电晕放电的物理原理和应用

1、电晕放电的物理原理和应用TTA standardization office TTA 5AB- TTAK 08- TTA 2C电 晕 放 电 的 物 理 原 理 和 应 用Santa,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

2、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辐，此转辐由电能驱动，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到之间。当处理很宽 的薄膜时（高到10m）,空气间隙为2到，因为此时很难保持太低的空气间隙。这时 建议使用一种叫

3、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，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

4、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

5、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(m2)Pout ：马达的输出功率Prod :生产线产量(m2/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4

6、2dyn/cm的表面张力时，所需的具体功率值。吹膜添加剂Wmin/m2Dyn/cmHDPE200Ppm842LDPE500ppm1242LLDPElOOOppm1642流延薄膜添加剂Wmin/m2Dyn/cmHDPE200ppm1242LDPE500ppm1542LLDPElOOOppm2042BOPP共挤1842均聚物2642PP200ppm1442200ppm1942500ppm2542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

7、时的参数.空气间隙如前所述，根据放电电极的长度.空气间隙可从调节到。当电极很长时，由于很 难保持太低的空气间隙，应在2到之间调节，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。.电极电极通常由铝和不锈钢制成，根据应用的类型一转辐、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

8、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落膜，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。也可能在塑料落膜上使用绝 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

9、，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。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。通常放电转辐的绝缘覆层有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，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

10、。3,放电转辐的绝缘覆层在第一个电晕放电单元中，放电转辐并没有绝缘覆层，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。

11、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辐尺寸大小和消耗/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辐所需的时间。对于 宽大的装置将需要几个小时。然而电压相

12、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。陶瓷覆层有到1mm厚，根据转辐的厚度，畦树脂覆层的厚度可在到之间。建议不 要使用厚度大于的绝缘层，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、很长的转辐上不 易实现。4,频率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 电转辐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

13、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。.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着，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辐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

14、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辑绝 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。.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、放电转根的绝缘覆 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

15、作频率，使用不同的输出 电流可以得到相同的处理能力。.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。除了能向控制面板监视器提供两个输出数值一Ide和Vdc,两个输出数值一 Vout和lout外（因此可以监视发动机的基本操作参数），同样也提

16、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。.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，影响非常显着，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

17、处理时产生的。它常是由于以下物质的存在 而导致的：褶皱或放电转辑绝缘覆层的不平整、薄膜拉伸不够和在薄膜及放电转辑之 间形成的空气泡。为了更好的理解它的成因，可以想象薄膜由转辑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当薄膜与转辑之间的空气间隙的厚度为X时，图A就转变成图Bo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 和放电转辑连接良好的压根。压根的覆层在60 shore左右，为了使薄膜和放电转辑 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辐上的卷绕。臭氧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