Pré-Tratamento de Superfície

Pré-tratamentos de superfície / Qualidade de superfície

Ângulo de contato e tensão superficial para otimizar a adesão

Testes de plasma no local e educação em ciência de superfícies

Os materiais plásticos são inerentemente difíceis de colar, revestir, laminar, imprimir e decorar porque são materiais hidrofóbicos e apolares, quimicamente inertes e possuem baixa molhabilidade de superfície — ou seja, baixa energia de superfície. A adesão é determinada por interações polares e apolares entre os substratos e/ou os materiais de revestimento. Melhorar a molhabilidade e a adesão em superfícies poliméricas exige aumentar a energia de superfície e os componentes polares interativos. Para uma adesão ideal, o adesivo (revestimento, tinta ou pintura) deve “molhar” completamente a superfície (aderente) a ser colada. Os pré-tratamentos por plasma em fase gasosa são processos “oxidativos” e altamente eficazes na solução de problemas de adesão, pois introduzem espécies funcionais polares químicas.

A The Sabreen Group é especializada em engenharia de superfície e pré-tratamentos de plásticos, compósitos, borrachas e metais para viabilizar processos de fabricação robustos. Nossos métodos de processo e tecnologias resolvem problemas de colagem em aplicações plástico-plástico, plástico-borracha e plástico-metal. Recebemos a patente americana US 5051586 pelo processo de pré-tratamento de superfície empregado na fabricação de eletrônicos militares/aeroespaciais e mísseis/bombas inteligentes. Os testes laboratoriais de análise de superfície incluem microscopia de força atômica, ESCA/XPS e ângulo de contato.

As soluções inovadoras da SABREEN para aplicações incluem:

• Colagem de plásticos, compósitos e metais
• Revestimentos de plásticos e metais
• Impressão a jato de tinta
• Impressão em filmes poliméricos
• Revestimentos hidrofóbicos / hidrofílicos
• Dispositivos microfluídicos
• Revestimentos de plástico, vidro e metais
• Teflon / PTFE

Utilizando nossa vasta experiência e conhecimento do setor, a The Sabreen Group resolve com competência os problemas de pré-tratamento de superfície e implementa soluções econômicas e ecologicamente corretas. Os especialistas da SABREEN se destacam nas disciplinas de pré-tratamentos de superfície, química interfacial, qualidade de superfície e técnicas de medição e análise.

Por que o pré-tratamento de superfície é necessário?

Os materiais plásticos possuem baixa energia de superfície e baixas propriedades de adesão interfacial ao colar adesivos, revestimentos, tintas e pinturas. Os pré-tratamentos de superfície por plasma são usados para promover a adesão entre substratos plásticos de difícil colagem, e a oxidação de superfície por plasma “em fase gasosa” (modificação) é o método de modificação mais comum, comprovadamente muito eficaz, econômico e seguro para o meio ambiente. A escolha do método a utilizar em determinada aplicação pode ser um desafio, em parte devido a equívocos e terminologia confusa. Ao compreender a ciência básica dos ângulos de contato, da molhabilidade de superfície e da ativação química, praticamente qualquer problema de colagem pode ser resolvido com sucesso, mesmo ao utilizar os materiais poliméricos e elastoméricos mais difíceis de colar.

O que é a oxidação de superfície por plasma “em fase gasosa” (modificação)?

Os processos de pré-tratamento por oxidação de superfície “em fase gasosa”, por “descarga luminescente”, são usados para a ativação química da superfície. Esses processos se caracterizam pela capacidade de gerar “plasma gasoso”, um gás extremamente reativo composto por elétrons livres, íons positivos e outras espécies. O plasma costuma ser descrito como um quarto estado da matéria. À medida que a energia é fornecida, os sólidos se fundem em líquidos, os líquidos se vaporizam em gases e os gases se ionizam em “plasmas”.

Qual processo é o melhor para a sua aplicação? Clique nos botões abaixo para saber mais sobre cada método de plasma.

Plasma Atmosférico

Plasma de Chama

Radiação UV / Ozônio

Descarga Corona Elétrica

Plasma de Chama Pyrosil

Fluoroxidação

Plasma de Ar Elétrico

Plasma Frio

Químico e Mecânico

Superfície Hidrofílica

Superfície Hidrofóbica

Molhabilidade Parcial

O ângulo de contato é o ângulo, normalmente medido através do líquido, no ponto em que uma interface líquido-vapor encontra uma interface sólida. O ângulo de contato quantifica a molhabilidade de uma superfície sólida por um líquido por meio da equação de Young.

Testar apenas o comportamento do fluido no ângulo de contato estático pode levar a interpretações equivocadas dos resultados da interface líquido/sólido e da resolução de problemas de colagem. Isso ocorre porque as operações industriais de produção são, na prática, condições dinâmicas, não estáticas. Por isso, é importante entender o ângulo de contato dinâmico (DCA). Os ângulos de contato geralmente são afetados tanto por mudanças na química da superfície quanto por mudanças na topografia da superfície.

O ângulo de contato de avanço é mais sensível aos componentes de baixa energia (não modificados) da superfície do substrato, enquanto o ângulo de recuo é mais sensível aos grupos oxidados de alta energia introduzidos pelos pré-tratamentos de superfície. Assim, o ângulo de recuo é a medida mais característica do componente modificado da superfície após o pré-tratamento, conforme medido com soluções dyne. Portanto, é importante medir tanto o ângulo de avanço quanto o de recuo em todos os materiais com superfície modificada.

Quando uma gota é fixada em uma superfície sólida e essa superfície é inclinada, a gota avança e desliza para baixo. Os ângulos formados são chamados, respectivamente, de ângulo de avanço (θa) e ângulo de recuo (θr). A norma ASTM D724 descreve métodos para medir DCAs usando equipamentos avançados (tensiômetros ópticos e goniômetros) para analisar os ângulos de avanço e recuo com base na análise da forma e da massa da gota.

Ângulos de contato dinâmicos θr e θa

As razões pelas quais muitos plásticos são difíceis de colar residem no fato de serem materiais hidrofóbicos e apolares, quimicamente inertes e com baixa molhabilidade de superfície — ou seja, baixa energia de superfície. Embora essas propriedades hidrofóbicas (que repelem a água) sejam ideais para projetistas de peças que buscam tais características, elas são o pior inimigo dos fabricantes que precisam colar esses materiais. Uma colagem por adesão robusta geralmente exige superfícies “hidrofílicas”. Para que ocorra uma adesão ideal, o adesivo (revestimento, tinta ou pintura) deve “molhar” completamente a superfície (aderente) a ser colada.

“Molhar” significa que o líquido flui e cobre uma superfície de modo a maximizar a área de contato e as forças de atração entre o adesivo e a superfície aderente. Para que um líquido molhe efetivamente uma superfície, a energia de superfície do adesivo deve ser igual ou inferior à energia de superfície do aderente a ser colado. Alternativamente, a energia de superfície do substrato deve ser elevada.

Considere uma única gota de líquido sobre uma superfície sólida plana em repouso (equilíbrio). O ângulo formado pela superfície sólida e pela linha tangente à superfície superior no ponto de contato é chamado de ângulo de contato; é o ângulo (θ) através do líquido entre a linha tangente no ponto de contato e a linha horizontal da superfície sólida. O formato da bolha/gota se deve às forças moleculares pelas quais todos os líquidos, ao contrair a superfície, tendem a assumir a forma de menor área superficial possível para o volume contido. As forças intermoleculares que contraem a superfície são chamadas de “tensão superficial”. A tensão superficial, uma medida de energia de superfície, é expressa em dinas/cm (SI N/m).

Quanto maior for a energia de superfície do substrato sólido em relação à tensão superficial de um líquido (água, tintas de impressão, adesivos/encapsulamentos, revestimentos etc.), melhor será sua “molhabilidade” e menor será o ângulo de contato (Figura 1, página 2). Em geral, obtém-se uma adesão de colagem aceitável quando a energia de superfície de um substrato é aproximadamente de 8 a 10 dinas/cm maior que a tensão superficial do líquido.

“Molhabilidade de superfície” em superfícies hidrofílicas x hidrofóbicas

Em muitas aplicações, pode ser suficiente examinar o ângulo de contato de equilíbrio estático usando soluções dyne, de acordo com um procedimento de teste documentado. Kits de aplicação ou “canetas/soluções dyne” fornecem informações úteis, mas não são medições precisas de tensão superficial. As medições de tensão superficial podem variar consideravelmente de acordo com o operador (técnica) e a interpretação do comportamento do líquido no “centro”. As canetas/soluções dyne são reconhecidas como indicadores direcionais de diferenças significativas na tensão superficial, sendo capazes de identificar superfícies “boas” e “ruins” para colagem a um custo econômico. Soluções dyne em frasco podem ser preferíveis às canetas devido a problemas de contaminação decorrentes do uso múltiplo.

Melhor método para inspecionar a qualidade de superfície:

O Surface Analyst™ 2001 é um dispositivo digital portátil para medir ângulos de contato em linha de produção sem usar soluções dyne químicas. O método é não destrutivo; assim, a peça pode ser processada normalmente — ao contrário do teste com solução dyne, no qual a peça é raspada. Inventado pela BTG Labs, o Surface Analyst™ foi projetado para colocar tecnologia de medição de superfície de precisão nas mãos de técnicos de chão de fábrica em operações nas quais a condição da superfície é fundamental, como colagem adesiva, pintura, revestimento, impressão e descontaminação. Utilizando uma técnica patenteada chamada “deposição balística”, o dispositivo deposita uma gota de água altamente purificada sobre a superfície do substrato.

Ao conhecer o volume e a área de uma gota de água, o dispositivo calcula o ângulo de contato da água em relação a uma determinada superfície. O dispositivo fornece feedback imediato ao usuário, com um número quantificável ou um alerta de aprovação/reprovação. Os dados de inspeção fornecidos pelo dispositivo permitem que os usuários determinem se o substrato foi devidamente preparado para os processos de adesão, substituindo as soluções dyne, que são destrutivas. A unidade portátil funciona em qualquer orientação e em superfícies lisas ou texturizadas, como TPOs texturizados. Esses dados podem ser usados para a melhoria contínua do processo, identificando desvios de qualidade que possam sinalizar problemas iminentes ou apontar a causa crítica de falhas do produto.

Surface Analyst da BTG Labs. Fotos cortesia da BTG LABS (513.469.1800).

Há uma forte tendência entre os fabricantes de considerar apenas os ângulos de contato ou outras medições de molhabilidade como o único preditor de problemas de colagem e de realizar testes de superfície rotineiros. A funcionalidade química da superfície é igualmente importante, pois é ela que ativa superfícies hidrofóbicas, transformando-as em superfícies hidrofílicas coláveis. Os processos de pré-tratamento por oxidação de superfície “em fase gasosa”, por “descarga luminescente”, são usados para a ativação química da superfície. Esses processos se caracterizam pela capacidade de gerar “plasma gasoso”, um gás extremamente reativo composto por elétrons livres, íons positivos e outras espécies. O plasma costuma ser descrito como um quarto estado da matéria. À medida que a energia é fornecida, os sólidos se fundem em líquidos, os líquidos se vaporizam em gases e os gases se ionizam em “plasmas”.

Na física, os mecanismos pelos quais esses plasmas são gerados são diferentes, mas seus efeitos sobre a molhabilidade da superfície são semelhantes. A reação química e física básica que ocorre envolve elétrons livres, íons, metaestáveis, radicais e UV gerados no plasma, que podem atingir uma superfície com energia suficiente para romper as ligações moleculares na superfície da maioria dos substratos poliméricos. Isso cria radicais livres altamente reativos na superfície do polímero que, por sua vez, podem se formar, se reticular ou, na presença de oxigênio, reagir rapidamente para formar diversos grupos funcionais químicos na superfície do substrato. Os grupos funcionais polares que podem se formar e melhorar a colabilidade incluem grupos carbonila (C=O), carboxila (HOOC), hidroperóxido (HOO-) e hidroxila (HO-). Mesmo pequenas quantidades de grupos funcionais reativos incorporados aos polímeros podem ser altamente benéficas para melhorar a funcionalidade química e a molhabilidade da superfície. Além disso, primers/solventes químicos e abrasão mecânica (incluindo a textura do molde) podem ser utilizados isoladamente ou em conjunto com os pré-tratamentos.

O grau ou a qualidade do pré-tratamento para uma resistência de adesão robusta é afetado pela limpeza das superfícies plásticas. A superfície deve estar limpa para se obter um pré-tratamento e uma adesão subsequente ideais. As fontes de contaminação nas superfícies do produto que inibem o tratamento incluem sujeira, poeira, graxa e óleo. Materiais de baixo peso molecular, como silicones, desmoldantes e agentes antiaderentes, são particularmente prejudiciais para a colagem. A pureza do material também é um fator importante. Além disso, determinados agentes compostos solúveis ou insolúveis usados em pigmentos e corantes podem afetar negativamente a adesão.

A vida útil (degradação por envelhecimento do tratamento) dos plásticos tratados depende do tipo de resina, da formulação e do ambiente de armazenamento. A vida útil dos produtos tratados é limitada pela presença de materiais oxidados de baixo peso molecular (LMWOM), como antioxidantes, plastificantes, agentes deslizantes e antiestáticos, corantes e pigmentos, estabilizantes etc. A exposição de superfícies tratadas a temperaturas elevadas aumenta a mobilidade das cadeias moleculares. Quanto maior a mobilidade das cadeias, mais rápido é o envelhecimento do pré-tratamento. As superfícies tratadas por plasma envelhecem em ritmos e intensidades variados, conforme fatores do ambiente ao redor. As características de envelhecimento e sua vida útil de armazenamento são essenciais para as operações do processo de fabricação. As superfícies ativadas podem ter uma vida útil de horas, dias, meses ou mais. Recomenda-se colar, revestir, pintar ou decorar os produtos o quanto antes após o pré-tratamento.

Reconheça que cada método de pré-tratamento de superfície é específico para cada aplicação e pode apresentar vantagens exclusivas e limitações potenciais. Para obter resultados robustos, considere os seguintes fatores:

• Os polímeros reagem de maneira diferente aos processos de oxidação. O tipo de substrato polimérico e seus requisitos de desempenho de uso final são fundamentais para determinar a escolha do método de pré-tratamento.
• O substrato (produto a ser tratado) é condutivo? Por exemplo, corpos de conectores eletrônicos plásticos não montados — sem pinos de contato metálicos — podem ser tratados eletricamente, enquanto conectores já montados podem apresentar problemas de arco elétrico.
• Geometria da peça — superfícies planas são tratadas com mais facilidade em comparação com reentrâncias profundas, ângulos acentuados e outras irregularidades de forma. Os testes de molhabilidade são difíceis de realizar em áreas pequenas e em superfícies muito texturizadas.
• Automação de manuseio de material: correias e correntes condutivas podem causar arco elétrico com sistemas clássicos de descarga corona elétrica e tratadores pontuais. Como alternativa, considere usar chama, plasma frio ou plasma atmosférico de baixo potencial.
• Evite o sobretratamento. Superfícies excessivamente oxidadas por plasma podem prejudicar processos de montagem posteriores, como selagem térmica/soldagem.
• Nem todos os equipamentos de pré-tratamento são iguais. Examine a qualidade dos sistemas construídos em operação. Para processos de tratamento elétrico, observe a uniformidade da descarga de plasma; para o tratamento a chama, considere as diferenças entre queimadores de fita e de portas perfuradas e os componentes do sistema de combustão; para o plasma frio, examine a qualidade da construção da câmara, das prateleiras de eletrodos e, especialmente, o fabricante da bomba de vácuo.

Rugosidade de superfície é o grau de irregularidade da superfície de um sólido, abaixo da escala de magnitude de sua forma ou ondulação, mas acima da irregularidade das estruturas da rede cristalina.

O grau de rugosidade afeta a molhabilidade de um sólido. Como a rugosidade está diretamente associada a uma área de superfície ampliada, ela afeta a molhabilidade de um sólido, o ângulo de contato de um líquido e a adesão.

Este procedimento descreve um método para testar e medir a tensão de molhabilidade de superfície (ou seja, a energia de superfície) de substratos plásticos usando canetas marcadoras de teste dyne.

Os testes de molhabilidade de superfície devem ser realizados imediatamente após o pré-tratamento (descarga corona, tratamento a chama, plasma de RF). As superfícies tratadas são sensíveis ao tempo e são afetadas por condições ambientais, como temperatura e umidade. Os substratos devem ter superfícies limpas para uma adesão ideal. Sujeira, poeira, óleos das mãos/dedos, produtos à base de silicone e outros contaminantes inibem a adesão e podem causar resultados de teste incorretos.

1.0 Materiais / Equipamentos

• Canetas marcadoras dyne — níveis disponíveis: 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 60
• Produtos a serem testados
• Luvas de plástico
• Toalhas Chemwipes ou de papel
• Medidores de temperatura e umidade
• Área de trabalho limpa

2.0 Método

• Registre a temperatura e a umidade ambientes.
• Selecione a caneta dyne 60 e retire a tampa.
• Coloque o produto a ser testado sobre uma superfície plana e pressione firmemente a ponta aplicadora da caneta marcadora contra o produto até que a solução seja puxada para a ponta.
• Com um toque leve, passe a caneta uma vez ao longo da superfície pré-tratada para aplicar uma fina camada de fluido.
• Recomendam-se passadas paralelas. O excesso de solução resultará em leitura incorreta.
• Anote o tempo que o líquido leva para se romper em gotículas. A leitura do comportamento do líquido deve ser observada no centro do líquido.
• Se o líquido não se romper em gotículas após dois (2) segundos, presume-se que a energia de superfície seja de no mínimo 60 dinas. Prossiga para a etapa 2.7. Se o líquido se romper em gotículas em menos de dois (2) segundos, repita o teste usando a próxima caneta dyne de nível inferior. Podem ser necessários ajustes no processo de pré-tratamento.
• O teste é concluído quando todas as superfícies atingem os resultados de molhabilidade desejados.
• Descarte adequadamente os produtos testados.

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