La scienza per risolvere i problemi di adesione delle materie plastiche: angoli di contatto, bagnabilità superficiale e attivazione chimica

La scienza per risolvere i problemi di adesione delle materie plastiche: angoli di contatto, bagnabilità superficiale e attivazione chimica

Punti chiave

• L'incollaggio non riguarda solo gli adesivi. La stessa scienza governa inchiostri, vernici, rivestimenti, incapsulanti, composti di colata e metallizzazione.
• Quattro proprietà rendono difficile incollare le materie plastiche: sono idrofobe, a bassa energia superficiale, apolari e inerti e con scarsa funzionalità chimica superficiale.
• Il solo angolo di contatto statico è fuorviante. La produzione è dinamica, non statica, quindi gli angoli di contatto dinamici sono più significativi.
• Gli angoli di avanzamento e di recessione misurano cose diverse: l'avanzamento riflette la superficie non modificata, la recessione riflette la superficie pretrattata.
• La bagnabilità è solo metà del problema. Occorre creare la funzionalità chimica superficiale, non limitarsi ad aumentare l'energia superficiale.

I problemi di incollaggio per adesione dei polimeri sono diffusi in tutta l'industria delle materie plastiche. I prodotti bidimensionali e tridimensionali comportano spesso l'incollaggio plastica-plastica, plastica-metallo, plastica-composito, optomeccanico e altro ancora. Le applicazioni di incollaggio per adesione non si limitano agli adesivi (epossidici, uretanici, acrilici, siliconici e così via), ma comprendono l'adesione di inchiostri da stampa, vernici e rivestimenti, incapsulanti, composti di colata, metallizzazione e altro ancora.

I substrati plastici sono difficili da incollare perché sono materiali idrofobi (non naturalmente bagnabili), hanno una scarsa bagnabilità superficiale (cioè basse energie superficiali), sono strutture apolari e inerti e presentano una scarsa funzionalità chimica superficiale. Questo articolo tratta la scienza di base degli angoli di contatto, della bagnabilità superficiale e dell'attivazione chimica per ottenere una forte resistenza di adesione nell'incollaggio.

Domande frequenti

Che cos'è l'angolo di contatto e perché è importante?

È l'angolo formato tra la tangente nel punto in cui una goccia di liquido incontra una superficie solida e la linea orizzontale di tale superficie. Comprenderlo, insieme all'interazione fisica tra solido e liquido che rappresenta, permette di stabilire se la bagnabilità della superficie è adeguata per l'incollaggio.

Perché misurare gli angoli di contatto dinamici anziché statici?

Perché la produzione industriale è dinamica, non statica. Verificare solo l'angolo di contatto statico può portare a interpretare in modo errato l'interfaccia liquido/solido e lo stesso problema di incollaggio.

Qual è la differenza tra angolo di contatto di avanzamento e di recessione?

L'angolo di avanzamento è più sensibile ai componenti a bassa energia non modificati della superficie, mentre l'angolo di recessione è più sensibile ai gruppi ossidati ad alta energia introdotti dal pretrattamento. Ciò rende l'angolo di recessione la misura più significativa su una superficie trattata.

Aumentare l'energia superficiale basta per risolvere un problema di incollaggio?

No. Esiste una forte tendenza a concentrarsi sulle misure dell'angolo di contatto come unico indicatore predittivo, ma la funzionalità chimica superficiale è altrettanto importante: le superfici idrofobe devono essere convertite attivamente in superfici idrofile incollabili mediante ossidazione in fase gassosa.

Quali applicazioni di incollaggio riguarda questa scienza?

Molto più che gli adesivi come epossidici, uretanici, acrilici e siliconici. Si applica in egual misura a inchiostri da stampa, vernici e rivestimenti, incapsulanti, composti di colata e metallizzazione, in assemblaggi plastica-plastica, plastica-metallo, plastica-composito e optomeccanici.

L'angolo di contatto

Si consideri una singola goccia di fluido liquido su una superficie solida piana a riposo (stato di equilibrio). Una vista in sezione è mostrata di seguito (Figura 1). L'angolo formato dalla superficie solida e dalla tangente alla superficie superiore della goccia nel punto finale è detto angolo di contatto. L'angolo di contatto è l'angolo tra la tangente nel punto di contatto e la linea orizzontale della superficie solida. Comprendere l'angolo di contatto e le sue proprietà fisiche di interazione tra solidi e liquidi fornisce informazioni preziose per determinare le condizioni ottimali di bagnabilità superficiale per l'incollaggio per adesione.

La forma della bolla/goccia è dovuta alle forze molecolari per cui tutti i liquidi, contraendo la superficie, tendono a portare il volume contenuto verso una forma con la minima area superficiale. Le forze intermolecolari che contraggono la superficie si chiamano tensione superficiale. La tensione superficiale, una misura dell'energia superficiale espressa in «dyne/cm» (o mN/m nelle unità SI), è la proprietà (dovuta alle forze molecolari) per cui tutti i liquidi, contraendo la superficie, tendono a portare il volume contenuto verso una forma con la minima area superficiale.

Quanto maggiore è l'energia superficiale del substrato solido rispetto alla tensione superficiale di un liquido (acqua, inchiostri da stampa, adesivi/incapsulanti, rivestimenti e così via), tanto migliore sarà la sua «bagnabilità» e tanto minore l'angolo di contatto. Come regola generale, un'adesione accettabile nell'incollaggio si ottiene quando l'energia superficiale di un substrato (misurata in dyne/cm) supera di circa 8-10 dyne/cm la tensione superficiale del liquido (Figura 2).

La prova di bagnabilità superficiale comporta la misura dell'angolo di contatto. Quando un liquido non bagna completamente un substrato (ad esempio un prodotto polimerico), si forma un angolo di contatto. L'angolo di contatto è una misura quantitativa della bagnatura di un solido da parte di un liquido. È una misura diretta delle interazioni che avvengono tra le fasi coinvolte (gas/liquido/solido o liquido/liquido/solido). La forma della goccia e l'entità dell'angolo di contatto sono controllate dalle tre forze di interazione della tensione interfacciale di ciascuna fase coinvolta (gas, liquido e solido).

Per molte applicazioni può essere sufficiente esaminare l'angolo di contatto statico di equilibrio utilizzando soluzioni di dyne secondo una procedura di prova documentata come la norma ASTM D2578. I kit applicativi o le «penne/soluzioni dyne» forniscono informazioni utili, ma non sono misure precise della tensione superficiale. Le misure della tensione superficiale possono variare considerevolmente in funzione dell'operatore (tecnica) e dell'interpretazione del comportamento del liquido «centrale». Le penne/soluzioni dyne sono note come indicatori direzionali di differenze significative nella tensione superficiale e sono in grado di identificare superfici «buone» e «cattive» per l'incollaggio a un prezzo economico.

Angoli di contatto dinamici (DCA)

Verificare il comportamento del fluido solo sull'angolo di contatto statico può portare a interpretare in modo errato i risultati dell'interfaccia liquido/solido e la soluzione dei problemi di incollaggio. Ciò avviene perché le operazioni produttive industriali si svolgono in condizioni più realisticamente dinamiche, non statiche. È quindi fondamentale comprendere gli angoli di contatto dinamici (DCA).

In genere si ritiene che gli angoli di contatto siano influenzati sia dalle variazioni della chimica superficiale sia da quelle della topografia superficiale. L'angolo di contatto di avanzamento è più sensibile ai componenti a bassa energia (non modificati) della superficie del substrato, mentre l'angolo di recessione è più sensibile ai gruppi ossidati ad alta energia introdotti dai pretrattamenti superficiali. Pertanto l'angolo di recessione è in realtà la misura più caratteristica della componente modificata della superficie dopo i pretrattamenti, misurata con soluzioni di dyne. È quindi importante misurare sia l'angolo di contatto di avanzamento sia quello di recessione su tutti i materiali con superficie modificata1 (Figura 3).

Quando una goccia è aderente a una superficie solida e la superficie solida viene inclinata, la goccia si sposta in avanti e scivola verso il basso. Gli angoli formati si chiamano rispettivamente angolo di avanzamento (θa) e angolo di recessione (θr). La norma ASTM D724 descrive metodi per misurare i DCA con apparecchiature avanzate (tensiometri ottici e goniometri) per analizzare gli angoli di avanzamento e di recessione in base all'analisi della forma della goccia e alla massa.

Attivazione chimica della superficie

I produttori tendono fortemente a concentrarsi solo sulle misure dell'angolo di contatto come unico indicatore predittivo dei problemi di incollaggio e per le prove superficiali di routine. La funzionalità chimica superficiale è altrettanto importante: le superfici idrofobe vengono attivate trasformandole in superfici idrofile incollabili. Per l'attivazione chimica della superficie si utilizzano processi di pretrattamento in fase gassosa, a «scarica a bagliore» e di ossidazione superficiale.

I metodi di ossidazione superficiale in fase gassosa comprendono la scarica corona elettrica, il trattamento a fiamma, il plasma freddo e l'irraggiamento ultravioletto. Ciascun metodo è specifico per l'applicazione e presenta vantaggi unici e possibili limiti.

La reazione chimica e fisica di base è la seguente: elettroni liberi, ioni, metastabili, radicali e raggi UV generati nel plasma possono colpire una superficie con energie sufficienti a rompere i legami molecolari sulla superficie della maggior parte dei substrati polimerici. Ciò crea sulla superficie del polimero radicali liberi molto reattivi che, a loro volta, possono formare legami, reticolare oppure, in presenza di ossigeno, reagire rapidamente formando vari gruppi funzionali chimici sulla superficie del substrato. I gruppi funzionali polari che possono formarsi e migliorare l'incollabilità includono i gruppi carbonile (C=O), carbossile (HOOC), idroperossido (HOO-) e ossidrile (HO-). Anche piccole quantità di gruppi funzionali reattivi incorporati nei polimeri possono essere molto utili per migliorare la funzionalità chimica superficiale e la bagnabilità. Inoltre, primer/solventi chimici e abrasione meccanica (compresa la texture dello stampo) possono essere utilizzati da soli o insieme ai pretrattamenti in fase gassosa.2

I problemi di incollaggio dei polimeri sono molto diffusi e non riguardano solo gli adesivi. Il cedimento dell'incollaggio comporta costi significativi, tra cui scarse prestazioni del prodotto sul campo, scarti/rilavorazioni, inefficienze produttive e maggiori controlli di qualità. Comprendendo la scienza di base degli angoli di contatto, della bagnabilità superficiale e dell'attivazione chimica, è possibile risolvere con successo praticamente qualsiasi problema di incollaggio, anche con i materiali polimerici ed elastomerici più difficili da incollare.

Riferimenti bibliografici

• Mark Strobel, Christopher Lyons, 3M Company, 3M Center, 1995
• Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc., “Surface Wetting Pretreatment Methods,” Plastics Decorating Magazine, 2002
• Acknowledgement: Enercon Industries Corporation – photos

Scott R. Sabreen è fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc. The Sabreen Group è una società globale di consulenza ingegneristica specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: pretrattamenti superficiali, incollaggio per adesione, decorazione e finitura, marcatura laser e sicurezza del prodotto. Per maggiori informazioni, chiami il numero (888) SABREEN oppure visiti www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

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