В света на преработката на полимери постигането на оптимална адхезия, възможност за печат и омокряемост върху не-полярни пластмасови повърхности като полипропилен и полиетилен остава постоянно предизвикателство. Тези материали, ценени заради своята химическа устойчивост и бариерни свойства, често не успяват в приложения, изискващи здрави връзки с мастила, покрития или лепила. За да се преодолее тази разлика в производителността, технологиите за модифициране на повърхността са станали незаменими. Сред тях обработката с коронен разряд се откроява като крайъгълен индустриален процес, известен със своята ефективност, разход-ефективност и възможности за непрекъсната работа.
Научните принципи на коронния разряд
Лечението с корона е основно плазмен процес при атмосферно налягане. Той работи чрез генериране на плазмен разряд между електрод с високо-напрежение и заземен валяк, като пластмасовото фолио или субстрат преминават през пролуката. Приложеното високо напрежение (обикновено в диапазона kHz) йонизира околния въздух, създавайки видимо сияние или нишковиден разряд, богат на енергийни видове. Тази "студена плазма" се състои от смес от свободни електрони, йони, метастабилни молекули и ултравиолетови (UV) фотони, всички носещи значителна енергия.
Когато тази енергийна плазма се сблъска с повърхността на полимера, няколко ключови физико-химични реакции протичат почти едновременно. Основният механизъм е бомбардирането на повърхността от високо-енергийни електрони и UV радиация, които разкъсват стабилните въглерод-въглеродни и въглерод-водородни връзки в полимерните вериги. Това разкъсване на връзката създава силно реактивни свободни радикали на повърхността. Впоследствие тези полимер-свободни радикали реагират бързо с кислородни и азотни видове (като атомарен кислород, озон и азотен оксид), присъстващи във въздушната плазма. Тази реакция води до постоянно включване на полярни функционални групи-най-вече карбонил (C=O), карбоксил (COOH) и хидроксил (OH) групи-върху предишната инертна полимерна повърхност. Въвеждането на тези-съдържащи кислород групи драстично увеличава повърхностната енергия на пластмасата, превръщайки я от хидрофобна в хидрофилна. Тази повишена повърхностна енергия е ключът към подобрената омокряемост, която е предпоставка за силна адхезия, тъй като позволява на течности като мастила, лепила и покрития да се разпространяват равномерно и да образуват плътен контакт със субстрата.
Предимства и промишлени приложения
Широкото приемане на лечението с корона в индустриите се дължи на убедителна комбинация от технически и икономически ползи. Основното му предимство е способността да бъде интегриран като непрекъснат,-линеен процес, без да се прекъсва производственият поток, което е от решаващо значение за-производство с голям{2}}обем като преобразуване на филми. Той работи при атмосферно налягане, като използва въздух като реактивна среда, елиминирайки необходимостта от скъпи вакуумни системи, изисквани от други плазмени технологии. Това прави оборудването по-просто, по-здраво и значително по--рентабилно както по отношение на капиталови инвестиции, така и на оперативни разходи.
Тези предимства правят коронарното третиране-метода за модифициране на полиолефиновите филми. Основен пример е биаксиално ориентираното полипропиленово (BOPP) фолио, материал, който се използва повсеместно в опаковките на храни, самозалепващите ленти и-опаковките с общо предназначение. В необработено състояние BOPP има ниска повърхностна енергия и слаба омокряемост, което го прави неподходящ за печат или ламиниране. Коронното третиране ефективно активира повърхността му, позволявайки високо-качествен графичен печат и надеждно свързване с адхезивни слоеве. Освен опаковането, технологията се прилага и за модифициране на биоразградими полимери като полимлечна киселина (PLA). Изследванията показват, че обработката с корона може да въведе функционални кислородни групи върху PLA повърхности, които не само подобряват адхезията, но също така могат да ускорят скоростта на биоразграждане на полимера.
Ограничения и допълващи технологии
Въпреки доминирането си, коронарното лечение не е универсално решение и има специфични ограничения. Генерираната плазма е с относително ниска -плътност и ефектът от обработката обикновено е плитък, като прониква само в най-външните молекулни слоеве (няколко нанометра) на материала. Това е достатъчно за филми, но се превръща в ограничение за три-измерни обекти, текстил или материали с разхлабени влакна. Ефектът от обработката може да бъде не-равномерен върху неравни повърхности и изискването за много малки междини между електродите (около 1 mm) може да бъде практическо ограничение за обработка на дебели или текстурирани субстрати. Освен това третираната повърхност може да претърпи „стареене“, при което ефектът намалява с течение на времето поради миграцията на окислени материали с ниско-молекулно-тегло или преориентирането на полярните групи в насипния полимер.
За приложения, при които лечението с корона е неадекватно, се използват алтернативни и допълващи се технологии.Лечение с пламъке друга силно утвърдена техника за-атмосферно налягане. Той действа, като за кратко излага пластмасовата повърхност на газов пламък, който окислява повърхността чрез механизъм на свободни-радикали, подобен на обработката с корона, като въвежда полярни групи. Третирането с пламък засяга малко по-голяма дълбочина (4-9 nm) и често се предпочита за по-дебели материали, сложни 3D форми като автомобилни части или формовани чрез издуване бутилки. Проучванията показват, че той е изгоден и допълващ коронния разряд, като параметри като съотношение въздух-към газ и време на експозиция са критични за оптимизирането. За най-прецизното и усъвършенствано повърхностно инженерство,плазмено-третиране под ниско наляганепредлага превъзходен контрол. Проведен във вакуумна камера с прецизно подбран процесен газ (напр. кислород, аргон), той създава по-плътна, по-равномерна плазма, която може да произведе по-голямо разнообразие от повърхностни функционалности и по-дълбока модификация, без да уврежда насипния материал. Въпреки че е по-скъп и-ориентиран към партиди, той е от съществено значение за високо-технологични приложения като медицински устройства.
Заключение и перспектива за бъдещето
Третирането с коронен разряд остава жизненоважна, научно-технология, която е в основата на растежа на пластмасовата и опаковъчната индустрия от десетилетия. Неговото елегантно приложение на физика на плазмата за решаване на практически проблеми с адхезията е доказателство за ефективно инженерство. Чрез фундаментална промяна на повърхностната химия на пластмасите чрез въвеждане на полярни функционални групи, той позволява производителността, която съвременните приложения изискват. Въпреки че е изправен пред ограничения с определени геометрии и материали, ролята му е сигурна поради несравнимото съотношение на цена-скорост за обработка на филм. Бъдещето на модификацията на повърхността не е в изместването на обработката с корона, а в нейната интелигентна интеграция с други технологии като пламък и плазма с ниско-налягане.