสภาพด้วยเปลวไฟยังเพิ่มมูลค่าให้กับกระบวนการขึ้นรูปพลาสติก ตัวอย่างเช่น ฝาปิดพอลิโอเลฟินที่ขึ้นรูปด้วยการฉีดแบบ “top gate” จะมีปุ่มเล็ก ๆ ตรงกลางฝา (พื้นผิวด้านบนภายนอก) เนื่องจากตำแหน่งเกทที่เป็นจุด การใช้เปลวไฟทำให้ข้อบกพร่องบนพื้นผิวนี้เรียบขึ้น (เนื่องจากความร้อน) และกำจัดสิ่งปนเปื้อนเพื่อคุณภาพการพิมพ์ที่สวยงาม ฝาปิดที่ขึ้นรูปด้วยการอัดไม่มีปัญหานี้ ดังนั้น การปรับสภาพพื้นผิวอาจให้ประโยชน์หลายอย่างในการใช้งานเฉพาะ ซึ่งควรพิจารณาเมื่อจัดหาระบบอุปกรณ์

บทสรุป

การปรับสภาพด้วยเปลวไฟเป็นกระบวนการที่ยอดเยี่ยมในการปรับปรุงการยึดเกาะของพอลิเมอร์ด้วยการเพิ่มพลังงานพื้นผิวและหมู่ฟังก์ชันเคมี เหมาะอย่างยิ่งกับการปรับสภาพพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ที่มีรูปทรงโค้งและ/หรือร่องลึก ระบบหุ่นยนต์อัตโนมัติเต็มรูปแบบมีประสิทธิผลสูงและผสานรวมได้ง่าย

ต่างจากวิธีปรับสภาพในบรรยากาศอื่น ๆ การใช้เปลวไฟกำจัดเศษสิ่งสกปรกบนพื้นผิวส่วนใหญ่และสิ่งปนเปื้อนไฮโดรคาร์บอนบางส่วน การเลือกหัวเผาและตัวควบคุมความดันแก๊สศูนย์เป็นองค์ประกอบสำคัญ จำเป็นต้องเข้าใจวิธีควบคุมตัวแปรกระบวนการเพื่อรักษาการปรับสภาพด้วยเปลวไฟให้แข็งแกร่ง เพราะการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยอาจทำให้ผลลัพธ์ที่คาดหวังและการยึดติดด้วยแรงยึดเกาะที่ตามมาคลาดเคลื่อนอย่างมาก

อุปกรณ์ปรับสภาพด้วยเปลวไฟทุกรุ่นไม่ได้เท่าเทียมกัน ควรประเมินทุกองค์ประกอบและการออกแบบระบบเผาไหม้อย่างรอบคอบ ควรระบุว่าแม้แนวคิดที่สรุปไว้ในเอกสารนี้จะใช้ได้โดยทั่วไป แต่อาจไม่เหมาะกับทุกการใช้งาน บางประเด็นอาจต้องตรวจสอบเป็นรายกรณี เช่น ชนิดวัสดุรองรับเฉพาะ ชนิดก๊าซเชื้อเพลิง ระยะห่าง และเวลาสัมผัส

เอกสารอ้างอิง

• A Comparison of Corona-Treated and Flame-Treated Polypropylene Films, M. Strobel et al. 2003
• Application of Ribbon Burners to the Flame Treatment of Polypropylene Films, Alexander, Branch, Strobel 2008
• The fundamentals of flame treatment for the surface activation of polyolefin polymers – A review, Farris et al. 2010
• Flame Plasma Surface Treatment Improves Adhesion of Polymers, Joseph DiGiacomo, Scott Sabreen, Plastics Decorating Magazine, 2005
• Flynn Burner Equipment Manual, Surface Treatment Air Gas Mix System with Flame Safety Control.

---