طاقة السطح

طاقة السطح

أبرز النقاط

• تحدد طاقة السطح ما إذا كان السائل يبلل أو يتكور، وهي أفضل مؤشر منفرد على نجاح الطباعة واللصق.
• يجب أن يكون التوتر السطحي للسائل أقل من التوتر السطحي للصلب، بهامش عملي يبلغ نحو 7–10 dyne/cm.
• تقع البولي أوليفينات عند نحو 29–31 dyne/cm، أي دون كل الأحبار والمواد اللاصقة تقريباً، ولهذا تحتاج إلى معالجة أولية.
• المعالجة تتلاشى. فطاقة السطح حالة مؤقتة لا خاصية دائمة للقطعة.

طاقة السطح

طاقة السطح هي الطاقة الزائدة التي تحملها الجزيئات عند سطح صلب مقارنة بتلك الموجودة في الكتلة، وهي في البلاستيك ما يحدد ما إذا كان الحبر أو المادة اللاصقة أو الطلاء ينتشر على السطح أم ينكمش إلى كُرات. وتُقاس تقليدياً بوحدة dyne لكل سنتيمتر (dyne/cm)، وتساوي عددياً ميلي نيوتن لكل متر.

الجزيئات داخل الصلب محاطة من كل الجهات وقوى جذبها مُشبعة في كل اتجاه. أما جزيئات السطح فليست كذلك، فتحمل قدرة ارتباط غير مُشبعة. وهذه القدرة غير المشبعة هي ما يستطيع السائل التفاعل معه، والسطح القليل منها، أي منخفض الطاقة، لا يمنح السائل ما يتمسك به.

القاعدة التي تحكم البلل

لكي يبلل سائل صلباً، يجب أن يكون التوتر السطحي للسائل أقل من طاقة سطح الصلب. وحيث يكون أعلى، يقلل السائل مساحة تلامسه ويتكور. وعملياً يلزم هامش لا مجرد التساوي:

طاقة السطح المستهدفة ≈ التوتر السطحي للسائل + 7 إلى 10 dyne/cm

هذه العلاقة الواحدة تفسر معظم حالات فشل الالتصاق على البلاستيك. فحبر مائي بنحو 35 dyne/cm يُطبَّق على بولي بروبيلين غير معالج بنحو 29 dyne/cm لا يستطيع بلله، ولا يغيّر هذه المعادلة أي قدر من زمن التجفيف أو الضغط أو إعادة تركيب الحبر. يجب رفع السطح أولاً.

القيم النموذجية بحسب البوليمر

رفع طاقة السطح

تعمل كل معالجة أولية صناعية بالطريقة الأساسية نفسها: أكسدة الطبقات الجزيئية العليا القليلة بحيث تُطعَّم مجموعات قطبية حاوية على الأكسجين على هيكل هيدروكربوني غير قطبي. وتختلف الطرق في الهندسة والتكلفة والمتانة لا في المبدأ:

• تفريغ الكورونا هو المعيار للأغشية والشرائط بسرعة عالية وبتكلفة منخفضة لكل متر مربع.
• بلازما اللهب مناسبة للقطع المقولبة والمنحنية ذات الكتلة الحرارية الكافية لتحمّلها.
• البلازما الجوية انتقائية وقابلة للتركيب على الروبوتات ومنخفضة الحمل الحراري، للقطع ثلاثية الأبعاد.
• بلازما الغاز البارد عملية دفعية بالفراغ تصل إلى الأشكال المظللة، بأكثر النتائج متانة وبقدرة على تصميم كيمياء السطح.
• Pyrosil يرسّب طبقة سيليكات تفاعلية بدل تنشيط السطح القائم، فيعطي نافذة استخدام أطول بكثير.

قياسها

قيسوا عبر القطعة أو عرض الشريط لا عند نقطة واحدة. فالتفاوت بين الحافة والمركز شائع ويسهل إغفاله، وهو سبب متكرر لفشل يبدو عشوائياً.

لماذا لا تدوم المعالجة

طاقة السطح المرتفعة حالة مؤقتة. وتسحبها آليتان إلى الأسفل، وكلتاهما تعملان منذ لحظة توقف المعالجة:

• إعادة توجيه السلاسل. ترتبط المجموعات القطبية المطعَّمة بسلاسل بوليمر متحركة، تدور لتدفنها تحت السطح حيث تكون أكثر استقراراً من حيث الطاقة. والدفء يسرّع ذلك.
• هجرة الإضافات. تهاجر عوامل الانزلاق وإضافات منع الالتصاق والملدّنات وبقايا مادة فصل القالب إلى السطح وتغطي الطبقة المعالجة. وفي أغشية البولي أوليفين يكون هذا عادةً التأثير الأكبر، وهو سبب إمكان أن يقصّر تغيير التركيبة نافذة الاستخدام دون أن يتغير أي شيء في جهاز المعالجة.

والنتيجة العملية أن الفترة بين المعالجة واللصق مكانها مواصفة العملية بحد أقصى معلن. وينبغي إعادة قياس المخزون المعالج الذي تقادم قبل استخدامه لا افتراض صلاحيته.

مصطلحات ومراجع ذات صلة

• كم تدوم المعالجة السطحية بالبلازما؟
• اختبار الشريط اللاصق ASTM D3359
• زاوية التلامس
• جميع طرق المعالجة الأولية لأسطح البوليمرات
• علم حل مشكلات الالتصاق في البلاستيك
• مشكلات الالتصاق
• الطباعة النفاثة للحبر والتصاق البوليمرات منخفضة طاقة السطح

التطبيق في الإنتاج

تقدم The Sabreen Group دعماً هندسياً مستقلاً في قياس طاقة السطح واختيار المعالجة الأولية واستكشاف أعطال الالتصاق. وإذا كنتم تحددون عملية، أو تؤهلون مادة، أو تعالجون مشكلة إنتاجية، فبإمكان فريق الخدمات الهندسية لدينا مساعدتكم. اتصلوا بنا لمناقشة تطبيقكم.

الأسئلة الشائعة

ما طاقة السطح التي يحتاجها البلاستيك قبل الطباعة أو اللصق؟

ما يكفي لتجاوز التوتر السطحي للسائل بنحو 7 إلى 10 dyne/cm. وبالنسبة إلى معظم الأحبار والمواد اللاصقة يعني ذلك 38–44 dyne/cm على البولي أوليفينات و46–52 على غشاء PET، لكن الرقم ينبغي أن يأتي من تجربة بالكيمياء الفعلية لا من هدف عام. فالمواصفة التي تذكر رقماً قياسياً في الصناعة لم يختبره أحد مع الحبر الفعلي مواصفة تنتظر أن تفشل.

لماذا تحتاج البولي أوليفينات إلى معالجة أولية بينما لا تحتاجها أنواع بلاستيك أخرى؟

لأن البولي بروبيلين والبولي إيثيلين يقعان عند نحو 29–31 dyne/cm، أي دون كل حبر ومادة لاصقة شائعة تقريباً، فلا يحدث أي بلل. أما البولي كربونات وABS وPET فتبدأ في المدى 35–46، فوق كثير من السوائل أو قريباً منها، ولذلك يمكن غالباً طباعتها أو لصقها كما قُولبت. والكيمياء التي تجعل البولي أوليفينات خاملة ورخيصة هي نفسها التي تجعلها غير قابلة للطباعة.

هل قراءة قلم dyne موثوقة بما يكفي للتحكم في الإنتاج؟

للفحص السريع نعم؛ أما لأي شيء يجب الدفاع عنه فلا. فأحبار الأقلام تجف وتتقادم، والقراءة ذاتية. وتُعد محاليل توتر البلل وفق ASTM D2578 الطريقة الإنتاجية القياسية، ويعطي قياس زاوية التلامس بالمقياس الزاوي القيمة الكمية اللازمة للتحقق أو لحسم خلاف مع عميل. وأياً كانت الطريقة المستخدمة، قيسوا عبر العرض لا عند نقطة واحدة.

لماذا يفشل الالتصاق رغم صحة قراءة dyne؟

في الغالب بسبب التلوث. فالمعالجة الأولية تنشّط ما هو موجود على السطح، فتُنشَّط طبقة من مادة فصل القالب أو تزهّر عامل الانزلاق أو زيت الضاغط بدل البوليمر، وقلم dyne يقرأ هذا الملوّث المنشَّط بكل سهولة. ورفع مستوى المعالجة لا يفيد. تتبعوا الملوّث إلى مصدره، وهو غالباً عملية سابقة لا محطة المعالجة.

كم تدوم المعالجة السطحية؟

من ساعات إلى أسابيع بحسب البوليمر وحزمة إضافاته وظروف التخزين. فتعيد سلاسل البوليمر توجيه نفسها لدفن المجموعات القطبية المطعَّمة، وتهاجر عوامل الانزلاق والملدّنات ومادة فصل القالب إلى السطح وتغطيها. وتتلاشى المرنات والدرجات الملدَّنة أسرع. حددوا الحد الأقصى للفترة بين المعالجة واللصق تجريبياً، وضعوه في مواصفة العملية، وأعيدوا قياس المخزون المتقادم بدل افتراض صلاحيته.

---