Rivestimento liquido industriale dei prodotti in poliolefine: applicazioni per interni ed esterni

Rivestimento liquido industriale dei prodotti in poliolefine: applicazioni per interni ed esterni

Il rivestimento industriale delle materie plastiche è un processo fondamentale per decorazione, finitura e personalizzazione di massa. I rivestimenti liquidi sono estremamente versatili e offrono infinite possibilità funzionali ed estetiche. I rivestimenti aggiungono valore, sono convenienti ed ecologici. I processi di rivestimento sono complessi e richiedono un'adeguata progettazione. Occorre comprendere gli effetti della chimica della vernice e della compatibilità con il polimero. Qualità e pulizia della superficie sono essenziali per l'adesione e per una qualità priva di difetti. Questo articolo è il primo di una serie dedicata ai rivestimenti liquidi per materie plastiche. In questo numero esaminiamo le proprietà dei polimeri, i tipi di interazione tra rivestimenti e substrati, le applicazioni del polipropilene e le tecnologie di rivestimento.

I termini «rivestimento» e «verniciatura» sono spesso usati in modo intercambiabile. In generale, lo scopo della «verniciatura» è estetico, mentre il «rivestimento» è finalizzato alle prestazioni, mediante l'applicazione di uno strato di materiale funzionale sul substrato. Esempi di rivestimenti prestazionali sono impermeabilizzazione, autopulizia, antimicrobico, prevenzione di ruggine e corrosione, protezione UV/resistenza agli agenti atmosferici, flessibilità ed elasticità e stabilità del colore. Per ottenere l'adesione, i pezzi in plastica devono essere privi di cariche statiche, sporco, oli, impronte digitali, residui di distaccante e simili. I materiali ossidati a basso peso molecolare (LMWOM), come antiossidanti, plastificanti, agenti scivolanti e antistatici, coloranti/pigmenti e stabilizzanti, possono modificare la verniciabilità di un pezzo e causare delaminazione e altri difetti. Data la natura idrofobica del polipropilene (PP) e di molti polimeri, è necessario il pretrattamento al plasma, talvolta in combinazione con promotori di adesione chimici a base di poliolefine clorurate.

Punti chiave

• Vernice e polimero interagiscono a livello chimico, termico e meccanico: nessuna interazione deve compromettere le proprietà della plastica.
• Il PP è l'«acciaio» dell'industria delle materie plastiche: tenace, rigido, cristallino, non polare e riciclabile al 100%.
• La verniciabilità è una decisione di progetto. I gradi differiscono anche all'interno di una stessa famiglia di polimeri, quindi la scelta del polimero fissa il limite massimo.
• Tre famiglie di rivestimenti (lacche monocomponente, termoindurenti bicomponente e UV) disponibili tutte in chimiche a base acqua.
• Il PP riciclato è un vero mercato dei rivestimenti. Le batterie automobilistiche diventano prodotti per l'edilizia garantiti 25 anni o più.

Domande frequenti

Perché il polipropilene è difficile da verniciare?

Il PP è idrofobico, non polare e chimicamente inerte, il che significa scarsa bagnabilità della superficie. È una resina idrocarburica lineare della famiglia delle poliolefine e, con la polimerizzazione, forma strutture di catena atattiche, isotattiche o sindiotattiche a seconda della posizione dei gruppi metilici, ciascuna con un diverso comportamento.

Che cosa considerare nell'abbinare vernice e plastica?

Tre tipi di interazione: chimica, termica e meccanica. Nessuna deve compromettere le proprietà della plastica. La complicazione è che esistono molte materie plastiche e molti gradi all'interno di ogni famiglia, ciascuno con una diversa verniciabilità, e contribuisce anche la lavorazione primaria.

Quali tecnologie di rivestimento sono disponibili per la finitura delle materie plastiche?

Tre categorie principali. Le lacche monocomponente sono facili da usare, con basso costo per piede quadrato, e asciugano per evaporazione di solvente o acqua, in genere in 30 minuti o meno. Le altre due sono i termoindurenti bicomponente e i rivestimenti UV. Tutte e tre sono disponibili in chimiche a base acqua.

Il polipropilene riciclato può essere rivestito con successo?

Sì, ed è un'applicazione significativa. Le batterie automobilistiche riciclate diventano prodotti per interni ed esterni di edifici, alcuni garantiti dal fabbricante per oltre 25 anni, con il rivestimento come processo di decorazione preferito per la personalizzazione di massa.

Quando le lacche monocomponente sono la scelta giusta?

Quando contano soprattutto costo per piede quadrato e facilità d'uso e il requisito prestazionale è moderato. Possono essere formulate per durezza e resistenza all'abrasione, oppure rese più flessibili per le plastiche morbide, e induriscono interamente per evaporazione a temperatura ambiente o con cottura a bassa temperatura.

Compatibilità vernice-polimero

Per ottenere lavorazioni robuste e prestazioni in uso finale occorre comprendere gli effetti della chimica della vernice e della compatibilità con la plastica. La scelta di vernice e plastica comporta diverse interazioni, tra cui chimiche, termiche e meccaniche2. Non sarebbe accettabile che un qualsiasi elemento compromettesse le proprietà della plastica. I progettisti devono selezionare il polimero ottimale, un equilibrio tra prestazioni e verniciabilità. Una complessità è che esistono moltissime plastiche e gradi diversi, anche all'interno della stessa famiglia polimerica, ciascuno con proprietà e grado di verniciabilità propri. La lavorazione primaria è un fattore che contribuisce, tra cui purezza del materiale, temperatura dello stampo, punti di iniezione, degasaggio, grado di cristallinità e così via.

Effetti chimici: i solventi delle vernici e le interazioni chimiche possono danneggiare la plastica. Spesso è auspicabile che i solventi della vernice attacchino (incidano) la plastica, il che in misura limitata può migliorare l'adesione. Tuttavia i solventi possono causare cavillature superficiali, fessurazione da stress ambientale, rigonfiamento, rammollimento, dissoluzione del substrato polimerico e molti difetti legati ai solventi (ad esempio pinhole, solvent pop e vuoti).

Effetti termici: alcuni tipi di vernici richiedono una polimerizzazione a temperatura elevata. Temperature più elevate (rispetto ai moduli del polimero) possono rilasciare le tensioni interne dello stampaggio, causando deformazioni. Il ritiro della vernice durante la polimerizzazione può produrre tensioni residue. Temperature estreme possono degradare il polimero. Nella polimerizzazione in forno l'aumento di temperatura deve essere graduale.

Effetti meccanici: le proprietà di resistenza e rigidità della vernice asciutta devono essere compatibili con la plastica e funzionare insieme come un unico sistema. La scelta di un sistema di verniciatura non adeguatamente abbinato a un determinato substrato plastico può portare a un cedimento prematuro, il cosiddetto «disadattamento elastico».

Polipropileni

Il polipropilene (PP) è spesso definito l'«acciaio» dell'industria delle materie plastiche per i molti modi in cui può essere modificato per scopi particolari. Il PP è un termoplastico tenace, rigido e cristallino, non polare, prodotto a partire dal monomero propene (o propilene). È riciclabile al 100%. Il PP è difficile da incollare perché è idrofobico, non polare e chimicamente inerte, cioè presenta scarsa bagnabilità della superficie. Il PP è una resina idrocarburica lineare appartenente al gruppo delle poliolefine. La formula chimica del PP è (C3H6)n.

Con la polimerizzazione, il PP può formare tre strutture di catena di base a seconda della posizione dei gruppi metilici:

• Atattico (aPP): disposizione irregolare dei gruppi metilici (CH3)
• Isotattico (iPP): gruppi metilici (CH3) disposti su un solo lato della catena di carbonio
• Sindiotattico (sPP): disposizione alternata dei gruppi metilici (CH3)

Esistono due tipi principali di PP: omopolimeri e copolimeri. I copolimeri si dividono a loro volta in copolimeri a blocchi e copolimeri random. Il PP omopolimero è un grado di uso generale. Il PP copolimero a blocchi ha unità di comonomero disposte a blocchi e contiene tra il 5% e il 15% di etilene. Il PP copolimero random ha unità di comonomero disposte in schemi irregolari o casuali lungo la molecola, in genere dall'1% al 7% di etilene1. Il punto di fusione del PP si colloca in un intervallo, il che significa che la temperatura di impostazione per la polimerizzazione in forno va valutata in base al grado.

• Omopolimero: 160-165 °C
• Copolimero: 135-159 °C

Antistatico. Il PP ha eccellenti proprietà di isolamento elettrico e tende a trattenere le cariche statiche, che attirano lo sporco sulla superficie. Gli additivi antistatici possono «affiorare» in superficie dissipando le cariche elettriche, ma causano la delaminazione della vernice. Inoltre, dopo alcuni mesi può comparire sulla superficie dei colori scuri un velo bianco (affioramento).

Effetti delle radiazioni. Ultravioletto (UV). Il PP è fortemente influenzato dalla radiazione UV. L'esposizione alla luce solare diretta causa la perdita delle proprietà di resistenza, a meno che non si utilizzi un inibitore UV o un'elevata quantità di pigmento nerofumo. Anche con una forte aggiunta di inibitore o pigmento, la durata in servizio in condizioni di forte irraggiamento solare è limitata.

Considerazioni di progetto del polimero per il PP e i polimeri a bassa energia superficiale:

• I copolimeri di PP possono essere più facili da far aderire/incollare rispetto agli omopolimeri.
• Nylon e policarbonati sono igroscopici e devono essere essiccati. Il PP non è igroscopico, ma se i granuli di resina presentano umidità superficiale si verificano gli stessi problemi dei materiali igroscopici umidi.
• Le proprietà «di massa» del nylon sono idrofobiche, mentre le proprietà «superficiali» sono igroscopiche1.
• Il nylon 6 assorbe l'umidità più facilmente del nylon 66, per cui l'umidità agisce da plastificante. Il nylon 6 può essere più facile da incollare del nylon 11 o 12.
• I copolimeri di acetale POM (Celcon) possono essere più facili da incollare rispetto agli omopolimeri (Delrin).
• I polietileni sono più facili da incollare. Verificare che il PP sia effettivamente necessario.

Applicazioni con polipropilene riciclato (rPP)

Il PP è riciclabile al 100% e verniciabile. Vedere Figura 1. Le batterie automobilistiche vengono riciclate in prodotti per interni ed esterni di edifici e abitazioni. Alcuni di questi prodotti sono garantiti dal fabbricante per oltre 25 anni. Il rivestimento è il processo di decorazione preferito per la personalizzazione di massa.

Tecnologie di rivestimento

Per la finitura OEM delle materie plastiche esistono diverse tecnologie di rivestimento, ciascuna con vantaggi distinti in funzione di prestazioni, costi e ingombro della linea. Queste tecnologie rientrano in tre categorie principali:

Lacche monocomponente: facili da usare e con basso costo per piede quadrato, le lacche monocomponente sono comunemente utilizzate nella decorazione delle materie plastiche. Questi rivestimenti asciugano e induriscono interamente per evaporazione di solvente o acqua e in genere asciugano in 30 minuti o meno a temperatura ambiente o con cottura a bassa temperatura. Le lacche monocomponente possono essere formulate per durezza e resistenza all'abrasione oppure, per le plastiche morbide, rese flessibili e duttili. La possibilità di asciugare all'aria a temperatura ambiente riduce gli investimenti di capitale, sebbene una cottura a bassa temperatura a 100-120 °F contribuisca a ridurre il tempo di ciclo. Le lacche monocomponente sono più adatte a prodotti finiti destinati a usi in cui l'esposizione potenziale a umidità di condensa, immersione in acqua e sostanze chimiche aggressive è limitata. Questi prodotti sono disponibili in formulazioni a solvente e a base acqua e possono essere applicati con spruzzatura HVLP o ad aria atomizzata.

Rivestimenti termoindurenti bicomponente: i termoindurenti bicomponente offrono prestazioni elevate e possono essere ottimizzati per un'ampia gamma di applicazioni industriali gravose, beni di consumo per esterni e automotive. In questo ambito dominano epossidici, poliuretani e, in misura minore, modificatori reattivi M-cure. I rivestimenti poliuretanici hanno un costo elevato per piede quadrato, ma offrono un'eccellente resistenza chimica e prestazioni di stabilità del colore e della brillantezza di grado automotive durante una prolungata esposizione alla luce solare diretta. Gli epossidici costano meno degli uretani ed eccellono per durezza del film, resistenza chimica e proprietà di barriera al vapore acqueo. Tuttavia gli epossidici hanno scarsa stabilità del colore e durabilità se esposti alla luce solare diretta nelle applicazioni di finitura e sono soggetti a sbiancamento (blushing), quindi si usano tipicamente come primer. Inoltre, i prodotti rivestiti con epossidici richiedono in genere un'etichetta della California Proposition 65.

In generale, i rivestimenti termoindurenti bicomponente richiedono un lungo tempo di polimerizzazione prima della manipolazione/imballaggio, poiché la maggior parte della durezza del film si sviluppa per reticolazione chimica (polimerizzazione). A causa della sensibilità al calore dei substrati plastici, la possibilità di accelerare con il calore la polimerizzazione dei termoindurenti bicomponente è limitata. Le apparecchiature di miscelazione a più componenti consentono di utilizzare formulazioni a polimerizzazione più rapida quando serve un tempo di ciclo più breve. Per le applicazioni in cui vincoli di costo o di tempo di polimerizzazione escludono l'uso di uretani bicomponente, l'M-cure è un'opzione da considerare, poiché si possono ottenere tempi di asciugatura più rapidi a temperatura ambiente o con cottura a bassa temperatura senza apparecchiature di miscelazione multipla, grazie alla nuova tecnologia di resine M-cure che ha permesso alle formulazioni M-cure di raggiungere una pot life utile molto più lunga di quanto fosse possibile in passato. Sono disponibili formulazioni termoindurenti a base acqua e a solvente, in genere applicate con spruzzatura HVLP o ad aria atomizzata.

Rivestimenti a polimerizzazione UV: i rivestimenti a polimerizzazione UV offrono la migliore combinazione di rapidità di essiccazione/polimerizzazione e prestazioni tra tutte le tecnologie di rivestimento per materie plastiche. La polimerizzazione si ottiene in genere in appena 3-10 secondi, a seconda della formulazione e della geometria del pezzo. Una volta polimerizzati, i prodotti in plastica decorati con rivestimenti UV sono subito pronti per l'imballaggio. I rivestimenti a polimerizzazione UV eccellono per tenacità e resistenza chimica e possono essere formulati per garantire una lunga durata in esterni oppure resi più economici per applicazioni meno gravose. Generalmente richiedono un'esposizione in linea di vista diretta a una lampada di polimerizzazione UV per raggiungere la durezza del film; i rivestimenti UV a base acqua, tuttavia, sono unici in quanto formano un film asciutto al tatto anche prima della polimerizzazione, per cui piccole zone d'ombra su pezzi complessi non lasciano residui non polimerizzati e appiccicosi nei prodotti finiti. Le lampade a vapori di mercurio sono la sorgente UV più comunemente utilizzata per la polimerizzazione e possono essere a microonde o ad arco. Le lampade ad arco sono più convenienti da acquistare ma richiedono un tempo di riscaldamento e producono molto calore. Le lampade a microonde sono più costose delle lampade ad arco ma sono pronte all'uso pochi secondi dopo l'accensione, producono meno calore e hanno una maggiore durata della lampada. Sia le lampade a microonde sia quelle ad arco sono disponibili con drogaggio al ferro o al gallio, che le rende adatte alla polimerizzazione di colori pigmentati, e possono essere abbinate a riflettori ellittici (flood) o parabolici (focalizzati) in base ai requisiti di potenza di picco e alla geometria del pezzo. Oltre alle lampade a mercurio, le lampade UV LED si sono affermate come tecnologia concorrente, con accensione e spegnimento istantanei, consumo energetico molto basso e generazione di calore estremamente ridotta, e sono più adatte a pezzi cilindrici di forma regolare o a pezzi piani per i limiti della geometria focale. Inoltre, sebbene le lampade LED eccellano nella polimerizzazione in profondità di film molto pigmentati o ad alto spessore, il loro impiego può richiedere una post-polimerizzazione con una lampada a mercurio diffusa o a bassa potenza per una completa polimerizzazione superficiale. Sono disponibili formulazioni al 100% di solidi, a solvente e a base acqua. I rivestimenti UV possono essere spruzzati con HVLP oppure applicati a rullo su superfici piane.

Guida alla scelta del rivestimento liquido

Conclusioni

I processi di rivestimento sono complessi e richiedono progettazione precisa e controlli di qualità. Gli effetti della chimica della vernice, la compatibilità con la plastica e la qualità della superficie sono essenziali per le prestazioni del prodotto. Le tecnologie di lacche monocomponente, termoindurenti bicomponente e rivestimenti UV sono efficaci per la verniciatura e il rivestimento dei materiali in polipropilene e sono disponibili in chimiche a base acqua.

Riferimenti bibliografici

• Definitive Guide to Polypropylene, Omnexus SpecialChem, 2021
• Sabreen, S. and Roobol, N: Painting Plastics for Painting, Plastics Decorating Magazine 2003
• Sabreen, S. Inkjet Printing & Adhesion of Low Surface Energy Polymers, Plastics Decorating Magazine 2019

Scott R. Sabreen è il fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc., una società di consulenza ingegneristica specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: pretrattamenti superficiali, incollaggio per adesione, stampa a getto d'inchiostro, marcatura laser, rivestimenti industriali, decorazione e finitura e sicurezza del prodotto. Sviluppa tecnologie innovative e risolve problemi di produzione da oltre 30 anni. Può essere contattato al numero 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com.

Dustin Kurath è il direttore tecnico di Northern Coatings and Chemical Co., un produttore di vernici specializzato in rivestimenti industriali ad alte prestazioni. Kurath si occupa di ricerca sui rivestimenti industriali generali e automotive ad alte prestazioni, sui rivestimenti aerospaziali, per imballaggi e a polimerizzazione per radiazione dalla metà degli anni 2000. Kurath può essere contattato al numero 906.352.5060 o su www.northern-coatings.com.

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