Obróbka wstępna powierzchni tworzyw

Obróbka wstępna powierzchni / jakość powierzchni

Kąt zwilżania i napięcie powierzchniowe dla optymalnej adhezji

Testy plazmowe na miejscu i szkolenia z nauki o powierzchniach

Tworzywa sztuczne z natury trudno kleić, powlekać, laminować, drukować i zdobić, ponieważ są hydrofobowymi materiałami niepolarnymi, chemicznie obojętnymi, o słabej zwilżalności — czyli niskiej energii powierzchniowej. O adhezji decydują oddziaływania polarne i niepolarne między podłożami i/lub materiałami powłokowymi. Poprawa zwilżania i adhezji na powierzchniach polimerowych wymaga zwiększenia energii powierzchniowej i oddziałujących składników polarnych. Dla optymalnej adhezji klej (powłoka, farba czy lakier) musi całkowicie „zwilżyć" powierzchnię łączoną. Plazmowe obróbki wstępne w fazie gazowej to procesy „utleniające", wysoce skuteczne w rozwiązywaniu problemów adhezji przez wprowadzanie polarnych chemicznych grup funkcyjnych.

The Sabreen Group specjalizuje się w inżynierii powierzchni i obróbce wstępnej tworzyw, kompozytów, gum i metali, zapewniając solidne procesy produkcyjne. Nasze metody i technologie rozwiązują problemy łączenia tworzywa z tworzywem, tworzywa z gumą i tworzywa z metalem. Otrzymaliśmy patent USA 5051586 na proces obróbki wstępnej stosowany w produkcji elektroniki wojskowej/lotniczej oraz inteligentnych pocisków i bomb. Laboratoryjne badania powierzchni obejmują mikroskopię sił atomowych, ESCA/XPS i kąt zwilżania.

Innowacyjne rozwiązania SABREEN obejmują zastosowania:

• Klejenie tworzyw, kompozytów, metali
• Powłoki na tworzywach i metalach
• Druk atramentowy
• Druk na foliach polimerowych
• Powłoki hydrofobowe / hydrofilowe
• Urządzenia mikroprzepływowe
• Powłoki na tworzywach, szkle, metalach
• Teflon / PTFE

Dzięki ogromnemu doświadczeniu i wiedzy branżowej The Sabreen Group sprawnie rozwiązuje problemy obróbki wstępnej powierzchni i wdraża ekonomiczne, przyjazne środowisku rozwiązania. Eksperci SABREEN wyróżniają się w dziedzinach obróbki wstępnej, chemii międzyfazowej, jakości powierzchni i technik pomiarów analitycznych.

Dlaczego obróbka wstępna powierzchni jest konieczna?

Tworzywa sztuczne mają niską energię powierzchniową i słabą adhezję międzyfazową przy klejeniu klejami, powłokami, farbami i lakierami. Plazmowe obróbki wstępne stosuje się, by poprawić adhezję trudnych do klejenia podłoży z tworzyw, a „gazowa" plazmowa oksydacja (modyfikacja) powierzchni to najpowszechniejsza metoda modyfikacji — sprawdzona jako wysoce skuteczna, ekonomiczna i bezpieczna dla środowiska. Wybór metody dla danej aplikacji bywa trudny, po części z powodu nieporozumień i mylącej terminologii. Rozumiejąc podstawy nauki o kątach zwilżania, zwilżaniu powierzchni i aktywacji chemicznej, można skutecznie rozwiązać praktycznie każdy problem klejenia — nawet najbardziej opornych polimerów i elastomerów.

Czym jest „gazowa" plazmowa oksydacja (modyfikacja) powierzchni?

Gazowe procesy obróbki wstępnej przez utlenianie powierzchni w wyładowaniu jarzeniowym służą chemicznej aktywacji powierzchni. Charakteryzują się zdolnością generowania „plazmy gazowej" — skrajnie reaktywnego gazu złożonego z wolnych elektronów, jonów dodatnich i innych cząstek. Plazmę często opisuje się jako czwarty stan skupienia materii: w miarę dostarczania energii ciała stałe topnieją w ciecze, ciecze parują w gazy, a gazy jonizują się w „plazmę".

Który proces jest najlepszy dla Twojej aplikacji? Kliknij przyciski poniżej, aby poznać każdą metodę plazmową.

Plazma atmosferyczna

Plazma płomieniowa

Promieniowanie UV i ozon

Wyładowanie koronowe

Plazma płomieniowa Pyrosil

Fluorooksydacja

Plazma powietrzna

Zimna plazma gazowa

Metody chemiczne i mechaniczne

Powierzchnia hydrofilowa

Powierzchnia hydrofobowa

Zwilżanie częściowe

Kąt zwilżania to kąt, zwykle mierzony przez ciecz, w miejscu, gdzie granica faz ciecz–para styka się z powierzchnią ciała stałego. Kąt zwilżania kwantyfikuje zwilżalność powierzchni ciała stałego przez ciecz zgodnie z równaniem Younga.

Badanie zachowania płynu wyłącznie przez statyczny kąt zwilżania może prowadzić do błędnej interpretacji wyników na granicy ciecz/ciało stałe i utrudniać rozwiązywanie problemów klejenia. Przemysłowe operacje produkcyjne są bowiem w praktyce dynamiczne, a nie statyczne. Dlatego ważne jest zrozumienie dynamicznego kąta zwilżania (DCA). Na kąty zwilżania wpływają zarówno zmiany chemii powierzchni, jak i jej topografii.

Kąt natarcia jest najczulszy na niskoenergetyczne (niezmodyfikowane) składniki powierzchni podłoża, a kąt cofania — na wysokoenergetyczne, utlenione grupy wprowadzone obróbką wstępną. To kąt cofania najlepiej charakteryzuje zmodyfikowany składnik powierzchni po obróbce, mierzony płynami dyne. Dlatego na wszystkich materiałach o zmodyfikowanej powierzchni należy mierzyć oba kąty: natarcia i cofania.

Gdy kropla przylega do powierzchni ciała stałego, a powierzchnię przechylimy, kropla rzuci się naprzód i ześlizgnie w dół. Powstałe kąty nazywamy odpowiednio kątem natarcia i kątem cofania. Norma ASTM D724 opisuje metody pomiaru DCA zaawansowanym sprzętem (tensjometry optyczne i goniometry), analizującym kąty natarcia i cofania na podstawie analizy kształtu i masy kropli.

Dynamiczne kąty zwilżania: cofania i natarcia

Przyczyną trudności w klejeniu wielu tworzyw jest to, że są hydrofobowymi materiałami niepolarnymi, chemicznie obojętnymi, o słabej zwilżalności — czyli niskiej energii powierzchniowej. Te hydrofobowe (odpychające wodę) właściwości są idealne dla projektantów części, którzy ich szukają, ale stanowią zmorę producentów, którzy muszą takie materiały kleić. Solidne klejenie zwykle wymaga powierzchni „hydrofilowych". Aby zaszła optymalna adhezja, klej (powłoka, farba, lakier) musi całkowicie „zwilżyć" łączoną powierzchnię.

„Zwilżenie" oznacza, że ciecz rozpływa się i pokrywa powierzchnię, maksymalizując pole kontaktu i siły przyciągania między klejem a powierzchnią łączoną. Aby ciecz skutecznie zwilżyła powierzchnię, energia powierzchniowa kleju musi być równa lub niższa od energii powierzchniowej łączonego podłoża. Alternatywnie trzeba podnieść energię powierzchniową podłoża.

Rozważmy pojedynczą kroplę cieczy spoczywającą na płaskiej powierzchni ciała stałego (w równowadze). Kąt utworzony przez powierzchnię ciała stałego i styczną do górnej powierzchni kropli w punkcie końcowym to kąt zwilżania — kąt mierzony przez ciecz między styczną w punkcie styku a poziomą linią powierzchni. Kształt pęcherzyka/kropli wynika z sił molekularnych, przez które wszystkie ciecze, kurcząc powierzchnię, dążą do kształtu o najmniejszym polu. Siły międzycząsteczkowe kurczące powierzchnię to „napięcie powierzchniowe". Napięcie powierzchniowe, miara energii powierzchniowej, wyraża się w dynach/cm (SI: N/m).

Im wyższa energia powierzchniowa stałego podłoża względem napięcia powierzchniowego cieczy (wody, farb, klejów/zalew, powłok itd.), tym lepsza „zwilżalność" i mniejszy kąt zwilżania (rysunek 1 na stronie 2). Z reguły akceptowalną adhezję uzyskuje się, gdy energia powierzchniowa podłoża jest o około 8–10 dyn/cm wyższa od napięcia powierzchniowego cieczy.

„Zwilżanie powierzchni": powierzchnie hydrofilowe a hydrofobowe

W wielu zastosowaniach wystarczy zbadać statyczny równowagowy kąt zwilżania płynami dyne zgodnie z udokumentowaną procedurą. Zestawy aplikacyjne, czyli „pisaki/płyny dyne", dostarczają użytecznych informacji, ale nie są precyzyjnym pomiarem napięcia powierzchniowego. Wyniki mogą znacznie różnić się w zależności od osoby (techniki) i interpretacji zachowania cieczy „w środku". Pisaki/płyny dyne są kierunkowymi wskaźnikami istotnych różnic napięcia powierzchniowego i potrafią tanio wskazać powierzchnie „dobre" i „złe" do klejenia. Płyny w butelkach bywają lepsze od pisaków ze względu na zanieczyszczenia przy wielokrotnym użyciu.

Najlepsza metoda kontroli jakości powierzchni:

Surface Analyst™ 2001 to ręczne urządzenie cyfrowe do pomiaru kątów zwilżania w linii produkcyjnej bez chemicznych płynów dyne. Metoda jest nieniszcząca — część można dalej normalnie przetwarzać, w przeciwieństwie do testów płynami dyne, po których część idzie na złom. Wynaleziony przez BTG Labs Surface Analyst™ zaprojektowano tak, by oddać precyzyjną technologię pomiaru powierzchni w ręce techników hali produkcyjnej — tam, gdzie stan powierzchni jest krytyczny: klejenie, malowanie, powlekanie, druk i dekontaminacja. Za pomocą opatentowanej techniki „ballistic deposition" urządzenie nanosi na powierzchnię kroplę wysoko oczyszczonej wody.

Znając objętość i pole kropli wody, urządzenie oblicza kąt zwilżania wody na danej powierzchni. Daje natychmiastową informację zwrotną w postaci mierzalnej liczby lub alertu Pass/Fail. Dane z kontroli pozwalają ocenić, czy podłoże zostało właściwie przygotowane do procesów adhezyjnych — w zastępstwie niszczących płynów dyne. Ręczna jednostka działa w dowolnej orientacji i na powierzchniach gładkich lub teksturowanych, np. groszkowanych TPO. Dane te służą ciągłemu doskonaleniu procesu, wykrywaniu dryfów jakości zwiastujących problemy lub wskazywaniu krytycznej przyczyny awarii wyrobów.

BTG Labs Surface Analyst. Zdjęcia dzięki uprzejmości BTG LABS (513.469.1800).

Producenci mają silną skłonność do skupiania się wyłącznie na kątach zwilżania lub innych pomiarach zwilżalności jako jedynym predyktorze problemów klejenia i rutynowych testów powierzchni. Równie ważna jest chemiczna funkcjonalność powierzchni — hydrofobowe powierzchnie aktywuje się do klejalnych powierzchni hydrofilowych. Gazowe procesy utleniania powierzchni w wyładowaniu jarzeniowym służą chemicznej aktywacji. Cechuje je zdolność generowania „plazmy gazowej" — skrajnie reaktywnego gazu z wolnych elektronów, jonów dodatnich i innych cząstek. Plazma to często opisywany czwarty stan materii: dostarczając energię, ciała stałe topnieją w ciecze, ciecze parują w gazy, a gazy jonizują się w „plazmę".

W fizyce mechanizmy generowania tych plazm są różne, ale ich wpływ na zwilżalność powierzchni jest podobny. Podstawowa reakcja chemiczno-fizyczna: wolne elektrony, jony, cząstki metastabilne, rodniki i promieniowanie UV powstałe w plazmie uderzają w powierzchnię z energią wystarczającą do zerwania wiązań molekularnych na powierzchni większości podłoży polimerowych. Powstają bardzo reaktywne wolne rodniki, które mogą się formować, sieciować lub — w obecności tlenu — szybko reagować, tworząc na powierzchni różne chemiczne grupy funkcyjne. Polarne grupy funkcyjne poprawiające klejalność to grupy karbonylowe (C=O), karboksylowe (HOOC), wodoronadtlenkowe (HOO-) i hydroksylowe (HO-). Nawet niewielkie ilości reaktywnych grup funkcyjnych w polimerach znacząco poprawiają funkcjonalność chemiczną i zwilżalność powierzchni. Ponadto chemiczne primery/rozpuszczalniki i obróbka ścierna (w tym tekstura formy) mogą być stosowane samodzielnie lub łącznie z obróbką wstępną.

Na stopień i jakość obróbki wstępnej — a więc wytrzymałość adhezji — wpływa czystość powierzchni tworzywa. Powierzchnia musi być czysta, aby uzyskać optymalną obróbkę i późniejszą adhezję. Zanieczyszczenia utrudniające obróbkę to brud, kurz, smar i olej. Substancje o niskiej masie cząsteczkowej — silikony, środki rozformowujące i antypoślizgowe — są dla klejenia szczególnie szkodliwe. Ważna jest też czystość materiału. Ponadto pewne rozpuszczalne lub nierozpuszczalne składniki pigmentów i barwników mogą niekorzystnie wpływać na adhezję.

Okres trwałości (starzenie obróbki) 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, tym szybsze starzenie obróbki. Powierzchnie po plazmie starzeją się w różnym tempie i stopniu, zależnie od otoczenia. Charakterystyka starzenia i okres trwałości są kluczowe dla operacji produkcyjnych. Aktywowane powierzchnie mogą zachowywać właściwości godziny, dni, miesiące lub dłużej. Zaleca się kleić, powlekać, malować lub zdobić wyroby jak najszybciej po obróbce wstępnej.

Pamiętaj, że każda metoda obróbki wstępnej jest specyficzna dla aplikacji i może mieć unikalne zalety oraz potencjalne ograniczenia. Dla solidnych wyników rozważ następujące czynniki:

• Polimery różnie reagują na procesy utleniania. Rodzaj podłoża polimerowego i wymagania eksploatacyjne wyrobu są kluczowe przy wyborze metody obróbki.
• Czy podłoże (obrabiany produkt) jest przewodzące? Na przykład niezmontowane korpusy plastikowych złączy elektronicznych — bez metalowych pinów — można obrabiać elektrycznie, podczas gdy złącza zmontowane mogą iskrzyć.
• Geometria części — powierzchnie płaskie obrabia się łatwiej niż głębokie wgłębienia, silne zbieżności i inne nieregularności kształtu. Testy zwilżania trudno prowadzić na małych obszarach i mocno teksturowanych powierzchniach.
• Automatyzacja transportu: przewodzące pasy i łańcuchy mogą iskrzyć przy klasycznym wyładowaniu koronowym i urządzeniach punktowych. Rozważ wtedy płomień, zimną plazmę gazową lub niskopotencjałową plazmę atmosferyczną.
• Unikaj nadmiernej obróbki. Nadmiernie utlenione plazmą powierzchnie mogą szkodzić dalszym procesom montażu, np. zgrzewaniu/spawaniu.
• Urządzenia do obróbki wstępnej nie są sobie równe. Oceń jakość wykonania systemów w działaniu. Przy procesach elektrycznych obserwuj jednorodność wyładowania plazmy; przy obróbce płomieniowej porównaj palniki wstęgowe i wiercone oraz komponenty układu spalania; przy zimnej plazmie zbadaj jakość komory, półek elektrod, a zwłaszcza producenta pompy próżniowej.

Chropowatość powierzchni to stopień nierówności powierzchni ciała stałego poniżej skali jego kształtu czy falistości, ale powyżej nieregularności sieci krystalicznej.

Stopień chropowatości wpływa na zwilżalność ciała stałego. Ponieważ chropowatość idzie w parze z powiększoną powierzchnią, wpływa na zwilżalność, kąt zwilżania cieczy i adhezję.

Ta procedura opisuje metodę badania i pomiaru napięcia zwilżania (czyli energii powierzchniowej) podłoży z tworzyw za pomocą pisaków testowych dyne.

Testy zwilżania należy wykonywać bezpośrednio po obróbce wstępnej (wyładowanie koronowe, płomień, plazma RF). Obrobione powierzchnie są wrażliwe na czas i warunki otoczenia, takie jak temperatura i wilgotność. Podłoża muszą mieć czyste powierzchnie dla optymalnej adhezji. Brud, kurz, tłuszcz z dłoni, produkty silikonowe i inne zanieczyszczenia hamują adhezję i mogą fałszować wyniki.

1.0 Materiały / wyposażenie

• Pisaki dyne — dostępne poziomy: 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 60
• Produkty do badania
• Rękawice z tworzywa
• Chusteczki bezpyłowe (Chemwipes) lub ręczniki papierowe
• Mierniki temperatury i wilgotności
• Czyste stanowisko pracy

2.0 Metoda

• Zanotuj temperaturę i wilgotność otoczenia.
• Wybierz pisak 60 dyne i zdejmij nasadkę.
• Połóż badany produkt na płaskiej powierzchni i mocno dociśnij końcówkę pisaka do produktu, aż roztwór zostanie zassany do końcówki.
• Lekkim ruchem przeciągnij pisak raz wzdłuż obrobionej powierzchni, nanosząc cienką warstwę płynu.
• Zaleca się równoległe pociągnięcia. Nadmiar roztworu zafałszuje odczyt.
• Zanotuj czas, po którym ciecz rozpada się na krople. Zachowanie cieczy oceniaj w jej środkowej części.
• Jeśli ciecz nie rozpada się na krople po dwóch (2) sekundach, przyjmuje się, że energia powierzchniowa wynosi co najmniej 60 dyn. Przejdź do kroku 2.7. Jeśli ciecz rozpada się w czasie krótszym niż dwie (2) sekundy, powtórz test pisakiem o kolejnym niższym poziomie dyne. Może być konieczna korekta procesu obróbki wstępnej.
• Test jest zakończony, gdy wszystkie powierzchnie osiągną pożądane wyniki zwilżania.
• Właściwie zutylizuj przebadane produkty.

---