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电晕处理容易出现的问题以及注意事项

日期:2016-11-10

1原理
   本文所述的电晕处理是一种在高电压下令电子加速离开电极,并撞击聚合物表面的一种过程。由于两极间的传导被阻断,使得处于电场中的气体因受电子碰撞后离子化浓度急剧增加,其主要反应过程如下:   O2+高能量电子 →2O+低能量电子   2O+2O2→2O3+热   即:3O2+电能→2O3+热   前式也可写成:   3O2+M→2O3+M
   式中M为空气中任何其它气体分子,如氮。它们也可受高能电子冲击离解为氮原子,并引发一系列反应,此处略去。在臭氧生成过程中,伴有弥散蓝紫色辉光的电晕现象,从而被称之为电晕。换言之,薄膜的电晕处理就是把薄膜置于电场中成为阻断传导的介质,在电场作用下,获得高能量,并激活其它离子或分子,同时把这种能量分配到薄膜上,在薄膜表面驻极,形成极性的化学自由基团,使薄膜表面产生悬挂键。在这一过程中,高能电子碰撞空气中的氧分子、氮分子、水分子等,伴之发生氧化 —还原反应,并产生臭氧和氮氧化物等。由于臭氧具有强烈的氧化性,当它接触到聚丙烯薄膜表面时,会在其表面毫微米发生复杂的有机反应,产生羟基(-OH)、羧基(-COOH)、羰基(> C=O)等。而这些含氧官能团的引入,是增加薄膜表面张力的关键所在。因此,通过氧化,不仅可以改良薄膜表面张力,还可以提高薄膜表面的可蒸镀性和可印刷性。
电晕处理设备一般包括了一个高频高压发生器和一个附带金属电极和支持卷轴的电晕处理站。它们互相平行,并以一个1.5mm的空气间隙作为分隔。当电晕处理站输入20~40kHz或数千伏高电压时,电极间便会产生放电现象,在薄膜表面形成均匀火花。 2讨论
   4.1电晕处理站的设备配置和调整状态
   4.1.1理想的电晕处理是电机的作业频率正确,输出电压和电流值适中,放电过程有规律,这样才能得到好的处理效果。
   4.1.2电晕处理辊与电极之间的间隙大小必须保持一致,亦即两者之间既要有一定的距离又要相互平行,这样才能使膜表面处的场强相同,产生均匀的电晕处理。一般二者的间隙在1.5~2.5mm。
   4.1.3调整好电晕处理辊与其它牵引辊之间的平行度和电晕处理辊上压辊压力的均匀性,这样才能使膜在运行中平稳,不至于在电晕辊上发生起皱和斜扯,保持得到均匀的、足够的电晕量。   4.2膜面温度和空气相对湿度对电晕处理的影响
   在电晕处理的过程中,膜面温度和空气相对湿度是影响它的两个显著的变量。
   随着空气相对湿度和膜面温度的增大所需电晕处理的时间就越长,也即薄膜越不容易被电晕处理。这是因为当空气中相对湿度增大时,空气中水分子的含量增大,而电晕过程中产生的臭氧可溶于水,在常温常压下,臭氧在水中的溶解度比氧约高13倍,比空气高25倍。由于臭氧浓度的下降,使含氧官能团在膜面生成及驻极的机会大大减小,从而降低电晕处理的效果。随着膜面温度的增高,使驻极分子的稳定性变差,表面分子迁移的比例增大,不利于膜面的高表面能区域的形成,部分抵消了通过电晕增加薄膜表面张力的作用。但另一方面,根据实际生产中的经验,膜面的温度也并非越低越好。在生产中,电晕处理过程会产生大量的热。为防止膜面温度过高,通常我们采用循环水辊内进行闭式循环,并增加一套加热装置使冷却水保持一定的温度。过低的温度会使膜面的分子在极化和发生化学变化时基本能量不足,也会造成膜面表面张力不足的问题,所以,把电晕处理辊处的膜面温度控制在适当的温度范围内是电晕处理的一个关键问题,这也是我们在长期生产中摸索发现的。   4.3电晕处理中电晕强度和处理时间的控制
   在生产中,为了使薄膜表面张力的处理达到某一等级,通常采用的方法是增加电晕处理的强度,在一定界限内,这种方法是行之有效的,当超过这一界限后,即使再增加电晕,也不会使薄膜表面能等级得到提高,这是因为当膜在瞬时进行电晕处理过程中,电极与电晕辊之间的空气量处于一种相对稳定状态,而这相对稳定空气量中的氧气分子含量是一定的,即使提高电极的电压和电流值,也不能激活更多的氧分子,使更多的含氧官能团驻极到薄膜表面,达到提高薄膜表面能的目的。
   一般说来,电晕处理的时间越长,表面能也会越高。但是,一方面在固有设备的条件下,延长电晕处理时间,必然会降低生产效率;另一方面,过长的电晕处理时间,会使薄膜表面张力太大,出现脆化现象乃至降解,不利于膜的一次收卷和二次复卷,我们在某单位的设备上就此进行过成功的试验。
   4.4电晕处理辊和电极平行
辊面和电极面的不平行会导致电晕处理不均,原因是电晕强度有差异,由下式
   电晕强度=P/W.V
   式中:P ——电晕装置放电功率,W;   W——膜宽,m;   V——膜速,m/min;
   从上式看出,电晕强度正比于电晕放电功率,而电晕放电的功率方程式为:  
P=4CdVsf[V0-(Cd+Cg/Cd)Vs] 式中:Cd——介电体电容,F;   Cg——放电间隙电容,F;   V0——驱动电压(峰值),V;   Vs——间隙发火电压(峰值),V;   f——驱动电压频率,Hz。
   由上式显见,间隙大小不一,直接导致单位面积上的放电功率不均,由于各处电晕的差异,最终影响浸润张力的一致性。   4.5膜运行的平稳性
   如果膜在运行中,辊筒施加于膜上的张力的不一致,这种差异会发生局部皱折,使该部位在电晕处理时电容量发生变化,最终也会导致浸润张力的不均匀。
   除上述辊筒同步有差异外,还有电晕处理辊上的夹辊和电晕处理辊到后扩展辊对膜的扩展,以及辊与辊之间平行度、辊面水平度等,均有可能导致薄膜运行姿态的不够平稳。
4.6薄膜发脆走偏问题
   电晕处理中,要有一个度的问题,如果注入功率过大,则会出现水温提得过高,影响到薄膜分子间的次价键力而出现发脆,即影响薄膜的使用,又使卷制电容器时边缘无法卷齐,只得以降低速度来完成卷制任务,从而给电容器的制作工艺造成不利。   4.7废液污染问题
   电晕处理过程中,由于两极间施加高压,产生的电子对两极间空气中的分子进行碰撞和激活,产生臭氧及一氧化氮等物质,在一定的温度下,由于它们的亲水性,会与空气中的水分子相结合,产生含有亚硝酸盐、硝酸盐成份的废液,并且随着空气湿度的增加而增加。如果对产生的废液不能及时进行很好的清理,在排出管道或电极罩壳中存留下来,就可能流滴到辊面,并随着辊的转动而造成膜面污染,造成薄膜局部浸润张力降低、附着不牢等,形成产品质量问题。  
2. BOPP薄膜电晕处理强度的影响因素
     电晕处理器由电极、高电位器及硅橡胶辊组成,当电压通过2.5MM的空气间隙时,就会产生连续放电,另外为了排除所产生的臭氧及降温,用抽风风机把电晕处理器附近的空气往外排走以及在硅橡胶辊内部利用工艺水冷散热。影响电晕处理效果的因素主要有以下几种:      2.1电极类型  
     电晕处理的效果与电极的设计有较大关系。设备上采用单电极或双电极方式在处理效果上有一定的差别,双电极比较于单电极有几方面优点:1、能产生更高处理值,耗能更低; 2、能减少储存时,表面张力的下降;3、减少薄膜在电晕处理过程中的受热;4、减少表面感应的静电。      2.2薄膜温度  
      BOPP是挤出厚片经激冷后,再经纵、横二个方向拉伸后所制得的薄膜,在进入牵引单元后,通过冷却、切边、测厚、预热等工序,然后再进行电晕处理。这时薄膜的温度对电晕处理的效果有直接的影响,而薄膜温度则主要由预热辊的设定温度进行控制,
     随着薄膜温度的升高,薄膜的表面处理达因值也同时升高。通过预热辊的设定温度来调整薄膜的表面处理达因值,是在工艺控制中经常采用的有效方法之一。      2.3生产线速度  
     生产线速度是影响电晕处理效果另一重要因素。BOPP薄膜是在极短的时间内通过高压电极间隙,而使表面达因值得以提高,于高压电极间隙内停留时间的长短,会影响薄膜的电晕处理效果。
     由此可见,电晕处理的电极电压要随着生产线速度的变化要作出相应的调整,随着生产线速度的增大而增大。      2.4电极排风量  
     在电晕处理过程中,随着空气离子化,会产生等离子体,其中包含有电子、氧离子、臭氧等,等离子体会渗透薄膜,破坏其它化学键,激发自由游离基,与氧气离子起作用成氧化极化基,这些基团会对薄膜的表面润湿特性产生影响。从另一方面来说,等离子体在薄膜表面的浓度会直接影响电晕处理的效果。一般而言,电极排风阀门的开启度越大,薄膜的表面处理达因值会越小;反之,电极排风阀门的开启度越小,薄膜的表面处理达因值会越大。      2.5 表面材料  
     BOPP的生产会涉及到不同的材料及添加母料。BOPP可分作热封型和非热封型两大类,在表层的基本材料中分别是共聚物及均聚物,由于两者材料本身的差异,在经受同样的电晕处理后,两者表面张力有一定的差异,一般来说,对于共聚物,如目前国内外常用的SOLVAY KS413、MONTEL PLZ679、BASEAL EP5C37等,离子体渗透进薄膜的表面效能比均聚物更大,所以热封型薄膜会更加容易达到更高的处理强度。  
    此外,在热封型薄膜的配方设计上,通常为了适应包装机器的要求,需要使用爽滑剂来改善薄膜的摩擦性能,在选择爽滑剂时要尽可能避免使用硅酮类爽滑剂,这是由于硅酮的表面张力比较低,在常温下约为12达因,与PP的31达因有较大的差距,使用硅酮类爽滑剂会大幅降低BOPP的表面张力值。  
     抗静电剂对BOPP薄膜电晕处理效果也会有一定的影响。抗静电剂大多数添加在芯层,其具有迁移性,渗透至表面的抗静电剂会影响薄膜的表面电晕处理特性,处理强度值会有一定程度的降低。      2.6表面材料  
     BOPP薄膜在生产后还会发生结构状态的变化,在几天内,聚合物由无定形变化成晶体形,从而影响电晕处理的效果。处理强度会随着时间的推移先是逐步下降,最后渐渐保持稳定。电晕处理的消减幅度与贮存温度有关,温度越高,消减幅度越快。
3.电晕处理对薄膜物理特性的影响  
     电晕处理除了可以改变薄膜的表面达因值外,还会对薄膜的其他物理性能产生影响,主要包括以下几方面:      3.1摩擦系数  
     由于电晕处理的原理是薄膜经过有两高压电极产生电子流,使薄膜表面产生极性,而薄膜处理面与非薄膜处理面相比,位于薄膜芯层的添加剂(包括抗静电剂及爽滑剂)更加容易通过薄膜处理面渗出。以ABA类型薄膜即内、外两面配方结构相同的薄膜为例,未经电晕处理的薄膜内、外两面的摩擦系数是一致的,但是在经过电晕处理后,薄膜处理面的摩擦系数值比非处理面的摩擦系数值低。
      从生产到14天后,薄膜芯层的添加剂处于高速的迁移期,处理面与非处理面的静、动摩擦系数都呈快速下降趋势,14天后数值趋于稳定。由整体上比较,处理面的摩擦系数较非处理面的摩擦系数低。      3.2收缩率  
     由于电晕处理的过程中会产生一定的热量,因此薄膜的收缩率会有一定程度的下降。      3.3热封强度  
     在生产BOPP热封型薄膜时,表层使用的材料为乙烯-丙烯共聚物。如在前面所提及到的,在实际生产上如需达到同样的处理强度,共聚物仅需要比较低的处理电压值。但需要注意的是,过高的电晕处理值会引发共聚物间的交联作用,导致热封型薄膜失去热封效能。因此在实际生产热封型薄膜中,尤其是调节较高电晕处理值时,热封强度是一项必备的检测措施。

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