1、電暈放電的物理原理和應(yīng)用Mario.DellaSantaME.RO,DonteaMoriano,（LU）電暈放電過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 程的重要參數(shù)的意義。本文將盡可能簡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濕性能，以便 形成穩(wěn)定、安全的附著。有時，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物理的方法來增加它的潤濕性能，使其能適應(yīng)要進(jìn)行的加工條件，這時就需 要用到電暈放電。可用圖示來說明電暈處理系統(tǒng)的細(xì)目。此圖由電動機(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 元包括一個或多個電極和一個轉(zhuǎn)輥，此轉(zhuǎn)輥由電能驅(qū)動，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（高到10m），空氣間隙為2到2.5mm，因為此時很難保持太低的空氣間隙。這時建議 使用一種叫做空氣間隙控制系統(tǒng)，它能在電極的全部長度下保持空氣間隙為常量。當(dāng)對電極施加電壓時，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 子在電場的作用下離解開始加快。反過來，新產(chǎn)生的離子又能離解其他的分子，如此循環(huán)下去。即 可以說在電場的影響下，存在著一種電離粒子的運(yùn)動。當(dāng)電場強(qiáng)度增加時，離子的運(yùn)動速度將增加， 同樣電離離子的動能也將增加。若電場的能量足夠高時，絕緣層便在空氣中分解。運(yùn)動的離子可形 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。在每次電擊過程中，部分離子的動能會轉(zhuǎn)化成熱能，引起空氣間隙溫度的上升。當(dāng)電

4、動機(jī)的輸 出功率增加時，就會有更多的電離粒子產(chǎn)生，動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 的方法來增加要處理材料的表面張力。離子的振動頻率在處理中并不是特別重要，而粒子對材料的 沖擊能量卻很重要。離子通過電離的粒子氛圍到達(dá)放電材料的表面需要一段時間，雖然看起來時間 很長，但和產(chǎn)生的電場的變化時間相比，只需很短的時間即可達(dá)到目標(biāo)。離子的運(yùn)動時間和它的質(zhì) 量、電場的強(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 和電動機(jī)功率與粒子存在時間的乘積成正比。即使電暈放電的物理和化學(xué)效應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜

5、，但通過在 不同的系統(tǒng)上可再現(xiàn)，對于給定的要處理的材料電暈放電很容易被證實。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，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∧櫇駨埩r所用的具體的功率值，必須經(jīng)常在實驗室 的小樣品或薄膜產(chǎn)品上進(jìn)行實現(xiàn)測試。下表給出了在不同類型的薄膜上得到42dyn/cm的表面張力時，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)計值。有時也可能發(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濕張 力，此時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可能要做的工作。電暈放電時的參數(shù).空氣間隙如前所述，根據(jù)放電電極的長度，空氣間隙可從1.5mm調(diào)節(jié)到2.5mm。當(dāng)電極很長

7、時，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)，這是因為放電單元的軸承結(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。在上述的測量范圍內(nèi)，使用相同的具體功率處理時不會出現(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沒有明顯的區(qū)別。但必須要 記住能使用的最高電壓，因為即使電壓超過處理時電壓很小一部分，也有反面處理的危險。根據(jù)應(yīng) 用的功率，應(yīng)選擇那些不會超過

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使用絕緣電極：使用相同大小的電暈功率時，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），但不是用來處理金屬化薄膜，特別是含有大量添加劑的薄膜要處理時，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，電極必須放在一個能使空氣接觸其外表面的室倉內(nèi)，空氣流應(yīng)盡可能地沿 著這個方向吹動。從工作環(huán)境中抽取空氣時會在電極和絕

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)室倉內(nèi)的非絕緣電極。此時情況更糟，由于沒有絕緣層，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?？稍诘刂邪惭b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，因為對灰塵放電不應(yīng)損壞外部表面，這就需 要替換絕緣物質(zhì)，此時陶瓷材料無疑是最佳的選擇。3.放電轉(zhuǎn)相的絕緣覆層在第一個電暈放電單元中，放電轉(zhuǎn)輥并

10、沒有絕緣覆層，而是由薄膜本身執(zhí)行此功能。此時在薄 膜本身沒有擊穿危險的情況下，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)沒有絕緣覆層時，薄膜的邊部并不能處理到，因為電極和后者一樣長，對薄膜的電暈放電會 形成一個高電壓的短回路。上述的問題可通過安裝絕緣覆層來解決。絕緣覆層的選擇和大小對系統(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、價格合理、擊穿后易于修復(fù)，能保證最小的停機(jī)時間。但是，它對由操作 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)時間不是機(jī)器的檢修而 是替換轉(zhuǎn)輥所需的時間。對于寬大的裝置將需要幾個小時。然而電壓相同時，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，因為施加同樣的電壓，輸出電極的電壓增加，因此單位面積功率就會降低。但是，太低 的覆層厚度易于被擊穿且在直徑很大、很長的轉(zhuǎn)輥上不易實現(xiàn)。4 .頻率對此參數(shù)已經(jīng)做了不同的測試。當(dāng)頻率在15到40KHZ之間時，并沒有什么本質(zhì)的處理差別。 施加一定的功率時，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，特別是那些長度很長的電極）。使用高頻發(fā)生器，通過減少空氣間隙，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13KV （除 非是用于塑料厚片或在處理高厚度的材料時，這時有效值可高達(dá)20KV），因大于此值時，處理效 果的增加很不顯著，此外還可能出現(xiàn)以下的問題：/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)裝置在相對濕度較高 的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)時電壓值應(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，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)動機(jī)的輸出量且作為一個可 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)、相對濕 度和高壓絕緣系統(tǒng)中的損失。對此數(shù)值，當(dāng)功率相同時，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)和物理特性來確定。一旦此 值被確定下來，電動機(jī)在不同的工作環(huán)境下都要提供相同的具體功率。必須要有一個操作面板，通 過一定的調(diào)節(jié)算法能不間斷地計算出具體功率值。當(dāng)對不同類型的薄膜定義不同的具體功率后，這 些數(shù)值可以存儲在操作面板中以便后來可以隨時的調(diào)用。ME.RO除了能向控制面板監(jiān)視器提供兩個輸出數(shù)值一Idc和Vdc，兩個輸出數(shù)值一Vout和lout 外（因此可以監(jiān)視發(fā)動機(jī)的基本操作參數(shù)），同樣也提供一個使用微處理器執(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，請參閱相關(guān)的手冊。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)相對濕度超過70%時，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)行的潤濕張力的測試（象ASTMD2578-67）是不可靠的，而應(yīng)在具體的周邊環(huán)境 下測試。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 理表面的對面也有一定的表面處理時產(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)輥穿過和觸及電極時的情景。對著電極的那一面 將得到最小的處理，不論處理過程是否會影響薄膜的對面。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，圖A就轉(zhuǎn)變成圖B。因單個元件會分擔(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。在上述兩個電路中的總電阻是相同的，唯一不同的就是在反面處理點的電壓，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)的薄膜沒有抵抗反面處理的能力時，放電單元必須要有一個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。臭氧在電暈放電過程中會產(chǎn)生臭氧，它是一種有毒氣體，毒性取決于濃度，對身體健康不利。放電 單元區(qū)域內(nèi)的臭氧濃