Impresión por inyección de tinta y adhesión en polímeros de baja energía superficial

Impresión por inyección de tinta y adhesión en polímeros de baja energía superficial

Mucho antes de que la primera gota de tinta se proyecte sobre un producto de plástico, los diseñadores toman decisiones clave que determinan de antemano si la impresión con tinta será fácil o difícil. La adhesión es esencialmente un fenómeno superficial, ya que depende de las interacciones entre la tinta líquida y la superficie del sustrato.

Los factores principales que afectan la adhesión son la selección del polímero (incluidos colorantes, cargas y aditivos), el proceso de moldeo, las condiciones de la superficie, y el almacenamiento y manejo. La impresión por inyección de tinta es sumamente compleja e involucra muchos campos interdisciplinarios. En primer lugar está la compatibilidad entre la tinta y el sustrato polimérico.

Este artículo examina la selección de polímeros y el procesamiento primario para lograr una adhesión robusta de la tinta. Este enfoque, diseñado para manufactura, aporta información valiosa y ofrece soluciones probadas en campo que previenen las fallas de adhesión.

La impresión por inyección de tinta es mucho más compleja y delicada que la impresión analógica. La inyección de tinta sobre polímeros es intrínsecamente difícil, ya que con frecuencia existen diferencias químicas y físicas sustanciales entre plásticos, incluso dentro de la misma familia polimérica. Imprimir por inyección de tinta sobre geometrías con contornos agrega más complicaciones, a diferencia de la tampografía y la serigrafía, cuyas formulaciones de tinta base solvente tienen tensiones superficiales naturalmente más bajas y humectan con facilidad los sustratos poliméricos.

Puntos clave

• La adhesión se decide en la etapa de diseño, mucho antes de proyectar la primera gota, mediante la elección del polímero, el colorante, las cargas y los aditivos.
• Los polímeros amorfos generalmente se imprimen mejor que los cristalinos, cuya estructura ordenada resiste la humectación.
• El nylon es hidrofóbico en la superficie pero hidrofílico en su masa, y absorbe más del 3 % de su masa en agua, por lo que el secado es crítico.
• La textura del molde aporta adhesión sin costo. Un acabado pulido con diamante de grano 1200 supera a un acabado de diamante fino de grano 8000.
• Las siliconas son el enemigo. Elimine las siliconas internas y externas y reduzca al mínimo los aditivos de proceso.

Preguntas frecuentes

¿Cuáles son los polímeros más difíciles de imprimir por inyección de tinta?

Acetales, poliamidas, poliolefinas, poliéster, PPS, PEEK, PEI, poliimida, PTFE y poliuretanos. Los diseñadores seleccionan estos materiales de baja energía superficial para sustituir metales, por su rigidez, su resistencia química y su desempeño a temperaturas elevadas, las mismas propiedades que dificultan la impresión.

¿Por qué el nylon causa problemas de adhesión tan persistentes?

El nylon es hidrofóbico, químicamente inerte y de baja energía superficial en la superficie; sin embargo, los grupos amida de la cadena atraen agua, por lo que se comporta de forma hidrofílica en su masa y absorbe más del 3 % de su masa de la atmósfera. Ese comportamiento dividido, junto con la propia humedad, genera problemas de adhesión si el secado de la resina no se controla adecuadamente.

¿Cómo puede el diseño del molde mejorar la adhesión de la tinta?

Agregando textura. Los picos y valles proporcionan anclaje mecánico, y la textura moldeada es preferible a la abrasión manual porque no genera costos de mano de obra ni de productos químicos. El acabado NTMA «40 — Diamond buffed 1200 Grit» normalmente supera al «10 — Fine Diamond 8000 Grit». Los pernos de núcleo grabados funcionan bien en orificios rehundidos.

¿Qué solventes deben usarse para limpiar nylon y PPS antes de imprimir?

Tolueno, xileno, acetona o MEK. El alcohol es un solvente débil que elimina la suciedad superficial, pero no los contaminantes de hidrocarburos. Utilice paños que no suelten pelusa y guantes sin polvo, y evite el exceso de solvente, que deja capas límite débiles y una película turbia que inhiben la unión.

¿Qué cambios sencillos mejoran más la adhesión de la tinta sin costo?

Eliminar las siliconas internas y externas y reducir al mínimo los aditivos de proceso; agregar textura al molde; secar la resina correctamente; mantener las superficies limpias; evitar el exceso de solvente; empacar las piezas moldeadas herméticamente en bolsas que no sean de polietileno, o de poliéster, con desecante; e imprimir lo antes posible después del moldeo.

Termoplásticos

El tipo de termoplástico que se va a imprimir afecta de manera significativa todo el proceso de inyección de tinta. En un material termoplástico, las moléculas muy largas en forma de cadena se mantienen unidas mediante fuerzas de Van der Waals relativamente débiles. Los termoplásticos se dividen en dos subcategorías: amorfos y cristalinos (véase la Figura 2). En general, los polímeros amorfos poseen mejores propiedades de adhesión que los cristalinos.

El término «amorfo» significa que no tiene una forma definida o que su forma se altera con facilidad. «Cristalino» implica que existe un patrón regular y definido en los agregados moleculares. Las resinas amorfas exhiben estructuras aleatorias, similares a espagueti. No amortiguan en gran medida la energía introducida en los materiales. Al aplicarse calor, se ablandan y no tienen una temperatura de fusión claramente definida.

Las resinas cristalinas tienen patrones ordenados (véase la Figura 3). También tienen temperaturas de fusión bien definidas. En un polímero coexisten estos dos estados: secciones adyacentes de polímero se empaquetan en haces cristalinos compactos, unidos por fuerzas de atracción secundarias, mientras que otras secciones de las mismas moléculas no pueden desplazarse físicamente hacia la red cristalina y permanecen amorfas. La probabilidad de que un segmento particular del polímero sea cristalino o amorfo es en su mayoría un evento aleatorio, controlado por la dinámica del proceso de cristalización.

Los materiales semicristalinos tienen una estructura molecular muy ordenada con puntos de fusión definidos. No se ablandan gradualmente al aumentar la temperatura; en cambio, permanecen sólidos hasta que absorben una cantidad determinada de calor y luego pasan rápidamente a un líquido de baja viscosidad. Los polímeros amorfos tienen una estructura molecular ordenada al azar que no presenta un punto de fusión definido. En cambio, los materiales amorfos se ablandan gradualmente al aumentar la temperatura. Estos materiales cambian de viscosidad al calentarse, pero rara vez fluyen con tanta facilidad como los semicristalinos. Los polímeros amorfos pierden resistencia rápidamente por encima de su temperatura de transición vítrea (Tg).

Compatibilidad entre la tinta y el sustrato polimérico

Entre los polímeros más difíciles de imprimir por inyección de tinta se encuentran: acetales (POM), poliamidas (nylon), poliolefinas, poliéster (PET), sulfuro de polifenileno (PPS), polieteretercetona (PEEK), polieterimida (PEI), poliimida «Kapton» (PI), politetrafluoroetileno (PTFE) y poliuretanos (PUR). Los diseñadores seleccionan estos materiales de baja energía superficial (LSE) por su ligereza como sustitutos de metales, su rigidez y resistencia, su resistencia química y sus propiedades físicas a temperaturas elevadas de servicio.

Para que la impresión por inyección de tinta sea exitosa, debe lograr adhesión a largo plazo con la superficie del polímero. La adhesión depende en gran medida de fenómenos superficiales; es decir, la tinta a temperatura elevada debe salir con facilidad del cabezal de impresión e interactuar adecuadamente con el sustrato. La tinta debe poder hacer contacto íntimo con la superficie del sustrato polimérico. Este contacto íntimo se denomina humectación de la superficie y se refiere a la capacidad de la tinta de extenderse sobre ella. La mayoría de las superficies poliméricas son hidrofóbicas por naturaleza y resisten la humectación. Característicamente, estos plásticos son superficies químicamente inertes, no porosas y de baja energía superficial, lo que hace casi imposible la adhesión de la impresión. La energía superficial es el exceso de energía que existe en la superficie (en oposición a la masa) de un sólido. Este exceso de energía existe porque las moléculas de la superficie no pueden interactuar con tantas moléculas vecinas iguales como las de la masa; por ello, tienen un exceso de energía de interacción.

El procesamiento primario es fundamental para lograr las propiedades declaradas del material polimérico. Por ejemplo, examinemos dos polímeros de baja energía superficial difíciles de imprimir por inyección de tinta: la poliamida (PA) y el sulfuro de polifenileno (PPS):

La poliamida, conocida comúnmente como nylon, es un polímero semicristalino. Los dos grados más comunes son el nylon 6 y el nylon 6/6. Los polímeros de nylon son inherentemente difíciles de pegar porque son hidrofóbicos, químicamente inertes y de baja humectabilidad superficial (es decir, baja energía superficial). Además, los nylons son higroscópicos y absorben de la atmósfera humedad en exceso del 3 % de su masa en agua. La humedad, por sí misma, genera problemas de adhesión. El procedimiento correcto de secado de las resinas de nylon es crítico para el procesamiento y el desempeño de la pieza. Cabe destacar que el comportamiento hidrofóbico del nylon es una propiedad superficial, y el comportamiento hidrofílico es una propiedad de masa. Dado que el nylon es un polímero orgánico, tiene una energía superficial relativamente baja. Esto es consecuencia de la química y la física de superficies de los polímeros y otros compuestos orgánicos. Sin embargo, los grupos amida de la cadena de nylon atraen agua y dan origen al comportamiento hidrofílico de este material en cuanto a la absorción de agua en masa. Así, en masa el nylon puede comportarse como un material hidrofílico, pero en la superficie puede exhibir un comportamiento hidrofóbico.

El sulfuro de polifenileno (PPS) ofrece la resistencia más amplia a corrosivos entre los plásticos de ingeniería avanzados. Los productos de PPS no son higroscópicos y, por lo tanto, no presentan problemas de expansión dimensional como el nylon (poliamidas). Aun así, es importante utilizar resina seca al moldear piezas. La humedad, por sí misma, es problemática. Niveles altos de humedad pueden crear huecos que podrían afectar negativamente el desempeño de la pieza, la adhesión y la estética. El tiempo entre el secado y el procesamiento debe ser lo más corto posible. El PPS debe secarse en secadores de tolva deshumidificadores. En general, no se recomiendan los hornos de aire caliente. Para alcanzar un estado totalmente cristalino se requieren temperaturas de molde de al menos 135 a 150 °C (275 a 300 °F). Cuando el PPS se moldea por debajo de 135 °C (275 °F), las piezas son amorfas o semicristalinas y permanecen así hasta que se exponen a temperaturas de servicio más altas (incluido el curado con calor). Si la temperatura de servicio excede la temperatura de moldeo, las piezas se volverán más cristalinas, con cambios dimensionales y de propiedades. Por ejemplo, la temperatura de deflexión por calor (HDT), a 264 psi (1.8 MPa), del PPS con 40 % de fibra de vidrio moldeado en estado no cristalino es de solo 177 °C (350 °F), pero aumenta a más de 260 °C (500 °F) en estado cristalino. Además, la temperatura del molde tiene un efecto dramático en la apariencia de la superficie.

Para limpiar adecuadamente las superficies de nylon y PPS y eliminar los materiales de bajo peso molecular (LMWM), utilice tolueno, xileno, acetona o MEK. El alcohol es un solvente débil y solo elimina la suciedad superficial, no los contaminantes de hidrocarburos. En todo momento debe emplearse la técnica adecuada, incluido el uso de paños sin pelusa y guantes protectores sin polvo. El exceso de solvente crea capas límite débiles de productos químicos no eliminados y deja una película turbia que inhibirá la unión.2 Los procesos de impresión deben realizarse lo antes posible después de las operaciones de moldeo, o bien empacar las piezas herméticamente en bolsas que no sean de polietileno, como las de poliéster. Las aplicaciones de pegado de nylon y PPS suelen requerir pretratamiento por plasma, como descarga corona eléctrica, plasma atmosférico eléctrico, plasma de aire (descarga eléctrica), plasma de flama y plasma frío de baja presión por RF.

Superficies de sustrato limpias

Los materiales de bajo peso molecular, como siliconas, desmoldantes, agentes antideslizantes y aditivos de proceso, inhiben la capacidad de la tinta de fluir y de lograr el contacto íntimo esencial para la adhesión. Ciertos agentes compuestos solubles o insolubles utilizados en colorantes de pigmento y tinte pueden afectar negativamente la adhesión. La composición química de la superficie moldeada, su textura y su porosidad afectan de manera significativa el flujo de la tinta y la adhesión. El grado o calidad del tratamiento y de la adhesión se ven afectados por la limpieza de la superficie del plástico. La superficie debe estar limpia para lograr un pretratamiento óptimo y la posterior adhesión de la tinta. La contaminación superficial, como desmoldante de silicona, suciedad, polvo, grasa, aceites y huellas dactilares, inhibe el tratamiento. La pureza del material también es un factor importante.

La vida útil de los plásticos tratados depende del tipo de resina, la formulación y el ambiente del área de almacenamiento. La vida útil de los productos tratados está limitada por la presencia de materiales oxidados de bajo peso molecular (LMWOM), como antioxidantes, plastificantes, agentes deslizantes y antiestáticos, colorantes y pigmentos, estabilizadores, etc. La exposición de las superficies tratadas a temperaturas elevadas aumenta la movilidad de las cadenas moleculares: a mayor movilidad, más rápido envejece el tratamiento. La movilidad de las cadenas poliméricas en los materiales tratados hace que los sitios de unión creados por el tratamiento se alejen de la superficie. Con el tiempo, estos componentes pueden migrar a la superficie del polímero.

Diseño del molde y textura de la superficie

Los diseñadores pueden mejorar la adhesión agregando textura a la(s) superficie(s) del molde. La textura introduce picos y valles que proporcionan adhesión por anclaje mecánico. La textura puede lograrse en el propio molde o manualmente con una almohadilla Scotch-Brite y limpieza con solvente. Se prefiere la textura moldeada porque conserva las características de la superficie sin costos adicionales de mano de obra ni de productos químicos.

Por ejemplo, el acabado NTMA de la cavidad del molde «40-Diamond buffed 1200 Grit» probablemente mejorará la resistencia de la unión frente al acabado «10-Fine Diamond 8000 Grit» (rango de 0 a 3 micras). Consulte la Figura 4, Acabado superficial de moldes SPI. Incluso las superficies con textura ligera son benéficas. En aplicaciones con orificios rehundidos, como los conectores, los pernos de núcleo grabados en el molde son muy eficaces.

En resumen, para lograr una adhesión robusta de la tinta o una unión por adhesión de alta resistencia en polímeros, se recomiendan los siguientes puntos. Ninguno de ellos agrega costo y, de hecho, ofrecen ahorros.

• Sin siliconas internas ni externas. Reducir al mínimo los aditivos de proceso.
• Textura del molde.
• Secar correctamente la resina antes del moldeo.
• Las superficies deben estar limpias.
• Evitar el exceso de solvente que crea capas límite débiles de productos químicos no eliminados.
• Empacar las piezas moldeadas herméticamente en bolsas que no sean de polietileno, con desecante, o usar bolsas de poliéster.
• Realizar el proceso de impresión lo antes posible después del moldeo.

Referencias

• Innovations in Bonding to Low Surface Energy Surfaces, 3M Technical Guide
• Best Practices for Bonding Semi-Crystalline Thermoplastics, The Sabreen Group, January 2015

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de ingeniería especializada en procesos de transformación secundaria de plásticos: seguridad del producto, marcado láser, pretratamiento de superficies, pegado, decoración y acabado. Sabreen ha sido pionero en tecnologías y ha resuelto problemas de manufactura durante más de 30 años. Puede contactarlo al 972.820.6777 o visitando www.Sabreen.com.

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