Impression jet d’encre et adhérence sur polymères à faible énergie de surface

Impression jet d'encre et adhérence sur polymères à faible énergie de surface

Bien avant que la première goutte d'encre ne soit projetée sur un produit plastique, les concepteurs prennent des décisions clés qui déterminent d'avance si l'impression sera facile ou difficile. L'adhérence est par essence un phénomène superficiel, puisqu'elle dépend des interactions entre l'encre liquide et la surface du substrat.

Les principaux facteurs qui influencent l'adhérence sont le choix du polymère (y compris les colorants, les charges et les additifs), le procédé de moulage, l'état de surface, ainsi que le stockage et la manipulation. L'impression jet d'encre est très complexe et fait appel à de nombreux domaines interdisciplinaires. La compatibilité entre l'encre et le substrat polymère passe avant tout.

Cet article examine le choix des polymères et la transformation primaire nécessaires pour obtenir une adhérence d'encre robuste. Cette approche, conçue pour la fabrication, apporte des enseignements précieux et propose des solutions éprouvées sur le terrain pour prévenir les défauts d'adhérence.

L'impression jet d'encre est bien plus complexe et délicate que l'impression analogique. Le jet d'encre sur polymères est intrinsèquement difficile, car il existe souvent des différences chimiques et physiques importantes entre les plastiques, même au sein d'une même famille de polymères. L'impression jet d'encre sur géométries galbées ajoute des difficultés supplémentaires, contrairement à la tampographie et à la sérigraphie, dont les formulations d'encre à base de solvant, de tension superficielle naturellement plus faible, mouillent facilement les substrats polymères.

Points clés à retenir

• L'adhérence se décide dès la conception, bien avant la projection de la première goutte, par le choix du polymère, du colorant, des charges et des additifs.
• Les polymères amorphes s'impriment généralement mieux que les polymères cristallins, dont la structure ordonnée résiste au mouillage.
• Le nylon est hydrophobe en surface mais hydrophile dans la masse : il absorbe plus de 3 % de sa masse en eau, d'où l'importance critique du séchage.
• La texture du moule améliore l'adhérence sans surcoût. Une finition polie au diamant grain 1200 donne de meilleurs résultats qu'une finition au diamant fin grain 8000.
• Les silicones sont l'ennemi. Éliminez les silicones internes et externes et réduisez au minimum les additifs de mise en œuvre.

Foire aux questions

Quels polymères sont les plus difficiles à imprimer par jet d'encre ?

Les acétals, polyamides, polyoléfines, polyesters, PPS, PEEK, PEI, polyimides, PTFE et polyuréthanes. Les concepteurs choisissent ces matériaux à faible énergie de surface pour remplacer le métal, pour leur rigidité, leur résistance chimique et leur tenue aux températures élevées, soit précisément les propriétés qui rendent l'impression difficile.

Pourquoi le nylon pose-t-il des problèmes d'adhérence aussi persistants ?

En surface, le nylon est hydrophobe, chimiquement inerte et de faible énergie de surface ; pourtant, les groupements amide de la chaîne attirent l'eau, de sorte qu'il se comporte de façon hydrophile dans la masse et absorbe plus de 3 % de sa masse dans l'atmosphère. Ce double comportement, ajouté à l'humidité elle-même, engendre des problèmes d'adhérence si le séchage de la résine n'est pas correctement maîtrisé.

Comment la conception du moule peut-elle améliorer l'adhérence de l'encre ?

En ajoutant de la texture. Les pics et les creux assurent un ancrage mécanique, et une texture obtenue au moulage est préférable à l'abrasion manuelle, car elle ne coûte ni main-d'œuvre ni produits chimiques. La finition NTMA « 40 — polie au diamant, grain 1200 » donne généralement de meilleurs résultats que la finition « 10 — diamant fin, grain 8000 ». Les broches de noyau gravées conviennent bien aux trous borgnes.

Quels solvants utiliser pour nettoyer le nylon et le PPS avant l'impression ?

Toluène, xylène, acétone ou MEK. L'alcool est un solvant faible qui élimine les salissures superficielles mais pas les contaminants hydrocarbonés. Utilisez des chiffons non pelucheux et des gants sans poudre, et évitez tout excès de solvant, qui laisse des couches limites faibles et un voile nuisibles au collage.

Quels changements simples améliorent le plus l'adhérence de l'encre sans coût supplémentaire ?

Éliminer les silicones internes et externes et réduire au minimum les additifs de mise en œuvre ; ajouter de la texture au moule ; sécher correctement la résine ; garder les surfaces propres ; éviter l'excès de solvant ; emballer hermétiquement les pièces moulées dans des sacs non polyéthylène ou en polyester avec un dessiccant ; et imprimer le plus tôt possible après le moulage.

Thermoplastiques

Le type de thermoplastique à imprimer influe fortement sur l'ensemble du procédé jet d'encre. Dans un thermoplastique, les très longues molécules en chaîne sont maintenues ensemble par des forces de Van der Waals relativement faibles. Les thermoplastiques se répartissent en deux sous-catégories : amorphes et cristallins (voir la figure 2). En général, les polymères amorphes présentent de meilleures propriétés d'adhérence que les polymères cristallins.

Le terme « amorphe » désigne l'absence de forme définie ou une forme facilement modifiable. « Cristallin » suppose un motif régulier et défini des agrégats moléculaires. Les résines amorphes présentent des structures aléatoires, en forme de spaghettis, et n'amortissent pas beaucoup l'énergie introduite dans le matériau. Sous l'effet de la chaleur, elles se ramollissent et n'ont pas de température de fusion nettement définie.

Les résines cristallines ont des motifs ordonnés (voir la figure 3) et des températures de fusion bien définies. Dans un polymère, ces deux états coexistent : des sections voisines de polymère se regroupent en faisceaux cristallins compacts maintenus par des forces d'attraction secondaires, tandis que d'autres sections des mêmes molécules, incapables de se déplacer physiquement dans le réseau cristallin, restent amorphes. La probabilité qu'un segment de polymère donné soit cristallin ou amorphe relève surtout du hasard, régi par la dynamique du processus de cristallisation.

Les matériaux semi-cristallins possèdent une structure moléculaire très ordonnée avec des points de fusion nets. Ils ne se ramollissent pas progressivement lorsque la température augmente : ils restent solides jusqu'à l'absorption d'une certaine quantité de chaleur, puis passent rapidement à l'état de liquide de faible viscosité. Les polymères amorphes ont une structure moléculaire désordonnée, sans point de fusion net ; ils se ramollissent progressivement lorsque la température s'élève. Leur viscosité change à la chaleur, mais ils s'écoulent rarement aussi facilement que les matériaux semi-cristallins. Les polymères amorphes perdent rapidement de leur résistance au-delà de leur température de transition vitreuse (Tg).

Compatibilité entre l'encre et le substrat polymère

Parmi les polymères les plus difficiles à imprimer par jet d'encre figurent : les acétals (POM), les polyamides (nylon), les polyoléfines, le polyester (PET), le polysulfure de phénylène (PPS), la polyétheréthercétone (PEEK), le polyétherimide (PEI), le polyimide « Kapton » (PI), le polytétrafluoroéthylène (PTFE) et les polyuréthanes (PUR). Les concepteurs choisissent ces matériaux à faible énergie de surface (LSE) pour leur légèreté en remplacement du métal, leur rigidité et leur résistance, leur résistance chimique et leurs propriétés physiques aux températures de service élevées.

Pour réussir, l'impression jet d'encre doit obtenir une adhérence durable sur la surface du polymère. L'adhérence dépend en grande partie de phénomènes de surface : l'encre, projetée à température élevée, doit sortir facilement de la tête d'impression et interagir correctement avec le substrat. Elle doit pouvoir entrer en contact intime avec la surface du substrat polymère. Ce contact intime se nomme mouillage (ou mouillage complet de la surface) et désigne la capacité de l'encre à s'étaler sur la surface. La plupart des surfaces polymères sont naturellement hydrophobes et résistent au mouillage. Ces plastiques présentent en général des surfaces chimiquement inertes, non poreuses et de faible énergie de surface, ce qui rend l'adhérence de l'impression presque impossible. L'énergie de surface est l'énergie excédentaire qui existe à la surface d'un solide (par opposition à sa masse). Cet excédent existe parce que les molécules de surface ne peuvent pas interagir avec autant de voisines identiques que celles de la masse ; elles présentent donc une énergie d'interaction excédentaire.

La transformation primaire est déterminante pour obtenir les propriétés annoncées du matériau polymère. Prenons l'exemple de deux polymères LSE difficiles à imprimer par jet d'encre : le polyamide (PA) et le polysulfure de phénylène (PPS) :

Le polyamide, communément appelé nylon, est un polymère semi-cristallin. Les deux grades les plus courants sont le nylon 6 et le nylon 6/6. Les polymères nylon sont intrinsèquement difficiles à coller, car ils sont hydrophobes, chimiquement inertes et présentent une faible mouillabilité de surface (c'est-à-dire une faible énergie de surface). De plus, les nylons sont hygroscopiques et absorbent dans l'atmosphère plus de 3 % de leur masse en eau. L'humidité, en elle-même, crée des problèmes d'adhérence. Un séchage correct des résines de nylon est déterminant pour la transformation et les performances de la pièce. Point le plus remarquable, le comportement hydrophobe du nylon est une propriété de surface, alors que le comportement hydrophile est une propriété de masse. Le nylon étant un polymère organique, son énergie de surface est relativement faible, conséquence de la chimie et de la physique de surface des polymères et des autres composés organiques. Cependant, les groupements amide de la chaîne du nylon attirent l'eau et expliquent le comportement hydrophile de ce matériau pour l'absorption d'eau dans la masse. Ainsi, dans la masse, le nylon peut se comporter comme un matériau hydrophile, alors qu'en surface il peut présenter un comportement hydrophobe.

Le polysulfure de phénylène (PPS) offre la plus large résistance aux agents corrosifs de tous les plastiques techniques avancés. Les produits en PPS ne sont pas hygroscopiques et ne subissent donc pas les problèmes de dilatation dimensionnelle du nylon (polyamides). Il reste néanmoins important d'utiliser une résine sèche pour mouler les pièces : l'humidité, en elle-même, pose problème. Des taux d'humidité élevés peuvent créer des vides susceptibles de nuire aux performances de la pièce, d'affecter l'adhérence et d'altérer l'aspect. Le délai entre le séchage et la transformation doit être aussi court que possible. Le PPS doit être séché dans des sécheurs à trémie déshumidifiants ; les fours à air chaud sont généralement déconseillés. Pour obtenir un état entièrement cristallin, des températures de moule d'au moins 275 à 300 °F sont nécessaires. Lorsque le PPS est moulé en dessous de 275 °F, les pièces moulées sont amorphes ou semi-cristallines et le restent jusqu'à leur exposition à des températures de service plus élevées (y compris un durcissement thermique). Si la température de service dépasse la température de moulage, les pièces deviennent plus cristallines, ce qui entraîne des variations dimensionnelles et de propriétés. Par exemple, la température de fléchissement sous charge (HDT), à 264 psi (1,8 MPa), d'un PPS chargé à 40 % de fibres de verre moulé à l'état non cristallin n'est que de 350 °F, mais elle passe à plus de 500 °F (260 °C) à l'état cristallin. De plus, la température du moule a un effet spectaculaire sur l'aspect de surface.

Pour nettoyer correctement les surfaces de nylon et de PPS et éliminer les LMWM (matériaux de faible masse moléculaire), utilisez du toluène, du xylène, de l'acétone ou de la MEK. L'alcool est un solvant faible : il n'élimine que les salissures superficielles, pas les contaminants hydrocarbonés. Une technique rigoureuse s'impose en permanence, notamment l'usage de chiffons non pelucheux et de gants de protection sans poudre. Un excès de solvant crée des couches limites faibles de produits chimiques non éliminés, laissant un voile qui nuira au collage.2 Les opérations d'impression doivent être réalisées le plus tôt possible après le moulage, ou bien les pièces doivent être emballées hermétiquement dans des sacs non polyéthylène, tels que des sacs en polyester. Les applications de collage du nylon et du PPS exigent souvent un prétraitement plasma, tel que la décharge corona électrique, le plasma atmosphérique électrique, le plasma à air (décharge électrique), le plasma à flamme et le plasma froid RF basse pression.

Surfaces de substrat propres

Les matériaux de faible masse moléculaire, tels que les silicones, les agents de démoulage, les agents antiglisse et les additifs de mise en œuvre, empêchent l'encre de s'écouler et d'établir le contact intime indispensable à l'adhérence. Certains agents composés, solubles ou non, utilisés dans les colorants pigmentaires et les teintures peuvent nuire à l'adhérence. La composition chimique de la surface moulée, sa texture et sa porosité influencent fortement l'écoulement de l'encre et l'adhérence. Le degré ou la qualité du traitement et l'adhérence dépendent de la propreté de la surface plastique. La surface doit être propre pour obtenir un prétraitement optimal, puis une bonne adhérence de l'encre. Les contaminations de surface, telles que les agents de démoulage silicones, la saleté, la poussière, la graisse, les huiles et les traces de doigts, gênent le traitement. La pureté du matériau est également un facteur important.

La durée de conservation des plastiques traités dépend du type de résine, de la formulation et de l'environnement ambiant du lieu de stockage. Elle est limitée par la présence de matériaux oxydés de faible masse moléculaire (LMWOM), tels que les antioxydants, les plastifiants, les agents de glissement et antistatiques, les colorants et pigments, les stabilisants, etc. L'exposition des surfaces traitées à des températures élevées accroît la mobilité des chaînes moléculaires : plus cette mobilité est forte, plus le traitement vieillit vite. Dans les matériaux traités, la mobilité des chaînes de polymère éloigne de la surface les sites de liaison créés par le traitement. Ces composants peuvent finir par migrer vers la surface du polymère.

Conception de l'outillage de moulage et texture de surface

Les concepteurs peuvent améliorer l'adhérence en ajoutant de la texture à la ou aux surfaces du moule. La texture crée des pics et des creux qui assurent une adhérence par ancrage mécanique. Elle peut être réalisée dans l'outil de moulage ou manuellement avec un tampon Scotch-Brite suivi d'un nettoyage au solvant. La texture obtenue au moulage est préférable, car elle conserve les caractéristiques de surface sans coût supplémentaire de main-d'œuvre ni de produits chimiques.

Par exemple, la finition NTMA d'empreinte de moule « 40 — polie au diamant, grain 1200 » améliorera vraisemblablement la résistance du collage par rapport à la finition « 10 — diamant fin, grain 8000 » (plage de 0 à 3 microns). Voir la figure 4, finitions de surface de moule SPI. Même des surfaces légèrement texturées sont bénéfiques. Pour les applications à trous borgnes, comme les connecteurs, des broches de noyau gravées dans le moule sont très efficaces.

En résumé, pour obtenir une adhérence d'encre robuste et/ou un collage des polymères à haute résistance, les mesures suivantes sont recommandées. Aucune d'entre elles n'ajoute de coût ; elles permettent au contraire de réaliser des économies.

• Aucun silicone interne ou externe. Réduire au minimum les additifs de mise en œuvre.
• Texture du moule.
• Sécher correctement la résine avant le moulage.
• Les surfaces doivent être propres.
• Éviter l'excès de solvant, qui crée des couches limites faibles de produits chimiques non éliminés.
• Emballer hermétiquement les pièces moulées dans des sacs non polyéthylène avec un dessiccant, ou utiliser des sacs en polyester.
• Réaliser l'impression le plus tôt possible après le moulage.

Références

• 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 est le fondateur et président de The Sabreen Group, Inc., société d'ingénierie spécialisée dans les procédés de transformation secondaire des plastiques : sécurité des produits, marquage laser, prétraitements de surface, collage, décoration et finition. Il est pionnier en matière de technologies et de résolution de problèmes de fabrication depuis plus de 30 ans. Vous pouvez le joindre au 972.820.6777 ou en visitant www.Sabreen.com.

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