Las superficies poliméricas presentan una baja capacidad para interactuar con otros materiales. Este aspecto se caracteriza mediante una magnitud física denominada energía superficial:
- una energía superficial muy alta es indicativa de una gran reactividad y el material tiende a reaccionar con otros materiales con los que entra en contacto;
- una energía superficial baja es característica de materiales inertes.
Las superficies poliméricas más comunes (PE o PP) presentan valores de energía superficial muy bajos y, por consiguiente, las interacciones con otros materiales (por ejemplo, las tintas) se ven desfavorecidas.
Tratamiento corona
El tratamiento corona modifica la energía superficial del material, sin alterar sus propiedades, y permite superar estas limitaciones.
La descarga eléctrica generada entre dos electrodos «energiza» la superficie del material plástico, que se activa químicamente adquiriendo una mayor reactividad, requisito fundamental para conseguir una buena adhesión en los procesos posteriores.
El tratamiento mediante descarga corona se utiliza ampliamente por su eficacia, su compatibilidad con diferentes materiales y la posibilidad de aplicarlo de forma continua directamente en la línea de producción. La rapidez del proceso, que tiene lugar en fracciones de segundo, lo hace ideal para aplicaciones industriales de alta productividad.
Generalmente se utilizan rodillos como electrodos, ya que las líneas de producción trabajan con bobinas de material plástico.
Física de la descarga corona
La descarga corona es un fenómeno de ionización parcial que se produce cuando el aire está sometido a un campo eléctrico suficientemente intenso como para provocar la formación de una región conductora, sin llegar a producir un arco eléctrico completo entre los electrodos (ya que está presente la capa de polímero que debe ser tratada).
En el contexto de los tratamientos superficiales de materiales plásticos, la configuración típica utiliza un electrodo en forma de rodillo, a menudo recubierto con una funda de silicona (protección adicional contra la descarga disruptiva y para garantizar una buena fricción con la película plástica).
Se aplica una tensión alterna de alta frecuencia (entre 10 y 50 kHz) y alto voltaje (de 5 a 20 kV, dependiendo de los espesores implicados y de las potencias que se deban alcanzar).
Cuando el campo eléctrico supera la rigidez dieléctrica del aire (aproximadamente 30 kV/mm), se inicia el proceso de ionización: los electrones libres, acelerados por el campo, adquieren suficiente energía para ionizar las moléculas neutras del aire mediante colisiones, iniciando así un proceso de avalancha.
Esta descarga se produce en un régimen no térmico, en el que los electrones poseen una elevada energía cinética, mientras que la temperatura del air gap permanece próxima a la temperatura ambiente (el air gap tiende a calentarse, pero normalmente no supera los 60-70 °C, a menos que se alcancen potencias muy elevadas). Esto permite activar reacciones químicas superficiales sin dañar térmicamente el material plástico.
La densidad y la intensidad de la descarga dependen de varios factores:
- geometría de los electrodos;
- distancia entre los electrodos;
- composición del gas;
- frecuencia y tensión del generador.
Pequeños filamentos luminosos y transitorios constituyen el característico aspecto «filamentoso» de la descarga corona, pero la distancia entre las descargas es tan reducida que el tratamiento resulta prácticamente homogéneo sobre el material.
La presencia de una tenue luminiscencia violácea cerca del electrodo indica que el mecanismo de producción de portadores de carga (electrones e iones positivos) ha adquirido suficiente energía como para mantenerse de forma autónoma, sin necesidad de una inyección continua de electrones desde el electrodo.
En estas condiciones se activa el denominado proceso de avalancha, en el que los electrones libres acelerados por el campo eléctrico generan, mediante colisiones, nuevas parejas electrón-ion, provocando una multiplicación exponencial denominada proceso de Townsend: la generación primaria de cargas tiene lugar directamente en el volumen del gas.
Cuando el campo eléctrico supera el umbral crítico, se forman regiones ionizadas dentro del air gap, en las que el gas se comporta parcialmente como un conductor.
La tensión es un requisito esencial para la aparición de la descarga, pero es la corriente suministrada por el generador la que determina la eficacia del tratamiento. Por lo tanto, no solo es necesaria una alta tensión para activar la descarga, sino que también es esencial disponer de una determinada potencia para controlar eficazmente la tensión; esta potencia depende de la carga del sistema.
Reacciones químicas y descarga corona
Durante el tratamiento corona, la elevada energía eléctrica transferida al gas circundante desencadena una serie de reacciones químicas que involucran a las moléculas del aire.
En las proximidades de la superficie del material plástico, la interacción con especies altamente reactivas - en particular radicales libres, iones y ozono - favorece la incorporación de grupos funcionales polares en la superficie del polímero.
Entre los grupos introducidos con mayor frecuencia se encuentran los grupos basados en oxígeno (el oxígeno es el motor del proceso de tratamiento corona). El oxígeno incorporado puede proceder tanto de iones de oxígeno (ozono O₃ u oxígeno monoatómico O, ambas especies reactivas) como de iones hidroxilo procedentes del vapor de agua ionizado.
Los grupos funcionales que se encuentran en la superficie del polímero y que contribuyen a mejorar la humectabilidad del material son principalmente:
- carbonilos (-C=O)
- carboxilos (-COOH)
- hidroxilos (-OH)
- peróxidos (-OOH).
Estas incorporaciones aumentan significativamente la energía superficial del material, mejorando la adhesión de tintas, adhesivos y recubrimientos.