电晕放电的物理原理和应用

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，

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42dyn/cm的表面张力时，所需的具体

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。

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