Przygotowanie tworzyw sztucznych do malowania

Przygotowanie tworzyw sztucznych do malowania

Procesy stosowane do nanoszenia większości farb ciekłych na tworzywa sztuczne niewiele różnią się od stosowanych przy malowaniu metali, choć malowanie proszkowe na tworzywach jest nadal dość rzadkie. Ponadto niektóre konkretne metody malowania szeroko stosowane na metalach, takie jak osadzanie chemiczne (autoforetyczne) i powlekanie elektroforetyczne, nie są możliwe w przypadku tworzyw sztucznych. Wszystkie pozostałe techniki, takie jak malowanie pędzlem, powlekanie zanurzeniowe, powlekanie polewowe, powlekanie kurtynowe, w tym wszystkie odmiany natrysku i rozpylania rotacyjnego, stosuje się zarówno do metali, jak i tworzyw sztucznych. Wraz z pojawieniem się utwardzania promieniowaniem UV oraz niskotemperaturowego utwardzania wybranych farb proszkowych nanoszenie proszku na niektóre w pewnym stopniu odporne na ciepło tworzywa jest już stosowane, choć technologia ta jest wciąż w powijakach.

Podatność na malowanie wszystkich metali powszechnie stosowanych w produkcji jest dość podobna. Jest to możliwe częściowo dlatego, że wartości energii powierzchniowej, przewodności elektrycznej, przewodności cieplnej i odporności cieplnej metali są do siebie bardzo zbliżone. W przypadku tworzyw sztucznych zdecydowanie tak nie jest. Wartości tych cech tworzyw są na ogół znacznie niższe niż metali, a ponadto wartości dla różnych tworzyw wykazują ogromne zróżnicowanie. Nawet w obrębie jednej rodziny tworzyw ich podatność na malowanie może być zaskakująco różna ze względu na różnice w masach cząsteczkowych oraz zastosowanie różnych dodatków przy wytwarzaniu poszczególnych żywic. Podstawowy skład tworzywa może składać się z jednej żywicy lub z mieszanki dwóch lub więcej różnych żywic. Do kompozycji żywicy mogą być wprowadzone różne wypełniacze, napełniacze i plastyfikatory. Dodatki często wprowadza się do żywic, aby uzyskać pożądane właściwości fizyczne i chemiczne, a pigmenty – aby zmienić połysk lub nadać kolor. Charakter chemiczny i ilość tych dodatków mogą znacząco zmieniać podatność danej receptury na malowanie. Nawet części wykonane z tej samej receptury żywicy nie zawsze mają jednakową podatność na malowanie. Proces formowania, wytłaczania lub inny proces kształtowania części również może odgrywać istotną rolę w podatności części na malowanie ze względu na wytworzone naprężenia w części oraz sieciowanie żywicy.

Charakter chemiczny żywicy w dużej mierze decyduje o energii powierzchniowej tworzywa. Ogólnie powierzchnia o wyższej energii powierzchniowej jest łatwiej „zwilżana” przez farbę, a zatem jest bardziej „malowalna”, co oznacza lepszą przyczepność powłoki. Zauważono, że przyczepność farby do metali jest często lepsza niż do tworzyw sztucznych, ponieważ metale mają zwykle znacznie wyższą energię powierzchniową niż tworzywa. Niska polarność cząsteczek w tworzywach takich jak polietylen i polipropylen jest przyczyną niskiej energii powierzchniowej (i słabej podatności na malowanie) tych tworzyw. Zwiększenie energii powierzchniowej, a tym samym przyczepności farby, jest jednym z głównych celów obróbki wstępnej tworzyw sztucznych.

Najważniejsze wnioski

• Większość metod nanoszenia farb ciekłych przenosi się z metali, ale osadzanie chemiczne i powlekanie elektroforetyczne nie są możliwe na tworzywach sztucznych.
• Ładunki statyczne są problemem typowym dla tworzyw sztucznych. Tworzywa są izolatorami, dlatego gromadzą ładunek i przed malowaniem przyciągają kurz z powietrza.
• Woskowe środki antyadhezyjne są wrogiem farby. Znacznie lepsze są środki rozpuszczalne w wodzie, które zmywa się zwykłym wodnym detergentem.
• Gładkie powierzchnie wymagają zmatowienia, chemicznie lub mechanicznie, aby utworzyć miejsca zakotwiczenia potrzebne farbie.
• Przyspieszone testy starzeniowe pozwalają przewidzieć zachowanie w terenie – ciepło suche, ciepło wilgotne i grupa kontrolna, a następnie test odrywania według ASTM D3330.

Najczęściej zadawane pytania

Jakie zanieczyszczenia trzeba usunąć przed malowaniem tworzywa sztucznego?

Odciski palców, kurz, kłaczki i pozostałości środków antyadhezyjnych. Czyszczenie detergentem zwykle usuwa sole i oleje pozostawione przez gołe ręce, a zanieczyszczeń odciskami palców można całkowicie uniknąć, jeśli operatorzy noszą rękawice niepozostawiające kłaczków od procesu formowania aż do nanoszenia farby.

Dlaczego części z tworzyw sztucznych przyciągają kurz przed malowaniem?

Ponieważ większość tworzyw jest izolatorami lub słabymi przewodnikami elektrycznymi, gromadzą one ładunki statyczne, które przyciągają i zatrzymują cząstki z powietrza. Kontrola ładunków statycznych to etap, którego linie do wykańczania metali po prostu nie potrzebują.

Które środki antyadhezyjne są zgodne z malowaniem?

Rozpuszczalne w wodzie, które łatwo usuwa się zwykłym czyszczeniem wodnym detergentem. Środki typu woskowego można czasem usunąć rozpuszczalnikiem, ale nie zaleca się ich w częściach przeznaczonych do malowania, a stosowanie rozpuszczalników i tak jest odradzane ze względu na LZO, zagrożenie pożarowe i zdrowotne.

Jak uzyskać przyczepność farby do gładkiej powierzchni tworzywa?

Należy ją zmatowić. Tworzywa mają niską energię powierzchniową i niski profil powierzchni, a gładkie powierzchnie zapewniają słabą przyczepność. Zwykle stosuje się trawienie chemiczne, które wytwarza mikrochropowatość i miejsca zakotwiczenia, najlepiej za pomocą rozpuszczalników już obecnych w nanoszonej farbie.

Jak należy badać przyczepność farby w długim okresie?

Przyspieszonymi testami starzeniowymi. Jedna z możliwych konstrukcji to trzy grupy – pięć dni w 158°F w warunkach suchych, pięć dni w 90°F przy 90% wilgotności oraz grupa kontrolna w warunkach otoczenia. Bezpośrednio po teście należy dokonać oceny wizualnej w porównaniu z grupą kontrolną, a po ustabilizowaniu próbek wykonać test odrywania według ASTM D3330, najczęściej pod kątem 180°.

Czyszczenie podłoży z tworzyw sztucznych

Podobnie jak każdą inną powierzchnię przeznaczoną do malowania, tworzywa sztuczne muszą być w rozsądnym stopniu wolne od zabrudzeń i ciał obcych. Typowe zabrudzenia na wyrobach z tworzyw przeznaczonych do powlekania to odciski palców, kurz, kłaczki i pozostałości środków antyadhezyjnych. Zwykle czyszczenie detergentem skutecznie usuwa sole i oleje pozostawione na tworzywie przez dotykanie gołymi rękami. Zabrudzeń odciskami palców można całkowicie uniknąć, jeśli pracownicy obsługujący części od procesu formowania do etapu nanoszenia farby noszą rękawice niepozostawiające kłaczków.

Większość tworzyw sztucznych to izolatory lub nieskuteczne przewodniki elektryczne. W rezultacie mają skłonność do gromadzenia ładunków statycznych, które przyciągają i mocno zatrzymują cząstki kłaczków i kurzu. Przetarcie ściereczką lepką może nie usunąć wszystkich tych zanieczyszczeń. Doskonałą metodą usuwania kłaczków i brudu przyciągniętych elektrostatycznie jest przedmuch powietrzem z neutralizacją ładunków. Neutralizator powinien generować zarówno ładunki dodatnie, jak i ujemne; większość urządzeń wykorzystuje słabe radioaktywne źródło emisji w źródle powietrza do przedmuchu. Powietrze zasysane jest filtrowane, a powietrze naładowane jonami przedmuchuje się przez część, tak aby jony dodatnie i ujemne zneutralizowały wszystkie ładunki statyczne. Neutralizację ładunków należy wykonywać bezpośrednio przed malowaniem, aby części wchodziły do procesu powlekania jak najczystsze. Opóźnienia między neutralizacją a malowaniem pozwalają na ponowne powstanie ładunków, w konsekwencji czego części ponownie gromadzą cząstki na powierzchni.

Instalacja stanowisk do malowania tworzyw sztucznych wewnątrz „pomieszczenia czystego” ułatwia kontrolę zanieczyszczeń takich jak kurz i kłaczki. Powietrze doprowadzane powinno być filtrowane i utrzymywane przy wilgotności względnej około 50%. W pomieszczeniu tym przez cały czas mogą przebywać wyłącznie osoby upoważnione, w kombinezonach niepozostawiających kłaczków, czepkach i ochraniaczach na obuwie.

Środki antyadhezyjne i plastyfikatory

Dostępne są niektóre środki antyadhezyjne zgodne z malowaniem, ale wiele innych ma niekorzystny wpływ na przyczepność farby. Usunięcie tych środków, ułatwiających oddzielanie części z tworzyw od form, może wymagać różnych technik. Środki antyadhezyjne typu woskowego można czasem usunąć czyszczeniem rozpuszczalnikiem, ale tego rodzaju środków nie zaleca się w częściach przeznaczonych do malowania. Stosowanie rozpuszczalników jest niemal automatycznie odradzane ze względu na ograniczenia emisji LZO oraz potencjalne zagrożenia pożarowe i zdrowotne związane z wieloma rozpuszczalnikami. Znacznie lepsze są środki antyadhezyjne rozpuszczalne w wodzie. Usuwa się je z powierzchni tworzywa łatwo za pomocą zwykłych wodnych roztworów detergentów.

Środki antyadhezyjne mogą być również wprowadzane do receptur tworzyw; nazywa się je „wewnętrznymi” środkami antyadhezyjnymi. Wewnętrznych środków antyadhezyjnych należy w miarę możliwości unikać. Podatność na malowanie może nie zostać pogorszona od razu, a testy przyczepności w kontroli jakości mogą wykazywać doskonałą przyczepność początkową. W niektórych przypadkach jednak wewnętrzne środki antyadhezyjne powoli migrowały na powierzchnię części i powodowały utratę przyczepności farby wiele miesięcy po pomalowaniu części.

Do żywic formierskich można dodawać plastyfikatory w celu zwiększenia udarności, ale często mogą one obniżać przyczepność farby tak samo jak środki antyadhezyjne. Niektóre plastyfikatory powoli migrują na powierzchnię i zmiękczają granicę między tworzywem a farbą, powodując utratę przyczepności. Również w tym przypadku początkowe testy przyczepności farby mogą być całkowicie zadowalające, ale późniejsze odspajanie lub oddzielanie się powłoki od powierzchni tworzywa następuje później. Może to skutkować kosztownymi awariami w terenie i roszczeniami odpowiedzialności długo po oddaniu części do eksploatacji.

Uzyskiwanie trwałej przyczepności farby

Większość powierzchni tworzyw sztucznych ma nie tylko niską energię powierzchniową, ale także z natury niski profil powierzchni. Gładkie powierzchnie dają zwykle słabą przyczepność farby, o ile powierzchnia nie zostanie najpierw zmatowiona metodami chemicznymi lub mechanicznymi. Powłoki konwersyjne na metalach przyczyniają się do przyczepności farby częściowo dzięki mikrochropowatej powierzchni nieorganicznej warstwy wytworzonej na metalu. Najczęstszym sposobem pokonania gładkości powierzchni tworzyw jest trawienie powierzchni środkiem chemicznym w celu wytworzenia mikrochropowatości i miejsc zakotwiczenia zapewniających przyczepność farby. Jeśli to możliwe, trawienie wykonuje się za pomocą rozpuszczalników obecnych w nanoszonej farbie, aby uniknąć osobnego etapu procesu. Dobór rozpuszczalnika farby jest dość istotny, ponieważ różne rozpuszczalniki trawią tworzywa z różną szybkością. Należy unikać zarówno nadmiernego, jak i niedostatecznego trawienia. Niewystarczające trawienie nie zapewni odpowiedniej przyczepności; nadmierne trawienie może uszkodzić tworzywo. Może odkształcić część, odsłonić cząstki wypełniaczy i napełniaczy, a nawet spowodować powstanie obszarów, w których materiały zawarte w tworzywie mogą przenikać do powłoki. Niektóre tworzywa, takie jak poliwęglan lub polistyren, pękają lub ulegają nadmiernemu spękaniu powierzchni wskutek działania rozpuszczalników, na które są szczególnie wrażliwe. Jeśli tworzywa mają obszary silnie naprężone w procesie formowania, rozpuszczalniki mogą tworzyć w tych miejscach widoczne pęknięcia w wyniku uwolnienia naprężeń. Dlatego trawienie rozpuszczalnikiem wymaga zachowania ostrożności.

Przy formowaniu niektórych kształtów części występują obszary, w których szybki przepływ tworzywa we wtrysku powoduje znaczne nagrzewanie tarciowe części wewnątrz formy. W takich miejscach powstaje silnie usieciowana (zeszklona) skórka odporna na trawienie rozpuszczalnikiem. Przyczepność farby będzie w tych obszarach słaba, o ile nie podejmie się kroków w celu usunięcia nadmiernie twardej skórki tworzywa. Obszary te można odszkliwić w stopniu wystarczającym do zapewnienia zadowalającej przyczepności farby przez obróbkę bębnową z użyciem umiarkowanie ściernego medium lub obróbkę strumieniowo-ścierną łagodnym materiałem ziarnistym. Dla niektórych części skuteczne jest także krótkie zanurzenie w gorącym rozpuszczalniku lub jego parach. Jednak tworzenie mikrochropowatości za pomocą rozpuszczalników jest zasadniczo skuteczne tylko wtedy, gdy samo tworzywo ma przynajmniej pewien charakter polarny.

Gdy odszkliwianie lub trawienie rozpuszczalnikiem jest nieskuteczne lub niepożądane, może być konieczne użycie reakcji chemicznej w celu utworzenia na powierzchni polarnych grup utlenionych. Dotyczy to zwłaszcza skrajnie niepolarnych powierzchni tworzyw. Polipropylen i polietylen to dwa przykłady tworzyw o niskiej polarności poddawanych obróbce utleniającej. Te żywice i podobne tworzywa o niskiej polarności można krótko poddać działaniu otwartego płomienia palnika gazowego. Inicjuje to utleniającą reakcję chemiczną (początkowe spalanie), która choć nie jest widoczna, tworzy na powierzchni polarność wystarczającą do zapewnienia doskonałej przyczepności farby. Do powodowania utleniania powierzchni stosowano również przepuszczanie części z tworzyw przez elektryczne wyładowanie koronowe wytwarzające ozon. Wyładowanie koronowe wytwarza wzbudzone atomy tlenu, które tworzą ozon, a ten z kolei atakuje tworzywo w sposób utleniający, tworząc grupy polarne, takie jak grupy hydroksylowe, karbonylowe i karboksylowe.

Powierzchnie tworzyw o niskiej polarności można też utleniać za pomocą związków światłoczułych zwanych fotouczulaczami, a następnie naświetlaniem światłem ultrafioletowym. Światło UV „rozrywa” cząsteczki związków światłoczułych, tworząc wolne rodniki. Wolne rodniki to niezwykle reaktywne indywidua, które w tym procesie łączą się z tlenem obecnym w powietrzu. Rodniki tlenowe z kolei reagują z tworzywem, tworząc na powierzchni grupy polarne.

Technologię plazmy zimnej można stosować do obróbki wstępnej tworzyw sztucznych i utleniania powierzchni w celu radykalnej poprawy właściwości powierzchni pod kątem przyczepności farby. Gdy gaz zostanie zmuszony do pochłonięcia dostatecznej energii, ulega jonizacji, czyli staje się „plazmą”. Wzbudzenie zapewnia generator o częstotliwości radiowej. Spawanie łukowe i oświetlenie fluorescencyjne to przykłady zjawiska, w którym „poświata” powstaje, gdy wzbudzone jony wracają do stabilnego stanu energetycznego. W granicach bezpieczeństwa układu w procesie tym można użyć dowolnego pojedynczego gazu lub mieszaniny gazów. Do tego celu stosowano tlen, azot, hel, argon, powietrze i amoniak.

Kondycjonowanie plazmą również pozwala malować tworzywa z dobrą przyczepnością. Reaktor plazmowy jest zwykle komorą próżniową wyposażoną w szczelnie zamykany otwór do załadunku i rozładunku części. Podczas pracy reaktora można obserwować wyładowanie jarzeniowe. Obróbka plazmą gazową jednocześnie mikrotrawi i aktywuje powierzchnię. Krótka obróbka tworzy powierzchnię polarną o wysokiej energii powierzchniowej na skądinąd mało polarnym lub niepolarnym tworzywie, umożliwiając jej całkowite i równomierne „zwilżenie” farbą. Procesy plazmowe zwykle nie zmieniają wyglądu powierzchni, więc materiały można obrabiać bez przebarwień. Doskonałą przyczepność można uzyskać z tą samą farbą, której używa się na metalach. Może to być ważna cecha dla niektórych producentów, ponieważ zmontowany zespół zawierający zarówno tworzywo, jak i metal można malować jednocześnie tą samą powłoką.

Mniej skuteczne jest stosowanie chemicznych środków utleniających w samej farbie w celu utlenienia powierzchni tworzywa w stopniu wystarczającym do uzyskania lepszej przyczepności farby. Spektroskopia w podczerwieni w świetle odbitym potwierdziła, że zabiegi te wytwarzają na powierzchni tworzywa te same grupy tlenowe (hydroksylowe, karbonylowe i karboksylowe) co inne procesy utleniające, tylko w mniejszej ilości. Tylko w ograniczonych przypadkach utleniacze w samej farbie wywołują polarność wystarczającą dla trwałej przyczepności farby.

Obróbki wstępne powierzchni zwiększają (poszerzają) okna procesowe. Przykładowo „nieobrobione” poliolefiny mają energię powierzchniową w zakresie 29–31 dyn/cm. W procesach malowania powierzchnie te wymagają poziomów obróbki w zakresie 38–60 dyn/cm, w zależności od rodzaju chemii powłoki, np. rozpuszczalnikowej, wodorozcieńczalnej lub UV. Każda metoda obróbki wstępnej jest specyficzna dla zastosowania i ma potencjalne zalety, ograniczenia i konsekwencje kosztowe. W pewnych okolicznościach procesy utleniania w fazie gazowej mogą niekorzystnie wpływać na późniejsze operacje produkcyjne, takie jak zgrzewanie na gorąco. Dokładna ocena przed wdrożeniem do produkcji jest kluczowa.

Badanie przyczepności

Do pomiaru przyczepności farby i twardości na zarysowanie stosuje się liczne metody. Przyspieszone testy starzeniowe to technika, która może pomóc przewidzieć długoterminowe właściwości wyrobu. Poniższa konstrukcja eksperymentu jest jednym z przykładów:

• Grupa 1: pięć (5) dni, 158°F, sucho, bez wilgotności
• Grupa 2: pięć (5) dni, 90°F, wilgotność 90%
• Grupa 3: grupa kontrolna, warunki otoczenia

Bezpośrednio po badaniu należy wykonać ocenę wizualną i porównać ją z grupą kontrolną. Po ustabilizowaniu próbek testy odrywania należy przeprowadzić zgodnie z ASTM D3330. W wielu zastosowaniach najczęściej stosuje się test odrywania pod kątem 180°. Dla celów porównawczych sugeruje się również odrywanie pod kątem 90°. Test ten może dać wierniejszy obraz przyczepności, choć wartości mogą być niższe niż uzyskane przy odrywaniu pod kątem 180°. Wydłużenie badania Grupy 1 z 5 do 10 dni nie pozwoliłoby przewidzieć dwukrotnie dłuższej trwałości w terenie, ponieważ zależność nie jest liniowa; wskazałoby jednak bardziej wiarygodne wyniki.

Scott R. Sabreen jest założycielem i prezesem The Sabreen Group Inc. (TSG). TSG to firma technologiczna specjalizująca się w inżynierii wtórnych operacji przetwórstwa tworzyw sztucznych: obróbce wstępnej powierzchni, łączeniu, zdobieniu i wykańczaniu oraz znakowaniu laserowym. Dr Norman R. Roobol (770-487-9133 lub [email protected]) jest konsultantem w dziedzinie malowania przemysłowego z ponad 35-letnim doświadczeniem i autorem kilku książek. Więcej informacji można uzyskać pod numerem 888-SABREEN lub na stronie: www.sabreen.com.

---