电晕处理机理与优点

电晕处理的基本原理是处理装置在高压电场作用下放电，使处理装置处的空气发生电离。电离产生的各种等离子在强电场作用下高速冲击待处理塑料制品表面，对塑料表面进行刻蚀。

1、电晕处理的机理

在高压电场的作用下，将待处理表面附近的空气进行电离，产生各种等离子。等离子在高压电场的作用下高速冲击塑料制品的表面，使其形成蚀刻效果。

从化学角度出发，电离产生的等离子能量接近塑料分子化学键能，能够诱发塑料表面分子化学键断裂而降解，使得塑料表面的分子进行重新排列，粗糙度增大。空气电离还会产生大量的臭氧，使得塑料制品表面碳分子氧化，从而提高表面湿润性和附着性，强化表面张力。

HDPE管内壁电晕处理是将挤出成型的HDPE管通过设置在管内外的一对电极(分成内电极与外电极)之间的空隙，在两电级间施加电压建立高压电场，使内电极产生电晕放电，实现HDPE管内壁的极化处理。电晕装置由内外电极、升压器、电源控制器等组成，外电极经升压器与电源控制器连接，内电极接地。

2、电晕处理的优点

可用于聚乙烯、聚丙烯等塑料制品的极化处理，适用材料范围广;处理速度快，可直接在生产线上进行加工处理;操作简单，容易控制;电晕处理仅涉及塑料制品的表面，不影响整体性能;基本无污染物排放，绿色环保。

实践证明，HDPE管在挤出后，内表面张力一般为300 μN/cm，经电晕处理后，内表面张力能够达到500 μN/cm以上。

1、处理间隙

处理间隙即电极间隙，是指放电电极到接地电极边缘的空间距离。一般一个电极置于管材的内表面(如下图a所示)，一个电极贴附在待处理管材的外表面(如下图b所示)。

处理间隙对电晕处理效果的影响表现在两个方面：一方面处理间隙增大，导致处理范围变宽，待处理材料的处理时间相对变长，处理效果得到改善;另一方面间隙增大使能量分散到更大的空间，导致单位面积管材表面的处理强度下降，处理效果变差。

两方面综合作用的结果是：进行电晕处理时，只有选择适当的电极间隙，才能得到最佳的处理效果。通常待处理材料表面与放电电极边缘之间的间隙宜控制在 1 ～2 mm。

2、处理电压

电晕处理时，处理电压的稳定性会对电晕处理效果产生影响。当处理电压升高时，处理效果会明显增强，但两者不成比例关系，当处理电压升高到某个值后，处理效果增加不再明显，表明存在一个最佳处理电压值。处理电压的选择要根据管材的厚度和处理要求来确定。当管材越厚、处理要求越高时，应选择较高的处理电压进行处理。

稳定的处理电压才能保证均匀的电晕处理效果。通常用于薄膜的处理电压宜控制在5 ～15 kV，聚乙烯管材内表面的处理电压可参照薄膜的处理电压。

3、处理电流

电晕处理时输出电流大小对处理效果的影响很大。当输出电流过低时，电晕处理效果差;当输出电流增大到某临界值后，电晕处理的效果增加不明显，即对某种塑料材料进行电晕处理时，有一最佳输出电流。

4、处理程度

处理程度决定着处理效果的好坏。如果处理程度不够，聚乙烯管材内表面的浸润性和附着性得不到明显改善，如果处理过度，聚乙烯管材内表面会产生异味，并导致助剂向管材表面迁移，影响管材的质量。有研究表明，电晕处理会导致聚乙烯纤维力学性能的降低。

通过调节处理电压和处理电流来调节处理程度，在满足处理要求的情况下，尽可能降低处理程度，避免造成材料的过度处理。下表列出了不同薄膜的处理功率，聚乙烯管材内表面的处理功率可参照复合用薄膜的处理功率。

5、环境温度、湿度

环境温度、湿度对电晕处理效果有较大的影响。环境温度高时，电晕处理的效果好。原因是温度高时，化学反应速度快，反应程度也大。但处理后的产品如果在较高的环境温度下存放，电晕处理效果的消退也快。

环境湿度大，电晕处理的效果会变差，这可能是空气中的水分子捕捉了电晕时空气电离产生的部分粒子，使对塑料制品表面进行电晕处理的粒子减少，从而影响了处理效果。

1、定性评价电晕处理效果

电晕处理效果的定性评价主要通过经验实现。如：看胶纸和处理材料表面粘接的牢固程度;通过触摸的方式感知处理表面粗糙程度;用钢笔或圆珠笔在处理过的材料表面划线，看笔迹是否连续等。

2、定量测试电晕处理效果

检验电晕处理效果，通常采用润湿张力测试方法。

(1)用表面张力测试剂进行测定

依据GB/T 14216–2008 《塑料 膜和片润湿张力的测定》的规定进行测试。

将乙二醇乙醚(润湿张力30.0 mN/m)和甲酰胺(润湿张力58.0 mN/m)按照不同体积比例混合，可得到润湿张力为30.0 ～58.0 mN/m的一系列测试剂。

按照GB/T 14216–2008中规定的试验步骤进行试验，通过观察测试剂液膜在聚乙烯管材表面上的变化情况，得出聚乙烯管材电晕处理后的表面张力值。

(2)采用达因笔进行测试

用测试笔在待测表面划一划，观察笔划过的地方液痕是否均匀，有无断裂收缩现象，即可测试出材料的表面张力。如果一部分收缩，一部分不收缩，说明处理程度还不够。该方法测量的精确性是±1 mN/m。该测试方法具有测量精确、快而准、测试仪器携带方便等优点。

电晕处理后的高密度聚乙烯外护管，不可能及时进行聚氨酯发泡生产，大多需要存放一段时间。电晕处理效果在存放过程中会受到外界环境以及管材自身性质的影响，并随时间的延长呈指数规律消退。

管材在自然存放状态下，可能会受到雨淋、尘土、环境温度等外界环境因素以及存放时间的影响。有研究表明，水对表面张力的影响较小;尘土对表面张力数值的影响不大，但在生产过程中材料表面的尘土会影响泡沫与管材的粘接效果;温度与存放时间对表面张力的影响较大，温度升高和长时间存放，会导致电晕处理效果明显降低。

管材自身的性质包括原料的树脂牌号、管材的厚度、添加剂的使用。通常厚的管材消退速度比薄的管材要快。添加剂这类低分子量物质极易析出，会覆盖在处理后的表面，降低材料表面粘附性能，进而导致含添加剂的原料加工的管材消退速度比不含添加剂的要快。

从电晕处理时效性的影响因素可知，要保证管材的电晕处理效果，需要选用电晕处理消退慢的树脂作原料，控制好处理程度，在储存过程中注意防尘降温，管材的生产日期到使用日期最好不要超过3个月的时间，以保证电晕处理效果在保温管预制中起到应有的作用。

1、电晕处理前后聚乙烯管材内表面的表面张力测试

依据GB/T 14216–2008 《塑料膜和片润湿张力的测定》的规定，对电晕处理前后高密度聚乙烯管材内表面的表面张力进行测试。试样取自Ø452×7的高密度聚乙烯管材，处理电压为10 kV。电晕处理前，高密度聚乙烯管材内表面的表面张力测试值为33.0 mN/m;电晕处理后，高密度聚乙烯管材内表面的表面张力测试值为50.0 mN/m。

2、电晕处理前后聚乙烯管材内表面的形貌变化

采用日本奥利巴斯LEXT4000全自动三维激光形貌仪对电晕处理前后高密度聚乙烯管材内表面的微观形貌进行表征，放大倍数为200倍。电晕处理前后高密度聚乙烯管材内表面的微观形貌如下图所示。

从上图a可以看出，电晕处理前高密度聚乙烯管材内表面凹凸不平，有许多形状不规则的突起。从上图b可以看出，电晕处理合格后，高密度聚乙烯管材内表面变得更为粗糙，表面凹凸不平，突起部位明显增多。通过对比可知，电晕处理可以改变高密度聚乙烯管材内表面的微观形貌，提高粗糙度，进而提高其与硬质聚氨酯泡沫塑料的粘接性能。

3、电晕处理前后聚乙烯外护管与聚氨酯泡沫塑料的粘结情况

采用日本奥利巴斯LEXT4000全自动三维激光形貌仪，对电晕处理合格后高密度聚乙烯管材与硬质聚氨酯泡沫塑料结合界面的微观形貌进行表征，放大倍数为200倍，微观形貌如下图所示。从下图可以看出，高密度聚乙烯管材与硬质聚氨酯泡沫塑料的结合界面凹凸不平，呈小的锯齿状，两者紧密贴合在一起。

电晕处理后高密度聚乙烯外护管与聚氨酯泡沫塑料的剥离效果，如下图所示。从下图可以看出，高密度聚乙烯管材内表面粘附了一层聚氨酯泡沫，泡沫本身发生了破坏，两者的粘接强度超过了泡沫本身的强度。

电晕处理有效改善了高密度聚乙烯外护管与聚氨酯泡沫塑料的粘接性能。电晕处理使高密度聚乙烯管材内表面产生极性基团、表面变得更为粗糙，以及“管中管”成型密闭发泡工艺三方面的作用，大大提高了高密度聚乙烯外护管与聚氨酯泡沫塑料的粘接强度，进而提高保温管的整体质量。该技术在中俄原油管道漠河–大庆段工程中得到成功应用，有效提高了埋地保温管道的质量。