Le superfici polimeriche presentano una scarsa attitudine all’interazione con altri materiali. Questo aspetto viene caratterizzato da una grandezza fisica chiamata energia superficiale:
- l’energia superficiale molto alta è indice di grande reattività e il materiale ha la tendenza a reagire con altri materiali con cui è messo a contatto
- un’energia superficiale bassa è peculiare di materiali inerti.
Le superfici polimeriche più comuni (PE o PP) hanno un’energia superficiale con valori molto bassi, di conseguenza le interazioni con altri materiali (ad esempio gli inchiostri) sono sfavorite.
Il trattamento corona modifica l’energia superficiale del materiale, senza alterarne le proprietà, e consente di superare queste limitazioni.
La scarica elettrica generata tra due elettrodi “energizza” la superficie del materiale plastico che viene attivata chimicamente acquisendo una maggiore reattività, prerequisito fondamentale per una buona adesione nei processi successivi.
Il trattamento mediante scarica corona è ampiamente impiegato per la sua efficacia, la sua compatibilità con diversi materiali, e per la possibilità di essere applicato in continuo direttamente in linea di produzione. La rapidità del processo, che avviene in frazioni di secondo, lo rende ideale per applicazioni industriali ad alta produttività.
Generalmente vengono utilizzati rulli come elettrodi poiché le linee di produzione lavorano su bobine di materiale plastico.
Fisica della scarica corona
La scarica corona è un fenomeno di ionizzazione parziale che si verifica quando l’aria è sottoposta a un campo elettrico sufficientemente intenso da causare la formazione di una regione conduttrice, senza però determinare un arco elettrico completo tra gli elettrodi (è infatti presente il layer polimerico che deve essere trattato).
Nel contesto dei trattamenti superficiali per materiali plastici, la configurazione tipica prevede un elettrodo a forma di rullo spesso rivestito da una calza di silicone (protezione aggiuntiva contro la scarica di breakdown e per fare buon attrito con il film plastico).
Viene applicata una tensione alternata ad alta frequenza (tra 10/50 kHz) e alto voltaggio (dai 5/20 kV a seconda degli spessori in gioco e delle potenze da raggiungere).
Quando il campo elettrico supera la rigidità dielettrica dell’aria (circa 30 kV mm−1), si accende il processo di ionizzazione: gli elettroni liberi, accelerati dal campo, acquistano energia sufficiente a ionizzare le molecole neutre dell’aria tramite urti, innescando così un processo a valanga.
Questa scarica avviene in un regime non termico, dove gli elettroni possiedono energia cinetica elevata, ma la temperatura dell’air gap rimane prossima a quella ambiente (l’air gap tende a scaldarsi, ma non supera mai i 60/70◦ C a meno che non si raggiungano potenze molto elevate). Ciò consente l’attivazione di reazioni chimiche superficiali senza danneggiare termicamente il materiale plastico.
La densità e l’intensità della scarica dipendono da vari fattori:
- geometria degli elettrodi
- distanza tra elettrodi
- composizione del gas
- frequenza/tensione del generatore.
Piccoli filamenti luminosi e transienti costituiscono il caratteristico aspetto “filiforme” della scarica corona, ma la distanza tra le scariche è talmente ridotta che il trattamento è pressoché omogeneo sul materiale.
La presenza di una tenue luminescenza violacea in prossimità dell’elettrodo segnala che il meccanismo di produzione di portatori di carica (elettroni e ioni positivi) è divenuto sufficientemente energetico da sostenersi autonomamente, senza bisogno di una continua iniezione di elettroni dall’elettrodo.
In queste condizioni, si attiva il cosiddetto processo a valanga, in cui gli elettroni liberi accelerati dal campo elettrico generano, per urto, nuove coppie elettrone-ione, innescando una moltiplicazione esponenziale detto “processo di Townsend”: la generazione primaria di cariche avviene direttamente nel volume del gas.
Quando il campo elettrico supera la soglia critica, si formano regioni ionizzate all’interno del gap d’aria, in cui il gas si comporta parzialmente come un conduttore.
La tensione è un requisito essenziale per l’apparizione della scarica, ma è la corrente che il generatore fornisce che determina l’efficacia del trattamento. Perciò non solo è necessaria alta tensione per attivare la scarica, ma è essenziale anche una certa potenza per governare efficacemente la tensione; questa potenza dipende dal carico del sistema.
Reazioni chimiche e scarica corona
Durante il trattamento corona, l’elevata energia elettrica trasferita al gas circostante innesca una serie di reazioni chimiche che coinvolgono le molecole di aria.
In prossimità della superficie del materiale plastico, l’interazione con specie altamente reattive - in particolare radicali liberi, ioni e ozono - favorisce l’incorporazione di gruppi funzionali polari sulla superficie del polimero.
Tra i gruppi introdotti più comunemente si trovano gruppi a base di ossigeno (l’ossigeno è il motore del processo di trattamento corona). L’ossigeno incorporato può provenire sia da ioni ossigeno (ozono O3 o ossigeno monoatomico O, entrambi specie reattive), o da ioni idrossili provenienti da vapore acqueo ionizzato.
I gruppi funzionali che si ritrovano sulla superficie del polimero e che contribuiscono alla bagnabilità del materiale sono principalmente:
- carbonilici (-C=O)
- carbossilici (-COOH)
- idrossilici (-OH)
- perossidici (-OOH).
Queste incorporazioni aumentano significativamente l’energia superficiale del materiale, migliorandone l’adesione di inchiostri, colle e rivestimenti.