Pretrattamento superficiale plastiche

Pretrattamenti superficiali / Qualità della superficie

Angolo di contatto e tensione superficiale per ottimizzare l'adesione

Test del plasma in loco e formazione sulla scienza delle superfici

Le materie plastiche sono intrinsecamente difficili da incollare, rivestire, laminare, stampare e decorare perché sono materiali idrofobici non polari, chimicamente inerti e presentano scarsa bagnabilità superficiale, ossia bassa energia superficiale. L'adesione è determinata dalle interazioni polari e non polari tra i substrati e/o i materiali di rivestimento. Migliorare la bagnabilità e l'adesione sulle superfici polimeriche richiede un aumento dell'energia superficiale e delle componenti polari interattive. Per un'adesione ottimale, l'adesivo (rivestimento, inchiostro o vernice) deve “bagnare” completamente la superficie (aderendo) da incollare. I pretrattamenti al plasma in fase gassosa sono processi “ossidativi” ed estremamente efficaci nel risolvere i problemi di adesione, introducendo specie chimiche polari funzionali.

The Sabreen Group è specializzata nell'ingegneria delle superfici e nei pretrattamenti di materie plastiche, compositi, gomme e metalli per ottenere processi produttivi solidi e affidabili. I nostri metodi di processo e le nostre tecnologie risolvono i problemi di incollaggio nelle applicazioni plastica-plastica, plastica-gomma e plastica-metallo. Ci è stato riconosciuto il brevetto statunitense 5051586 per il processo di pretrattamento superficiale impiegato nella produzione di componenti elettronici militari/aerospaziali e di missili/bombe intelligenti. I test di analisi superficiale in laboratorio comprendono la microscopia a forza atomica, l'ESCA/XPS e la misurazione dell'angolo di contatto.

Le soluzioni innovative di SABREEN per le applicazioni includono:

• Incollaggio di materie plastiche, compositi, metalli
• Rivestimenti di plastica e metallo
• Stampa a getto d'inchiostro
• Stampa su film polimerici
• Rivestimenti idrofobici / idrofilici
• Dispositivi microfluidici
• Rivestimenti di plastica, vetro, metalli
• Teflon / PTFE

Grazie alla nostra vasta esperienza e conoscenza del settore, The Sabreen Group risolve con competenza i problemi di pretrattamento superficiale e implementa soluzioni convenienti ed ecologiche. Gli esperti di SABREEN si distinguono nelle discipline dei pretrattamenti superficiali, della chimica interfacciale, della qualità della superficie e delle tecniche di misurazione e analisi.

Perché il pretrattamento superficiale è necessario?

Le materie plastiche presentano una bassa energia superficiale e scarse proprietà di adesione interfacciale nell'incollaggio di 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 estremamente efficace, economico e sicuro per l'ambiente. La scelta del metodo da utilizzare per una determinata applicazione può risultare complessa, in parte a causa di idee errate e terminologia poco chiara. Comprendendo la scienza di base degli angoli di contatto, della bagnabilità superficiale e dell'attivazione chimica, praticamente qualsiasi problema di incollaggio può essere risolto con successo, anche utilizzando i materiali polimerici ed elastomerici più difficili da incollare.

Che cos'è l'ossidazione superficiale al plasma “in fase gassosa” (modifica)?

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 possono spesso essere 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”.

Quale processo è più adatto alla Sua applicazione? Clicchi sui pulsanti sottostanti per informarsi su ciascun metodo al plasma.

Plasma atmosferico

Plasma a fiamma

Radiazione UV / ozono

Scarica corona elettrica

Plasma a fiamma Pyrosil

Fluoro-ossidazione

Plasma d'aria elettrico

Plasma freddo a bassa pressione

Chimico e meccanico

Superficie idrofila

Superficie idrofoba

Bagnabilità parziale

L'angolo di contatto è l'angolo, generalmente misurato attraverso il liquido, formato 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 tramite l'equazione di Young.

Testare il comportamento del fluido considerando solo l'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 sono più realisticamente in condizioni dinamiche, non statiche. È quindi importante comprendere l'angolo di contatto dinamico (DCA). Gli angoli di contatto sono generalmente influenzati sia dai cambiamenti nella chimica superficiale sia dai cambiamenti nella topografia superficiale.

L'angolo di avanzamento è più sensibile alle componenti a bassa energia (non modificate) della superficie del substrato, mentre l'angolo di recessione è più sensibile ai gruppi ossidati ad alta energia introdotti dai pretrattamenti superficiali. Pertanto, l'angolo di recessione è la misurazione più caratteristica della componente modificata della superficie in seguito ai pretrattamenti, misurata mediante soluzioni dyne. È quindi importante misurare sia l'angolo di avanzamento sia l'angolo di recessione su tutti i materiali con superficie modificata.

Quando una goccia è a contatto con una superficie solida e questa viene inclinata, la goccia avanza e scivola verso il basso. Gli angoli formati sono rispettivamente denominati angolo di avanzamento (θa) e angolo di recessione (θr). La norma ASTM D724 descrive i metodi per misurare i DCA utilizzando apparecchiature avanzate (tensiometri ottici e goniometri) per analizzare gli angoli di avanzamento e di recessione 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, ossia bassa energia superficiale. Se queste proprietà idrofobiche (repellenti all'acqua) sono ideali per i progettisti di componenti che le ricercano, rappresentano invece un ostacolo per i produttori che devono incollare tali materiali. Un incollaggio adesivo solido richiede generalmente superfici “idrofile”. Per ottenere un'adesione ottimale, un adesivo (rivestimento, inchiostro o vernice) deve “bagnare” completamente la superficie (aderendo) da incollare.

“Bagnare” significa che il liquido scorre e copre una superficie in modo da massimizzare l'area di contatto e le forze attrattive tra la superficie adesiva 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, occorre aumentare l'energia superficiale del substrato.

Si consideri una singola goccia di fluido 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 (?) formato 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, mediante contrazione della superficie, tendono a dare al volume contenuto la forma con la minore area superficiale possibile. 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.

“Bagnabilità superficiale” con superfici idrofile e idrofobiche a confronto

Per molte applicazioni, può essere sufficiente esaminare l'angolo di contatto statico all'equilibrio utilizzando soluzioni dyne, in conformità a una procedura di test documentata. I kit applicativi o “pennarelli/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”. I pennarelli/soluzioni dyne sono noti 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 ai pennarelli per i problemi di contaminazione dovuti agli usi multipli.

Il metodo migliore per verificare la qualità superficiale:

Il Surface Analyst™ 2001 è un dispositivo digitale portatile per la misurazione degli angoli di contatto in linea di produzione senza l'uso di soluzioni chimiche dyne. 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. Ideato da BTG Labs, il Surface Analyst™ è stato progettato per mettere una tecnologia di misurazione superficiale di precisione nelle mani dei tecnici di reparto, per operazioni in cui la condizione della superficie è di importanza critica, come l'incollaggio adesivo, la verniciatura, il rivestimento, la stampa e la decontaminazione. Utilizzando una tecnica brevettata denominata “deposizione balistica”, il dispositivo deposita una goccia d'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 un riscontro immediato all'utente sotto forma di un valore quantificabile o di 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.

BTG Labs Surface Analyst. Foto per gentile concessione di BTG LABS (513.469.1800).

Vi è una forte tendenza, da parte dei produttori, a concentrarsi esclusivamente sugli angoli di contatto o su altre misurazioni della bagnabilità come unico indicatore predittivo dei problemi di incollaggio e per l'esecuzione di test superficiali di routine. La funzionalità chimica della superficie è altrettanto importante, poiché consente di attivare le superfici idrofobiche trasformandole in superfici idrofile 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 possono spesso essere 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”.

Nella scienza della fisica, i meccanismi con cui questi plasmi vengono generati sono diversi, ma i loro effetti sulla bagnabilità superficiale sono simili. La reazione chimica e fisica di base che si verifica consiste nel fatto che elettroni liberi, ioni, specie metastabili, radicali e raggi UV generati nel plasma possono colpire una superficie con energie sufficienti a rompere i legami molecolari sulla superficie della maggior parte dei substrati polimerici. Ciò crea radicali liberi molto reattivi sulla superficie del polimero che, a loro volta, possono formarsi, reticolarsi o, in presenza di ossigeno, reagire rapidamente per formare vari gruppi funzionali chimici sulla superficie del substrato. I gruppi funzionali polari che possono formarsi e migliorare l'incollabilità includono i gruppi carbonile (C=O), carbossile (HOOC), idroperossido (HOO-) e idrossile (HO-). Anche piccole quantità di gruppi funzionali reattivi incorporati nei polimeri possono essere estremamente vantaggiose per migliorare la funzionalità chimica superficiale e la bagnabilità. Inoltre, primer/solventi chimici e abrasione meccanica (compresa la testurizzazione dello stampo) possono essere utilizzati da soli o in combinazione con i pretrattamenti.

Il grado o la qualità del pretrattamento per una solida resistenza dell'adesione è influenzato dalla pulizia delle superfici plastiche. La superficie deve essere pulita per ottenere un pretrattamento ottimale e una conseguente adesione. Le fonti di contaminazione sulle superfici del prodotto che inibiscono il trattamento includono sporco, polvere, grasso e olio. I materiali a basso peso molecolare come i siliconi, gli agenti distaccanti e 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 pigmentati e nei coloranti a tintura 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 antiscivolo 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 sarà l'invecchiamento del pretrattamento. Le superfici trattate al plasma invecchiano a velocità e con intensità diverse 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.

Tenga presente che ogni metodo di pretrattamento superficiale è specifico per l'applicazione e può presentare vantaggi unici e potenziali limitazioni. Per risultati solidi, consideri 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 fattori critici 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 pin di contatto metallici, possono essere trattati elettricamente, mentre i connettori assemblati potrebbero 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 bagnabilità sono difficili da condurre 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 con i trattatori localizzati. In alternativa, si consiglia di utilizzare la fiamma, il plasma freddo a bassa pressione o il plasma atmosferico a basso potenziale.
• Eviti il sovratrattamento. Le superfici eccessivamente ossidate dal plasma possono influire negativamente sui successivi processi di assemblaggio, come la termosaldatura.
• Non tutte le apparecchiature di pretrattamento sono uguali. Esamini la qualità dei sistemi costruiti in funzione. Per i processi di trattamento elettrico, osservi l'uniformità della scarica al plasma; per il trattamento a fiamma, consideri le differenze tra bruciatori a nastro e a porte forate e i componenti del sistema di combustione; per il plasma freddo, esamini la qualità della costruzione della camera, dei supporti degli elettrodi e, in particolare, il produttore della pompa per vuoto.

La rugosità superficiale è il grado di irregolarità della superficie di un solido al di sotto della scala di grandezza della sua forma o ondulazione, ma al di sopra dell'irregolarità delle strutture del reticolo cristallino.

Il grado di rugosità influisce sulla bagnabilità di un solido. Poiché la rugosità è strettamente correlata a un'area superficiale ampliata, 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 bagnabilità superficiale (ossia l'energia superficiale) dei substrati plastici mediante pennarelli di prova dyne.

I test di bagnabilità superficiale devono essere eseguiti immediatamente dopo il pretrattamento (scarica corona, trattamento a fiamma, plasma gassoso a radiofrequenza). Le superfici trattate sono sensibili al tempo e sono influenzate da condizioni ambientali come temperatura e umidità. I substrati devono avere superfici pulite per un'adesione ottimale. Sporco, polvere, oli delle mani/delle dita, prodotti a base di silicone e altri contaminanti inibiscono l'adesione e possono causare risultati di test errati.

1.0 Materiali / Attrezzature

• Pennarelli marcatori 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 ambientali.
• Selezionare il pennarello dyne da 60 e togliere il tappo.
• Posizionare il prodotto da testare su una superficie piana e premere con decisione la punta applicatrice del pennarello sul prodotto finché la soluzione non viene assorbita nella punta.
• Con un tocco leggero, far scorrere il pennarello lungo tutta la superficie pretrattata una sola volta per applicare uno strato sottile di liquido.
• Si raccomandano passate parallele. Una quantità eccessiva di soluzione comporterà una lettura errata.
• Annotare il tempo impiegato dal liquido per rompersi in gocce. La lettura del comportamento del liquido va osservata al centro del liquido.
• Se il liquido non si rompe in gocce 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 gocce in meno di due (2) secondi, ripetere il test utilizzando il pennarello dyne di valore immediatamente inferiore. Potrebbero essere necessarie regolazioni al processo di pretrattamento.
• Il test è completo quando tutte le superfici raggiungono i risultati di bagnabilità desiderati.
• Smaltire correttamente i prodotti testati.

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