Trattamento superficiale al plasma delle materie plastiche
Il pretrattamento al plasma migliora l'adesione dei polimeri
I pretrattamenti superficiali al plasma, definiti in modo specifico ossidazione superficiale al plasma «in fase gassosa, a scarica a bagliore», possono risolvere le difficoltà di incollaggio per adesione tra materie plastiche a bassa energia superficiale e adesivi, rivestimenti, inchiostri da stampa, vernici e sigillanti. Questi metodi comprendono la scarica corona elettrica, il plasma atmosferico, il plasma ad aria soffiata elettrica, il plasma a fiamma, il Pyrosil, il plasma freddo remoto e la radiazione UV/ozono. Tutti questi processi sono caratterizzati dalla capacità di generare «plasma gassoso». Dal punto di vista della fisica, i meccanismi con cui questi plasmi vengono generati differiscono, ma i loro effetti sulla bagnabilità superficiale sono simili. Oltre al trattamento al plasma, esistono altri metodi altamente efficaci, tra cui quello chimico, la fluoro-ossidazione e quello meccanico.
Perché le materie plastiche sono difficili da incollare?
Le materie plastiche e i compositi sono difficili da incollare perché le loro superfici sono idrofobiche, non polari, chimicamente inerti e hanno una bassa energia superficiale. L'adesione avviene tramite molteplici meccanismi che coinvolgono l'aggrappaggio meccanico, la diffusione molecolare, l'interazione elettrostatica, la bagnatura, il legame chimico e la formazione di uno strato limite debole, tutti fenomeni che si verificano simultaneamente. Il grado di resistenza dell'incollaggio ottenuto è determinato sia dalle proprietà dei due materiali sia dal processo di incollaggio/assemblaggio. Per ottenere un'adesione ottimale, l'adesivo (rivestimento, inchiostro o vernice) deve «bagnare» completamente la superficie (l'aderendo) da incollare.
L'incollaggio per adesione è un «processo», non solo una macchina. Per comprendere le differenze tra i vari metodi di pretrattamento al plasma, è importante chiarire eventuali terminologie ambigue talvolta utilizzate dai fornitori a fini di marketing. La progettazione delle apparecchiature, la funzionalità e la purezza del plasma variano notevolmente tra i produttori, con un impatto sostanziale sulla qualità del trattamento, sulle prestazioni del prodotto e sulla durata di conservazione.
The Sabreen Group è stata la prima azienda a brevettare il pretrattamento al plasma corona di superfici polimeriche tridimensionali per dispositivi elettronici militari (US505186, 1991). Gli oltre 40 anni di esperienza pratica di SABREEN in incollaggio per adesione, adesivi, chimica delle scienze superficiali, pretrattamenti superficiali, processi di incollaggio, modalità di difetto dell'adesione, test analitici, polimeri, operazioni di stampaggio e integrazione di sistemi garantiscono l'eccellenza dei processi di incollaggio.
Esperti di incollaggio per adesione e pretrattamento al plasma
- Esaminiamo ogni processo, dallo stampaggio all'assemblaggio
- Valutiamo molteplici pretrattamenti al plasma (apparecchiature in loco)
- Misuriamo con precisione i fattori critici di processo, secondo gli standard ASTM
- Angolo di contatto, energia superficiale
- Test di resistenza in lavastoviglie
- Adesione, coesione, modalità di difetto
- Profilazione della polimerizzazione e del dosaggio
- Abrasione Taber, graffi/segni
- Spessore del rivestimento umido/secco
- Resistenza chimica
- Invecchiamento accelerato e UV
- Identificazione delle cause critiche dei problemi e convalida delle soluzioni
Implementiamo soluzioni di processo Six Sigma
Pretrattamenti al plasma per la pulizia superficiale dei materiali e l'attivazione chimica
Pretrattamenti superficiali al plasma dei polimeri per migliorare l'incollaggio per adesione
Modifica superficiale con plasma freddo
Modifica superficiale con plasma a fiamma dei polimeri per l'incollaggio per adesione
Pretrattamento superficiale UV/ozono per migliorare l'adesione dei polimeri
Le applicazioni di adesione comprendono:
- Incollaggio di materie plastiche, compositi, metalli
- Rivestimenti di materie plastiche e metalli
- Stampa a getto d'inchiostro
- Stampa su film polimerici
- Rivestimenti idrofobici / idrofilici
- Dispositivi microfluidici
- Rivestimenti di plastica, vetro, metalli
- Teflon / PTFE
I problemi applicativi di processo comprendono:
- Formazione tecnica
- Selezione dell'adesivo
- Texture superficiale
- Stoccaggio dei componenti
- Componenti contaminati
- Primer chimico
- Assenza di protezione delle mani
- Temperatura e umidità
- Pretrattamento incoerente
- Miscelazione
- Viscosità
- Spessore del film umido/secco
- Pressione di serraggio
- Ricetta di polimerizzazione
- Polimerizzazione in forno
- Controllo qualità (QC)
Webinar in evidenza di Scott Sabreen
In questo webinar registrato, otterrà una migliore comprensione della scienza alla base del pretrattamento superficiale delle diverse materie plastiche e apprenderà come individuare le soluzioni migliori per le Sue problematiche di adesione.
Argomenti trattati:
- Difetto di adesione contro difetto di coesione
- Perché i pretrattamenti sono necessari per i substrati plastici a bassa energia
- Effetti delle operazioni di stampaggio primario sull'adesione
- Come selezionare il miglior processo di pretrattamento
- Diagnostica, risoluzione dei problemi e soluzioni
- Metodi di processo produttivo basati sulle «best practice»
- Casi di studio reali
Perché il pretrattamento superficiale è necessario?
Le materie plastiche possiedono una bassa energia superficiale e scarse proprietà di adesione interfacciale quando si incollano adesivi, rivestimenti, inchiostri e vernici. I pretrattamenti superficiali al plasma vengono utilizzati per favorire l'adesione tra substrati plastici difficili da incollare e l'ossidazione superficiale al plasma «in fase gassosa» (modifica) è il metodo di modifica più comune, dimostratosi altamente efficace, economico e sicuro per l'ambiente. La scelta del metodo da utilizzare per una determinata applicazione può risultare complessa. Comprendendo la scienza di base degli angoli di contatto, della bagnatura superficiale e dell'attivazione chimica, è possibile risolvere praticamente tutti i problemi di incollaggio, anche quando si utilizzano i materiali polimerici ed elastomerici più difficili da incollare.
Cos'è l'ossidazione superficiale al plasma «in fase gassosa» (modifica)?
Quale processo al plasma è più adatto alla Sua applicazione? Clicchi sui pulsanti qui sotto per saperne di più su ciascun metodo.
Superficie idrofilica
Superficie idrofobica
Bagnatura parziale
L'angolo di contatto è l'angolo, tipicamente misurato attraverso il liquido, nel punto in cui un'interfaccia liquido-vapore incontra un'interfaccia solida. L'angolo di contatto quantifica la bagnabilità di una superficie solida da parte di un liquido mediante l'equazione di Young.
La verifica del comportamento del fluido basata unicamente sull'angolo di contatto statico può portare a un'interpretazione errata dei risultati dell'interfaccia liquido/solido e della risoluzione dei problemi di incollaggio. Ciò accade perché le operazioni di produzione industriale rappresentano più realisticamente condizioni dinamiche, non statiche. È quindi importante comprendere l'angolo di contatto dinamico (DCA). Gli angoli di contatto sono generalmente influenzati sia da variazioni della chimica superficiale sia da variazioni della topografia superficiale.
L'angolo di contatto in avanzamento è particolarmente sensibile ai componenti a bassa energia (non modificati) della superficie del substrato, mentre l'angolo in arretramento è più sensibile ai gruppi ossidati ad alta energia introdotti dai pretrattamenti superficiali. L'angolo in arretramento è pertanto la misurazione più rappresentativa della componente modificata della superficie dopo il pretrattamento, come rilevato tramite soluzioni dyne. È quindi importante misurare sia l'angolo di contatto in avanzamento sia quello in arretramento su tutti i materiali a superficie modificata.
Quando una goccia è depositata su una superficie solida e questa viene inclinata, la goccia si allunga in avanti e scivola verso il basso. Gli angoli così formati sono rispettivamente denominati angolo di avanzamento (θa) e angolo di arretramento (θr). La norma ASTM D724 descrive metodi per misurare i DCA utilizzando apparecchiature avanzate (tensiometri ottici e goniometri) per analizzare gli angoli di contatto in avanzamento e in arretramento in base all'analisi della forma e della massa della goccia.
Angoli di contatto dinamici θr e θa
Le ragioni di fondo per cui molte materie plastiche sono difficili da incollare risiedono nel fatto che si tratta di materiali idrofobici, non polari, chimicamente inerti e con scarsa bagnabilità superficiale, ovvero bassa energia superficiale. Sebbene queste proprietà idrofobiche (di repulsione dell'acqua) siano ideali per i progettisti di componenti che le ricercano, esse rappresentano l'ostacolo principale per i produttori che devono incollare tali materiali. Un incollaggio per adesione robusto richiede solitamente superfici «idrofiliche». Per ottenere un'adesione ottimale, un adesivo (rivestimento, inchiostro o vernice) deve «bagnare» completamente la superficie (l'aderendo) da incollare.
Per «bagnatura» si intende il flusso del liquido che ricopre una superficie in modo da massimizzare l'area di contatto e le forze di attrazione tra la superficie dell'adesivo e quella dell'aderendo. Affinché un liquido bagni efficacemente una superficie, l'energia superficiale dell'adesivo deve essere pari o inferiore all'energia superficiale dell'aderendo da incollare. In alternativa, è necessario aumentare l'energia superficiale del substrato.
Si consideri una singola goccia di liquido su una superficie solida piana a riposo (equilibrio). L'angolo formato dalla superficie solida e dalla linea tangente alla superficie superiore nel punto finale è denominato angolo di contatto; è l'angolo (θ) misurato attraverso il liquido tra la linea tangente nel punto di contatto e la linea orizzontale della superficie solida. La forma della bolla/goccia è dovuta alle forze molecolari per cui tutti i liquidi, tramite la contrazione della superficie, tendono a conformare il volume contenuto in una forma con la minima area superficiale. Le forze intermolecolari che contraggono la superficie sono denominate «tensione superficiale». La tensione superficiale, una misura dell'energia superficiale, è espressa in dyne/cm (SI N/m).
Quanto maggiore è l'energia superficiale del substrato solido rispetto alla tensione superficiale di un liquido (acqua, inchiostri da stampa, adesivi/incapsulanti, rivestimenti, ecc.), tanto migliore sarà la sua «bagnabilità» e tanto minore sarà l'angolo di contatto (Figura 1 a pagina 2). Come regola generale, si ottiene un'adesione accettabile quando l'energia superficiale di un substrato è di circa 8-10 dyne/cm superiore alla tensione superficiale del liquido.
«Bagnatura superficiale» con superfici idrofiliche e idrofobiche a confronto
Per molte applicazioni può essere sufficiente esaminare l'angolo di contatto statico di equilibrio utilizzando soluzioni dyne in conformità a una procedura di prova documentata. I kit applicativi o le «penne/soluzioni dyne» forniscono informazioni utili, ma non costituiscono misurazioni precise della tensione superficiale. Le misurazioni della tensione superficiale possono variare considerevolmente in base all'operatore (tecnica) e all'interpretazione del comportamento del liquido nella zona «centrale». Le penne/soluzioni dyne sono note per essere indicatori orientativi di differenze significative nella tensione superficiale e sono in grado di identificare superfici incollabili «buone» e «cattive» a un costo contenuto. Le soluzioni dyne in flacone possono essere preferibili alle penne per via dei problemi di contaminazione dovuti agli utilizzi multipli.
Il metodo migliore per ispezionare la qualità superficiale:
Il Surface Analyst™ 2001 è un dispositivo digitale portatile per la misurazione degli angoli di contatto direttamente in linea di produzione, senza l'utilizzo di soluzioni dyne chimiche. Il metodo è non distruttivo, pertanto il componente può essere lavorato normalmente, a differenza del test con soluzioni dyne in cui il componente viene raschiato. Inventato da BTG Labs, il Surface Analyst™ è stato progettato per mettere una tecnologia di misurazione superficiale di precisione nelle mani dei tecnici di produzione, per operazioni in cui la condizione della superficie è di importanza critica, come l'incollaggio per adesione, la verniciatura, il rivestimento, la stampa e la decontaminazione. Utilizzando una tecnica brevettata denominata «deposizione balistica», il dispositivo deposita una goccia di acqua altamente purificata sulla superficie del substrato.
Conoscendo il volume e l'area di una goccia d'acqua, il dispositivo calcola quindi l'angolo di contatto dell'acqua rispetto a una determinata superficie. Il dispositivo fornisce all'utente un riscontro immediato tramite un valore quantificabile o un avviso di superamento/mancato superamento. I dati di ispezione forniti dal dispositivo consentono agli utenti di stabilire se il substrato è stato preparato correttamente per i processi di adesione, in sostituzione delle soluzioni dyne distruttive. L'unità portatile funziona in qualsiasi orientamento e su superfici lisce o testurizzate, come i TPO granati. Questi dati possono essere utilizzati per il miglioramento continuo del processo, per identificare derive di qualità che potrebbero segnalare problemi imminenti o per individuare la causa critica di eventuali difetti del prodotto.
Surface Analyst di BTG Labs. Foto per gentile concessione di BTG LABS (513.469.1800).
I produttori tendono spesso a concentrarsi esclusivamente sugli angoli di contatto o su altre misurazioni della bagnabilità come unico indicatore predittivo dei problemi di incollaggio e per condurre test superficiali di routine. La funzionalità chimica superficiale è altrettanto importante, poiché consente di attivare le superfici idrofobiche trasformandole in superfici idrofiliche incollabili. I processi di pretrattamento con ossidazione superficiale in fase gassosa, a «scarica a bagliore», vengono utilizzati per l'attivazione chimica della superficie. Questi processi sono caratterizzati dalla capacità di generare «plasma gassoso», un gas estremamente reattivo costituito da elettroni liberi, ioni positivi e altre specie. I plasmi vengono spesso descritti come un quarto stato della materia. Man mano che viene fornita energia, i solidi fondono in liquidi, i liquidi evaporano in gas e i gas si ionizzano in «plasmi».
Dal punto di vista della fisica, i meccanismi con cui questi plasmi vengono generati sono diversi, ma i loro effetti sulla bagnabilità superficiale sono simili. La reazione chimico-fisica di base che si verifica è che gli elettroni liberi, gli ioni, le specie metastabili, i radicali e la radiazione UV generati nel plasma possono colpire una superficie con energie sufficienti a rompere i legami molecolari sulla superficie della maggior parte dei substrati polimerici. Questo genera radicali liberi molto reattivi sulla superficie del polimero che, a loro volta, possono formarsi, reticolarsi o, in presenza di ossigeno, reagire rapidamente per formare diversi gruppi funzionali chimici sulla superficie del substrato. I gruppi funzionali polari che possono formarsi e migliorare l'incollabilità comprendono i gruppi carbonile (C=O), carbossile (HOOC), idroperossido (HOO-) e idrossile (HO-). Anche piccole quantità di gruppi funzionali reattivi incorporati nei polimeri possono risultare molto vantaggiose per migliorare la funzionalità chimica superficiale e la bagnabilità. Inoltre, primer/solventi chimici e abrasione meccanica (compresa la texture dello stampo) possono essere utilizzati da soli o in combinazione con i pretrattamenti.
Il grado o la qualità del pretrattamento necessario per una resistenza di adesione robusta è influenzato dalla pulizia delle superfici plastiche. La superficie deve essere pulita per ottenere un pretrattamento ottimale e la conseguente adesione. Le fonti di contaminazione sulle superfici del prodotto che inibiscono il trattamento comprendono sporco, polvere, grasso e olio. I materiali a basso peso molecolare come i siliconi, gli agenti distaccanti e gli agenti antiscivolo sono particolarmente dannosi per l'incollaggio. Anche la purezza del materiale è un fattore importante. Inoltre, alcuni agenti composti solubili o insolubili utilizzati nei coloranti pigmentari e nei coloranti possono influire negativamente sull'adesione.
La durata di conservazione (degrado da invecchiamento del trattamento) delle materie plastiche trattate dipende dal tipo di resina, dalla formulazione e dall'ambiente circostante dell'area di stoccaggio. La durata di conservazione dei prodotti trattati è limitata dalla presenza di materiali ossidati a basso peso molecolare (LMWOM) come antiossidanti, plastificanti, agenti scivolanti e antistatici, coloranti e pigmenti, stabilizzanti, ecc. L'esposizione delle superfici trattate a temperature elevate aumenta la mobilità delle catene molecolari. Quanto maggiore è la mobilità delle catene, tanto più rapido è l'invecchiamento del pretrattamento. Le superfici trattate al plasma invecchiano a velocità diverse e in misura variabile in relazione ai fattori dell'ambiente circostante. Le caratteristiche di invecchiamento e la relativa durata di conservazione sono essenziali per le operazioni del processo produttivo. Le superfici attivate possono avere una durata di conservazione di ore, giorni, mesi o più. Si raccomanda di incollare, rivestire, verniciare o decorare i prodotti il prima possibile dopo il pretrattamento.
È importante tenere presente che ciascun metodo di pretrattamento superficiale è specifico per l'applicazione e può presentare vantaggi unici e potenziali limitazioni. Per ottenere risultati robusti, considerare i seguenti fattori:
- I polimeri reagiscono in modo diverso ai processi di ossidazione. Il tipo di substrato polimerico e i relativi requisiti prestazionali di utilizzo finale sono determinanti nella scelta del metodo di pretrattamento.
- Il substrato (il prodotto da trattare) è conduttivo? Ad esempio, i corpi dei connettori elettronici in plastica non assemblati, privi di piedini di contatto metallici, possono essere trattati elettricamente, mentre i connettori assemblati possono presentare problemi di arco elettrico.
- Geometria del componente: le superfici piane sono più facili da trattare rispetto a rientranze profonde, rastremazioni estreme e altre irregolarità di forma. I test di bagnatura sono difficili da eseguire su aree piccole e su superfici fortemente testurizzate.
- Automazione della movimentazione dei materiali: nastri e catene conduttivi possono causare archi elettrici con i tradizionali sistemi a scarica corona elettrica e i trattatori localizzati. In alternativa, valutare l'utilizzo di plasma a fiamma, plasma freddo o plasma atmosferico a basso potenziale.
- Evitare il sovratrattamento. Superfici eccessivamente ossidate dal plasma possono compromettere i successivi processi di assemblaggio, come la termosaldatura/saldatura.
- Non tutte le apparecchiature di pretrattamento sono uguali. Esaminare la qualità dei sistemi costruiti in funzione. Per i processi di trattamento elettrico, osservare l'uniformità della scarica al plasma; per il trattamento a fiamma, considerare le differenze tra bruciatori a nastro e a porte forate e i componenti del sistema di combustione; per il plasma freddo, esaminare la qualità della costruzione della camera, dei supporti degli elettrodi e, in particolare, del produttore della pompa a vuoto.
La rugosità superficiale è il grado di irregolarità della superficie di un solido, a una scala inferiore rispetto alla sua forma o ondulazione, ma superiore rispetto all'irregolarità delle strutture del reticolo cristallino.
Il grado di rugosità influisce sulla bagnabilità di un solido. Poiché la rugosità è strettamente legata all'ampliamento dell'area superficiale, essa influisce sulla bagnabilità di un solido, sull'angolo di contatto di un liquido e sull'adesione.
Questa procedura descrive un metodo per testare e misurare la tensione di bagnatura superficiale (ovvero l'energia superficiale) dei substrati plastici utilizzando penne di prova dyne.
I test di bagnatura superficiale devono essere eseguiti immediatamente dopo il pretrattamento (scarica corona, trattamento a fiamma, plasma gassoso a radiofrequenza). Le superfici trattate sono sensibili al fattore tempo e sono influenzate da condizioni ambientali quali temperatura e umidità. I substrati devono avere superfici pulite per un'adesione ottimale. Sporco, polvere, oli delle mani/delle dita, prodotti a base siliconica e altri contaminanti inibiscono l'adesione e possono causare risultati di prova errati.
1.0 Materiali / Apparecchiature
- Penne marcatrici dyne – livelli disponibili: 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 60
- Prodotti da testare
- Guanti in plastica
- Salviette Chemwipe o carta assorbente
- Termometri e igrometri
- Area di lavoro pulita
2.0 Metodo
- Registrare la temperatura e l'umidità ambientale.
- Selezionare la penna dyne da 60 e togliere il cappuccio.
- Posizionare il prodotto da testare su una superficie piana e premere con decisione la punta applicatrice della penna sul prodotto finché la soluzione non viene richiamata nella punta.
- Con un tocco leggero, far scorrere la penna una sola volta lungo la superficie pretrattata per applicare un sottile strato di liquido.
- Si raccomandano passate parallele. Una quantità eccessiva di soluzione comporta letture errate.
- Annotare il tempo impiegato dal liquido per rompersi in goccioline. La lettura del comportamento del liquido deve essere osservata al centro del liquido.
- Se il liquido non si rompe in goccioline dopo due (2) secondi, si presume che l'energia superficiale sia di almeno 60 dyne. Procedere al punto 2.7. Se il liquido si rompe in goccioline in meno di due (2) secondi, ripetere il test utilizzando la penna dyne di livello immediatamente inferiore. Potrebbero essere necessarie regolazioni al processo di pretrattamento.
- Il test è completato quando tutte le superfici raggiungono i risultati di bagnatura desiderati.
- Smaltire correttamente i prodotti testati.
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Scott Sabreen — Presidente e ingegnere capo, oltre 30 anni di esperienza. Ci contatti oggi stesso per discutere gratuitamente e senza impegno la Sua applicazione e le soluzioni SABREEN. Ci affidi le Sue sfide più difficili.
Telefono: +1 972-820-6777
