In phun và độ bám dính trên polymer có năng lượng bề mặt thấp

In phun và độ bám dính trên polymer có năng lượng bề mặt thấp

Rất lâu trước khi giọt mực đầu tiên được phun lên sản phẩm nhựa, các nhà thiết kế đã đưa ra những quyết định then chốt quyết định việc in mực sẽ dễ hay khó. Độ bám dính về bản chất là hiện tượng bề mặt, vì nó phụ thuộc vào tương tác giữa mực lỏng và bề mặt vật liệu nền.

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ bám dính là lựa chọn polymer (gồm chất tạo màu, chất độn và phụ gia), quy trình ép khuôn, điều kiện bề mặt, cũng như bảo quản và xử lý. In phun rất phức tạp, liên quan đến nhiều lĩnh vực chuyên môn. Trước hết là sự tương thích giữa mực và vật liệu nền polymer.

Bài viết này xem xét việc lựa chọn polymer và gia công sơ cấp để đạt độ bám dính mực bền vững. Cách tiếp cận này, được thiết kế cho sản xuất, mang lại những hiểu biết giá trị và các giải pháp đã được kiểm chứng thực tế nhằm ngăn ngừa lỗi bám dính.

In phun phức tạp và tinh vi hơn nhiều so với in analog. Việc in phun lên polymer vốn đã khó, vì giữa các loại nhựa thường có khác biệt đáng kể về hóa học và vật lý, kể cả trong cùng một họ polymer. In phun lên hình dạng có đường cong làm vấn đề phức tạp thêm, không như in tampon và in lụa dùng mực gốc dung môi có sức căng bề mặt thấp tự nhiên nên dễ thấm ướt vật liệu nền polymer.

Những điểm chính

• Độ bám dính được quyết định ngay từ giai đoạn thiết kế, rất lâu trước khi giọt mực đầu tiên được phun, thông qua việc chọn polymer, chất tạo màu, chất độn và phụ gia.
• Polymer vô định hình thường in tốt hơn polymer kết tinh, vì cấu trúc trật tự của polymer kết tinh cản trở sự thấm ướt.
• Nylon kỵ nước ở bề mặt nhưng ưa nước ở khối vật liệu, hấp thụ hơn 3% khối lượng của nó dưới dạng nước, vì vậy việc sấy là then chốt.
• Bề mặt khuôn có vân tạo độ bám dính miễn phí. Bề mặt đánh bóng bằng kim cương 1200 grit cho kết quả tốt hơn bề mặt kim cương mịn 8000 grit.
• Silicone là kẻ thù. Hãy loại bỏ silicone bên trong lẫn bên ngoài và giảm thiểu phụ gia gia công.

Các câu hỏi thường gặp

Những polymer nào khó in phun nhất?

Acetal, polyamide, polyolefin, polyester, PPS, PEEK, PEI, polyimide, PTFE và polyurethane. Các nhà thiết kế chọn những vật liệu có năng lượng bề mặt thấp này để thay thế kim loại, tăng độ cứng, chịu hóa chất và làm việc ở nhiệt độ cao, chính những đặc tính khiến chúng khó in.

Vì sao nylon gây ra các vấn đề bám dính dai dẳng như vậy?

Ở bề mặt, nylon kỵ nước, trơ về mặt hóa học và có năng lượng bề mặt thấp; nhưng các nhóm amide trong mạch phân tử hút nước nên ở khối vật liệu nó biểu hiện ưa nước, hấp thụ hơn 3% khối lượng từ khí quyển. Tính chất tách đôi này, cộng với chính độ ẩm, gây ra vấn đề bám dính nếu việc sấy nhựa không được kiểm soát đúng cách.

Thiết kế khuôn có thể cải thiện độ bám dính mực như thế nào?

Bằng cách thêm vân bề mặt. Các đỉnh và rãnh tạo liên kết cơ học khóa chặt, và vân tạo sẵn trong khuôn tốt hơn việc mài thủ công vì không tốn công lao động hay hóa chất. Cấp hoàn thiện NTMA “40 — đánh bóng kim cương 1200 Grit” thường cho kết quả tốt hơn “10 — kim cương mịn 8000 Grit”. Chốt lõi khắc ăn mòn hoạt động tốt cho các lỗ lõm.

Nên dùng dung môi nào để làm sạch nylon và PPS trước khi in?

Toluene, xylene, acetone hoặc MEK. Cồn là dung môi yếu, chỉ loại bỏ bụi bẩn bề mặt chứ không loại được tạp chất hydrocarbon. Hãy dùng khăn không xơ và găng tay không bột, và tránh dùng dư dung môi vì sẽ để lại lớp biên yếu và màng mờ cản trở liên kết.

Những thay đổi đơn giản nào cải thiện độ bám dính mực nhiều nhất mà không tốn chi phí?

Loại bỏ silicone bên trong và bên ngoài, giảm thiểu phụ gia gia công; thêm vân bề mặt khuôn; sấy nhựa đúng cách; giữ bề mặt sạch; tránh dùng dư dung môi; đóng gói chặt chi tiết ép trong túi không phải polyethylene hoặc túi polyester có chất hút ẩm; và in càng sớm càng tốt sau khi ép.

Nhựa nhiệt dẻo

Loại nhựa nhiệt dẻo được chọn để in ảnh hưởng đáng kể đến toàn bộ quy trình in phun. Trong vật liệu nhựa nhiệt dẻo, các phân tử dạng chuỗi rất dài được giữ với nhau bằng lực Van der Waals tương đối yếu. Nhựa nhiệt dẻo chia thành hai nhóm phụ: vô định hình và kết tinh (xem Hình 2). Nhìn chung, polymer vô định hình có tính chất bám dính tốt hơn polymer kết tinh.

Thuật ngữ “vô định hình” nghĩa là không có hình dạng xác định hoặc hình dạng dễ thay đổi. “Kết tinh” hàm ý các cụm phân tử có mô hình đều đặn, xác định. Nhựa vô định hình có cấu trúc ngẫu nhiên, như mì spaghetti. Chúng không làm suy giảm nhiều năng lượng đưa vào vật liệu. Khi được gia nhiệt, chúng mềm ra và không có nhiệt độ nóng chảy rõ ràng.

Nhựa kết tinh có mô hình trật tự (xem Hình 3). Chúng cũng có nhiệt độ nóng chảy xác định rõ. Trong một polymer, hai trạng thái này cùng tồn tại: các đoạn polymer kề nhau xếp thành bó kết tinh chặt, được giữ bằng lực hút thứ cấp, trong khi các đoạn khác của cùng phân tử không thể dịch chuyển vào mạng tinh thể và vẫn ở trạng thái vô định hình. Xác suất một đoạn polymer cụ thể là kết tinh hay vô định hình phần lớn là sự kiện ngẫu nhiên, do động học của quá trình kết tinh chi phối.

Vật liệu bán kết tinh có cấu trúc phân tử trật tự cao với điểm nóng chảy rõ rệt. Chúng không mềm dần khi nhiệt độ tăng; thay vào đó, vật liệu bán kết tinh giữ ở thể rắn cho đến khi hấp thụ một lượng nhiệt nhất định rồi nhanh chóng chuyển thành chất lỏng có độ nhớt thấp. Polymer vô định hình có cấu trúc phân tử ngẫu nhiên, không có điểm nóng chảy rõ rệt. Thay vào đó, vật liệu vô định hình mềm dần khi nhiệt độ tăng. Các vật liệu này thay đổi độ nhớt khi được gia nhiệt, nhưng hiếm khi chảy dễ như vật liệu bán kết tinh. Polymer vô định hình mất độ bền nhanh chóng khi vượt quá nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg).

Tương thích giữa mực và vật liệu nền polymer

Trong số các polymer khó in phun nhất có: acetal (POM), polyamide (nylon), polyolefin, polyester (PET), polyphenylene sulfide (PPS), polyetheretherketone (PEEK), polyetherimide (PEI), polyimide “Kapton” (PI), polytetrafluoroethylene (PTFE) và polyurethane (PUR). Các nhà thiết kế chọn những vật liệu có năng lượng bề mặt thấp (LSE) này vì khả năng thay thế kim loại nhẹ, độ cứng và độ bền, khả năng chịu hóa chất và tính chất vật lý ở nhiệt độ làm việc cao.

Để in phun thành công, mực phải đạt độ bám dính lâu dài lên bề mặt polymer. Độ bám dính phụ thuộc phần lớn vào hiện tượng bề mặt, tức là mực ở nhiệt độ cao phải dễ dàng phun ra khỏi đầu phun và tương tác phù hợp với vật liệu nền. Mực phải tiếp xúc mật thiết với bề mặt vật liệu nền polymer. Sự tiếp xúc mật thiết này gọi là thấm ướt (wetting hay wetting out) bề mặt, chỉ khả năng của mực lan rộng trên bề mặt. Hầu hết bề mặt polymer vốn kỵ nước và cản trở sự thấm ướt. Đặc trưng của các loại nhựa này là bề mặt trơ về mặt hóa học, không xốp và có năng lượng bề mặt thấp, khiến việc bám dính khi in gần như không thể. Năng lượng bề mặt là năng lượng dư tồn tại ở bề mặt (so với khối vật liệu) của chất rắn. Năng lượng dư này tồn tại vì các phân tử ở bề mặt không thể tương tác với nhiều phân tử lân cận giống mình như các phân tử trong khối vật liệu; do đó chúng có năng lượng tương tác dư.

Gia công sơ cấp có vai trò then chốt để đạt được các tính chất đã nêu của vật liệu polymer. Ví dụ, hãy xem xét hai polymer LSE khó in phun: polyamide (PA) và polyphenylene sulfide (PPS):

Polyamide, thường gọi là nylon, là polymer bán kết tinh. Hai mác phổ biến nhất là Nylon 6 và Nylon 6/6. Polymer nylon vốn khó dán vì chúng kỵ nước, trơ về mặt hóa học và có khả năng thấm ướt bề mặt kém (tức năng lượng bề mặt thấp). Hơn nữa, nylon hút ẩm và hấp thụ hơn 3% khối lượng của nó dưới dạng nước từ khí quyển. Bản thân độ ẩm đã gây ra vấn đề bám dính. Quy trình sấy nhựa nylon đúng cách rất quan trọng đối với gia công và hiệu năng chi tiết. Đáng chú ý nhất, tính kỵ nước của nylon là tính chất bề mặt, còn tính ưa nước là tính chất khối. Vì nylon là polymer hữu cơ nên có năng lượng bề mặt tương đối thấp. Đây là hệ quả của hóa học bề mặt và vật lý bề mặt của polymer và các chất hữu cơ khác. Tuy nhiên, các nhóm amide trong mạch nylon hút nước, và chúng tạo ra tính ưa nước của vật liệu này về mặt hấp thụ nước theo khối. Do đó, ở khối vật liệu, nylon có thể biểu hiện như vật liệu ưa nước, nhưng ở bề mặt lại có thể biểu hiện kỵ nước.

Polyphenylene sulfide (PPS) có khả năng chịu chất ăn mòn rộng nhất trong các loại nhựa kỹ thuật cao cấp. Sản phẩm PPS không hút ẩm nên không gặp vấn đề giãn nở kích thước như nylon (polyamide). Tuy vậy, vẫn phải dùng nhựa khô khi ép chi tiết. Bản thân độ ẩm đã là vấn đề. Độ ẩm cao có thể tạo lỗ rỗng, ảnh hưởng xấu đến hiệu năng chi tiết, độ bám dính và thẩm mỹ. Khoảng thời gian giữa sấy và gia công nên càng ngắn càng tốt. PPS nên được sấy trong máy sấy phễu hút ẩm. Nói chung không khuyến nghị dùng lò gió nóng. Để đạt trạng thái kết tinh hoàn toàn, nhiệt độ khuôn phải ít nhất 275 đến 300°F. Khi ép PPS dưới 275°F, chi tiết ở trạng thái vô định hình hoặc bán kết tinh và giữ nguyên trạng thái này cho đến khi tiếp xúc với nhiệt độ làm việc cao hơn (kể cả khi lưu hóa bằng nhiệt). Nếu nhiệt độ làm việc vượt quá nhiệt độ khuôn, chi tiết sẽ kết tinh nhiều hơn, dẫn đến thay đổi kích thước và tính chất. Ví dụ, nhiệt độ biến dạng nhiệt (HDT) @264 psi (1,8 MPa) của PPS gia cường 40% sợi thủy tinh ép ở trạng thái không kết tinh chỉ là 350°F nhưng tăng lên >500°F (260°C) ở trạng thái kết tinh. Ngoài ra, nhiệt độ khuôn có ảnh hưởng rất lớn đến ngoại quan bề mặt.

Để làm sạch phù hợp bề mặt nylon và PPS và loại bỏ LMWM (vật liệu phân tử lượng thấp), hãy dùng toluene, xylene, acetone hoặc MEK. Cồn là dung môi yếu và chỉ loại bỏ bụi bẩn bề mặt chứ không loại được tạp chất hydrocarbon. Luôn phải dùng đúng kỹ thuật, gồm dùng khăn không xơ và đeo găng bảo hộ không bột. Dư dung môi tạo ra các lớp biên yếu chứa hóa chất chưa được loại bỏ, để lại màng mờ tích tụ cản trở liên kết.2 Quy trình in nên được thực hiện càng sớm càng tốt sau công đoạn ép khuôn, hoặc đóng gói chặt chi tiết trong túi không phải polyethylene như polyester. Các ứng dụng dán nylon và PPS thường cần tiền xử lý plasma, chẳng hạn xử lý phóng điện corona, plasma khí quyển (phóng điện), plasma không khí (phóng điện), plasma ngọn lửa và plasma khí lạnh RF áp suất thấp.

Bề mặt vật liệu nền sạch

Các vật liệu phân tử lượng thấp, như silicone, chất tách khuôn, chất chống trượt và phụ gia gia công, cản trở khả năng chảy của mực và sự tiếp xúc mật thiết cần thiết cho độ bám dính. Một số hợp chất tan hoặc không tan dùng trong bột màu và thuốc nhuộm có thể ảnh hưởng xấu đến độ bám dính. Thành phần hóa học của bề mặt ép, vân bề mặt và độ xốp ảnh hưởng đáng kể đến dòng chảy và độ bám dính của mực. Mức độ hay chất lượng xử lý và độ bám dính chịu ảnh hưởng bởi độ sạch của bề mặt nhựa. Bề mặt phải sạch để đạt tiền xử lý tối ưu và độ bám dính mực sau đó. Nhiễm bẩn bề mặt, như chất tách khuôn silicone, bụi bẩn, mỡ, dầu và dấu vân tay, cản trở quá trình xử lý. Độ tinh khiết của vật liệu cũng là một yếu tố quan trọng.

Thời hạn hiệu lực của nhựa đã xử lý phụ thuộc vào loại nhựa, công thức và môi trường xung quanh khu vực bảo quản. Thời hạn hiệu lực của sản phẩm đã xử lý bị giới hạn bởi sự hiện diện của vật liệu oxy hóa phân tử lượng thấp (LMWOM), như chất chống oxy hóa, chất hóa dẻo, chất chống trượt và chống tĩnh điện, chất tạo màu và bột màu, chất ổn định, v.v. Việc bề mặt đã xử lý tiếp xúc với nhiệt độ cao làm tăng độ linh động của mạch phân tử: độ linh động của mạch càng cao thì quá trình lão hóa của lớp xử lý càng nhanh. Độ linh động của mạch polymer trong vật liệu đã xử lý khiến các vị trí liên kết do quá trình xử lý tạo ra dịch chuyển ra xa bề mặt. Các thành phần này cuối cùng có thể di chuyển lên bề mặt polymer.

Thiết kế khuôn và vân bề mặt

Các nhà thiết kế có thể cải thiện độ bám dính bằng cách tạo vân trên bề mặt khuôn. Vân tạo ra các đỉnh và rãnh, cung cấp độ bám dính bằng liên kết cơ học khóa chặt. Có thể tạo vân ngay trong khuôn hoặc thủ công bằng miếng Scotch-Brite và làm sạch bằng dung môi. Vân tạo sẵn trong khuôn được ưu tiên vì giữ được đặc tính bề mặt mà không tốn thêm chi phí lao động/hóa chất.

Ví dụ, cấp hoàn thiện khoang khuôn NTMA “40 – đánh bóng kim cương 1200 Grit” nhiều khả năng cải thiện độ bền liên kết so với cấp “10 – kim cương mịn 8000 Grit” (dải 0 đến 3 micron). Tham khảo Hình 4 về cấp hoàn thiện bề mặt khuôn SPI. Ngay cả bề mặt có vân nhẹ cũng có lợi. Với ứng dụng lỗ lõm, như đầu nối, chốt lõi khắc ăn mòn trong khuôn có hiệu quả rất cao.

Tóm lại, để đạt độ bám dính mực bền vững và/hoặc liên kết bám dính cường độ cao cho polymer, nên thực hiện các mục sau. Không mục nào làm tăng chi phí, và trên thực tế còn giúp tiết kiệm chi phí.

• Không silicone bên trong hoặc bên ngoài. Giảm thiểu phụ gia gia công.
• Vân bề mặt khuôn.
• Sấy nhựa đúng cách trước khi ép.
• Bề mặt phải sạch.
• Tránh dùng dư dung môi gây ra các lớp biên yếu chứa hóa chất chưa được loại bỏ.
• Đóng gói chặt chi tiết ép trong túi không phải polyethylene có chất hút ẩm hoặc dùng túi polyester.
• Thực hiện quy trình in càng sớm càng tốt sau khi ép.

Tài liệu tham khảo

• 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 là người sáng lập và chủ tịch của The Sabreen Group, Inc., công ty kỹ thuật chuyên về các quy trình sản xuất nhựa thứ cấp: bảo mật sản phẩm, khắc laser, tiền xử lý bề mặt, dán keo, trang trí & hoàn thiện bề mặt. Sabreen đã tiên phong phát triển công nghệ và giải quyết các vấn đề sản xuất hơn 30 năm. Quý khách có thể liên hệ ông theo số 972.820.6777 hoặc truy cập www.Sabreen.com.

---