Quanto tempo dura o tratamento por plasma? Vida útil de plásticos tratados

Quanto tempo dura o tratamento por plasma? Vida útil de plásticos tratados

Principais conclusões

• O tratamento por plasma não é permanente. A energia de superfície atinge o pico logo após o tratamento e depois decai, processo chamado de recuperação hidrofóbica.
• As janelas úteis típicas vão de poucas horas em poliolefinas e silicones a várias semanas em PET e policarbonato, mas o único número que vale é o medido na sua própria peça e no seu grade.
• Calor, exsudação de aditivos e contato aceleram o decaimento. Armazenamento em ambiente quente, agentes de deslizamento e o empilhamento das faces tratadas contra embalagens encurtam a janela.
• Trate imediatamente antes da colagem, impressão ou revestimento e verifique com solução de dyne ou ângulo de contato, não pelo calendário.

A pergunta “quanto tempo dura o tratamento por plasma?” surge em todo projeto em que há um intervalo entre o pré-tratamento e a operação seguinte: peças tratadas em uma linha e impressas em outra, componentes moldados enviados a um montador terceirizado, filme tratado no conversor e laminado semanas depois. A resposta honesta é de poucas horas a poucas semanas, e essa variação depende muito mais do polímero, do seu pacote de aditivos e de como as peças são armazenadas do que do equipamento de plasma. Este artigo explica por que o efeito se dissipa, quais são as janelas típicas, como medir se o tratamento ainda está presente e como projetar o processo para que a pergunta deixe de importar.

O que o tratamento por plasma realmente altera

Os pré-tratamentos em fase gasosa, seja plasma frio de baixa pressão, plasma atmosférico, descarga corona ou chama, atuam apenas nos primeiros nanômetros do polímero. As espécies energéticas da descarga (íons, elétrons, radicais e fótons ultravioleta) removem a contaminação orgânica e as camadas limite fracas e, em plasmas com oxigênio, enxertam grupos polares de oxigênio, como hidroxila, carbonila e carboxila, nas cadeias poliméricas. O resultado é um aumento acentuado da energia de superfície e a queda correspondente do ângulo de contato com a água. O polipropileno, por exemplo, passa de cerca de 29 a 31 dyn/cm sem tratamento para bem acima dos 38 a 42 dyn/cm de que a maioria das tintas e adesivos precisa para molhar a superfície.

Essa mudança é química, mas também é superficial e termodinamicamente instável. Uma superfície de alta energia sobre um polímero de baixa energia é um sistema sob tensão e tende a relaxar.

Por que o efeito se dissipa: recuperação hidrofóbica

Quatro mecanismos provocam o decaimento, e cada um age em uma velocidade diferente.

• Reorientação das cadeias. Os grupos polares estão ligados a segmentos do polímero que continuam móveis à temperatura ambiente. Ao longo de horas e dias, eles giram para longe da superfície, em direção ao interior, levando sua polaridade consigo. Isso é mais rápido em polímeros com alta mobilidade de cadeia, por isso poliolefinas e silicones se recuperam tão depressa e polímeros amorfos vítreos mantêm o tratamento por mais tempo.
• Migração de material oxidado de baixa massa molar. O plasma não apenas funcionaliza cadeias; ele também as quebra. O tratamento excessivo deixa uma camada fracamente ligada de fragmentos curtos e oxidados, que podem difundir para dentro, ser removidos por limpeza ou atuar como camada limite fraca quando o adesivo finalmente chega.
• Exsudação de aditivos. Agentes de deslizamento como erucamida e oleamida, antiestáticos, antioxidantes e plastificantes são projetados para migrar para a superfície. Uma superfície recém-tratada, sem a exsudação anterior, passa a ser um novo destino para mais material. Grades de filme e de tampas com muito agente de deslizamento podem perder a maior parte do tratamento em um dia.
• Contaminação e contato. Hidrocarbonetos presentes no ar, impressões digitais e a transferência de sacos, bandejas, papelão e peças vizinhas recobrem novamente a superfície com material de baixa energia.

O decaimento é rápido no início e depois desacelera. A maior parte da perda em uma poliolefina ocorre nas primeiras 24 horas, e depois a superfície se estabiliza em um nível que ainda pode estar acima do de uma peça não tratada, mas abaixo do exigido por um adesivo estrutural.

Janelas de tratamento típicas por polímero

As faixas abaixo são as comumente observadas na prática com plasma de oxigênio ou de ar. Trate-as como ponto de partida para um plano de ensaios, não como especificação. O grade, os aditivos, o armazenamento e, acima de tudo, a energia de superfície de que o seu processo seguinte realmente precisa deslocam esses limites.

Observe o que “durar” significa aqui: o tempo em que a superfície permanece acima do limite exigido pelo seu processo. Uma etiqueta autoadesiva pode tolerar 36 dyn/cm; uma tinta de jato de tinta UV normalmente pede 42 ou mais; um epóxi estrutural ou uma colagem médica pode exigir uma superfície ainda próxima do estado recém-tratado. A mesma curva de decaimento resulta, portanto, em uma janela diferente para cada aplicação.

O que encurta a janela

• Armazenamento em ambiente quente. A mobilidade das cadeias aumenta com a temperatura. Peças empilhadas ainda quentes da moldagem, ou armazenadas em um depósito no verão, se recuperam muito mais rápido do que peças mantidas à temperatura ambiente.
• Grades ricos em aditivos. Os pacotes de deslizante, antiestático e antibloqueio existem para chegar à superfície. Pergunte ao fornecedor da resina o que há no grade antes de culpar o plasma.
• Tratamento excessivo. Mais potência ou um tempo de permanência maior não ganha mais tempo. Além do ponto ótimo, cria-se a camada fragmentada e fracamente ligada descrita acima, que se recupera mais rápido e pode falhar por coesão sob carga.
• Contato com a face tratada. Sacos, bandejas, separadores e outras peças transferem material de baixa energia. Se for preciso armazenar as peças, guarde-as com a face tratada para cima e descoberta em uma área limpa, ou em embalagem validada para não transferir.
• Umidade, em alguns polímeros. O náilon, em particular, muda o comportamento de superfície com a umidade absorvida. Condicione as peças de modo consistente entre o tratamento e o uso.

Como medir se o tratamento ainda está presente

Não confie no tempo decorrido. Três verificações, em ordem crescente de rigor:

• Soluções de dyne. Os fluidos de ensaio de tensão de molhamento (a abordagem da ASTM D2578 para filmes) são rápidos e semiquantitativos. Dependem do operador e os próprios fluidos contaminam a superfície, portanto teste uma área ou uma peça de sacrifício.
• Ângulo de contato. A leitura do ângulo de contato com a água em um goniômetro é quantitativa e repetível. O polipropileno tratado pode cair de cerca de 100 graus para 40 a 60 graus e depois voltar a subir ao longo de dias; traçar essa recuperação é o gráfico mais útil em uma qualificação de pré-tratamento.
• O ensaio de adesão propriamente dito. A energia de superfície é necessária, mas não suficiente. Cole, imprima ou revista uma amostra de cada intervalo de armazenamento e ensaie-a pelo método que o seu cliente reconhece, seja um ensaio de fita ou de arrancamento ou um corpo de prova de cisalhamento por sobreposição.

A qualificação prática é uma curva de decaimento: trate um lote e meça em 0, 1, 4 e 24 horas e em 3, 7, 14 e 28 dias nas condições reais de armazenamento. Defina o limite do processo no ponto em que a curva se aproxima do seu limiar, com margem, e registre esse limite na instrução de trabalho.

Como estender a janela ou eliminar o problema

• Trate em linha, imediatamente antes da operação seguinte. Essa é a resposta correta para a maioria dos processos de produção. Se o cabeçote de plasma fica poucos segundos antes do cabeçote de impressão ou do bico de dosagem, a recuperação hidrofóbica nunca tem tempo de importar.
• Controle o armazenamento. Local fresco, seco e limpo, com a face tratada descoberta ou em embalagem validada, e uso dentro do intervalo validado.
• Mude a química. Processos de deposição de silicato, como o Pyrosil, depositam uma fina camada reativa de óxido de silício em vez de modificar o próprio polímero. Como a camada polar é um revestimento e não uma superfície polimérica capaz de se rearranjar, sua ativação costuma permanecer estável por semanas a meses, e por isso é escolhida quando o tratamento e a colagem não podem ocorrer no mesmo local.
• Use um primer ou promotor de adesão. Quando o tempo não pode ser controlado, um primer aplicado logo após o tratamento fixa o estado ativado e dá ao adesivo ou à tinta uma superfície estável para o contato posterior.
• Trate novamente. Uma superfície recuperada pode ser tratada de novo, mas confirme que a exsudação de aditivos acumulada durante o armazenamento é removida, e não apenas oxidada no lugar.

O plasma dura mais que o corona ou a chama?

Os três produzem uma química de superfície oxidada em geral semelhante, de modo que a classificação de durabilidade depende mais do grade e da intensidade do tratamento do que da tecnologia. Ainda assim, alguns padrões são comumente relatados. Filmes de poliolefina tratados por corona, que tendem a ser ricos em aditivos e muito tratados, costumam apresentar a recuperação mais rápida. O tratamento a chama em peças moldadas de poliolefina frequentemente se mantém um pouco mais que o corona. O plasma de baixa pressão oferece o tratamento mais uniforme e controlável em peças tridimensionais complexas, o que reduz as zonas com tratamento excessivo, que são as que se recuperam mais depressa. A deposição de silicato está em uma classe totalmente diferente. A comparação é detalhada em nossa visão geral dos pré-tratamentos por plasma de superfície para colagem.

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Perguntas frequentes

Quanto tempo dura o tratamento por plasma no polipropileno?

Em geral, de horas a alguns dias, até que a energia de superfície caia abaixo do que tintas e adesivos precisam. Grades ricos em agente de deslizamento podem perder a maior parte do efeito em 24 horas. Sempre que possível, trate o polipropileno em linha.

Uma superfície tratada por plasma pode ser tratada novamente?

Sim. O novo tratamento restaura a energia de superfície, mas a exsudação de aditivos acumulada durante o armazenamento deve ser removida, e não simplesmente oxidada no lugar; por isso, costuma-se especificar uma limpeza com solvente antes do novo tratamento.

Vedar as peças tratadas em sacos preserva o tratamento?

Apenas em parte. O ensacamento evita a contaminação pelo ar, mas não faz nada para impedir a reorientação das cadeias ou a exsudação de aditivos, e o próprio filme do saco pode transferir agente de deslizamento para a face tratada. Valide a embalagem como parte do estudo de armazenamento.

Como saber se o tratamento já perdeu o efeito?

Meça. As soluções de dyne dão um resultado rápido de aprovado/reprovado em relação a um limiar de molhamento; o ângulo de contato dá um número repetível; um ensaio de adesão em uma amostra armazenada tem a palavra final. O tempo decorrido, por si só, não é um indicador confiável.

Existe um pré-tratamento que não se dissipa?

Os processos de deposição de silicato, como o Pyrosil, chegam mais perto, pois depositam uma camada estável de óxido em vez de modificar a superfície do polímero, e sua ativação costuma ser utilizável por semanas a meses. Primers aplicados logo após o tratamento produzem um efeito semelhante. Ambos ainda merecem um estudo de armazenamento para a peça específica.

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