Quanto dura il trattamento superficiale al plasma? Durata di conservazione delle materie plastiche trattate

Quanto dura il trattamento superficiale al plasma? Durata di conservazione delle materie plastiche trattate

Punti chiave

• Il trattamento al plasma non è permanente. L'energia superficiale raggiunge il massimo subito dopo il trattamento e poi decade, un processo detto recupero idrofobico.
• Le finestre utili tipiche vanno da poche ore su poliolefine e silicone a diverse settimane su PET e policarbonato, ma l'unico valore che conta è quello misurato sul Suo componente e sul Suo grado di materiale.
• Calore, affioramento degli additivi e contatto accelerano il decadimento. Uno stoccaggio a temperatura elevata, gli agenti scivolanti e l'impilamento delle facce trattate contro l'imballaggio riducono tutti la finestra utile.
• Trattare immediatamente prima di incollaggio, stampa o rivestimento e verificare con una soluzione dyne o con l'angolo di contatto anziché con il calendario.

La domanda «quanto dura il trattamento superficiale al plasma?» ricorre in ogni progetto in cui tra il pretrattamento e l'operazione successiva passa del tempo: componenti trattati su una linea e stampati su un'altra, componenti stampati a iniezione spediti a un assemblatore in conto terzi, film trattato dal trasformatore e laminato settimane dopo. La risposta onesta è da poche ore a qualche settimana, e la variabilità dipende molto più dal polimero, dal suo pacchetto di additivi e da come i componenti vengono stoccati che dall'impianto al plasma. Questo articolo spiega perché l'effetto svanisce, come sono le finestre tipiche, come misurare se il trattamento è ancora presente e come progettare il processo in modo che la domanda smetta di avere importanza.

Che cosa cambia realmente il trattamento al plasma

I pretrattamenti in fase gassosa, che si tratti di plasma freddo a bassa pressione, plasma atmosferico, trattamento corona o a fiamma, agiscono soltanto sui primi nanometri del polimero. Le specie energetiche presenti nella scarica (ioni, elettroni, radicali e fotoni ultravioletti) rimuovono la contaminazione organica e gli strati limite deboli e, nei plasmi contenenti ossigeno, innestano sulle catene polimeriche gruppi polari ossigenati come idrossile, carbonile e carbossile. Il risultato è un forte aumento dell'energia superficiale e una corrispondente riduzione dell'angolo di contatto con l'acqua. Il polipropilene, ad esempio, passa da circa 29-31 dyn/cm non trattato a ben oltre i 38-42 dyn/cm che la maggior parte degli inchiostri e degli adesivi richiede per bagnare la superficie.

Tale cambiamento è chimico, ma è anche superficiale e termodinamicamente instabile. Una superficie ad alta energia su un polimero a bassa energia è un sistema in tensione, e tende a rilassarsi.

Perché l'effetto svanisce: il recupero idrofobico

Il decadimento è guidato da quattro meccanismi, che agiscono a velocità diverse.

• Riorientamento delle catene. I gruppi polari sono legati a segmenti polimerici che restano mobili a temperatura ambiente. Nell'arco di ore e giorni ruotano allontanandosi dalla superficie verso l'interno, portando con sé la loro polarità. Il fenomeno è più rapido nei polimeri con elevata mobilità delle catene, ed è per questo che poliolefine e silicone recuperano così in fretta, mentre i polimeri amorfi vetrosi mantengono il trattamento più a lungo.
• Migrazione di materiale ossidato a basso peso molecolare. Il plasma non si limita a funzionalizzare le catene: le spezza anche. Un trattamento eccessivo lascia uno strato debolmente legato di frammenti corti e ossidati che possono diffondere verso l'interno, essere rimossi con uno straccio o comportarsi come strato limite debole quando arriva finalmente l'adesivo.
• Affioramento degli additivi. Agenti scivolanti come erucamide e oleamide, antistatici, antiossidanti e plastificanti sono concepiti per migrare in superficie. Una superficie appena trattata, ripulita dal precedente affioramento, è un nuovo punto di accumulo per una quantità ulteriore di questi additivi. I gradi per film e tappi con alto contenuto di agente scivolante possono perdere gran parte del trattamento in un giorno.
• Contaminazione e contatto. Idrocarburi presenti nell'aria, impronte digitali e trasferimenti da sacchetti, vassoi, cartone e componenti adiacenti ricoprono di nuovo la superficie con materiale a bassa energia.

Il decadimento è rapido all'inizio e poi rallenta. La maggior parte della perdita su una poliolefina avviene nelle prime 24 ore, dopodiché la superficie si assesta su un livello che può essere ancora superiore a quello del materiale non trattato, ma inferiore a quanto richiede un adesivo strutturale.

Finestre di trattamento tipiche per polimero

Gli intervalli riportati di seguito sono quelli comunemente osservati nella pratica per il plasma di ossigeno o d'aria. Vanno considerati un punto di partenza per un piano di prove, non una specifica. Grado, additivi, stoccaggio e, soprattutto, l'energia superficiale effettivamente richiesta dal Suo processo a valle spostano tutti i limiti.

Si noti che cosa significa qui «dura»: il tempo in cui la superficie rimane al di sopra della soglia richiesta dal Suo processo. Un'etichetta autoadesiva può tollerare 36 dyn/cm; un inchiostro per stampa a getto UV richiede in genere 42 o più; un'epossidica strutturale o un incollaggio medicale possono richiedere una superficie ancora prossima allo stato appena trattato. La stessa curva di decadimento fornisce quindi una finestra diversa per ciascuna applicazione.

Che cosa riduce la finestra utile

• Stoccaggio a caldo. La mobilità delle catene aumenta con la temperatura. I componenti impilati ancora caldi dallo stampaggio, o conservati in un magazzino d'estate, recuperano molto più rapidamente di quelli mantenuti a temperatura ambiente.
• Gradi ricchi di additivi. I pacchetti di agenti scivolanti, antistatici e antiblocco esistono proprio per raggiungere la superficie. Chieda al fornitore della resina che cosa contiene il grado prima di incolpare il plasma.
• Trattamento eccessivo. Più potenza o un tempo di permanenza più lungo non garantiscono più tempo. Oltre l'ottimo si crea lo strato frammentato e debolmente legato descritto sopra, che recupera più rapidamente e può cedere per coesione sotto carico.
• Contatto con la faccia trattata. Sacchetti, vassoi, fogli interfalda e altri componenti trasferiscono materiale a bassa energia. Se i componenti devono essere stoccati, li conservi con la faccia trattata rivolta verso l'alto e scoperta in un'area pulita, oppure in imballaggi validati come non trasferenti.
• Umidità, per alcuni polimeri. Il nylon in particolare modifica il comportamento superficiale con l'umidità assorbita. Condizioni i componenti in modo uniforme tra il trattamento e l'uso.

Come misurare se il trattamento è ancora presente

Non si affidi al tempo trascorso. Tre controlli, in ordine di rigore crescente:

• Soluzioni dyne. I fluidi di prova della tensione di bagnabilità (l'approccio ASTM D2578 per i film) sono rapidi e semiquantitativi. Dipendono dall'operatore e i fluidi stessi contaminano la superficie, quindi si deve provare un'area o un componente sacrificale.
• Angolo di contatto. La lettura dell'angolo di contatto con l'acqua con un goniometro è quantitativa e ripetibile. Il polipropilene trattato può scendere da circa 100 gradi a 40-60 gradi per poi risalire lentamente nell'arco di giorni; tracciare questo recupero è il grafico singolo più utile in una qualifica di pretrattamento.
• La vera prova di adesione. L'energia superficiale è necessaria ma non sufficiente. Incolli, stampi o rivesta un campione per ciascun intervallo di stoccaggio e lo provi con il metodo riconosciuto dal Suo cliente, che si tratti di una prova con nastro o di strappo o di un provino a taglio per sovrapposizione.

La qualifica pratica è una curva di decadimento: trattare un lotto, quindi misurare a 0, 1, 4 e 24 ore e a 3, 7, 14 e 28 giorni nelle reali condizioni di stoccaggio. Fissare il limite di processo dove la curva si avvicina alla soglia, con un margine, e inserire tale limite nell'istruzione di lavoro.

Come prolungare la finestra utile, o eliminare il problema

• Trattare in linea, immediatamente prima dell'operazione successiva. È la risposta corretta per la maggior parte dei processi produttivi. Se la testa al plasma si trova pochi secondi a monte della testa di stampa o dell'ugello di dosaggio, il recupero idrofobico non ha mai il tempo di incidere.
• Controllare lo stoccaggio. Ambiente fresco, asciutto e pulito, faccia trattata scoperta o in imballaggi validati, e utilizzo entro l'intervallo validato.
• Cambiare la chimica. I processi di deposizione di silicati come Pyrosil depositano un sottile strato reattivo di ossido di silicio anziché modificare il polimero stesso. Poiché lo strato polare è un rivestimento e non una superficie polimerica riorientabile, la sua attivazione è in genere stabile per settimane o mesi, ed è per questo che viene scelto quando trattamento e incollaggio non possono avvenire nello stesso luogo.
• Usare un primer o un promotore di adesione. Dove la tempistica non può essere controllata, un primer applicato subito dopo il trattamento blocca lo stato attivato e offre all'adesivo o all'inchiostro una superficie stabile con cui interagire in seguito.
• Ritrattare. Una superficie recuperata può essere trattata di nuovo, ma occorre verificare che l'affioramento di additivi accumulato durante lo stoccaggio venga rimosso e non semplicemente ossidato sul posto.

Il plasma dura più a lungo del trattamento corona o a fiamma?

Tutti e tre producono una chimica superficiale ossidata in linea di massima simile, per cui la classifica di durata dipende più dal grado e dall'intensità del trattamento che dalla tecnologia. Detto questo, vengono comunemente segnalati alcuni andamenti. I film in poliolefina trattati con corona, che tendono a essere ricchi di additivi e molto trattati, mostrano spesso il recupero più rapido. Il trattamento a fiamma su componenti stampati in poliolefina risulta di frequente un po' più duraturo del corona. Il plasma a bassa pressione offre il trattamento più uniforme e controllabile su componenti tridimensionali complessi, riducendo le zone sovratrattate che recuperano più in fretta. La deposizione di silicati appartiene a una classe del tutto diversa. Il confronto è illustrato più in dettaglio nella nostra panoramica sui pretrattamenti superficiali al plasma per l'incollaggio per adesione.

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Domande frequenti

Quanto dura il trattamento al plasma sul polipropilene?

Di solito da alcune ore a pochi giorni, prima che l'energia superficiale scenda sotto il valore richiesto da inchiostri e adesivi. I gradi ricchi di agente scivolante possono perdere gran parte dell'effetto entro 24 ore. Trattare il polipropilene in linea, ovunque sia possibile.

Una superficie trattata al plasma può essere trattata di nuovo?

Sì. Il ritrattamento ripristina l'energia superficiale, ma l'affioramento di additivi accumulato durante lo stoccaggio dovrebbe essere rimosso e non semplicemente ossidato sul posto, perciò si specifica spesso una pulizia con solvente prima del ritrattamento.

Sigillare i componenti trattati in sacchetti conserva il trattamento?

Solo in parte. L'insacchettamento previene la contaminazione dall'aria, ma non fa nulla contro il riorientamento delle catene o l'affioramento degli additivi, e il film del sacchetto stesso può trasferire agente scivolante sulla faccia trattata. Validi l'imballaggio come parte dello studio di stoccaggio.

Come faccio a sapere se il trattamento si è esaurito?

Lo misuri. Le soluzioni dyne offrono un rapido esito conforme/non conforme rispetto a una soglia di bagnabilità; l'angolo di contatto fornisce un valore ripetibile; una prova di adesione su un campione stoccato dà il verdetto finale. Il solo tempo trascorso non è un indicatore affidabile.

Esiste un pretrattamento che non svanisce?

I processi di deposizione di silicati come Pyrosil si avvicinano di più, perché depositano uno strato di ossido stabile anziché modificare la superficie del polimero, e la loro attivazione è in genere utilizzabile per settimane o mesi. I primer applicati subito dopo il trattamento ottengono un effetto analogo. Entrambi meritano comunque uno studio di stoccaggio per lo specifico componente.

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