Les surfaces polymères ont une tendance limitée à interagir avec d’autres matériaux. Cette caractéristique est décrite par un paramètre physique appelé énergie de surface :
- Une énergie de surface très élevée indique une forte réactivité, ce qui signifie que le matériau a tendance à interagir avec les autres matériaux avec lesquels il entre en contact.
- Une faible énergie de surface est caractéristique des matériaux inertes.
Les surfaces polymères les plus courantes (PE ou PP) présentent des valeurs d’énergie de surface très faibles ; par conséquent, les interactions avec d’autres matériaux (par exemple, les encres) sont difficiles.
Le traitement par effet corona modifie l’énergie de surface du matériau sans altérer ses propriétés, ce qui permet de contourner ces limites.
La décharge électrique générée entre deux électrodes «dynamise» la surface du plastique, l’activant chimiquement et augmentant sa réactivité - une condition fondamentale pour une bonne adhérence lors des processus ultérieurs.
Le traitement par décharge corona est largement utilisé en raison de son efficacité, de sa compatibilité avec différents matériaux et de la possibilité de l’appliquer en continu directement sur les lignes de production. La rapidité du processus, qui se déroule en quelques fractions de seconde, le rend idéal pour les applications industrielles à haute productivité.
On utilise généralement des rouleaux comme électrodes, car les chaînes de production traitent le plus souvent des films plastiques présentés en bobines.
Physique de la décharge corona
La décharge corona est un phénomène d’ionisation partielle qui se produit lorsque l’air est soumis à un champ électrique suffisamment intense pour créer une zone conductrice, sans pour autant provoquer un arc électrique complet entre les électrodes (la couche de polymère à traiter se trouvant entre celles-ci).
Dans les applications de traitement de surface des matières plastiques, la configuration type comprend une électrode en forme de rouleau, souvent recouverte d’un manchon en silicone (assurant une protection supplémentaire contre les décharges de claquage et garantissant un frottement adéquat avec le film plastique).
Une tension alternative à haute fréquence (entre 10 et 50 kHz) et une haute tension (5 à 20 kV selon l’épaisseur et la puissance requise) sont appliquées.
Lorsque le champ électrique dépasse la rigidité diélectrique de l’air (environ 30 kV mm⁻¹), le processus d’ionisation commence : les électrons libres, accélérés par le champ, acquièrent suffisamment d’énergie pour ioniser les molécules d’air neutres par collision, déclenchant ainsi un processus d’avalanche.
Cette décharge se produit en régime non thermique, où les électrons possèdent une énergie cinétique élevée mais où la température de l’entrefer reste proche de la température ambiante (l’entrefer peut s’échauffer, mais ne dépasse pas 60 à 70 °C, sauf si des niveaux de puissance très élevés sont atteints). Cela permet d’activer des réactions chimiques en surface sans endommager thermiquement le matériau plastique.
La densité et l’intensité de la décharge dépendent de plusieurs facteurs:
- géométrie des électrodes
- distance entre les électrodes
- composition du gaz
- fréquence et la tension du générateur
De petits filaments lumineux et éphémères confèrent à la décharge corona son aspect « filamentaire » caractéristique, mais la distance entre les décharges est si faible que le traitement est pratiquement homogène sur l’ensemble du matériau.
La présence d’une faible lueur violette près de l’électrode indique que le mécanisme générant les porteurs de charge (électrons et ions positifs) est devenu suffisamment énergétique pour s’auto-entretenir sans injection continue d’électrons depuis l’électrode.
Dans ces conditions, le processus dit «d’avalanche» est activé: les électrons libres accélérés par le champ électrique génèrent de nouvelles paires électron-ion par collision, déclenchant une multiplication exponentielle connue sous le nom de processus de Townsend. La génération primaire de charge se produit ainsi directement au sein du volume de gaz.
Lorsque le champ électrique dépasse un seuil critique, des zones ionisées se forment dans l’espace d’air, où le gaz se comporte en partie comme un conducteur.
La tension est une condition essentielle à l’apparition de la décharge, mais c’est le courant fourni par le générateur qui détermine l’efficacité du traitement. Par conséquent, non seulement une haute tension est nécessaire pour déclencher la décharge, mais un certain niveau de puissance est également indispensable pour contrôler efficacement la tension ; cette puissance dépend de la charge du système.
Réactions chimiques et décharge corona
Au cours du traitement corona, la forte énergie électrique transférée au gaz environnant déclenche une série de réactions chimiques impliquant les molécules d’air.
À proximité de la surface du plastique, l’interaction avec des espèces hautement réactives - notamment les radicaux libres, les ions et l’ozone —-favorise l’incorporation de groupes fonctionnels polaires à la surface du polymère.
Parmi les groupes les plus couramment introduits figurent les groupes à base d’oxygène (l’oxygène étant le moteur du processus de traitement par effet corona). L’oxygène incorporé peut provenir d’ions oxygène (ozone O₃ ou oxygène atomique O, deux espèces réactives) ou d’ions hydroxyle issus de la vapeur d’eau ionisée.
Les groupes fonctionnels présents à la surface du polymère qui contribuent à améliorer la mouillabilité sont principalement :
- groupe carbonyle (-C=O)
- groupe carboxyle (-COOH)
- groupe hydroxyle (-OH)
- groupe peroxyde (-OOH).
Ces incorporations augmentent considérablement l’énergie de surface du matériau, améliorant ainsi l’adhérence des encres, des adhésifs et des revêtements.