Préparation des plastiques avant peinture

Préparation des plastiques avant peinture

Les procédés utilisés pour appliquer la plupart des peintures liquides sur les plastiques ne diffèrent guère de ceux employés pour peindre les métaux, bien que la peinture en poudre reste assez rare sur les plastiques. De plus, certaines méthodes de peinture largement utilisées sur les métaux, comme le dépôt chimique (autophorétique) et le revêtement par électrodéposition, sont impossibles avec les plastiques. Mais toutes les autres techniques, comme l'application au pinceau, le trempage, le revêtement par écoulement, le rideau de peinture, y compris toutes les variantes de pulvérisation et d'atomisation rotative, servent à revêtir aussi bien les métaux que les plastiques. Avec l'arrivée du durcissement par rayonnement UV et du durcissement à basse température de certaines peintures en poudre, l'application de poudre sur certains plastiques assez résistants à la chaleur est désormais pratiquée, bien que cette technologie en soit encore à ses débuts.

L'aptitude à la peinture de tous les métaux couramment utilisés en fabrication est assez similaire. Cela s'explique en partie par le fait que les valeurs d'énergie de surface, de conductivité électrique, de conductivité thermique et de résistance à la chaleur des métaux sont toutes assez proches. Ce n'est résolument pas le cas des plastiques. En général, les valeurs de ces propriétés sont bien inférieures pour les plastiques que pour les métaux, et varient de manière extrême d'un plastique à l'autre. Même au sein d'une même famille de plastiques, leur aptitude à la peinture peut être étonnamment différente en raison des différences de masse moléculaire et de l'incorporation d'additifs différents lors de la fabrication des diverses résines. La composition de base du plastique peut se limiter à une seule résine ou être un mélange de deux résines ou plus. Une composition de résine peut contenir un assortiment de charges, d'agents d'extension et de plastifiants. Des additifs sont souvent ajoutés aux résines pour produire des propriétés physiques et chimiques souhaitables ; des pigments sont introduits pour modifier le brillant ou apporter de la couleur. La nature chimique et les quantités de ces additifs sont susceptibles de modifier sensiblement l'aptitude à la peinture de la formulation. Même des pièces fabriquées à partir de la même formulation de résine n'ont pas nécessairement la même aptitude à la peinture. Le procédé de moulage, d'extrusion ou de mise en forme utilisé pour produire la pièce peut aussi jouer un rôle important, du fait des contraintes induites dans la pièce et de la réticulation de la résine.

La nature chimique de la résine détermine en grande partie l'énergie de surface du plastique. En général, une surface d'énergie plus élevée est plus facilement « mouillée » par la peinture et donc plus « peignable », ce qui signifie que l'adhérence du revêtement sera meilleure. On a constaté que l'adhérence de la peinture aux métaux est souvent supérieure à celle sur les plastiques, car les métaux ont généralement des énergies de surface nettement plus élevées que les plastiques. La faible polarité des molécules de plastiques tels que le polyéthylène et le polypropylène est la cause de la faible énergie de surface (et de la mauvaise aptitude à la peinture) de ces plastiques. Augmenter l'énergie de surface, et donc l'adhérence de la peinture, est l'un des principaux objectifs du prétraitement des plastiques.

Points clés à retenir

• La plupart des méthodes de peinture liquide se transposent du métal, mais le dépôt chimique et le revêtement par électrodéposition sont impossibles sur les plastiques.
• L'électricité statique est un problème propre aux plastiques. Les plastiques sont des isolants : ils accumulent des charges et attirent les poussières en suspension avant la peinture.
• Les agents de démoulage à base de cire sont l'ennemi de la peinture. Les agents hydrosolubles sont bien préférables et s'éliminent avec un détergent aqueux ordinaire.
• Les surfaces lisses doivent être rendues rugueuses, par voie chimique ou mécanique, pour créer les sites d'ancrage dont la peinture a besoin.
• Les essais de vieillissement accéléré permettent de prévoir la tenue sur le terrain : chaleur sèche, chaleur humide et groupe témoin, puis essai de pelage selon la norme ASTM D3330.

Foire aux questions

Quels contaminants faut-il éliminer avant de peindre un plastique ?

Les empreintes digitales, la poussière, les peluches et les résidus d'agent de démoulage. Un nettoyage au détergent élimine généralement les sels et les huiles déposés par les mains nues, et la contamination par les empreintes peut être totalement évitée si les opérateurs portent des gants non pelucheux depuis la mise en forme jusqu'à l'application de la peinture.

Pourquoi les pièces plastiques attirent-elles la poussière avant la peinture ?

Parce que la plupart des plastiques sont des isolants ou de mauvais conducteurs électriques : ils accumulent des charges statiques qui attirent et retiennent les particules en suspension dans l'air. La maîtrise de l'électricité statique est une étape dont les lignes de finition des métaux n'ont tout simplement pas besoin.

Quels agents de démoulage sont compatibles avec la peinture ?

Les agents hydrosolubles, qui s'éliminent facilement avec un nettoyage au détergent aqueux ordinaire. Les agents de démoulage de type cire peuvent parfois être éliminés au solvant, mais ne sont pas recommandés pour les pièces destinées à être peintes, et l'usage de solvants est de toute façon déconseillé pour des raisons de COV, d'incendie et de santé.

Comment faire adhérer la peinture sur une surface plastique lisse ?

En la rendant rugueuse. Les plastiques ont une faible énergie de surface et un faible profil de surface, et les surfaces lisses donnent une mauvaise adhérence. La méthode habituelle est la gravure chimique, qui génère une micro-rugosité et des sites d'ancrage, idéalement réalisée par les solvants déjà présents dans la peinture appliquée.

Comment tester l'adhérence de la peinture sur le long terme ?

Par des essais de vieillissement accéléré. Un plan d'essai réalisable comprend trois groupes : cinq jours à 158 °F (70 °C) à sec, cinq jours à 90 °F (32 °C) et 90 % d'humidité, et un groupe témoin en conditions ambiantes. Inspectez visuellement par rapport au témoin immédiatement après, puis réalisez un essai de pelage selon la norme ASTM D3330 une fois les échantillons stabilisés, le plus souvent à 180°.

Nettoyage des substrats plastiques

Comme pour toute autre surface à peindre, les plastiques doivent être raisonnablement exempts de salissures et de corps étrangers. Les salissures courantes sur les pièces plastiques à revêtir comprennent les empreintes digitales, la poussière, les peluches et les résidus d'agent de démoulage. En général, un nettoyage au détergent élimine de façon satisfaisante les sels et les huiles déposés sur le plastique par contact des mains nues. Les salissures dues aux empreintes peuvent être totalement évitées si les opérateurs qui manipulent les pièces, de la mise en forme à l'étape d'application de la peinture, portent des gants non pelucheux.

La plupart des plastiques sont soit des isolants, soit de mauvais conducteurs électriques. Ils ont donc tendance à accumuler des charges statiques qui attirent et retiennent fermement les particules de peluches et de poussière. Un essuyage avec un chiffon dépoussiérant peut ne pas éliminer tous ces contaminants. Une excellente méthode pour éliminer les peluches et les saletés attirées par l'électricité statique consiste à utiliser un soufflage d'air déchargeur. Le déchargeur doit générer à la fois des charges positives et négatives ; la plupart des appareils utilisent une faible source d'émission radioactive dans la source d'air de soufflage. L'air d'admission est filtré et de l'air chargé d'ions est soufflé sur la pièce afin que les ions positifs et négatifs neutralisent toutes les charges statiques. Le déchargement doit être effectué immédiatement avant la peinture afin que les pièces soient aussi propres que possible à leur entrée dans le procédé de revêtement. Des délais entre le déchargement et la peinture permettent aux charges de se reformer et, par conséquent, les pièces accumulent à nouveau des particules à leur surface.

En installant les opérations de peinture des plastiques dans une « salle blanche », les saletés telles que la poussière et les peluches sont plus faciles à maîtriser. L'alimentation en air doit être filtrée et maintenue à environ 50 % d'humidité relative. Seules les personnes autorisées, vêtues de combinaisons non pelucheuses, de filets à cheveux et de surchaussures, doivent être admises dans cette salle à tout moment.

Agents de démoulage et plastifiants

Certains agents de démoulage peignables existent, mais beaucoup d'autres nuisent à l'adhérence de la peinture. Diverses techniques peuvent être nécessaires pour éliminer ces agents utilisés pour faciliter la séparation des pièces plastiques et des moules. Les agents de démoulage de type cire peuvent parfois être éliminés par nettoyage au solvant, mais ce type d'agent n'est pas recommandé pour les pièces à peindre. L'usage de solvants est presque automatiquement déconseillé en raison des restrictions sur les émissions de COV et des risques potentiels d'incendie et pour la santé de nombreux solvants. Les agents de démoulage hydrosolubles sont nettement préférés. Leur élimination de la surface du plastique s'effectue aisément avec des solutions détergentes aqueuses ordinaires.

Les agents de démoulage peuvent aussi être mélangés aux formulations de plastique ; on les appelle agents de démoulage « internes ». Les agents de démoulage internes doivent être évités dans la mesure du possible. L'aptitude à la peinture peut ne pas être altérée immédiatement, et les essais d'adhérence de contrôle qualité peuvent montrer une excellente adhérence initiale. Dans certains cas, toutefois, les agents de démoulage internes ont lentement migré vers la surface de la pièce et provoqué une défaillance d'adhérence de la peinture plusieurs mois après la peinture de la pièce.

Des plastifiants peuvent être ajoutés aux résines de moulage pour augmenter la résistance aux chocs, mais ils peuvent souvent réduire l'adhérence de la peinture, tout comme les agents de démoulage. Certains plastifiants migrent lentement vers la surface et ramollissent l'interface entre le plastique et la peinture, entraînant une perte d'adhérence. Là aussi, les essais initiaux d'adhérence de la peinture peuvent être tout à fait satisfaisants, mais le décollement ou la séparation du film de peinture de la surface plastique survient plus tard. Cela peut entraîner des défaillances coûteuses sur le terrain et des réclamations en responsabilité, longtemps après la mise en service de la pièce.

Obtenir une adhérence robuste de la peinture

La plupart des surfaces plastiques ont non seulement une faible énergie de surface, mais aussi un faible profil de surface par nature. Les surfaces lisses tendent à donner une mauvaise adhérence de la peinture, sauf si la surface est d'abord rendue rugueuse par voie chimique ou mécanique. Les couches de conversion sur les métaux contribuent à l'adhérence de la peinture en partie grâce à la micro-rugosité de la couche inorganique produite sur le métal. Le moyen le plus courant de pallier le caractère lisse des plastiques est de graver la surface avec un agent chimique afin de générer une micro-rugosité et des sites d'ancrage qui assureront l'adhérence de la peinture. Si possible, la gravure est réalisée par les solvants présents dans la peinture appliquée, afin d'éviter une étape de traitement distincte. Le choix du solvant de la peinture est assez critique, car différents solvants attaquent les plastiques à des vitesses variables. Il faut éviter aussi bien la surgravure que la sous-gravure. Une gravure insuffisante n'assure pas une adhérence correcte ; une gravure excessive peut endommager le plastique. Elle peut déformer la pièce, exposer des particules de charges et d'agents d'extension, et même créer des zones où des matières du plastique risquent de migrer dans le revêtement. Certains plastiques, comme le polycarbonate ou le polystyrène, se fissurent ou se faïencent excessivement en surface sous l'attaque de solvants auxquels ils sont particulièrement sensibles. Si les plastiques présentent des zones fortement contraintes par le moulage, les solvants peuvent y former des fissures visibles par relaxation des contraintes. Une certaine prudence est donc requise lors de la gravure au solvant.

Lors du moulage de certaines formes de pièces, il existe des zones où le flux rapide d'injection du plastique produit un échauffement par frottement important de la pièce à l'intérieur du moule. Dans ces zones se forme une peau fortement réticulée (vitrifiée) qui résiste à la gravure au solvant. L'adhérence de la peinture sera mauvaise dans ces zones si l'on ne prend pas de mesures pour éliminer cette peau plastique excessivement dure. Ces zones peuvent être suffisamment dévitrifiées pour permettre une adhérence satisfaisante de la peinture par tribofinition avec un média modérément abrasif, ou par projection sur la surface d'un abrasif modérément agressif. Un bref traitement par immersion dans un solvant chaud ou dans des vapeurs de solvant est également efficace pour certaines pièces. Mais la création de micro-rugosité avec des solvants n'est généralement efficace que si le plastique lui-même est au moins quelque peu polaire.

Lorsque la dévitrification ou la gravure au solvant n'est pas efficace ou n'est pas souhaitable, il peut être nécessaire de recourir à une réaction chimique pour créer des groupes oxydés polaires en surface. C'est particulièrement vrai pour les surfaces plastiques extrêmement non polaires. Le polypropylène et le polyéthylène sont deux exemples de plastiques faiblement polaires traités par oxydation. Ces résines et les plastiques faiblement polaires similaires peuvent être brièvement exposés à la flamme nue d'un brûleur à gaz. Cela déclenche une réaction chimique oxydante (combustion naissante) qui, bien qu'insuffisante pour être visible, forme assez de polarité en surface pour assurer une excellente adhérence de la peinture. Le passage des pièces plastiques dans une décharge corona électrique qui génère de l'ozone a également été utilisé pour provoquer l'oxydation de la surface. La décharge corona produit des atomes d'oxygène excités qui forment de l'ozone, lequel attaque à son tour le plastique par oxydation pour produire des groupes polaires tels que des groupements hydroxyle, carbonyle et acide carboxylique.

Les plastiques à faible polarité peuvent aussi être oxydés en surface à l'aide de substances photosensibles appelées photosensibilisateurs, suivies d'une exposition à la lumière ultraviolette. La lumière UV « scinde » les molécules des composés photosensibles pour former des radicaux libres. Les radicaux libres sont des espèces extrêmement réactives qui, dans ce procédé, se combinent avec l'oxygène présent dans l'air. Les radicaux libres d'oxygène réagissent à leur tour avec le plastique pour produire des groupes polaires en surface.

La technologie du plasma froid de gaz peut être employée pour prétraiter les plastiques et oxyder la surface afin d'améliorer considérablement les propriétés de surface pour l'adhérence de la peinture. Lorsqu'un gaz est forcé d'absorber suffisamment d'énergie, il s'ionise et devient un « plasma ». Un générateur radiofréquence fournit l'excitation. Le soudage à l'arc et l'éclairage fluorescent sont deux exemples d'un phénomène où une « lueur » est causée par des ions excités retombant à leur état d'énergie stable. Dans les limites de sécurité du système, ce procédé peut utiliser n'importe quel gaz seul ou mélange de gaz. L'oxygène, l'azote, l'hélium, l'argon, l'air et l'ammoniac ont été utilisés à cette fin.

Le conditionnement par plasma permet également de peindre les plastiques avec une bonne adhérence. Le réacteur à plasma est généralement une enceinte sous vide munie d'un orifice hermétique pour charger et décharger les pièces. Une décharge luminescente est observable lorsque le réacteur fonctionne. Le traitement par plasma de gaz micro-grave et active à la fois la surface. Un bref traitement crée une surface polaire d'énergie de surface élevée sur un plastique par ailleurs faiblement polaire ou non polaire, lui permettant d'être « mouillé » complètement et uniformément par la peinture. Les procédés plasma ne modifient généralement pas l'aspect de la surface : les matériaux peuvent donc être traités sans provoquer de décoloration. Une excellente adhérence peut être obtenue avec la même peinture que celle utilisée sur les métaux. Cela peut être un atout important pour certains fabricants, car un ensemble assemblé contenant à la fois du plastique et du métal peut être peint simultanément avec le même revêtement.

L'utilisation d'oxydants chimiques dans la peinture elle-même pour oxyder suffisamment la surface du plastique et générer une meilleure adhérence est moins efficace. La spectroscopie infrarouge par réflexion a confirmé que ces traitements produisent à la surface du plastique les mêmes groupes oxygénés (hydroxyle, carbonyle et acide carboxylique) que les autres procédés d'oxydation, mais en moindre quantité. Ce n'est que dans des cas limités que les oxydants présents dans la peinture elle-même créent une polarité suffisante pour une adhérence durable de la peinture.

Les prétraitements de surface augmentent (élargissent) les fenêtres de procédé. Par exemple, les polyoléfines « non traitées » ont des énergies de surface de l'ordre de 29-31 dynes/cm. Pour les procédés de peinture, ces surfaces nécessitent des niveaux de traitement de l'ordre de 38-60 dynes/cm, selon le type de chimie du revêtement, par exemple à base de solvant, en phase aqueuse ou UV. Chaque méthode de prétraitement est propre à l'application et présente des avantages, des limites et des implications de coût potentiels. Dans certaines circonstances, les procédés d'oxydation en phase gazeuse peuvent nuire aux opérations de fabrication en aval, comme le thermoscellage. Une évaluation approfondie avant la mise en œuvre en production est essentielle.

Essais d'adhérence

De nombreuses méthodes servent à mesurer l'adhérence de la peinture et la dureté à la rayure. Les essais de vieillissement accéléré sont une technique qui peut aider à prévoir la performance du produit à long terme. Le plan d'expérience suivant en est un exemple :

• Groupe 1 : cinq (5) jours, 158 °F (70 °C), à sec, sans humidité
• Groupe 2 : cinq (5) jours, 90 °F (32 °C), 90 % d'humidité
• Groupe 3 : groupe témoin, conditions ambiantes

Une inspection visuelle doit être réalisée immédiatement après les essais et comparée au groupe témoin. Une fois les échantillons stabilisés, des essais de pelage doivent être réalisés conformément à la norme ASTM D3330. Dans de nombreuses applications, l'essai de pelage à 180° est le plus souvent utilisé. À titre comparatif, un pelage à 90° est également suggéré. Cet essai peut donner une idée plus juste de la performance d'adhérence, bien que les valeurs puissent être inférieures à celles relevées lors du pelage à 180°. Prolonger les essais du groupe 1 de 5 à 10 jours ne permettrait pas de prévoir une performance sur le terrain doublée, car la relation n'est pas linéaire ; cela indiquerait toutefois des résultats plus robustes.

Scott R. Sabreen est fondateur et président de The Sabreen Group Inc. (TSG). TSG est une entreprise technologique spécialisée dans l'ingénierie des opérations de transformation secondaire des plastiques : prétraitements de surface, collage, décoration et finition, et marquage laser. Le Dr Norman R. Roobol (770-487-9133 ou [email protected]) est consultant en peinture industrielle, avec plus de 35 ans d'expérience, et auteur de plusieurs ouvrages. Pour plus d'informations, appelez le 888-SABREEN ou visitez : www.sabreen.com.

---