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电晕放电的物理原理和应用

作者:万象城体育 发布时间:2020-07-06 02:08 点击数:

  电晕放电的物理原理和应用_自然科学_专业资料。电晕放电的物理原理和应用 Mario.Della Santa ME.RO,Donte a Moriano,(LU) 电晕放电过程是塑料薄膜加工的基本组成部分,因此必须深刻理解它的工作 原理和影响放电过

  电晕放电的物理原理和应用 Mario.Della Santa ME.RO,Donte a Moriano,(LU) 电晕放电过程是塑料薄膜加工的基本组成部分,因此必须深刻理解它的工作 原理和影响放电过程的重要参数的意义。本文将尽可能简单地分析和帮助你了解 它的本质因素和操作的重要性,以便能正确地操作仪器,取得最佳的处理结果。 使用电晕的目的 在塑料的处理过程中,挤压、匹配、拉伸和金属化都特别重要,这些操作都 需要塑料表面对所匹配的物质(油墨、胶粘剂、油漆和金属)有很强的附着性, 因此塑料表面要有可润湿性能,以便形成稳定、安全的附着。 有时,两种材料的物理和化学特性使得它们能自发地胶合在一起,但在大多 数情况下,作为基面的塑料表面必须通过物理的方法来增加它的润湿性能,使其 能适应要进行的加工条件,这时就需要用到电晕放电。 可用图示来说明电晕处理系统的细目。 此图由电动机机(工作频率通常在 15 到 40KHZ 之间)、加速转换器和处理 单元组成。处理单元包括一个或多个电极和一个转辊,此转辊由电能驱动,表面 包有绝缘材料支撑要处理的薄膜。 依据具体的应用,电极和要处理的膜面之间的空气间隙在 1.5mm 到 2.5mm 之间。当处理很宽的薄膜时(高到 10m),空气间隙为 2 到 2.5mm,因为此时很 难保持太低的空气间隙。这时建议使用一种叫做空气间隙控制系统,它能在电极 的全部长度下保持空气间隙为常量。 当对电极施加电压时,在薄膜和电极之间的空气间隙上便产生了放电效应, 使薄膜活性增加。随即产生的现象就是电离,在某种意义上电场能使得中性分子 离解,那些本身就存在在空气中的离子在电场的作用下离解开始加快。反过来, 1 新产生的离子又能离解其他的分子,如此循环下去。即可以说在电场的影响下, 存在着一种电离粒子的运动。当电场强度增加时,离子的运动速度将增加,同样 电离离子的动能也将增加。若电场的能量足够高时,绝缘层便在空气中分解。运 动的离子可形成电流,电极与薄膜之间的空气间隙也就变成了导体。因此,可看 见兰色的电晕放电现象,这表明通常的空气间隙绝缘层已被打破。 在每次电击过程中,部分离子的动能会转化成热能,引起空气间隙温度的上 升。当电动机的输出功率增加时,就会有更多的电离粒子产生,动能的增加可由 电晕放电的强度变化看出。 塑料薄膜的电晕放电是通过粒子轰击和进入表层分子结构中产生的,使用氧 化和制造电极单元的方法来增加要处理材料的表面张力。离子的振动频率在处理 中并不是特别重要,而粒子对材料的冲击能量却很重要。离子通过电离的粒子氛 围到达放电材料的表面需要一段时间,虽然看起来时间很长,但和产生的电场的 变化时间相比,只需很短的时间即可达到目标。离子的运动时间和它的质量、电 场的强度、空间电荷的密度和空气间隙的大小有关。撞击要处理材料表面的带电 粒子的能量和电动机功率与粒子存在时间的乘积成正比。即使电晕放电的物理和 化学效应相当复杂,但通过在不同的系统上可再现,对于给定的要处理的材料电 晕放电很容易被证实。欲得到需要的表面张力应使用具体的功率,可由下式确定: PSP = Pout / Prod 式中: PSP :具体的功率(W.min/m2) Pout :马达的输出功率 Prod :生产线/min) 然而得到所需表面张力时,应用的具体功率取决于要处理材料的性能,特别 取决于其中含有的添加剂用量和性质。为了确定得到给顶的薄膜润湿张力时所用 的具体的功率值,必须经常在实验室的小样品或薄膜产品上进行实现测试。 下表给出了在不同类型的薄膜上得到 42dyn/cm 的表面张力时,所需的具体 功率值。 吹膜 添加剂 Wmin/m2 Dyn/cm HDPE 200ppm 8 42 LDPE 500ppm 12 42 LLDPE 1000ppm 16 42 流延薄膜 HDPE LDPE LLDPE 添加剂 200ppm 500ppm 1000ppm Wmin/m2 12 15 20 Dyn/cm 42 42 42 BOPP 共挤 18 42 均聚物 26 42 200ppm 14 42 PP 200ppm 19 42 500ppm 25 42 如前所述,上述数值只能看成预计值。 有时也可能发生如下情况:即使具体功率的数值远高于表中所示值,也不能 2 得到所需的润湿张力,此时必须注意所使用的添加剂的用量和类型及取得最佳放 电效果时可能要做的工作。 电晕放电时的参数 1.空气间隙 如前所述,根据放电电极的长度,空气间隙可从 1.5mm 调节到 2.5mm。当 电极很长时,由于很难保持太低的空气间隙,应在 2 到 2.5mm 之间调节,这是 因为放电单元的轴承结够不稳定,也受周边温度和传送功率的影响。为了保持空 气间隙大小不变,要在放电单元中安装空气间隙控制设备,用来监视电极和薄膜 之间的距离及补偿轴承结构的移动。 在上述的测量范围内,使用相同的具体功率处理时不会出现明显的区别。 2.电极 电极通常由铝和不锈钢制成,根据应用的类型—转辊、刀和刀组的不同,电 极有不同的形状,表面涂有硅树脂或陶瓷绝缘层。除了绝缘电极外,其他的电极 在处理时没有明显的区别。但必须要记住能使用的最高电压,因为即使电压超过 处理时电压很小一部分,也有反面处理的危险。根据应用的功率,应选择那些不 会超过此极限的放电表面。 绝缘电极通常用于处理金属或金属化薄膜,由于它们能导电,不会使电晕放 电均匀分布且随后就被损坏。建议只在金属或金属化薄膜处理时使用绝缘电极: 使用相同大小的电晕功率时,它的处理能力要比非绝缘电极低。也可能在塑料薄 膜上使用绝缘电极(例如,不止一种类型的薄膜要在印刷机器中处理时),但不 是用来处理金属化薄膜,特别是含有大量添加剂的薄膜要处理时,建议使用非绝 缘电极。 绝缘电极必须要冷却,可使用一种有双重功能的风机:冷却和排除由电晕放 电产生的臭氧。为了得到更好的冷却效果,电极必须放在一个能使空气接触其外 表面的室仓内,空气流应尽可能地沿着这个方向吹动。从工作环境中抽取空气时 会在电极和绝缘物质中引入灰尘、水蒸气和其他杂质。众所周知,灰尘和高电压 都是不容许的,电极杆要作成能从放电单元中很容易取出,以便经常清洁去尘。 3 上述的描述也适用于位于同样通风室仓内的非绝缘电极。此时情况更糟,由 于没有绝缘层,电极直接和它们各自的绝缘物质相接触。通常放电转辊的绝缘覆 层有 3 到 4mm 厚,电极电压将相应地增加。可在地中安装放电装置(绝缘电极 的操作电压通常为 8 到 8.5KV,然而非绝缘电极可以达到更高的电压)。 要特别注意所使用的绝缘材料,它们应能抗电弧,因为对灰尘放电不应损坏 外部表面,这就需要替换绝缘物质,此时陶瓷材料无疑是最佳的选择。 3.放电转辊的绝缘覆层 在第一个电晕放电单元中,放电转辊并没有绝缘覆层,而是由薄膜本身执行 此功能。此时在薄膜本身没有击穿危险的情况下,输出电压和功率不能增加。观 察这两种系统,可以很容易看出:在没有绝缘覆层的地方,电压的降低很大,一 旦克服了绝缘体的刚度,击穿现象将随后产生。另外,当系统没有绝缘覆层时, 薄膜的边部并不能处理到,因为电极和后者一样长,对薄膜的电晕放电会形成一 个高电压的短回路。 上述的问题可通过安装绝缘覆层来解决。绝缘覆层的选择和大小对系统的操 作和生产都非常重要。 覆层材料必须有一定的刚度、低介电损失和高抗臭氧能力,且厚度不能随着 时间而减少、结构紧密,不能有损害绝缘特性的杂质。人们已经测试了许多类型 的绝缘覆层:像充电环氧树脂、耐热玻璃、玻璃纤维树脂、硅树脂、陶瓷等。目 前通常使用的绝缘材料是硅树脂和陶瓷。绝缘材料的选择是放电转辊尺寸大小和 消耗/效率比的函数。 大多数电晕放电装置,特别是很宽的那些,使用硅树脂覆层作为绝缘层。这 种类型的覆层材料能提供上面所有的特性、价格合理、击穿后易于修复,能保证 最小的停机时间。但是,它对由操作不小心而引起的尖锐物体或刀的损伤很脆弱。 陶瓷绝缘覆层使用的很少,特别是在宽度很大的装置中,因它有很高的能量消耗 且击穿后不易修复。当电极击穿后,主要的停机时间不是机器的检修而是替换转 辊所需的时间。对于宽大的装置将需要几个小时。 然而电压相同时,使用硅树脂和陶瓷覆层能得到相同的表面张力。这两种绝 缘覆层有不同厚度和不同绝缘特性,它们只有经过高压转换器进行所需要的操作 后才能使用。陶瓷覆层有 0.8 到 1mm 厚,根据转辊的厚度,硅树脂覆层的厚度 可在 2.5 到 4.5mm 之间。建议不要使用厚度大于 4.4mm 的绝缘层,因为施加同 样的电压,输出电极的电压增加,因此单位面积功率就会降低。但是,太低的覆 层厚度易于被击穿且在直径很大、很长的转辊上不易实现。 4.频率 4 对此参数已经做了不同的测试。当频率在 15 到 40KHZ 之间时,并没有什么 本质的处理差别。施加一定的功率时,工作频率越高、电极输出电压就越低,因 此在放电转辊的绝缘覆层上就会形成更大的能量损失、大量的电极发热、就需要 更精确的空气间隙调节设备(很小的空气间隙差别能导致不均匀的电晕放电,使 得很难调节电极,特别是那些长度很长的电极)。 使用高频发生器,通过减少空气间隙,能得到较均匀的电晕放电效果。根据 以上的描述,电晕处理的理想工作频率在 15 到 24KHZ 之间。 5.输出电压 象在电极那节中描述的那样,输出电压是指用于电极的有效值。建议此值不 要超过 13KV(除非是用于塑料厚片或在处理高厚度的材料时,这时有效值可高 达 20KV ),因大于此值时,处理效果的增加很不显著,此外还可能出现以下的 问题: ? 增加薄膜的收缩性 ? 引起高压绝缘体和放电转辊的绝缘覆层的绝缘能力的损失,特别是当装 置在相对湿度较高的情况下运转时 电压值应看成是发电机输出量,因此若作为标准使用,并不是它本身决定处 理的能力。电压值取决于所施加的功率、空气间隙大小、欲处理材料的厚度和放 电转辊绝缘覆层的厚度和类型。当施加的功率大小相同时,只依赖空气间隙的调 节和放电单元的构造,使用不同的输出电压可以得到相同的处理能力。 6.输出电流 输出电流代替了电源放电的强度,和输出电压一样,它应看成是发动机的输 出量且作为一个可能的参考值使用,此量并不决定电晕处理的能力。有下列因素 影响输出电流:功率、工作频率、空气间隙、欲处理材料的类型和厚度、放电转 辊的绝缘覆层的类型和厚度、放电的表面性质、相对湿度和高压绝缘系统中的损 失。 对此数值,当功率相同时,根据放电单元的构造和工作频率,使用不同的输 出电流可以得到相同的处理能力。 7.具体功率 具体功率是能有效地操作处理能力,其应通过设备不断的监视。为得到给定 的处理能力而使用的具体功率并不是对所有的材料都一样:每次都要根据材料本 身的化学和物理特性来确定。一旦此值被确定下来,电动机在不同的工作环境下 都要提供相同的具体功率。必须要有一个操作面板,通过一定的调节算法能不间 断地计算出具体功率值。当对不同类型的薄膜定义不同的具体功率后,这些数值 可以存储在操作面板中以便后来可以随时的调用。 ME.RO 除了能向控制面板监视器提供两个输出数值—Idc 和 Vdc,两个输出 数值—Vout 和 Iout 外(因此可以监视发动机的基本操作参数),同样也提供一个 使用微处理器执行上述功能的函数的操作面板。根据顾客的要求,可以作出个性 化的操作面板能适合具体的要求。 为了获得所有功能的描述,请参阅相关的手册。 5 8.周边环境 电晕处理易受周边环境,特别是压力和湿度的影响。在高于 1000 米的地方 安装操作设备的比在较低的地方安装同样的设备所需要的具体功率小。 当相对湿度超过 70%时,影响非常显著,常常发生处理数值的减少。必须提 醒的是在此类型的周边环境下所进行的润湿张力的测试(象 ASTM D2578-67) 是不可靠的,而应在具体的周边环境下测试。 反面处理 反面处理在上文中已经多次提到,现在就来解释其是什么?及怎么产生的? 反面处理是在已处理表面的对面也有一定的表面处理时产生的。它常是由于以下 物质的存在而导致的:褶皱或放电转辊绝缘覆层的不平整、薄膜拉伸不够和在薄 膜及放电转辊之间形成的空气泡。 为了更好的理解它的成因,可以想象薄膜由转辊穿过和触及电极时的情景。 对着电极的那一面将得到最小的处理,不论处理过程是否会影响薄膜的对面。图 A 和 B 将帮助我们理解这种现象。 图A 图B 当薄膜与转辊之间的空气间隙的厚度为 x 时,图 A 就转变成图 B。因单个元 件会分担一定的电压,总电压的一部分 Va 就用于有厚度为 x 的空气间隙所形成 的电容器。如果 Va 的数值超过了空气的绝缘能力,将有或多或少的放电现象, 引起薄膜另一面的活化。 在上述两个电路中的总电阻是相同的,唯一不同的就是在反面处理点的电 压,因此功率就较低,这就是反面处理常引起欲处理面处理能力损失的原因。因 此反面处理多数情况下是指总输出电压的增加。 当生产的薄膜没有抵抗反面处理的能力时,放电单元必须要有一个能保证薄 膜和放电转辊连接良好的压辊。压辊的覆层在 60 shore 左右,为了使薄膜和放电 转辊连接良好,要尽可能的靠近电极且要尽可能的避免薄膜在放电转辊上的卷 绕。 臭氧 6 在电晕放电过程中会产生臭氧,它是一种有毒气体,毒性取决于浓度,对身 体健康不利。放电单元区域内的臭氧浓度不能超过 0.1ppm(0.2mg/m3)。Draeger phial 是一种价格低廉、性能可靠、用来测量臭氧浓度的设备。在允许向大气中 排放气体的地区,由放电单元产生的臭氧可以通过通风设备直接排放到大气中。 通风设备的尺寸大小决定于发动机的输出功率、放电单元的长度、排放管负载损 失及生产线的速度。 通风设备和气体排放管必须由抗臭氧材料制成(象不锈钢或 PVC-PET 塑料)。 在禁止向大气中排放高浓度臭氧气体的地方,要使用臭氧处理装置。使用它 (合适的大小取决于臭氧的量)可以得到低于 0.1ppm,此值通常低于法律所限 定的值。在这种工作条件下,可以向空气中排放。 7


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