Energia de superfície

Energia de superfície

Principais conclusões

• A energia de superfície decide se um líquido molha ou forma contas; é o indicador mais útil para prever o sucesso de impressão e colagem.
• O líquido deve ter tensão superficial menor do que a do sólido, com uma margem de trabalho de cerca de 7–10 dyne/cm.
• As poliolefinas ficam em torno de 29–31 dyne/cm, abaixo de quase todas as tintas e adesivos, e é por isso que precisam de pré-tratamento.
• O tratamento decai. A energia de superfície é um estado temporário, e não uma propriedade permanente da peça.

Energia de superfície

A energia de superfície é o excesso de energia mantido pelas moléculas na superfície de um sólido em comparação com as do interior, e, em plásticos, determina se uma tinta, um adesivo ou um revestimento se espalha pela superfície ou se recolhe em gotas. É convencionalmente expressa em dynes por centímetro (dyne/cm), numericamente igual a milinewtons por metro.

As moléculas no interior de um sólido são cercadas por todos os lados, e suas forças de atração são satisfeitas em todas as direções. As moléculas na superfície não são, e por isso carregam capacidade de ligação não satisfeita. É com essa capacidade não satisfeita que um líquido pode interagir, e uma superfície com pouca dela (uma superfície de baixa energia) não dá ao líquido nada a que se agarrar.

A regra que governa a molhabilidade

Para que um líquido molhe um sólido, a tensão superficial do líquido deve ser menor do que a energia de superfície do sólido. Onde é maior, o líquido minimiza sua área de contato e forma gotas. Na prática, é necessária uma margem, e não mera igualdade:

Energia de superfície-alvo ≈ tensão superficial do líquido + 7 a 10 dyne/cm

Essa única relação explica a maioria das falhas de adesão em plásticos. Uma tinta à base de água, com cerca de 35 dyne/cm, aplicada sobre polipropileno sem tratamento, com 29 dyne/cm, não consegue molhá-lo, e nenhum tempo de secagem, pressão ou reformulação da tinta altera essa aritmética. A superfície precisa ser elevada primeiro.

Valores típicos por polímero

Como elevar a energia de superfície

Todo pré-tratamento industrial funciona pelo mesmo caminho básico: oxidar as primeiras camadas moleculares para que grupos polares contendo oxigênio sejam enxertados em uma cadeia principal de hidrocarboneto apolar. Os métodos diferem em geometria, custo e durabilidade, e não em princípio:

• Descarga corona: o padrão para filmes e bobinas em alta velocidade e com baixo custo por metro quadrado.
• Plasma de chama: adequado a peças moldadas e curvas com massa térmica suficiente para tolerá-lo.
• Plasma atmosférico: seletivo, montável em robô e de baixa carga térmica, para peças tridimensionais.
• Plasma frio: processo em lote a vácuo que alcança geometrias sombreadas, com o resultado mais durável e a capacidade de adaptar a química da superfície.
• Pyrosil: deposita uma camada reativa de silicato em vez de ativar a superfície existente, dando uma janela de uso muito mais longa.

Como medi-la

Meça ao longo da peça ou da largura da bobina, e não em um único ponto. A variação da borda ao centro é comum, passa facilmente despercebida e é uma causa frequente de falhas que parecem aleatórias.

Por que o tratamento não dura

A energia de superfície elevada é um estado temporário. Dois mecanismos a fazem voltar a cair, e ambos atuam desde o momento em que o tratamento termina:

• Reorientação de cadeias. Os grupos polares enxertados estão presos a cadeias poliméricas móveis, que giram para enterrá-los abaixo da superfície, onde estão em situação energeticamente mais confortável. O calor acelera esse processo.
• Migração de aditivos. Agentes de deslizamento, aditivos antibloqueio, plastificantes e desmoldante residual migram para a superfície e cobrem a camada tratada. Em filmes de poliolefina, esse costuma ser o efeito maior, e é por isso que uma mudança de formulação pode encurtar a janela de uso sem que nada mude no equipamento de tratamento.

A consequência prática é que o intervalo entre o tratamento e a colagem pertence à especificação do processo, com um máximo declarado. O material tratado que envelheceu deve ser medido novamente antes do uso, e não presumido bom.

Termos e leituras relacionados

• Quanto tempo dura o tratamento de superfície por plasma?
• Teste de fita ASTM D3359
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• A ciência de resolver problemas de adesão em plásticos
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• Impressão a jato de tinta e adesão em polímeros de baixa energia de superfície

Aplicação na produção

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Perguntas frequentes

Que energia de superfície um plástico precisa ter antes da impressão ou da colagem?

O suficiente para exceder a tensão superficial do líquido em cerca de 7 a 10 dyne/cm. Para a maioria das tintas e adesivos, isso significa 38–44 dyne/cm em poliolefinas e 46–52 em filme de PET, mas o valor deve vir de um ensaio com a química real, e não de uma meta genérica. Uma especificação que cita um número padrão do setor que ninguém testou contra a tinta real é uma especificação à espera de falhar.

Por que as poliolefinas precisam de pré-tratamento e outros plásticos não?

Porque o polipropileno e o polietileno ficam em cerca de 29–31 dyne/cm, abaixo de essencialmente todas as tintas e adesivos comuns; assim, não há molhabilidade alguma. O policarbonato, o ABS e o PET começam na faixa de 35–46, acima ou perto de muitos líquidos, e por isso costumam poder ser impressos ou colados como moldados. A química que torna as poliolefinas inertes e baratas é a mesma que as torna imprimíveis apenas com dificuldade.

A leitura da caneta de dyne é confiável o bastante para o controle de produção?

Para uma verificação rápida, sim; para qualquer coisa que precise ser defendida, não. As tintas das canetas secam e envelhecem, e a leitura é subjetiva. As soluções de tensão de molhamento conforme a ASTM D2578 são o método padrão de produção, e a goniometria de ângulo de contato fornece o valor quantitativo necessário para validação ou para resolver uma disputa com um cliente. Seja qual for o usado, meça ao longo da largura, e não em um único ponto.

Por que a adesão falha quando a leitura de dyne está correta?

Quase sempre por contaminação. O pré-tratamento ativa o que estiver na superfície; assim, uma camada de desmoldante, de aditivo de deslizamento migrado ou de óleo de compressor é ativada no lugar do polímero, e uma caneta de dyne lerá esse contaminante ativado sem problema algum. Aumentar o nível de tratamento não ajuda. Rastreie o contaminante até a origem, que frequentemente é um processo a montante, e não a estação de tratamento.

Quanto tempo dura o tratamento de superfície?

De horas a semanas, dependendo do polímero, de seu pacote de aditivos e das condições de armazenamento. As cadeias poliméricas se reorientam para enterrar os grupos polares enxertados, e agentes de deslizamento, plastificantes e desmoldante migram para a superfície e os cobrem. Elastômeros e graus plastificados decaem mais rápido. Estabeleça empiricamente um intervalo máximo entre tratamento e colagem, inclua-o na especificação do processo e meça novamente o material envelhecido, em vez de presumir que ainda está bom.

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