電暈放電的物理原理和應(yīng)用

1、電暈放電的物理原理和應(yīng)用Mario.DellaSantaME.RO,DonteaMoriano,（LU）電暈放電過(guò)程是塑料薄膜加工的基本組成部分，因此必須深刻理解它的工作原理和影響放電過(guò) 程的重要參數(shù)的意義。本文將盡可能簡(jiǎn)單地分析和幫助你了解它的本質(zhì)因素和操作的重要性，以便 能正確地操作儀器，取得最佳的處理結(jié)果。使用電暈的目的在塑料的處理過(guò)程中，擠壓、匹配、拉伸和金屬化都特別重要，這些操作都需要塑料表面對(duì)所 匹配的物質(zhì)（油墨、膠粘劑、油漆和金屬）有很強(qiáng)的附著性，因此塑料表面要有可潤(rùn)濕性能，以便 形成穩(wěn)定、安全的附著。有時(shí)，兩種材料的物理和化學(xué)特性使得它們能自發(fā)地膠合在一起，但在大多數(shù)情況下，作

2、為基 面的塑料表面必須通過(guò)物理的方法來(lái)增加它的潤(rùn)濕性能，使其能適應(yīng)要進(jìn)行的加工條件，這時(shí)就需 要用到電暈放電?？捎脠D示來(lái)說(shuō)明電暈處理系統(tǒng)的細(xì)目。此圖由電動(dòng)機(jī)機(jī)（工作頻率通常在15到40KHZ之間）、加速轉(zhuǎn)換器和處理單元組成。處理單 元包括一個(gè)或多個(gè)電極和一個(gè)轉(zhuǎn)輥，此轉(zhuǎn)輥由電能驅(qū)動(dòng)，表面包有絕緣材料支撐要處理的薄膜。依據(jù)具體的應(yīng)用，電極和要處理的膜面之間的空氣間隙在1.5mm到2.5mm之間。當(dāng)處理很寬 的薄膜時(shí)（高到10m），空氣間隙為2到2.5mm，因?yàn)榇藭r(shí)很難保持太低的空氣間隙。這時(shí)建議 使用一種叫做空氣間隙控制系統(tǒng)，它能在電極的全部長(zhǎng)度下保持空氣間隙為常量。當(dāng)對(duì)電極施加電壓時(shí)，在薄膜和電

3、極之間的空氣間隙上便產(chǎn)生了放電效應(yīng)，使薄膜活性增加。 隨即產(chǎn)生的現(xiàn)象就是電離，在某種意義上電場(chǎng)能使得中性分子離解，那些本身就存在在空氣中的離 子在電場(chǎng)的作用下離解開始加快。反過(guò)來(lái)，新產(chǎn)生的離子又能離解其他的分子，如此循環(huán)下去。即 可以說(shuō)在電場(chǎng)的影響下，存在著一種電離粒子的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，離子的運(yùn)動(dòng)速度將增加， 同樣電離離子的動(dòng)能也將增加。若電場(chǎng)的能量足夠高時(shí)，絕緣層便在空氣中分解。運(yùn)動(dòng)的離子可形 成電流，電極與薄膜之間的空氣間隙也就變成了導(dǎo)體。因此，可看見(jiàn)蘭色的電暈放電現(xiàn)象，這表明 通常的空氣間隙絕緣層已被打破。在每次電擊過(guò)程中，部分離子的動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)化成熱能，引起空氣間隙溫度的上升。當(dāng)電

4、動(dòng)機(jī)的輸 出功率增加時(shí)，就會(huì)有更多的電離粒子產(chǎn)生，動(dòng)能的增加可由電暈放電的強(qiáng)度變化看出。塑料薄膜的電暈放電是通過(guò)粒子轟擊和進(jìn)入表層分子結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的，使用氧化和制造電極單元 的方法來(lái)增加要處理材料的表面張力。離子的振動(dòng)頻率在處理中并不是特別重要，而粒子對(duì)材料的 沖擊能量卻很重要。離子通過(guò)電離的粒子氛圍到達(dá)放電材料的表面需要一段時(shí)間，雖然看起來(lái)時(shí)間 很長(zhǎng)，但和產(chǎn)生的電場(chǎng)的變化時(shí)間相比，只需很短的時(shí)間即可達(dá)到目標(biāo)。離子的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和它的質(zhì) 量、電場(chǎng)的強(qiáng)度、空間電荷的密度和空氣間隙的大小有關(guān)。撞擊要處理材料表面的帶電粒子的能量 和電動(dòng)機(jī)功率與粒子存在時(shí)間的乘積成正比。即使電暈放電的物理和化學(xué)效應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜

5、，但通過(guò)在 不同的系統(tǒng)上可再現(xiàn)，對(duì)于給定的要處理的材料電暈放電很容易被證實(shí)。欲得到需要的表面張力應(yīng) 使用具體的功率，可由下式確定：PSP=Pout/Prod式中：PSP：具體的功率（W.min/m2）Pout :馬達(dá)的輸出功率Prod :生產(chǎn)線產(chǎn)量（m2/min）然而得到所需表面張力時(shí)，應(yīng)用的具體功率取決于要處理材料的性能，特別取決于其中含有的 添加劑用量和性質(zhì)。為了確定得到給頂?shù)谋∧?rùn)濕張力時(shí)所用的具體的功率值，必須經(jīng)常在實(shí)驗(yàn)室 的小樣品或薄膜產(chǎn)品上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)測(cè)試。下表給出了在不同類型的薄膜上得到42dyn/cm的表面張力時(shí)，所需的具體功率值。吹膜添加劑Wmin/m2Dyn/cmHDPE200

6、ppm842LDPE500ppm1242LLDPE1000ppm1642流延薄膜添加劑Wmin/m2Dyn/cmHDPE200ppm1242LDPE500ppm1542LLDPE1000ppm2042BOPP共擠1842均聚物2642PP200ppm1442200ppm1942500ppm2542如前所述，上述數(shù)值只能看成預(yù)計(jì)值。有時(shí)也可能發(fā)生如下情況：即使具體功率的數(shù)值遠(yuǎn)高于表中所示值，也不能得到所需的潤(rùn)濕張 力，此時(shí)必須注意所使用的添加劑的用量和類型及取得最佳放電效果時(shí)可能要做的工作。電暈放電時(shí)的參數(shù).空氣間隙如前所述，根據(jù)放電電極的長(zhǎng)度，空氣間隙可從1.5mm調(diào)節(jié)到2.5mm。當(dāng)電極很長(zhǎng)

7、時(shí)，由于 很難保持太低的空氣間隙，應(yīng)在2到2.5mm之間調(diào)節(jié)，這是因?yàn)榉烹妴卧妮S承結(jié)夠不穩(wěn)定，也 受周邊溫度和傳送功率的影響。為了保持空氣間隙大小不變，要在放電單元中安裝空氣間隙控制 設(shè)備，用來(lái)監(jiān)視電極和薄膜之間的距離及補(bǔ)償軸承結(jié)構(gòu)的移動(dòng)。在上述的測(cè)量范圍內(nèi)，使用相同的具體功率處理時(shí)不會(huì)出現(xiàn)明顯的區(qū)別。.電極電極通常由鋁和不銹鋼制成，根據(jù)應(yīng)用的類型一轉(zhuǎn)輥、刀和刀組的不同，電極有不同的形狀， 表面涂有硅樹脂或陶瓷絕緣層。除了絕緣電極外，其他的電極在處理時(shí)沒(méi)有明顯的區(qū)別。但必須要 記住能使用的最高電壓，因?yàn)榧词闺妷撼^(guò)處理時(shí)電壓很小一部分，也有反面處理的危險(xiǎn)。根據(jù)應(yīng) 用的功率，應(yīng)選擇那些不會(huì)超過(guò)

8、此極限的放電表面。絕緣電極通常用于處理金屬或金屬化薄膜，由于它們能導(dǎo)電，不會(huì)使電暈放電均勻分布且隨后 就被損壞。建議只在金屬或金屬化薄膜處理時(shí)使用絕緣電極：使用相同大小的電暈功率時(shí)，它的處理能力要比非絕緣電極低。也可能在塑料薄膜上使用絕緣電極（例如，不止一種類型的薄膜要在印 刷機(jī)器中處理時(shí)），但不是用來(lái)處理金屬化薄膜，特別是含有大量添加劑的薄膜要處理時(shí)，建議使 用非絕緣電極。絕緣電極必須要冷卻，可使用一種有雙重功能的風(fēng)機(jī)：冷卻和排除由電暈放電產(chǎn)生的臭氧。為 了得到更好的冷卻效果，電極必須放在一個(gè)能使空氣接觸其外表面的室倉(cāng)內(nèi)，空氣流應(yīng)盡可能地沿 著這個(gè)方向吹動(dòng)。從工作環(huán)境中抽取空氣時(shí)會(huì)在電極和絕

9、緣物質(zhì)中引入灰塵、水蒸氣和其他雜質(zhì)。 眾所周知，灰塵和高電壓都是不容許的，電極桿要作成能從放電單元中很容易取出，以便經(jīng)常清潔 去塵。上述的描述也適用于位于同樣通風(fēng)室倉(cāng)內(nèi)的非絕緣電極。此時(shí)情況更糟，由于沒(méi)有絕緣層，電 極直接和它們各自的絕緣物質(zhì)相接觸。通常放電轉(zhuǎn)輥的絕緣覆層有3到4mm厚，電極電壓將相應(yīng) 地增加。可在地中安裝放電裝置（絕緣電極的操作電壓通常為8到8.5KV，然而非絕緣電極可以達(dá) 到更高的電壓）。要特別注意所使用的絕緣材料，它們應(yīng)能抗電弓瓜，因?yàn)閷?duì)灰塵放電不應(yīng)損壞外部表面，這就需 要替換絕緣物質(zhì)，此時(shí)陶瓷材料無(wú)疑是最佳的選擇。3.放電轉(zhuǎn)相的絕緣覆層在第一個(gè)電暈放電單元中，放電轉(zhuǎn)輥并

10、沒(méi)有絕緣覆層，而是由薄膜本身執(zhí)行此功能。此時(shí)在薄 膜本身沒(méi)有擊穿危險(xiǎn)的情況下，輸出電壓和功率不能增加。觀察這兩種系統(tǒng)，可以很容易看出：在 沒(méi)有絕緣覆層的地方，電壓的降低很大，一旦克服了絕緣體的剛度，擊穿現(xiàn)象將隨后產(chǎn)生。另外， 當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有絕緣覆層時(shí)，薄膜的邊部并不能處理到，因?yàn)殡姌O和后者一樣長(zhǎng)，對(duì)薄膜的電暈放電會(huì) 形成一個(gè)高電壓的短回路。上述的問(wèn)題可通過(guò)安裝絕緣覆層來(lái)解決。絕緣覆層的選擇和大小對(duì)系統(tǒng)的操作和生產(chǎn)都非常重 要。覆層材料必須有一定的剛度、低介電損失和高抗臭氧能力，且厚度不能隨著時(shí)間而減少、結(jié)構(gòu) 緊密，不能有損害絕緣特性的雜質(zhì)。人們已經(jīng)測(cè)試了許多類型的絕緣覆層：像充電環(huán)氧樹脂、耐熱 玻

11、璃、玻璃纖維樹脂、硅樹脂、陶瓷等。目前通常使用的絕緣材料是硅樹脂和陶瓷。絕緣材料的選 擇是放電轉(zhuǎn)輥尺寸大小和消耗/效率比的函數(shù)。大多數(shù)電暈放電裝置，特別是很寬的那些，使用硅樹脂覆層作為絕緣層。這種類型的覆層材料 能提供上面所有的特性、價(jià)格合理、擊穿后易于修復(fù)，能保證最小的停機(jī)時(shí)間。但是，它對(duì)由操作 不小心而引起的尖銳物體或刀的損傷很脆弱。陶瓷絕緣覆層使用的很少，特別是在寬度很大的裝置 中，因它有很高的能量消耗且擊穿后不易修復(fù)。當(dāng)電極擊穿后，主要的停機(jī)時(shí)間不是機(jī)器的檢修而 是替換轉(zhuǎn)輥所需的時(shí)間。對(duì)于寬大的裝置將需要幾個(gè)小時(shí)。然而電壓相同時(shí)，使用硅樹脂和陶瓷覆層能得到相同的表面張力。這兩種絕緣覆層

12、有不同厚度 和不同絕緣特性，它們只有經(jīng)過(guò)高壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行所需要的操作后才能使用。陶瓷覆層有0.8到1mm 厚，根據(jù)轉(zhuǎn)輥的厚度，硅樹脂覆層的厚度可在2.5到4.5mm之間。建議不要使用厚度大于4.4mm 的絕緣層，因?yàn)槭┘油瑯拥碾妷?，輸出電極的電壓增加，因此單位面積功率就會(huì)降低。但是，太低 的覆層厚度易于被擊穿且在直徑很大、很長(zhǎng)的轉(zhuǎn)輥上不易實(shí)現(xiàn)。4 .頻率對(duì)此參數(shù)已經(jīng)做了不同的測(cè)試。當(dāng)頻率在15到40KHZ之間時(shí)，并沒(méi)有什么本質(zhì)的處理差別。 施加一定的功率時(shí)，工作頻率越高、電極輸出電壓就越低，因此在放電轉(zhuǎn)輥的絕緣覆層上就會(huì)形成 更大的能量損失、大量的電極發(fā)熱、就需要更精確的空氣間隙調(diào)節(jié)設(shè)備（很小的

13、空氣間隙差別能導(dǎo) 致不均勻的電暈放電，使得很難調(diào)節(jié)電極，特別是那些長(zhǎng)度很長(zhǎng)的電極）。使用高頻發(fā)生器，通過(guò)減少空氣間隙，能得到較均勻的電暈放電效果。根據(jù)以上的描述，電暈 處理的理想工作頻率在15到24KHZ之間。.輸出電壓象在電極那節(jié)中描述的那樣，輸出電壓是指用于電極的有效值。建議此值不要超過(guò)13KV （除 非是用于塑料厚片或在處理高厚度的材料時(shí)，這時(shí)有效值可高達(dá)20KV），因大于此值時(shí)，處理效 果的增加很不顯著，此外還可能出現(xiàn)以下的問(wèn)題：/增加薄膜的收縮性/引起高壓絕緣體和放電轉(zhuǎn)輥的絕緣覆層的絕緣能力的損失，特別是當(dāng)裝置在相對(duì)濕度較高 的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電壓值應(yīng)看成是發(fā)電機(jī)輸出量，因此若作為標(biāo)準(zhǔn)使

14、用，并不是它本身決定處理的能力。電壓值取決 于所施加的功率、空氣間隙大小、欲處理材料的厚度和放電轉(zhuǎn)輥絕緣覆層的厚度和類型。當(dāng)施加的 功率大小相同時(shí)，只依賴空氣間隙的調(diào)節(jié)和放電單元的構(gòu)造，使用不同的輸出電壓可以得到相同的 處理能力。.輸出電流輸出電流代替了電源放電的強(qiáng)度，和輸出電壓一樣，它應(yīng)看成是發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出量且作為一個(gè)可 能的參考值使用，此量并不決定電暈處理的能力。有下列因素影響輸出電流：功率、工作頻率、空 氣間隙、欲處理材料的類型和厚度、放電轉(zhuǎn)輥的絕緣覆層的類型和厚度、放電的表面性質(zhì)、相對(duì)濕 度和高壓絕緣系統(tǒng)中的損失。對(duì)此數(shù)值，當(dāng)功率相同時(shí)，根據(jù)放電單元的構(gòu)造和工作頻率，使用不同的輸出電流可

15、以得到相 同的處理能力。.具體功率具體功率是能有效地操作處理能力，其應(yīng)通過(guò)設(shè)備不斷的監(jiān)視。為得到給定的處理能力而使用 的具體功率并不是對(duì)所有的材料都一樣：每次都要根據(jù)材料本身的化學(xué)和物理特性來(lái)確定。一旦此 值被確定下來(lái)，電動(dòng)機(jī)在不同的工作環(huán)境下都要提供相同的具體功率。必須要有一個(gè)操作面板，通 過(guò)一定的調(diào)節(jié)算法能不間斷地計(jì)算出具體功率值。當(dāng)對(duì)不同類型的薄膜定義不同的具體功率后，這 些數(shù)值可以存儲(chǔ)在操作面板中以便后來(lái)可以隨時(shí)的調(diào)用。ME.RO除了能向控制面板監(jiān)視器提供兩個(gè)輸出數(shù)值一Idc和Vdc，兩個(gè)輸出數(shù)值一Vout和lout 外（因此可以監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)的基本操作參數(shù)），同樣也提供一個(gè)使用微處理器執(zhí)

16、行上述功能的函數(shù)的 操作面板。根據(jù)顧客的要求，可以作出個(gè)性化的操作面板能適合具體的要求。為了獲得所有功能的描述，請(qǐng)參閱相關(guān)的手冊(cè)。8.周邊環(huán)境電暈處理易受周邊環(huán)境，特別是壓力和濕度的影響。在高于1000米的地方安裝操作設(shè)備的比 在較低的地方安裝同樣的設(shè)備所需要的具體功率小。當(dāng)相對(duì)濕度超過(guò)70%時(shí)，影響非常顯著，常常發(fā)生處理數(shù)值的減少。必須提醒的是在此類型的 周邊環(huán)境下所進(jìn)行的潤(rùn)濕張力的測(cè)試（象ASTMD2578-67）是不可靠的，而應(yīng)在具體的周邊環(huán)境 下測(cè)試。反面處理反面處理在上文中已經(jīng)多次提到，現(xiàn)在就來(lái)解釋其是什么？及怎么產(chǎn)生的？反面處理是在已處 理表面的對(duì)面也有一定的表面處理時(shí)產(chǎn)生的。它常

17、是由于以下物質(zhì)的存在而導(dǎo)致的：褶皺或放電轉(zhuǎn) 輥絕緣覆層的不平整、薄膜拉伸不夠和在薄膜及放電轉(zhuǎn)輥之間形成的空氣泡。為了更好的理解它的成因，可以想象薄膜由轉(zhuǎn)輥穿過(guò)和觸及電極時(shí)的情景。對(duì)著電極的那一面 將得到最小的處理，不論處理過(guò)程是否會(huì)影響薄膜的對(duì)面。圖A和B將幫助我們理解這種現(xiàn)象。 圖A圖B當(dāng)薄膜與轉(zhuǎn)輥之間的空氣間隙的厚度為x時(shí)，圖A就轉(zhuǎn)變成圖B。因單個(gè)元件會(huì)分擔(dān)一定的電Vdi壓，總電壓的一部分Va就用于有厚度為x的空氣間隙所形成的電容器。如果Va的數(shù)值超過(guò)了空 氣的絕緣能力，將有或多或少的放電現(xiàn)象，引起薄膜另一面的活化。在上述兩個(gè)電路中的總電阻是相同的，唯一不同的就是在反面處理點(diǎn)的電壓，因此功率就較低， 這就是反面處理常引起欲處理面處理能力損失的原因。因此反面處理多數(shù)情況下是指總輸出電壓的 增加。當(dāng)生產(chǎn)的薄膜沒(méi)有抵抗反面處理的能力時(shí)，放電單元必須要有一個(gè)能保證薄膜和放電轉(zhuǎn)輥連接 良好的壓輥。壓輥的覆層在60shore左右，為了使薄膜和放電轉(zhuǎn)輥連接良好，要盡可能的靠近電極 且要盡可能的避免薄膜在放電轉(zhuǎn)輥上的卷繞。臭氧在電暈放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生臭氧，它是一種有毒氣體，毒性取決于濃度，對(duì)身體健康不利。放電 單元區(qū)域內(nèi)的臭氧濃