Zdobienie i wykańczanie tworzyw

Zdobienie i wykańczanie

Doskonałość procesu od koncepcji po komercjalizację

Świetnie wyglądające produkty nie powstają same! Od 1992 roku SABREEN rozwiązał problemy produkcji tworzyw sztucznych dla 550 firm w 35 krajach. Nasze innowacyjne technologie służą do produkcji wielu najbardziej rozpoznawalnych wyrobów wojskowych i komercyjnych — od Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i farmaceutyków po podwodne kamery sportowe. Inżynieria SABREEN przyniosła naszym klientom najwyższe nagrody branżowe, w tym tytuł farmaceutyczno-medycznego opakowania roku i miejsce w zbiorach Narodowego Muzeum Smithsonian. Nasze wczesne zaangażowanie w projekt przyspiesza harmonogramy.

Przełomowe procesy SABREEN oznaczają tańszą produkcję, jakość Six Sigma i kluczowe przewagi rynkowe. Pozwól nam stworzyć efektowne produkty dla Twojej firmy.

Indywidualne technologie klejenia i utwardzania do hermetycznego uszczelniania poliolefin

Podświetlane przyciski samochodowe „dzień/noc": lakierowanie i ablacja laserowa

Druk cyfrowy (atramentowy) na cylindrycznych długopisach o konturowej powierzchni

Tampodruk 360° na pokrętle sejfu z PPS, kąt pochylenia 60°

Cyfrowy kolorowy druk atramentowy i znakowanie laserowe elastomerów termoplastycznych i gum. Masowa personalizacja.

Podpowierzchniowe znakowanie laserowe dla informacji o produkcie i jego bezpieczeństwa

Druk cyfrowy dla masowej personalizacji

Specjalna bezbarwna powłoka nawierzchniowa dla adhezji i wysokiej udarności

Pełnokolorowy druk cyfrowy z odpornym chemicznie topcoatem FDA — stabilność w zmywarce

Nagradzane, modne farmaceutyczno-medyczne etui na środki antykoncepcyjne

Polimerowe dachówki zdobione/powlekane imitujące łupek i gont cedrowy, 40 lat gwarancji na światłotrwałość, ogień i wiatr

Indywidualne zdobienia i powłoki specjalne imitujące soft-touch i słoje drewna

Dekoratorzy stosują rozmaite procesy wtórne, aby nadać pojemnikom i innym częściom z tworzyw przyciągające wzrok efekty. Ponadto barwniki efektowe można wforować w części z tworzyw, uzyskując atrakcyjny wygląd sam w sobie. Co więcej, możemy łączyć te barwniki z procesami wtórnymi — natryskiem, tampodrukiem, hydrografiką, znakowaniem laserowym i metalizacją — uzyskując unikalne efekty wizualne i dotykowe.

Rodzaje barwników efektowych

Tabela 1 wymienia sześć głównych klas pigmentów i barwników efektowych. Wszystkie są dostępne w wersjach bez metali ciężkich, a część spełnia przepisy FDA dla tworzyw.

Tabela 1 wymienia sześć głównych klas pigmentów i barwników efektowych. Wszystkie są dostępne w wersjach bez metali ciężkich, a część spełnia przepisy FDA dla tworzyw:

Pigmenty perłowe. Podstawowy typ pigmentów perłowych używanych w farbach, tuszach i tworzywach opiera się na płatkach miki powlekanych dwutlenkiem tytanu. Wraz ze wzrostem grubości powłoki kolor zmienia się od srebrzystobiałego przez żółty, czerwony, niebieski po zielony. Inne kolory uzyskuje się przez drugą powłokę z tlenku żelaza (złoto i beż) lub tlenku chromu (zieleń), a gamę kolorów metalicznych (brąz i miedź) — zastępując dwutlenek tytanu tlenkiem żelaza.

Pigmenty metaliczne. Wytwarzane ze stopów miedzi i aluminium, dostępne w wielu kolorach i kształtach cząstek. Wersje miedziowe mają barwy od jasnego zielonkawego złota po czerwone złoto; aluminiowe są srebrne i srebrnoszare. Pierwotnie zdecydowana większość ofert miała formę płatków dla maksymalizacji połysku. Podobnie jak przy perłowych, przetwórca musi minimalizować siły ścinające, by zachować kształt cząstek, a kolorysta zwykle miesza pigmenty o różnych rozmiarach cząstek dla pożądanej równowagi połysku i krycia. Mniejsze cząstki dają krycie, większe — połysk. Ponieważ pigmenty metaliczne przewodzą ciepło i elektryczność, często służą też do nadawania właściwości funkcjonalnych, nie tylko dekoracji.

Barwniki i pigmenty fluorescencyjne. Nazywane czasem kolorami „świecącymi w dzień", działają na zasadzie „zabierania Piotrowi, by dać Pawłowi". Światło dzienne składa się z promieniowania ultrafioletowego, widzialnego i podczerwonego. W konwencjonalnych pigmentach widziany kolor wynika z odbicia określonych długości fal światła widzialnego. Pigmenty i barwniki fluorescencyjne wykorzystują zarówno ultrafiolet, jak i promienie widzialne: ich budowa chemiczna pozwala emitować część pochłoniętego UV jako promieniowanie widzialne. To wyemitowane światło dodaje się do odbitego, dając znacznie jaśniejszy kolor, który zdaje się świecić. Podobny efekt daje komercyjne oświetlenie fluorescencyjne. Produkty konsumenckie — od gumy balonowej po proszki do prania — pakowano we fluorescencyjne pojemniki, by przyciągnąć wzrok kupującego.

Pigmenty fosforescencyjne. Zwane też „świecącymi w ciemności", trafiają do wielu zastosowań: włączników światła, tarcz, przycisków pilotów TV czy zabawek. Podczas gdy pigmenty konwencjonalne emitują światło tak szybko, jak je pochłaniają, fosforescencyjne oddziałują ze światłem inaczej: chętnie absorbują je w szerokim zakresie długości fal, ale oddają bardzo powoli. Pierwotnie opierały się na chemii siarczku kadmu, dziś jednak wiele firm oferuje wersje bez metali ciężkich. Wyrób zabarwiony takimi pigmentami „ładuje się", wystawiając go na źródło światła widzialnego — wystarczy zwykła żarówka — a po odstawieniu od źródła będzie świecił przez kilka godzin.

Barwniki termochromowe i fotochromowe. Dają uderzające efekty zmiany koloru. Jak sama nazwa wskazuje, termochromowe zmieniają kolor pod wpływem zmiany temperatury. To złożone barwniki z barwnika, aktywatora i rozpuszczalnika: temperatura topnienia rozpuszczalnika wyznacza temperaturę zmiany koloru, a barwnik decyduje o kolorze. Termochromowe najlepiej działają w „miękkich tworzywach" — skuteczniejsze są w PE, polistyrenie udarowym i miękkim PVC niż w PP, polistyrenie krystalicznym czy twardym PVC, bo miększe tworzywa mają więcej wolnej objętości na pomieszczenie wszystkich trzech składników. Dostępne w handlu termochromy różnią się mocno ceną, ale wszystkie wymagają dość wysokich stężeń dla dramatycznego efektu. Barwniki fotochromowe opierają się na barwnikach zmieniających kształt cząsteczki pod wpływem słońca; działają przy niskich stężeniach (ok. 0,5% i mniej) i dobrze sprawdzają się w tworzywach przezroczystych.

Dekoracyjne powłoki wodorozcieńczalne zapewniają wyjątkowy wygląd, funkcjonalność i wartość, a przy tym są przyjazne środowisku. Powlekanie wodne to szybko rozwijająca się technologia wykorzystująca wodę jako nośnik powłoki na powierzchnię tworzywa; staje się nowym standardem, wypierając wiele odpowiedników rozpuszczalnikowych. Dzisiejsze chemie wodne oferują w wielu zastosowaniach właściwości kosmetyczne i fizyczne równe lub lepsze niż rozpuszczalnikowe.

Wysokowydajne powłoki wodne osiągają najwyższe standardy wykończenia dekoracyjnego i szybko zdobywają wiele sektorów rynku malowania i powlekania. Powłoki wodne są ekologicznie „zielone" i spełniają surowe normy emisji, dzięki czemu producenci mogli w wielu zastosowaniach odejść od systemów rozpuszczalnikowych. Są mniej toksyczne, mają niskie poziomy LZO i są mniej palne. Ich stosowanie zmniejsza emisje do powietrza i poprawia zdrowie oraz bezpieczeństwo pracowników.

Powłoki wodne występują z różnymi mechanizmami utwardzania: a) odparowanie, b) wypalanie w piecu i c) utwardzanie UV. W ostatnich latach branże motoryzacyjne, morskie i architektoniczne OEM znacząco zwiększyły użycie pigmentowanych i bezbarwnych (topcoat) powłok wodnych.

W powłokach rozpuszczalnikowych medium jest rozpuszczalnik organiczny lub ich mieszanka (MEK, MIBK, ksylen, toluen itd.). Aby powłokę zaklasyfikować jako „wodną", woda musi być istotnym lub głównym medium. Większość powłok wodnych zawiera też w medium pewne organiczne korozpuszczalniki — zwykle niskocząsteczkowe polarne ketony, alkohole i estry. Typowy skład chemiczny to około 50% wody, 45% ciał stałych i 5% korozpuszczalników (od 2 do 20% medium).

Zastosowanie procesowe

Z powłokami wodnymi można stosować konwencjonalne procesy aplikacji, w tym wszystkie metody natrysku i powlekanie zanurzeniowe. Daje to procesom wodnym przewagę nad farbami wysokosolidowymi, których nie można nakładać zanurzeniowo z powodu wyższej lepkości. Metody natrysku to tradycyjna atomizacja powietrzna, HVLP, airless i air-assisted airless. Pistolety można myć wodą lub roztworami wodnymi zamiast rozcieńczalnika czy acetonu.

Uwagi dotyczące suszenia

Czas utwardzania powłok wodnych jest znacznie dłuższy niż rozpuszczalnikowych. Przy suszeniu wymuszonym lub wypalaniu konieczny jest odpowiedni czas odparowania między kabiną a piecem; inaczej może dojść do pęcherzenia rozpuszczalnikowego. Trzeba też zadbać, by temperatura powierzchni części była wyższa od punktu rosy, aby zapobiec kondensacji. Latem zwykle nie stanowi to problemu, zimą może być istotne.

Ciepła pogoda przy wysokiej wilgotności wydłuża czasy odparowania i schnięcia. Przy dużej wilgotności para wodna uwalniana podczas suszenia nie ma dokąd ujść i film nie utwardzi się. Zapewniając umiarkowany przepływ powietrza i podwyższoną temperaturę, dostarczamy powłoce świeże powietrze o większej pojemności wilgoci. Cała woda musi zostać usunięta z powłoki, zanim części trafią na mróz; inaczej pozostała woda, zamarzając, rozszerzy się i spowoduje utratę przyczepności.

Przyczepność i odporność na ścieranie utwardzonych powłok i farb to dwie krytyczne właściwości użytkowe; ich pomiar i kontrola są niezbędne dla solidnej produkcji. To odrębne właściwości fizyczne, często mylnie diagnozowane w analizie przyczyn awarii. Słaba przyczepność i odporność na ścieranie to główne przyczyny awarii w terenie, braków i poprawek, niższych zysków i niezadowolenia klientów. Istnieją techniki pomiaru tych właściwości.

Przyczepność a ścieranie

Optymalną przyczepność i odporność na ścieranie utwardzonych powłok i farb na podłożach z tworzyw trzeba osiągnąć w produkcji, by wyroby wysokiej jakości wytrzymały cały okres eksploatacji. Właściwości te bywają współzależne, ale często się wykluczają: powłoki mogą mieć dobrą przyczepność i słabą odporność na ścieranie albo odwrotnie. Właściwe testowanie i rozumienie obu cech zapewnia zgodność ze specyfikacją i jest bezcenne w rozwiązywaniu problemów powlekania i druku. Identyfikacja mechanizmu uszkodzenia — adhezja (kohezja), ścieranie lub oba — wyznacza inżynierskie rozwiązanie procesu. Istnieją historyczne metody badań i nowe oprzyrządowanie do pomiaru i analizy tych właściwości.

Metody badania przyczepności

ASTM D 3359, standardowa metoda pomiaru przyczepności testem taśmowym, to historycznie chyba najbardziej znana i najszerzej stosowana metoda badania adhezji powłok i farb — dzięki prostocie i niskim kosztom. Podstawowa procedura testu taśmowego obejmuje:

• Uzgodnienie wyboru taśmy.
• Powłoki i farby muszą być przed badaniem całkowicie utwardzone.
• Wykonać nacięcia X w filmie wg metody A albo siatkę sześciu lub jedenastu nacięć w każdym kierunku wg metody B.
• Odwinąć i wyrzucić dwa zwoje taśmy z rolki.
• Wygładzić taśmę palcem, a następnie mocno przetrzeć gumką na końcu ołówka lub podobnym narzędziem. Kolor pod taśmą dobrze wskazuje pełny kontakt.
• W ciągu 60–120 sekund od naklejenia usunąć taśmę, ciągnąc wolny koniec szybko (nie szarpać) do tyłu po sobie, możliwie pod kątem 180 stopni.
• Obejrzeć nacięty obszar pod kątem oderwania powłoki od podłoża i ocenić przyczepność względem ustalonych opisów i klasyfikacji ilustracyjnych (0B, 1B, 2B, 3B, 4B, 5B).

Projektanci mogą poprawić adhezję, dodając teksturę do powierzchni formy. Tekstura wprowadza szczyty i doliny, dając mechaniczne zakleszczenie. Można ją wykonać w narzędziu formującym lub ręcznie padem Scotch-Brite z czyszczeniem rozpuszczalnikiem. Tekstura formowana jest lepsza, bo utrzymuje właściwości powierzchni bez dodatkowych kosztów pracy/chemii. Na przykład wykończenie gniazda formy NTMA „40-Diamond buffed 1200 Grit" prawdopodobnie poprawi wytrzymałość połączenia względem wykończenia „10-Fine Diamond 8000 Grit" (zakres 0–3 mikronów). Patrz rysunek 4: SPI Mold Surface Finish. Nawet lekko teksturowane powierzchnie są korzystne. W zastosowaniach z otworami wgłębnymi, jak złącza, wysoce skuteczne są trawione rdzenie w formie.

Zgodność tuszu z podłożem polimerowym — do najtrudniejszych w druku atramentowym polimerów należą: acetale (POM), poliamidy (nylon), poliolefiny, poliester (PET), polisiarczek fenylenu (PPS), polieteroeteroketon (PEEK), polieteroimid (PEI), poliimid „Kapton" (PI), politetrafluoroetylen (PTFE) i poliuretany (PUR). Projektanci wybierają te materiały o niskiej energii powierzchniowej (LSE) ze względu na lekkość zastępującą metal, sztywność i wytrzymałość, odporność chemiczną i właściwości fizyczne w podwyższonych temperaturach pracy.

Aby druk i zdobienie się powiodły, tusze i powłoki muszą osiągnąć długotrwałą przyczepność do powierzchni polimeru. Adhezja zależy głównie od zjawisk powierzchniowych: tusz o podwyższonej temperaturze musi łatwo wystrzeliwać z głowicy i właściwie oddziaływać z podłożem. Musi nawiązać ścisły kontakt z powierzchnią polimeru — ten ścisły kontakt to zwilżanie powierzchni, czyli zdolność tuszu do rozpływania się po niej. Większość powierzchni polimerowych jest naturalnie hydrofobowa i opiera się zwilżaniu. Te tworzywa to zwykle chemicznie obojętne, nieporowate powierzchnie o niskiej energii powierzchniowej, co czyni adhezję druku prawie niemożliwą. Energia powierzchniowa to nadmiar energii na powierzchni ciała stałego (w odróżnieniu od wnętrza) — cząsteczki na powierzchni nie mogą oddziaływać z tyloma podobnymi sąsiadami co cząsteczki w masie, mają więc nadmiar energii oddziaływań.

Przykład: poliamid, powszechnie znany jako nylon, to polimer półkrystaliczny. Dwa najczęstsze gatunki to Nylon 6 i Nylon 6/6. Polimery nylonowe z natury trudno kleić, bo są hydrofobowe, chemicznie obojętne i słabo zwilżalne (niska energia powierzchniowa). Ponadto nylony są higroskopijne i absorbują z atmosfery ponad 3% swojej masy wody. Wilgoć sama w sobie stwarza problemy adhezji; właściwa procedura suszenia żywic nylonowych jest krytyczna dla przetwórstwa i parametrów części. Co najistotniejsze, hydrofobowość nylonu to właściwość powierzchniowa, a hydrofilowość — objętościowa. Jako polimer organiczny nylon ma stosunkowo niską energię powierzchniową — to konsekwencja chemii i fizyki powierzchni polimerów i innych związków organicznych. Jednak grupy amidowe w łańcuchu przyciągają wodę i odpowiadają za hydrofilowe zachowanie materiału przy objętościowej absorpcji wody. Tak więc w masie nylon może zachowywać się hydrofilowo, a na powierzchni — hydrofobowo.

Polisiarczek fenylenu (PPS) oferuje najszerszą odporność na media korozyjne spośród zaawansowanych tworzyw konstrukcyjnych. Wyroby z PPS nie są higroskopijne, więc nie mają problemów z rozszerzalnością wymiarową jak nylon (poliamidy). Mimo to przy formowaniu ważne jest użycie suchej żywicy — wilgoć sama w sobie jest problematyczna. Wysoka wilgotność może tworzyć pustki, które pogarszają parametry części, adhezję i estetykę. Czas między suszeniem a przetwórstwem powinien być jak najkrótszy. PPS należy suszyć w suszarkach lejowych z osuszaniem; piece gorącego powietrza zasadniczo nie są zalecane. Dla pełnej krystalizacji wymagane są temperatury formy co najmniej 275–300°F. PPS formowany poniżej 275°F daje wypraski amorficzne lub półkrystaliczne, które pozostają w tym stanie aż do ekspozycji na wyższe temperatury pracy (w tym utwardzanie cieplne). Jeśli temperatura pracy przekroczy temperaturę formowania, części staną się bardziej krystaliczne, co zmieni wymiary i właściwości. Na przykład temperatura ugięcia pod obciążeniem (HDT) przy 264 psi (1,8 MPa) dla PPS z 40% włókna szklanego formowanego niekrystalicznie wynosi tylko 350°F, ale w stanie krystalicznym rośnie powyżej 500°F (260°C). Ponadto temperatura formy dramatycznie wpływa na wygląd powierzchni.

Substancje o niskiej masie cząsteczkowej — silikony, środki rozformowujące, antypoślizgowe i dodatki procesowe — hamują zdolność tuszu do płynięcia i nawiązania ścisłego kontaktu niezbędnego dla adhezji. Pewne rozpuszczalne lub nierozpuszczalne składniki pigmentów i barwników mogą niekorzystnie wpływać na przyczepność. Skład chemiczny formowanej powierzchni, tekstura i porowatość znacząco wpływają na płynięcie i adhezję tuszu. Na stopień i jakość obróbki oraz przyczepność wpływa czystość powierzchni tworzywa: musi być czysta dla optymalnej obróbki wstępnej i późniejszej adhezji tuszu. Zanieczyszczenia powierzchni — silikonowe środki rozformowujące, brud, kurz, smary, oleje i odciski palców — hamują obróbkę.

Ważna jest też czystość materiału. Okres trwałości tworzyw po obróbce zależy od rodzaju żywicy, formulacji i warunków otoczenia w miejscu składowania. Ograniczają go niskocząsteczkowe utlenione substancje (LMWOM): antyutleniacze, plastyfikatory, środki poślizgowe i antystatyczne, barwniki i pigmenty, stabilizatory itd. Ekspozycja obrobionych powierzchni na podwyższone temperatury zwiększa ruchliwość łańcuchów molekularnych — im wyższa ruchliwość, tym szybsze starzenie obróbki. Ruchliwość łańcuchów w obrobionych materiałach sprawia, że miejsca wiązań utworzone przez obróbkę oddalają się od powierzchni, a składniki te mogą ostatecznie na nią wymigrować.

---