表面前處理／表面品質
以接觸角與表面張力最佳化附著
塑膠材料天生難以黏接、塗裝、貼合、印刷與裝飾，因為它們是疏水的非極性材料，化學惰性且表面潤濕性差——即表面能低。附著取決於基材與（或）塗料之間的極性與非極性交互作用。要改善聚合物表面的潤濕與附著，必須提高表面能與具交互作用的極性成分。要達到最佳附著，黏著劑（塗料、油墨或漆料）必須徹底「潤濕」待黏接表面（被黏物）。氣相電漿前處理是「氧化性」製程，透過引入化學極性官能基，能極有效地解決附著問題。
The Sabreen Group 專精塑膠、複合材料、橡膠與金屬的表面工程與前處理，以實現穩健的製造流程。我們的製程方法與技術解決塑膠對塑膠、塑膠對橡膠、塑膠對金屬應用的黏接問題。我們以用於製造軍事／航太電子與智慧飛彈／炸彈的表面前處理製程獲頒美國專利 5051586。實驗室表面分析測試包括原子力顯微鏡、ESCA／XPS 與接觸角。
SABREEN 的創新解決方案應用包括：
- 塑膠、複合材料、金屬的黏接
- 塑膠與金屬塗裝
- 噴墨列印
- 聚合物薄膜印刷
- 疏水／親水塗層
- 微流體裝置
- 塑膠、玻璃、金屬的塗裝
- 鐵氟龍／PTFE
憑藉深厚的產業經驗與知識，The Sabreen Group 熟練地解決表面前處理問題，並導入符合成本效益、環保的解決方案。SABREEN 的專家在表面前處理、界面化學、表面品質與分析量測技術等領域素負盛名。
為什麼需要表面前處理?
塑膠材料在黏接黏著劑、塗料、油墨與漆料時，表面能低、界面附著性差。電漿表面前處理用於促進難黏塑膠基材的附著，而「氣相」電漿表面（改質）氧化是最常見的改質方法，經實證高度有效、經濟且環保。為特定應用選擇何種方法可能頗具挑戰，部分原因在於誤解與混淆的術語。透過理解接觸角、表面潤濕與化學活化的基礎科學，幾乎任何黏接問題都能成功解決——即使面對最難黏接的聚合物與彈性體材料。
什麼是「氣相」電漿表面（改質）氧化?
氣相「輝光放電」表面氧化前處理製程用於化學表面活化。這些製程的特徵是能產生「氣體電漿」——一種由自由電子、正離子與其他物種組成、反應性極強的氣體。電漿常被稱為物質的第四態：隨著能量供給，固體熔化為液體，液體汽化為氣體，氣體游離為「電漿」。
哪種製程最適合您的應用？點擊下方按鈕了解各種電漿方法。
親水表面
疏水表面
部分潤濕
接觸角是液-氣界面與固體界面相交處的夾角，通常透過液體側量測。接觸角透過楊氏方程式量化液體對固體表面的潤濕性。
僅測試靜態接觸角的流體行為，可能導致對液／固界面結果的誤判，妨礙黏接問題的解決。因為工業製造生產作業更貼近動態而非靜態條件，所以理解動態接觸角（DCA）十分重要。接觸角通常同時受表面化學變化與表面形貌變化的影響。
前進接觸角對基材表面低能量（未改質）成分最敏感，後退角則對前處理引入的高能量氧化官能基更敏感。因此，後退角是最能代表前處理後表面改質成分的量測值（以 dyne 測試液量測）。所以對所有表面改質材料，前進角與後退角都必須量測。
當液滴附著在固體表面、且固體表面傾斜時，液滴會向前挺進並向下滑動，形成的角度分別稱為前進角與後退角。ASTM D724 描述使用先進設備（光學張力計與量角器）量測 DCA 的方法，根據液滴形狀分析與質量來分析前進與後退接觸角。
動態接觸角（後退角與前進角）
許多塑膠難以黏接的根本原因，在於它們是疏水的非極性材料，化學惰性且表面潤濕性差——即表面能低。這些疏水（排水）性能對追求此類特性的零件設計師是理想的，對需要黏接這些材料的製造商卻是剋星。穩健的附著黏接通常需要「親水」表面。要產生最佳附著，黏著劑（塗料、油墨或漆料）必須徹底「潤濕」待黏接表面（被黏物）。
「潤濕」指液體流動並覆蓋表面，使黏著劑與被黏物黏接表面之間的接觸面積與吸引力最大化。液體要有效潤濕表面，黏著劑的表面能必須等於或低於待黏接被黏物的表面能；或者，必須提高基材的表面能。
想像一滴液體靜置於平坦固體表面（平衡狀態）。固體表面與端點處上表面切線形成的夾角稱為接觸角；即接觸點切線與固體表面水平線之間、穿過液體量測的角度。氣泡／液滴的形狀源自分子力：所有液體都傾向透過表面收縮，使所含體積形成表面積最小的形狀。使表面收縮的分子間力稱為「表面張力」。表面張力是表面能的度量，以 dynes/cm（SI 制 N/m）表示。
固體基材的表面能相對於液體（水、印刷油墨、黏著劑／封裝材、塗料等）表面張力越高，其「潤濕性」越好，接觸角越小（第 2 頁圖 1）。一般而言，當基材表面能比液體表面張力高約 8 至 10 dynes/cm 時，即可達到可接受的黏接附著。
親水與疏水表面的「表面潤濕」比較
對許多應用而言，按照書面測試程序使用 dyne 測試液檢查靜態平衡接觸角可能就已足夠。應用套組或「dyne 測試筆／液」提供有用資訊，但並非表面張力的精確量測。表面張力量測會因個人（手法）與對液體「中心」行為的解讀而差異很大。dyne 筆／液是表面張力顯著差異的方向性指標，能以經濟的價格辨識「良好」與「不良」的可黏接表面。瓶裝 dyne 測試液可能優於測試筆，因為筆多次使用會有污染問題。
檢驗表面品質的最佳方法：
Surface Analyst™ 2001 是一款手持數位裝置，可在產線上量測接觸角，無需化學 dyne 測試液。此方法非破壞性，零件可照常後續加工——不像 dyne 液測試會刮傷零件。Surface Analyst™ 由 BTG Labs 發明，旨在把精密表面量測技術交到現場技術人員手中，用於表面狀態至關重要的作業，如黏接、噴漆、塗裝、印刷與除污。裝置採用名為「彈道沉積」的專利技術，在基材表面沉積一滴高純度水。
透過已知水滴的體積與面積，裝置計算水對特定表面的接觸角，並以量化數值或合格／不合格警示即時回饋使用者。裝置提供的檢驗數據讓使用者判斷基材是否已為附著製程妥善準備，可取代破壞性的 dyne 測試液。手持裝置可任意方向操作，適用平滑或紋理表面（如壓紋 TPO）。這些數據可用於持續製程改善、識別可能預示問題的品質漂移，或精確找出產品失效的關鍵原因。
BTG Labs Surface Analyst。照片由 BTG LABS 提供（513.469.1800）。
製造商往往只關注接觸角或其他潤濕性量測，將其作為黏接問題的唯一預測指標與例行表面測試方法。化學表面官能性同樣重要——疏水表面須被活化為可黏接的親水表面。氣相「輝光放電」表面氧化前處理製程用於化學表面活化。這些製程的特徵是能產生「氣體電漿」——由自由電子、正離子與其他物種組成、反應性極強的氣體。電漿常被稱為物質第四態：隨著能量供給，固體熔化為液體，液體汽化為氣體，氣體游離為「電漿」。
在物理學上，產生這些電漿的機理各不相同，但對表面潤濕性的效果相似。發生的基本化學與物理反應是：電漿中產生的自由電子、離子、亞穩態粒子、自由基與紫外線，能以足夠的能量撞擊表面，打斷大多數聚合物基材表面的分子鍵。這在聚合物表面產生反應性極強的自由基，這些自由基可形成、交聯，或在氧存在下迅速反應，在基材表面形成各種化學官能基。能形成並增強可黏接性的極性官能基包括羰基（C=O）、羧基（HOOC）、氫過氧基（HOO-）與羥基（HO-）。即使只有少量反應性官能基併入聚合物，也對改善表面化學官能性與潤濕性大有助益。此外，化學助黏劑／溶劑與機械研磨（包括模具紋理）可單獨使用或與前處理併用。
塑膠表面的潔淨度影響前處理的程度與品質，進而影響附著強度。表面必須潔淨才能達到最佳前處理與後續附著。妨礙處理的產品表面污染源包括灰塵、粉塵、油脂與油污。矽氧樹脂、脫模劑與抗滑劑等低分子量物質對黏接尤其有害。材料純度也是重要因素。此外，顏料與染料著色劑中使用的某些可溶或不可溶化合物也會不利於附著。
經處理塑膠的保存期限（處理老化劣化）取決於樹脂種類、配方與儲存區的環境。低分子量氧化物質（LMWOM）——如抗氧化劑、塑化劑、滑劑與抗靜電劑、著色劑與顏料、安定劑等——會縮短處理後產品的保存期限。處理過的表面暴露於高溫會提高分子鏈遷移率；鏈遷移率越高，前處理老化越快。電漿處理過的表面因周遭環境因素而以不同速率、不同程度老化。老化特性及其儲存保存期限對製造作業至關重要。活化表面的保存期限可能是數小時、數天、數月或更長。建議在前處理後儘快進行黏接、塗裝、噴漆或裝飾。
請認知每種表面前處理方法都是應用特定的，各有獨特優勢與潛在限制。為取得穩健結果，請考量以下因素：
- 聚合物對氧化製程的反應各不相同。聚合物基材的種類及其終端使用性能要求，是決定前處理方法選擇的關鍵。
- 基材（待處理產品）是否導電？例如，未組裝的塑膠電子連接器本體——不含金屬接觸針——可用電氣方式處理；已組裝的連接器則可能出現電弧問題。
- 零件幾何——平坦表面比深凹槽、極端錐面與其他不規則形狀更容易處理。潤濕測試在小面積與重度紋理表面上很難進行。
- 物料搬運自動化：導電皮帶與鏈條可能與傳統電暈放電及點處理器產生電弧。可改用火焰、冷氣體電漿或低電位大氣電漿。
- 避免過度處理。電漿過度氧化的表面可能不利於熱封／焊接等後段組裝製程。
- 前處理設備並非全都一樣。實地檢視系統建造品質：電氣處理製程要觀察電漿放電的均勻性；火焰處理要考量帶狀與鑽孔燃燒器及燃燒系統元件的差異；冷氣體電漿要檢視腔體結構、電極層架的品質，尤其是真空泵的製造商。
表面粗糙度是固體表面的不平整程度，其尺度低於形狀或起伏的量級，但高於晶格結構的不規則度。
粗糙度影響固體的潤濕性。由於粗糙度與擴大的表面積相伴而生，它會影響固體的潤濕性、液體的接觸角與附著力。
本程序描述使用 dyne 測試筆測試與量測塑膠基材表面潤濕張力（即表面能）的方法。
表面潤濕測試應在前處理（電暈放電、火焰處理、RF 氣體電漿）後立即進行。處理過的表面具時間敏感性，受溫度與濕度等環境條件影響。基材表面必須潔淨才有最佳附著。灰塵、粉塵、手指油脂、矽氧類產品與其他污染物會妨礙附著並導致錯誤的測試結果。
1.0 材料／設備
- Dyne 測試筆——可用等級：30、32、34、36、38、40、42、44、46、48、50、52、54、56、60
- 待測產品
- 塑膠手套
- 無塵擦拭紙（Chemwipes）或紙巾
- 溫濕度計
- 清潔的工作區
2.0 方法
- 記錄環境溫度與濕度。
- 選用 60 dyne 測試筆並取下筆蓋。
- 將待測產品置於平坦表面上，將測試筆筆尖穩固下壓於產品，直到溶液被吸入筆尖。
- 以輕觸方式，沿前處理表面的長度方向劃過一次，塗上一層薄液膜。
- 建議平行劃線。溶液過多會導致誤讀。
- 記下液體收縮成液珠所需的時間。液體行為的判讀應觀察液膜中央。
- 若液體在兩（2）秒後仍未收縮成液珠，則表面能可視為至少 60 dyne，前往步驟 2.7。若液體在兩（2）秒內收縮成液珠，改用低一級的 dyne 測試筆重複測試。可能需要調整前處理製程。
- 當所有表面達到所需潤濕結果時，測試即完成。
- 妥善棄置已測試的產品。
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