Chuẩn bị nhựa trước khi sơn

Chuẩn bị nhựa trước khi sơn

Các quy trình dùng để thi công hầu hết các loại sơn lỏng lên nhựa không khác nhiều so với sơn kim loại, mặc dù sơn tĩnh điện dạng bột trên nhựa vẫn còn khá hiếm. Ngoài ra, một số phương pháp sơn đặc thù được dùng rộng rãi cho kim loại, như lắng đọng hóa học (autophoretic) và phủ điện di, không thể áp dụng cho nhựa. Nhưng mọi kỹ thuật khác như quét cọ, nhúng, phủ dòng chảy, phủ màn, kể cả mọi biến thể của phun và phun sương quay, đều được dùng để phủ cả kim loại lẫn nhựa. Với sự ra đời của đóng rắn bằng bức xạ UV và đóng rắn nhiệt độ thấp cho một số loại sơn bột chọn lọc, việc thi công sơn bột trên một số loại nhựa chịu nhiệt tương đối hiện đã được thực hiện, dù công nghệ này vẫn còn ở giai đoạn sơ khai.

Khả năng sơn của tất cả các kim loại thường dùng trong sản xuất khá tương đồng. Điều này có được một phần là nhờ các giá trị năng lượng bề mặt, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt và khả năng chịu nhiệt của kim loại đều khá gần nhau. Điều này hoàn toàn không đúng với nhựa. Nhìn chung, giá trị của các thuộc tính này ở nhựa thấp hơn nhiều so với kim loại, và giữa các loại nhựa khác nhau cũng chênh lệch cực lớn. Ngay cả trong một họ nhựa, khả năng sơn cũng có thể khác nhau một cách đáng ngạc nhiên do khác biệt về khối lượng phân tử và việc đưa các phụ gia khác nhau vào khi sản xuất các loại nhựa. Thành phần nhựa nền có thể chỉ gồm một loại nhựa hoặc là hỗn hợp của hai hay nhiều loại nhựa khác nhau. Trong thành phần nhựa có thể có nhiều loại chất độn, chất pha loãng và chất hóa dẻo. Phụ gia thường được thêm vào nhựa để tạo ra các tính chất vật lý và hóa học mong muốn; bột màu được đưa vào để thay đổi độ bóng hoặc tạo màu. Bản chất hóa học và hàm lượng của các phụ gia này có khả năng làm thay đổi đáng kể khả năng sơn của công thức đó. Ngay cả các chi tiết sản xuất từ cùng một công thức nhựa cũng không nhất thiết có khả năng sơn như nhau. Quy trình ép phun, đùn hoặc tạo hình khác dùng để sản xuất chi tiết cũng có thể đóng vai trò quan trọng đối với khả năng sơn của chi tiết, do ứng suất cảm ứng trong chi tiết và liên kết ngang của nhựa.

Bản chất hóa học của nhựa phần lớn quyết định năng lượng bề mặt của nhựa. Nhìn chung, bề mặt có năng lượng bề mặt cao hơn dễ được sơn “thấm ướt” hơn và do đó “dễ sơn” hơn, nghĩa là độ bám dính của lớp phủ sẽ tốt hơn. Người ta đã ghi nhận rằng độ bám dính của sơn lên kim loại thường tốt hơn so với trên nhựa vì kim loại thường có năng lượng bề mặt cao hơn đáng kể so với nhựa. Độ phân cực thấp của các phân tử trong nhựa như polyethylene và polypropylene là nguyên nhân gây ra năng lượng bề mặt thấp (và khả năng sơn kém) của các loại nhựa này. Tăng năng lượng bề mặt, và do đó tăng độ bám dính của sơn, là một trong những mục đích chính của việc tiền xử lý nhựa.

Điểm chính cần nhớ

• Hầu hết phương pháp sơn lỏng được chuyển từ kim loại sang, nhưng lắng đọng hóa học và phủ điện di không thể áp dụng cho nhựa.
• Tĩnh điện là vấn đề riêng của nhựa. Nhựa là chất cách điện, nên tích điện và hút bụi trong không khí trước khi sơn.
• Chất tách khuôn dạng sáp là kẻ thù của sơn. Chất tách khuôn tan trong nước được ưu tiên hơn hẳn và rửa sạch bằng chất tẩy rửa gốc nước thông thường.
• Bề mặt nhẵn cần được làm nhám, bằng hóa học hoặc cơ học, để tạo các vị trí neo bám mà sơn cần.
• Thử nghiệm lão hóa gia tốc dự đoán hiệu năng thực tế — nhiệt khô, nhiệt ẩm và một nhóm đối chứng, sau đó thử bóc theo ASTM D3330.

Câu hỏi thường gặp

Cần loại bỏ những tạp chất nào trước khi sơn nhựa?

Dấu vân tay, bụi, xơ vải và cặn chất tách khuôn. Làm sạch bằng chất tẩy rửa thường loại bỏ được muối và dầu do tay trần để lại, và có thể tránh hoàn toàn nhiễm dấu vân tay nếu người vận hành đeo găng tay không xơ từ công đoạn tạo hình đến khi thi công sơn.

Vì sao chi tiết nhựa hút bụi trước khi sơn?

Vì hầu hết nhựa là chất cách điện hoặc dẫn điện kém, nên tích tụ điện tích tĩnh hút và giữ các hạt trong không khí. Kiểm soát tĩnh điện là bước mà dây chuyền hoàn thiện kim loại hoàn toàn không cần.

Những chất tách khuôn nào tương thích với việc sơn?

Chất tách khuôn tan trong nước, dễ dàng được rửa sạch bằng chất tẩy rửa gốc nước thông thường. Chất tách khuôn dạng sáp đôi khi có thể loại bỏ bằng dung môi nhưng không được khuyến nghị cho chi tiết sẽ sơn, và việc dùng dung môi vốn không được khuyến khích vì lý do VOC, cháy nổ và sức khỏe.

Làm thế nào để sơn bám dính trên bề mặt nhựa nhẵn?

Làm nhám bề mặt. Nhựa có năng lượng bề mặt thấp và biên dạng bề mặt thấp, và bề mặt nhẵn cho độ bám dính kém. Cách thường dùng là khắc ăn mòn hóa học để tạo độ nhám vi mô và các vị trí neo bám, lý tưởng nhất là do chính các dung môi có sẵn trong loại sơn đang thi công thực hiện.

Nên thử nghiệm độ bám dính của sơn dài hạn như thế nào?

Thử nghiệm lão hóa gia tốc. Một thiết kế khả thi là ba nhóm — năm ngày ở 158°F khô, năm ngày ở 90°F và độ ẩm 90%, và một nhóm đối chứng ở điều kiện môi trường. Kiểm tra bằng mắt so với nhóm đối chứng ngay sau đó, rồi thử bóc theo ASTM D3330 sau khi mẫu đã ổn định, thường ở góc 180°.

Làm sạch vật liệu nền nhựa

Như với mọi bề mặt cần sơn khác, nhựa cần tương đối sạch mọi chất bẩn hoặc vật lạ. Các chất bẩn thường gặp trên chi tiết nhựa cần phủ gồm dấu vân tay, bụi, xơ vải và cặn chất tách khuôn. Thông thường, làm sạch bằng chất tẩy rửa có thể loại bỏ đạt yêu cầu muối và dầu bám lên nhựa do chạm bằng tay trần. Có thể tránh hoàn toàn chất bẩn từ dấu vân tay nếu công nhân xử lý chi tiết từ công đoạn tạo hình đến bước thi công sơn đeo găng tay không xơ.

Hầu hết nhựa là chất cách điện hoặc dẫn điện kém. Do đó, chúng có xu hướng tích tụ điện tích tĩnh hút và giữ chặt các hạt xơ vải và bụi. Lau bằng giẻ dính bụi có thể không loại bỏ hết các tạp chất này. Một phương pháp tuyệt vời để loại bỏ xơ vải và bụi bẩn bị hút bởi tĩnh điện là dùng khí thổi khử tĩnh điện. Thiết bị khử tĩnh điện phải tạo ra cả điện tích dương và âm; hầu hết các thiết bị dùng nguồn phát xạ phóng xạ yếu trong nguồn khí thổi. Khí đầu vào được lọc và khí chứa ion được thổi qua chi tiết để các ion dương và âm trung hòa mọi điện tích tĩnh. Việc khử tĩnh điện cần được thực hiện ngay trước khi sơn để chi tiết sạch nhất có thể khi vào quy trình phủ. Nếu chậm trễ giữa khử tĩnh điện và sơn, điện tích sẽ hình thành lại và do đó chi tiết sẽ lại tích tụ hạt bụi trên bề mặt.

Bằng cách lắp đặt các công đoạn sơn nhựa bên trong “phòng sạch”, bụi bẩn như bụi và xơ vải được kiểm soát dễ dàng hơn. Nguồn khí cấp phải được lọc và giữ ở độ ẩm tương đối khoảng 50%. Chỉ những người được ủy quyền, mặc áo choàng không xơ, mũ trùm tóc và bọc giày mới được phép vào phòng này bất cứ lúc nào.

Chất tách khuôn và chất hóa dẻo

Có một số chất tách khuôn có thể sơn được, nhưng nhiều chất tách khuôn khác ảnh hưởng bất lợi đến độ bám dính của sơn. Có thể cần nhiều kỹ thuật khác nhau để loại bỏ các tác nhân dùng để hỗ trợ tách chi tiết nhựa khỏi khuôn này. Chất tách khuôn dạng sáp đôi khi có thể loại bỏ bằng cách làm sạch bằng dung môi, nhưng loại này không được khuyến nghị cho chi tiết cần sơn. Việc dùng dung môi gần như tự động bị hạn chế do các quy định hạn chế phát thải VOC và nguy cơ cháy nổ, nguy hại sức khỏe của nhiều loại dung môi. Chất tách khuôn tan trong nước được ưu tiên hơn nhiều. Việc loại bỏ chúng khỏi bề mặt nhựa được thực hiện dễ dàng bằng dung dịch chất tẩy rửa gốc nước thông thường.

Chất tách khuôn cũng có thể được trộn vào công thức nhựa; loại này gọi là chất tách khuôn “nội bộ”. Cần tránh chất tách khuôn nội bộ bất cứ khi nào có thể. Khả năng sơn có thể bị suy giảm ngay hoặc không, và các thử nghiệm bám dính QA có thể cho thấy độ bám dính ban đầu xuất sắc. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, chất tách khuôn nội bộ đã di chuyển dần lên bề mặt chi tiết và gây hỏng bám dính của sơn nhiều tháng sau khi chi tiết được sơn.

Chất hóa dẻo có thể được thêm vào nhựa ép để tăng độ bền va đập, nhưng thường chúng có thể làm giảm độ bám dính của sơn giống như chất tách khuôn. Một số chất hóa dẻo sẽ dần di chuyển lên bề mặt và làm mềm mặt phân cách giữa nhựa và sơn, dẫn đến mất độ bám dính. Trong trường hợp này, các thử nghiệm bám dính ban đầu của sơn cũng có thể hoàn toàn đạt yêu cầu, nhưng về sau xảy ra hiện tượng màng sơn bong tróc hoặc tách khỏi bề mặt nhựa. Điều này có thể dẫn đến hư hỏng tốn kém tại hiện trường và các khiếu nại trách nhiệm sau này, rất lâu sau khi chi tiết đã đưa vào sử dụng.

Đạt độ bám dính sơn bền vững

Hầu hết bề mặt nhựa không chỉ có năng lượng bề mặt thấp mà còn vốn có biên dạng bề mặt thấp. Bề mặt nhẵn có xu hướng cho độ bám dính sơn kém trừ khi bề mặt được làm nhám trước bằng phương pháp hóa học hoặc cơ học. Lớp phủ chuyển hóa trên kim loại góp phần vào độ bám dính của sơn một phần nhờ bề mặt nhám vi mô của lớp vô cơ tạo ra trên kim loại. Cách phổ biến nhất để khắc phục độ nhẵn của bề mặt nhựa là khắc ăn mòn bề mặt bằng tác nhân hóa học để tạo độ nhám vi mô và các vị trí neo bám giúp sơn bám dính. Nếu có thể, việc khắc ăn mòn được thực hiện bằng dung môi có trong loại sơn đang thi công để tránh thêm một bước xử lý riêng. Việc chọn dung môi sơn khá quan trọng vì các dung môi khác nhau khắc ăn mòn nhựa với tốc độ khác nhau. Cần tránh cả khắc ăn mòn quá mức lẫn chưa đủ. Khắc chưa đủ sẽ không cho độ bám dính phù hợp; khắc quá mức có thể làm hỏng nhựa. Nó có thể làm cong vênh chi tiết, làm lộ các hạt chất độn và chất pha loãng, và thậm chí có thể tạo ra các vùng mà các vật liệu trong nhựa có thể thấm vào lớp phủ. Một số loại nhựa, như polycarbonate hoặc polystyrene, sẽ nứt hoặc bị nứt rạn bề mặt quá mức do bị dung môi tấn công mà chúng đặc biệt nhạy cảm. Nếu nhựa có các vùng chịu ứng suất cao từ quá trình ép phun, dung môi có thể tạo vết nứt nhìn thấy được ở các vùng đó do giải phóng ứng suất. Vì vậy cần thận trọng khi khắc ăn mòn bằng dung môi.

Khi ép phun một số hình dạng chi tiết, có những vùng mà dòng nhựa phun nhanh tạo ra nhiệt ma sát đáng kể cho chi tiết bên trong khuôn. Ở những vùng đó hình thành lớp vỏ liên kết ngang cao (bóng kính) chống lại việc khắc ăn mòn bằng dung môi. Độ bám dính của sơn sẽ kém ở các vùng này trừ khi thực hiện các bước loại bỏ lớp vỏ nhựa quá cứng. Các vùng này có thể được xử lý loại bỏ lớp bóng kính đủ để sơn bám dính đạt yêu cầu bằng cách mài quay với vật liệu mài vừa phải, hoặc phun mài bề mặt bằng vật liệu hạt mài nhẹ. Xử lý ngâm nhanh trong dung môi nóng hoặc hơi dung môi cũng hiệu quả với một số chi tiết. Nhưng việc tạo độ nhám vi mô bằng dung môi nhìn chung chỉ hiệu quả nếu bản thân nhựa có ít nhất phần nào tính phân cực.

Khi việc loại bỏ lớp bóng kính hoặc khắc ăn mòn bằng dung môi không hiệu quả hoặc không mong muốn, có thể cần dùng phản ứng hóa học để tạo các nhóm phân cực bị oxy hóa trên bề mặt. Điều này đặc biệt đúng với các bề mặt nhựa cực kỳ không phân cực. Polypropylene và polyethylene là hai ví dụ về nhựa phân cực thấp được xử lý bằng oxy hóa. Các loại nhựa này và nhựa phân cực thấp tương tự có thể được cho tiếp xúc nhanh với ngọn lửa trần từ đầu đốt gas. Điều này khởi phát phản ứng hóa học oxy hóa (cháy sơ khởi) tuy chưa đủ để nhìn thấy nhưng tạo đủ độ phân cực trên bề mặt để sơn bám dính xuất sắc. Việc cho chi tiết nhựa đi qua vùng phóng điện corona tạo ra ozone cũng đã được dùng để gây oxy hóa bề mặt. Corona tạo ra các nguyên tử oxy bị kích thích hình thành ozone, và ozone lần lượt tấn công oxy hóa nhựa để tạo các nhóm phân cực như hydroxyl, carbonyl và acid carboxylic.

Nhựa phân cực thấp cũng có thể được oxy hóa bề mặt bằng các hóa chất nhạy sáng gọi là chất quang nhạy, sau đó chiếu tia cực tím. Ánh sáng UV “bẻ gãy” các phân tử hợp chất nhạy sáng để tạo thành gốc tự do. Gốc tự do là các dạng cực kỳ hoạt động, trong quá trình này kết hợp với oxy có trong không khí. Các gốc tự do oxy lần lượt phản ứng với nhựa để tạo các nhóm phân cực trên bề mặt.

Công nghệ plasma khí lạnh có thể được dùng để tiền xử lý nhựa và oxy hóa bề mặt nhằm cải thiện đáng kể tính chất bề mặt cho độ bám dính của sơn. Khi một chất khí bị buộc hấp thụ đủ năng lượng, nó bị ion hóa, tức thành “plasma”. Máy phát cao tần cung cấp năng lượng kích thích. Hàn hồ quang và đèn huỳnh quang đều là ví dụ về hiện tượng trong đó “ánh sáng” phát ra do các ion bị kích thích quay về trạng thái năng lượng ổn định. Trong giới hạn an toàn của hệ thống, quá trình này có thể dùng bất kỳ khí đơn hoặc hỗn hợp khí nào. Oxy, nitơ, heli, argon, không khí và amoniac đã được dùng cho mục đích này.

Xử lý plasma cũng cho phép sơn nhựa với độ bám dính tốt. Buồng phản ứng plasma thường là một bình chân không có cổng kín để nạp và lấy chi tiết. Có thể quan sát thấy phóng điện phát sáng khi buồng phản ứng hoạt động. Xử lý plasma khí vừa khắc vi mô vừa hoạt hóa bề mặt. Xử lý ngắn sẽ tạo bề mặt phân cực có năng lượng bề mặt cao trên nhựa vốn phân cực thấp hoặc không phân cực, cho phép sơn thấm ướt hoàn toàn và đồng đều. Quy trình plasma thường không làm thay đổi ngoại hình bề mặt, nên có thể xử lý vật liệu mà không gây đổi màu. Có thể đạt độ bám dính xuất sắc với cùng loại sơn dùng cho kim loại. Đây có thể là một tính năng quan trọng với một số nhà sản xuất vì cụm lắp ráp chứa cả nhựa và kim loại có thể được sơn đồng thời bằng cùng một lớp phủ.

Kém hiệu quả hơn là dùng chất oxy hóa hóa học trong chính lớp sơn để oxy hóa bề mặt nhựa đủ để tạo độ bám dính sơn tốt hơn. Quang phổ hồng ngoại phản xạ đã xác nhận rằng các cách xử lý này tạo ra cùng các nhóm oxy hóa (hydroxyl, carbonyl và acid carboxylic) trên bề mặt nhựa như các quy trình oxy hóa khác, chỉ là với lượng ít hơn. Chỉ trong một số trường hợp hạn chế, chất oxy hóa trong chính lớp sơn mới tạo đủ độ phân cực cho độ bám dính sơn bền lâu.

Tiền xử lý bề mặt làm tăng (mở rộng) cửa sổ quy trình. Ví dụ, polyolefin “chưa xử lý” có năng lượng bề mặt trong khoảng 29-31 dyne/cm. Với quy trình sơn, các bề mặt này cần mức xử lý trong khoảng 38-60 dyne/cm, tùy loại hóa học lớp phủ, ví dụ gốc dung môi, gốc nước hoặc UV. Mỗi phương pháp tiền xử lý đều đặc thù theo ứng dụng và có những ưu điểm, hạn chế và ảnh hưởng chi phí tiềm tàng. Trong một số hoàn cảnh nhất định, các quy trình oxy hóa pha khí có thể ảnh hưởng bất lợi đến các công đoạn sản xuất phía sau như hàn nhiệt. Việc đánh giá kỹ lưỡng trước khi đưa vào sản xuất là then chốt.

Thử nghiệm độ bám dính

Có nhiều phương pháp được dùng để đo độ bám dính của sơn và độ cứng chống xước. Thử nghiệm lão hóa gia tốc là kỹ thuật có thể giúp dự đoán hiệu năng sản phẩm dài hạn. Thiết kế thí nghiệm sau đây là một ví dụ:

• Nhóm 1: Năm (5) ngày, 158°F, khô không có độ ẩm
• Nhóm 2: Năm (5) ngày, 90°F, độ ẩm 90%
• Nhóm 3: Nhóm đối chứng, điều kiện môi trường

Cần kiểm tra bằng mắt ngay sau khi thử nghiệm và so sánh với nhóm đối chứng. Khi các mẫu đã ổn định, cần thực hiện thử bóc theo ASTM D3330. Trong nhiều ứng dụng, thử bóc 180° được dùng phổ biến nhất. Để so sánh, cũng đề xuất thử bóc 90°. Phép thử này có thể cho ý niệm chính xác hơn về hiệu năng bám dính dù các giá trị có thể thấp hơn so với ghi nhận ở thử bóc 180°. Kéo dài thử nghiệm Nhóm 1 từ 5 ngày lên 10 ngày sẽ không dự đoán được hiệu năng thực tế gấp đôi vì mối quan hệ không phải hàm tuyến tính; tuy nhiên nó cho thấy kết quả bền vững hơn.

Scott R. Sabreen là Người sáng lập & Chủ tịch của The Sabreen Group Inc. (TSG). TSG là công ty công nghệ chuyên về kỹ thuật các công đoạn gia công nhựa thứ cấp: tiền xử lý bề mặt, dán keo, trang trí & hoàn thiện bề mặt và khắc laser. Tiến sĩ Norman R. Roobol (770-487-9133 hoặc [email protected]) là chuyên gia tư vấn sơn công nghiệp với hơn 35 năm kinh nghiệm và là tác giả của nhiều cuốn sách. Để biết thêm thông tin, hãy gọi 888-SABREEN hoặc truy cập: www.sabreen.com.

---