一种火焰处理专机的设计

 顾忠仁

（上海瑞题自动化工程有限公司  江苏省太仓市 215400）

摘要：介绍了提高工程塑料表面湿润张力的各种方法，针对具体工件介绍了采用火焰处理法的设备，并给出了具体的工艺流程、喷嘴及燃烧介质的选择、工件上下料及输送方式、喷枪进给传动机构、安全方面的设计等等，该设备性能稳定、自动化程度高、操作方便。

关键词：表面湿润张力  火焰处理  专机  安全

一，引言：

工程塑料具有较强的机械性能和抗化学腐蚀性能，是当今世界发展最为迅速的工程结构材料之一，能在较宽的温度范围内承受机械应力和在较苛刻的物理化学环境中使用，在机械、汽车、电器、建筑、化工等许多工业领域得到愈来愈广泛的应用。

但是由于工程塑料有抗化学腐蚀的性能，如果有涂层或粘接需要，就会受到部分限制。对于大多数塑料件的加工而言，为了确保塑料粘合面的粘合品质及其承载性能的长期稳定性，需要对材料表面进行正确的预处理，这已成为塑料件加工过程中的关键一步。预处理方法大多是通过氧化，使之增加极性，使表面结构发生变化，从而达到改善表面张力，提高润湿性和粘合性的目的。

本文针对一种家电的具体塑料零件，提出选用合适的表面处理方法，设计了具体的处理装置。

二，问题的提出：

工件如图1，2所示，是干衣机的积水漏斗，工件1和工件2分别注塑成型后再涂胶粘接在一起。

图1   工件1

                    图2  工件2

注塑成型后涂胶表面用表面湿润张力测试笔测试，发现其表面张力值只有30达因左右，无法满足后续的涂胶粘接要求（要求在40达因以上），因此必须对其进行提高表面湿润张力的处理。

三，处理方法的比较和选择：

目前常用的提高塑料制品表面湿润张力的处理方法有电晕法、火焰法、紫外线辐射法、化学处理法及低温等离子体处理法等几种，现分别做个简单介绍。

1，电晕处理法：

电晕处理是一种电击处理，它使塑料件的表面具有更高的附着性。电晕的产生是利用高电压高周波，分别为接地与诱电空气喷嘴产生电击，它们之间没有电流通过，电压可高达到 5000 Volt/cm2。 然后电击分子从空气喷嘴喷出，带着高能量的游离电子加速冲向正极，电晕处理就是由这密集且高能量喷出离子所产生的作用。空气电离后产生的各种等离子在强电场的作用下，加速而冲击处理装置内的塑料制品，这些等离子粒子的能量一般在几至几十电子伏特，与塑料分子的化学键能相接近，因此，能诱发塑料表面分子的化学键断裂而降解，增大表面粗糙度。在电晕放电时，还会产生大量的臭氧。臭氧是一种强氧化剂，使塑料表层分子氧化，产生羰基化合物、过氧化合物等。另外，电晕处理还有除去油污、水汽和尘垢等作用，经过上述物理和化学改性后，能明显改善塑料表面的润湿性和附着性。

目前塑料薄膜的表面处理基本都采用电晕处理法。

2，火焰处理法：

火焰处理是以甲烷、丙烷、天然气、液化气或瓦斯等燃气为燃料，与空气按一定比例混合，利用火焰处理机，使其在最经济的状态下完全燃烧，在基材表面进行火焰燃烧处理。塑料基材表面经过火焰时，火焰中含有处于激发状态的—OH和—NH等自由基，能与高聚物塑料表面的氢结合，并引入了一些极性的含氧基团，发生断链反应，生成羰基、羧基极性基团，达到表面改性和活化等目的，使塑料表面的湿润张力增大，润湿性、粘结性得以改善提高。

                 图3  火焰处理

火焰处理效果较好，无污染，成本低廉，但操作要求严格，如不小心会导致产品变形，使成品报废。

目前主要应用于较厚的塑料制品的表面处理，不适合塑料薄膜的表面处理。

3，紫外线辐射法：

紫外线辐射法是利用紫外线照射高聚物表面，使其引起化学变化，达到改善表面张力，提高润湿性和粘合性的目的。紫外线照射固体表面后，表面的污染物被氧化，而后被分解成CO2和H2O等易挥发性物质，最终挥发消失，并且表面形成有利表面粘结的如OH，COO，CO，COOH等亲水性原子团，达到表面改性和活化等目的，使塑料表面的湿润张力增大，润湿性、粘结性得以改善提高。

这种方法操作简单、处理时间短、速度快，但改性后的表面耐久性差，且辐射源对人有伤害。

4，化学处理法：

化学处理法主要是通过处理液与高分子材料发生强氧化或腐蚀作用，使塑料表面的分子被氧化或扯去部分分子，这样一来在材料表面就导入了羰基、羧基、磺酸基等极性基团，增加了其表面的粘附性，同时由于扯掉了一些分子，使得表面粗糙度增加。综合起来，改善了它们的非极性及浸润性，增加了粘附性。常用的处理聚烯烃的处理液有：铬盐硫酸法、过硫酸法，常用的处理氟塑料的处理液有氯磺化法、钠—萘腐蚀法等。

这种方法使用简便、经济，但需较长的处理时间，影响了生产效率；而且处理液一般都具有化学侵蚀性，造成环境污染及对人体的危害，目前已经很少采用这种工艺，一般只在不便使用其他处理方法的情况下才采用这种表面处理工艺。

5，低温等离子体处理法：

低温等离子体处理法是低气压或常压放电(辉光、电晕、高频、微波)产生的电离气体，在电场作用下，气体中的自由电子从电场获得能量成为高能量电子，这些高能量电子与气体中的分子、原子碰撞，如果电子的能量大于分子或原子的激发能就会产生激发分子或激发原子自由基、离子和具有不同能量的辐射线，低温等离子体中的活性粒子具有的能量一般都接近或超过碳—碳或其它碳键的键能，因此能与导入系统的气体或固体表面发生化学或物理的相互作用。如果采用反应型的氧等离子体，可能与高分子表面发生化学反应而引入大量的氧基团，使其表面分子链上产生极性，表面张力明显提高，即使是采用非反应型的Ar等离子体，也能通过表面的交联和蚀刻作用引起的表面物理变化而明显地改善聚合物表面的接触角和表面能。

低温等离子体处理具有工艺简单、操作方便、加工速度快、处理效果好、环境污染小、节能等优点，目前已被广泛地应用于聚烯烃塑料的粘接表面预处理。但此法所用设备价格较高，且处理后的效果不稳定，需要当即粘接。

各种处理方法都是改善塑料的表面极性，提高表面能及制品表面的粗糙度，消除制品表面的弱界面层，以提高润湿性和粘合性。

我们选择火焰处理法来提高其表面湿润张力。

四，火焰处理专机的设计：

该产品的生产纲领为2500套/班，批量较大，我们设计的火焰处理专机如下：

                  图4  火焰处理专机

1，工艺流程：

开机准备→ 打开工业液化气和氧气瓶的减压阀，检查各自压力表指示→ 手工将工件放入工装中 → 启动输送带按钮，让工件到达工作位 → 按下打开管道电磁阀按钮 → 用点火器点燃喷嘴 → 按启动按钮，气缸动作，进行喷火 → 完成一个喷火循环后输送带运动往前一工位 →继续喷火循环，喷好的工件自己落入接料小车中 → 按停止按钮，关闭管道电磁阀，火焰熄灭 → 关闭钢瓶减压阀。

2，燃烧介质及火焰喷射头的选择：

通过各类燃烧介质的试验，同时考虑生产的方便性及可能性，我们选择了瓶装工业液化气和瓶装工业氧气作为燃烧介质，同时安全需要，我们将液化气瓶和工业氧气瓶分别放置在室外单独的位置，燃烧介质通过各自的管道供给设备使用。

为确保氧化降解反应快速进行，让燃气充分燃烧，选用了焊炬来调节工业氧气和工业液化气的相对比例。

工件的六个面都需要火焰处理，为了提高工作效率，采用了六个喷嘴组合（图6所示）的火焰喷射头方式，焊炬通过集成块来给六个喷嘴供应燃烧用的混合气体，喷嘴喷射的角度根据工件来调节，做好后喷射角度是固定的，六个喷射口处的火焰大小一致，火焰大小通过焊炬随时调节，调试完成后不用经常调节其火焰大小。

喷嘴前后分列，避免喷嘴间的互相干扰。

这样的结构，可单独更换喷嘴，也可快速更换整体喷射头，维护、清理简单方便。

                    图5   火焰喷射头

3，工件的上下料及输送方式：

手工将工件放置在输送线相应工位上，输送线自动运转至加工位就位，等火焰处理后，输送线继续循环，处理过的工件自由落体，落入接料小车中。

                    图6   板式输送线

输送线采用板式输送机，变频驱动，为了满足产量的需要，我们的节拍是火焰处理16S，移动4S,因此输送线的速度为3m/min。

所有放置工件的工装分别安装在输送线上，随输送线循环运动。

4，  喷枪进给传动机构：

根据工件的外形和班产量，选用带导向的直线驱动器来带动两组喷嘴同时工作，直线驱动器每次来回可完成4套共8个工件的火焰处理。

所选直线驱动器的行程为650，实际工作行程为570。我们的火焰处理时间是16 S/次，直线驱动器的运动速度为2.5 m/min。

                    图7   直线驱动器

    5，安全方面的设计：

（1），液化气钢瓶和氧气钢瓶放置在室外，并且严格按照消防要求，单独分别放置；

（2），采用铝型材有机玻璃防护罩，只留输送线进出两出口，便于输送线循环运动及上料位上料，同时可以随时观察工作状况；

（3），在防护罩上部安装排风机，将废气通过管道直接排到室外，防止污染工作环境；

（4），在管道上安装了燃气泄漏快速切断装置、防回火装置；

（5），在上料位和防护罩内安装燃气报警装置，一旦异常，立即切断。

五．结束语

该设备结构紧凑、效率高、工作安全可靠、性能稳定、自动化程度比较高、操作维护方便，在塑料加工行业具有一定的使用价值。

作者：顾忠仁（1966- ）

性别：男

籍贯：江苏太仓

单位：上海瑞题自动化工程有限公司

职称：工程师

学位：学士

工作：非标自动化设备的设计

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