Stampa a getto d’inchiostro e adesione su polimeri a bassa energia superficiale

Stampa a getto d'inchiostro e adesione su polimeri a bassa energia superficiale

Molto prima che la prima goccia d'inchiostro venga proiettata su un prodotto in plastica, i progettisti prendono decisioni chiave che determinano in anticipo se la stampa a inchiostro sarà facile o difficile. L'adesione è essenzialmente un fenomeno superficiale, poiché dipende dalle interazioni tra l'inchiostro liquido e la superficie del substrato.

I principali fattori che influiscono sull'adesione sono la scelta del polimero (inclusi coloranti, cariche e additivi), il processo di stampaggio, le condizioni superficiali, lo stoccaggio e la movimentazione. La stampa a getto d'inchiostro è estremamente complessa e coinvolge numerosi campi interdisciplinari. Al primo posto viene la compatibilità tra inchiostro e substrato polimerico.

Questo articolo esamina la scelta dei polimeri e la lavorazione primaria per ottenere un'adesione affidabile dell'inchiostro. Questo approccio, pensato per la produzione, offre spunti preziosi e soluzioni collaudate sul campo che prevengono i difetti di adesione.

La stampa a getto d'inchiostro è molto più complessa e delicata della stampa analogica. Applicare inchiostro a getto sui polimeri è intrinsecamente difficile, perché spesso esistono differenze chimiche e fisiche sostanziali tra le materie plastiche, anche all'interno della stessa famiglia polimerica. La stampa inkjet su geometrie sagomate aggiunge ulteriori complicazioni, a differenza della tampografia e della serigrafia, che utilizzano formulazioni a base solvente con tensioni superficiali naturalmente più basse e che bagnano facilmente i substrati polimerici.

Punti chiave

• L'adesione si decide in fase di progettazione, molto prima che venga proiettata la prima goccia: dipende dalle scelte di polimero, colorante, cariche e additivi.
• I polimeri amorfi in genere si stampano meglio di quelli cristallini, la cui struttura ordinata resiste alla bagnabilità.
• Il nylon è idrofobo in superficie ma idrofilo in massa e assorbe oltre il 3% della propria massa in acqua: per questo l'essiccazione è fondamentale.
• La texture dello stampo garantisce adesione senza costi aggiuntivi. Una finitura lucidata con diamante a grana 1200 offre prestazioni migliori di una finitura con diamante fine a grana 8000.
• I siliconi sono il nemico. Eliminare i siliconi interni ed esterni e ridurre al minimo gli additivi di processo.

Domande frequenti

Quali polimeri sono più difficili da stampare a getto d'inchiostro?

Acetali, poliammidi, poliolefine, poliestere, PPS, PEEK, PEI, poliimmide, PTFE e poliuretani. I progettisti scelgono questi materiali a bassa energia superficiale per sostituire il metallo, per rigidità, resistenza chimica e prestazioni ad alta temperatura: sono le stesse proprietà che rendono difficile la stampa.

Perché il nylon causa problemi di adesione così persistenti?

Il nylon è idrofobo, chimicamente inerte e a bassa energia superficiale in superficie, ma i gruppi ammidici della catena attraggono l'acqua, per cui in massa si comporta in modo idrofilo, assorbendo dall'atmosfera oltre il 3% della propria massa. Questo comportamento duplice, insieme all'umidità stessa, crea problemi di adesione se l'essiccazione della resina non è controllata correttamente.

Come può la progettazione dello stampo migliorare l'adesione dell'inchiostro?

Aggiungendo texture. Picchi e valli garantiscono l'ancoraggio meccanico, e la texture ottenuta direttamente nello stampo è preferibile all'abrasione manuale perché non comporta costi di manodopera né di prodotti chimici. La finitura NTMA «40 — Diamond buffed 1200 Grit» offre in genere prestazioni migliori della «10 — Fine Diamond 8000 Grit». I perni con anima incisa funzionano bene per i fori ciechi.

Quali solventi utilizzare per pulire nylon e PPS prima della stampa?

Toluene, xilene, acetone o MEK. L'alcol è un solvente debole che rimuove lo sporco superficiale ma non i contaminanti idrocarburici. Utilizzare panni privi di lanugine e guanti senza polvere ed evitare un eccesso di solvente, che lascia strati limite deboli e un velo opaco che ostacolano l'incollaggio.

Quali semplici modifiche migliorano di più l'adesione dell'inchiostro a costo zero?

Eliminare i siliconi interni ed esterni e ridurre al minimo gli additivi di processo; aggiungere texture allo stampo; essiccare correttamente la resina; mantenere pulite le superfici; evitare l'eccesso di solvente; confezionare i componenti stampati in modo ermetico in sacchetti non in polietilene o in poliestere con essiccante; e stampare il prima possibile dopo lo stampaggio.

Termoplastici

Il tipo di termoplastico da stampare influisce in modo significativo sull'intero processo inkjet. In un materiale termoplastico, le molecole molto lunghe a catena sono tenute insieme da forze di Van der Waals relativamente deboli. I termoplastici si dividono in due sottocategorie: amorfi e cristallini (vedere Figura 2). In generale, i polimeri amorfi hanno proprietà di adesione migliori di quelli cristallini.

Il termine «amorfo» indica l'assenza di una forma definita o una forma facilmente modificabile. «Cristallino» implica l'esistenza di uno schema regolare e definito negli aggregati molecolari. Le resine amorfe presentano strutture casuali, simili a spaghetti. Non smorzano in modo significativo l'energia introdotta nei materiali. Quando viene applicato calore, si ammorbidiscono e non hanno una temperatura di fusione nettamente definita.

Le resine cristalline hanno schemi ordinati (vedere Figura 3) e temperature di fusione ben definite. In un polimero questi due stati coesistono: sezioni adiacenti dei polimeri si impacchettano in fasci cristallini compatti, tenuti insieme da forze di attrazione secondarie, mentre altre sezioni delle stesse molecole non riescono a spostarsi fisicamente nel reticolo cristallino e restano amorfe. La probabilità che un particolare segmento polimerico sia cristallino o amorfo è in gran parte un evento casuale, controllato dalla dinamica del processo di cristallizzazione.

I materiali semicristallini hanno una struttura molecolare altamente ordinata con punti di fusione netti. Non si ammorbidiscono gradualmente all'aumentare della temperatura: restano solidi finché non assorbono una determinata quantità di calore e poi passano rapidamente a un liquido a bassa viscosità. I polimeri amorfi hanno una struttura molecolare disordinata, priva di un punto di fusione netto: si ammorbidiscono gradualmente all'aumentare della temperatura. Questi materiali cambiano viscosità quando vengono riscaldati, ma raramente scorrono con la stessa facilità dei semicristallini. I polimeri amorfi perdono rapidamente resistenza al di sopra della temperatura di transizione vetrosa (Tg).

Compatibilità tra inchiostro e substrato polimerico

Tra i polimeri più difficili da stampare a getto d'inchiostro figurano: acetali (POM), poliammidi (nylon), poliolefine, poliestere (PET), polisolfuro di fenilene (PPS), polietereterchetone (PEEK), polieterimmide (PEI), poliimmide «Kapton» (PI), politetrafluoroetilene (PTFE) e poliuretani (PUR). I progettisti scelgono questi materiali a bassa energia superficiale (LSE) per la sostituzione leggera del metallo, la rigidità e la resistenza, la resistenza chimica e le proprietà fisiche alle temperature di esercizio elevate.

Perché la stampa a getto d'inchiostro abbia successo, deve ottenere un'adesione a lungo termine sulla superficie del polimero. L'adesione dipende in larga misura da fenomeni superficiali: l'inchiostro ad alta temperatura deve essere espulso facilmente dalla testina e interagire in modo appropriato con il substrato. L'inchiostro deve poter entrare in contatto intimo con la superficie del substrato polimerico. Questo contatto intimo si chiama bagnatura (o bagnabilità della superficie) e indica la capacità dell'inchiostro di distribuirsi sulla superficie. La maggior parte delle superfici polimeriche è naturalmente idrofoba e resiste alla bagnatura. Queste materie plastiche sono caratteristicamente inerti dal punto di vista chimico, con superfici non porose e a bassa energia superficiale, il che rende l'adesione della stampa quasi impossibile. L'energia superficiale è l'energia in eccesso presente sulla superficie (rispetto alla massa) di un solido. Questa energia in eccesso esiste perché le molecole in superficie non possono interagire con tante molecole vicine simili quante ne hanno quelle all'interno della massa; hanno quindi un'energia di interazione in eccesso.

La lavorazione primaria è fondamentale per ottenere le proprietà dichiarate del materiale polimerico. Ad esempio, si considerino due polimeri LSE difficili da stampare a getto d'inchiostro: la poliammide (PA) e il polisolfuro di fenilene (PPS).

La poliammide, comunemente nota come nylon, è un polimero semicristallino. I due gradi più comuni sono il nylon 6 e il nylon 6/6. I polimeri di nylon sono intrinsecamente difficili da incollare perché sono idrofobi, chimicamente inerti e presentano una scarsa bagnabilità superficiale (cioè bassa energia superficiale). Inoltre i nylon sono igroscopici e assorbono dall'atmosfera oltre il 3% della propria massa in acqua. L'umidità, di per sé, crea problemi di adesione. Una corretta procedura di essiccazione delle resine di nylon è fondamentale per la lavorazione e per le prestazioni del componente. Va sottolineato soprattutto che il comportamento idrofobo del nylon è una proprietà superficiale, mentre il comportamento idrofilo è una proprietà di massa. Poiché il nylon è un polimero organico, ha un'energia superficiale relativamente bassa. Ciò è una conseguenza della chimica e della fisica delle superfici dei polimeri e di altri composti organici. Tuttavia, i gruppi ammidici della catena del nylon attraggono l'acqua e determinano il comportamento idrofilo di questo materiale per quanto riguarda l'assorbimento d'acqua in massa. Pertanto, in massa il nylon può comportarsi come un materiale idrofilo, mentre in superficie può mostrare un comportamento idrofobo.

Il polisolfuro di fenilene (PPS) offre la più ampia resistenza agli agenti corrosivi tra tutte le materie plastiche tecniche avanzate. I prodotti in PPS non sono igroscopici e quindi non presentano problemi di espansione dimensionale come il nylon (poliammidi). Tuttavia, è importante usare resina asciutta nello stampaggio dei componenti. L'umidità, di per sé, è problematica. Livelli elevati di umidità possono creare vuoti, che possono compromettere le prestazioni del componente, influire sull'adesione e alterare l'aspetto estetico. Il tempo tra l'essiccazione e la lavorazione deve essere il più breve possibile. Il PPS deve essere essiccato in essiccatori a tramoggia con deumidificazione. In genere si sconsigliano i forni ad aria calda. Per ottenere uno stato completamente cristallino sono necessarie temperature dello stampo di almeno 275-300 °F. Quando il PPS viene stampato al di sotto di 275 °F, i pezzi stampati sono amorfi o semicristallini e restano in questo stato finché non vengono esposti a temperature di esercizio più elevate (compresa la polimerizzazione a caldo). Se la temperatura di esercizio supera la temperatura di stampaggio, i componenti diventano più cristallini, con conseguenti variazioni dimensionali e delle proprietà. Ad esempio, la temperatura di deflessione al calore (HDT), a 264 psi (1,8 MPa), del PPS caricato al 40% con fibra di vetro stampato in stato non cristallino è di soli 350 °F, ma sale a >500 °F (260 °C) nello stato cristallino. Inoltre, la temperatura dello stampo ha un effetto notevole sull'aspetto della superficie.

Per pulire adeguatamente le superfici di nylon e PPS e rimuovere i LMWM (materiali a basso peso molecolare), utilizzare toluene, xilene, acetone o MEK. L'alcol è un solvente debole e rimuove solo lo sporco superficiale, non i contaminanti idrocarburici. È necessario adottare sempre una tecnica corretta, utilizzando panni privi di lanugine e indossando guanti protettivi senza polvere. Un eccesso di solvente crea strati limite deboli di sostanze chimiche non rimosse, lasciando un velo opaco che ostacola l'incollaggio.2 I processi di stampa devono essere eseguiti il più presto possibile dopo lo stampaggio, oppure i componenti devono essere confezionati in modo ermetico in sacchetti non in polietilene, ad esempio in poliestere. Le applicazioni di incollaggio di nylon e PPS richiedono spesso un pretrattamento al plasma, come la scarica corona elettrica, il plasma atmosferico elettrico, il plasma d'aria (scarica elettrica), il plasma a fiamma e il plasma freddo a bassa pressione RF.

Superfici del substrato pulite

I materiali a basso peso molecolare, come siliconi, distaccanti, agenti antiscivolo e additivi di processo, impediscono all'inchiostro di scorrere e di ottenere il contatto intimo essenziale per l'adesione. Alcuni agenti composti solubili o insolubili impiegati in pigmenti e coloranti possono compromettere l'adesione. La composizione chimica della superficie stampata, la texture e la porosità influiscono in modo significativo sul flusso dell'inchiostro e sull'adesione. Il grado o la qualità del trattamento e l'adesione dipendono dalla pulizia della superficie plastica. La superficie deve essere pulita per ottenere un pretrattamento ottimale e la successiva adesione dell'inchiostro. La contaminazione superficiale, come distaccante siliconico, sporco, polvere, grasso, oli e impronte digitali, ostacola il trattamento. Anche la purezza del materiale è un fattore importante.

La durata di conservazione delle materie plastiche trattate dipende dal tipo di resina, dalla formulazione e dall'ambiente del luogo di stoccaggio. La durata di conservazione dei prodotti trattati è limitata dalla presenza di materiali ossidati a basso peso molecolare (LMWOM), come antiossidanti, plastificanti, agenti scivolanti e antistatici, coloranti e pigmenti, stabilizzanti e così via. L'esposizione delle superfici trattate a temperature elevate aumenta la mobilità delle catene molecolari: quanto maggiore è la mobilità delle catene, tanto più rapido è l'invecchiamento del trattamento. Nei materiali trattati, la mobilità delle catene polimeriche fa allontanare dalla superficie i siti di legame creati dal trattamento. Questi componenti possono infine migrare verso la superficie del polimero.

Progettazione dello stampo e texture superficiale

I progettisti possono migliorare l'adesione aggiungendo texture alle superfici dello stampo. La texture introduce picchi e valli, garantendo un'adesione per ancoraggio meccanico. La texture può essere ottenuta nello stampo oppure manualmente con un tampone Scotch-Brite e pulizia con solvente. La texture ottenuta direttamente nello stampo è preferibile perché mantiene le caratteristiche superficiali senza costi aggiuntivi di manodopera o di prodotti chimici.

Ad esempio, la finitura NTMA della cavità dello stampo «40-Diamond buffed 1200 Grit» migliorerà probabilmente la resistenza dell'incollaggio rispetto alla finitura «10-Fine Diamond 8000 Grit» (intervallo da 0 a 3 micron). Si veda la Figura 4, Finitura superficiale degli stampi SPI. Anche superfici leggermente testurizzate sono vantaggiose. Per le applicazioni con fori ciechi, come i connettori, i perni con anima incisa nello stampo sono molto efficaci.

In sintesi, per ottenere una solida adesione dell'inchiostro e/o un incollaggio per adesione dei polimeri ad alta resistenza, si raccomandano i seguenti accorgimenti. Nessuno di essi comporta costi aggiuntivi e, anzi, consentono di risparmiare.

• Nessun silicone interno o esterno. Ridurre al minimo gli additivi di processo.
• Texture dello stampo.
• Essiccare correttamente la resina prima dello stampaggio.
• Le superfici devono essere pulite.
• Evitare l'eccesso di solvente, che crea strati limite deboli di sostanze chimiche non rimosse.
• Confezionare i componenti stampati in modo ermetico in sacchetti non in polietilene con essiccante oppure in sacchetti di poliestere.
• Eseguire il processo di stampa il prima possibile dopo lo stampaggio.

Riferimenti bibliografici

• 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 è fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc., una società di ingegneria specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: sicurezza del prodotto, marcatura laser, pretrattamenti superficiali, incollaggio, decorazione e finitura. Sabreen sviluppa tecnologie pionieristiche e risolve problemi di produzione da oltre 30 anni. È possibile contattarlo al numero 972.820.6777 oppure visitando www.Sabreen.com.

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