Polietilen dekorasyonu için ileri teknolojiler

Polietilen dekorasyonu için ileri teknolojiler

Polietilen (PE), en yaygın kullanılan polimerlerden biridir ve yoğunluğuna ve dallanmasına göre sınıflandırılır. PE türü, ikincil işlemlerin kolaylığı veya zorluğu üzerinde belirleyici bir etkiye sahiptir. En yaygın türler LDPE, HDPE ve çapraz bağlıdır. PE ürünlerin kimyasal, fiziksel ve hidrofobik yüzey özellikleri nedeniyle yapıştırılması ve dekore edilmesi zordur. Bu makale, PE üzerinde üstün yapıştırma, kaplama, mürekkep püskürtmeli baskı ve lazer markalama elde etmek için en son ikincil işlemleri ele almaktadır.

Sağlam ikincil işlemler elde etmenin ilk adımı, PE türleri (dallanmış, doğrusal ve çapraz bağlı) arasındaki farkları anlamaktır. PE higroskopik olmasa da ıslanmaz niteliktedir ve yüzey serbest enerjisi düşüktür; bu enerji, düşük moleküler ağırlıklı oksitlenmiş malzemelerin varlığıyla daha da düşebilir. İnorganik karışık metal oksit pigmentleri, bir plastik parçanın nihai özelliklerini belirleyen kristallik derecesini ve kristalleşme hızını etkileyebilir. Birincil kalıplama işlemleri ve soğutma hızı, poliolefinler arasındaki arayüz yapışmasının belirlenmesinde kritiktir.

Temel çıkarımlar

• Zorluğu PE türü belirler. LDPE, HDPE ve çapraz bağlı PE her ikincil işlemde farklı davranır.
• HDPE, büyük ölçüde termal kararlılık farklarından dolayı genellikle LDPE'ye göre daha kolay yapıştırılır ve lazerle markalanır.
• Alev plazması, 5–10 nm gibi sığ bir işlem derinliği sayesinde poliolefinlere işlem sonrası en uzun raf ömrünü sağlar.
• Pyrosil alev işlemi değildir. Yanmalı CVD ile 5–100 nm SiO2 biriktirir; alev mavi değil pembedir.
• Lazer katkı maddesi içermeyen PE, 1060–1070 nm'de absorpsiyonu olmadığından pratikte okunamaz biçimde markalanır.

Sıkça sorulan sorular

Polietilen neden dekore etmesi bu kadar zor?

PE hidrofobik, polar olmayan ve kimyasal olarak inert olup yüzey serbest enerjisi düşüktür; bu enerji, yüzeye göç eden kalıp ayırıcı, antioksidan, plastikleştirici, kayganlaştırıcı ve antistatik maddeler, renklendiriciler ve stabilizatörler gibi düşük moleküler ağırlıklı maddelerin varlığında daha da düşer.

HDPE ile LDPE'den hangisiyle çalışmak daha kolay?

Genellikle HDPE. LDPE zincirleri dallanmışken HDPE daha kristalin bir yapıya sahiptir ve yayımlanmış termal analizde LDPE'nin HDPE'den termal olarak daha az kararlı olduğu görülmüştür. Bu fark, HDPE'nin hem yapıştırılmasını hem de lazerle markalanmasını kolaylaştırır.

Poliolefinlerde hangi ön işlem en uzun raf ömrünü sağlar?

Alev plazması. Çalışmalar, poliolefinlerde alev işleminin işlem sonrası en uzun raf ömrünü sağladığını göstermektedir; bunun nedeni yüzeyden itibaren 5 ila 10 nm'lik nispeten sığ işlem derinliğidir.

Polietilen katkı maddesi olmadan lazerle markalanabilir mi?

İşe yarar biçimde değil. Birçok termoplastikte olduğu gibi PE'nin katkı maddesiz markalanması pratikte okunamaz markalar üretir, çünkü polimerlerin 1060 ila 1070 nm'de esasen absorpsiyonu yoktur. Yerel renk değişimini mümkün kılan; katkı maddeleri, dolgu maddeleri, pigmentler ve boyalardır.

UV kaplamalar PE üzerinde ne kadar hızlı kürlenir?

Genellikle yalnızca 3 ila 10 saniyede. Kürlendikten sonra dekore edilmiş parçalar hemen paketlemeye hazırdır; UV kür kaplamalar tokluk ve kimyasal direnç açısından üstündür ve uzun süreli dış mekân dayanıklılığı için formülasyonları mevcuttur.

Polietilen

PE, poliolefin ailesine ait, değişken kristalinlikte bir termoplastiktir ve yoğunluğuna ve dallanmasına göre sınıflandırılır. Başlıca kullanım alanları arasında ambalaj uygulamaları, otomotiv, elektrik, tüketim ürünleri, elyaf ve tekstil ile boru ve bağlantı parçaları yer alır. PE'nin mekanik özellikleri; dallanmanın kapsamı ve türü, kristal yapı ve molekül ağırlığı gibi değişkenlere önemli ölçüde bağlıdır. PE, etilen (olefin) monomerlerinin katılma veya radikal polimerizasyonuyla üretilir.

PE'nin önemli bir özelliği, işleme sırasında kolayca değiştirilerek polimer zinciri uzunluğu, yoğunluk ve kristalinliğe göre farklılaşan çeşitli formlar verebilmesidir. Bu özellikler, PE ürünlerin çeşitli kullanımlara göre uyarlanmasına olanak tanır. En yaygın polietilen türleri aşağıda listelenmiştir.

Dallanmış versiyonlar

• Düşük yoğunluklu polietilen (LDPE)
• Doğrusal düşük yoğunluklu polietilen (LLDPE)
• Doğrusal versiyonlar

Yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE)

• Ultra yüksek molekül ağırlıklı polietilen (UHMWPE)
• Çapraz bağlı polietilen (PEX veya XLPE)

PE ayrıca şu türlerle de mevcuttur (bunlarla sınırlı olmamak üzere): orta yoğunluklu polietilen (MDPE), ultra düşük yoğunluklu polietilen (ULDPE), yüksek molekül ağırlıklı polietilen (HMWPE), metalosen polietilen (mPE) ve klorlu polietilen (CPE).

HDPE ile LDPE arasındaki farklar

Tasarımcıların seçtiği PE türü, ikincil işlemlerin kolaylığını veya zorluğunu güçlü biçimde belirler. LDPE ve HDPE pek çok özelliği paylaşır, ancak köklü biçimde farklı iç yapıları birçok farklılığa yol açar. Her iki malzemeyi oluşturan polimer zincirleri LDPE'de dallanmışken HDPE'de polimerler daha kristalin bir yapıya sahiptir. HDPE çevresel gerilmeli çatlamaya daha yatkındır. Polimer organizasyonundaki farklar, her malzemede ayrı özellikler doğurur. Journal of Applied Polymer Science'ta yayımlanan ve termal özellikleri değerlendiren bir çalışma, LDPE'nin HDPE'den termal olarak daha az kararlı olduğunu ortaya koymuştur1. The Sabreen Group tarafından yürütülen çalışmalar, HDPE'nin LDPE'den termal olarak daha kararlı olduğu ve çoğu zaman daha kolay yapıştırılıp lazerle markalandığı sonucunu desteklemektedir².

Yapışma

Güçlü yapışma bağı, birçok ikincil işlemin ön koşuludur. Yarı kristalin PE, hidrofobik özellikleri ve düşük yüzey serbest enerjisi nedeniyle zor ıslanır; bu enerji kalıp ayırıcı, antioksidan, plastikleştirici, kayganlaştırıcı ve antistatik maddeler, renklendiriciler ve pigmentler ile stabilizatörler gibi LMWOM'un varlığıyla daha da düşebilir. Yüzeyin kimyasal bileşimine ek olarak doku, gözeneklilik ve altlık malzeme yüzeyini kaplayan ve yüzeye çıkan LMWOM kirliliği veya bariyerleri ya da elleçlemeden kaynaklanan kirleticiler, sıvının akışını ve yakın temas kurmasını etkileyebilir. Yüzey temizliği kritiktir. Kimyasal yapışmaya ek olarak yüzey pürüzlülüğü mekanik yapışmayı artırabilir. PE bileşenlerin yapıştırılması için genellikle ön işlem gerekir. Plazma ön işlemi tercih edilen bir yöntemdir.

Kirleticilerden arındırılmış olsa bile PE yüzeyleri, bir sıvı (yapıştırıcı, kaplama veya mürekkep) tarafından ıslanmaya direnebilir. Bunun nedeni yüzey enerjisi olarak bilinen olgudur. Yüzey enerjisi, katının kütlesine kıyasla yüzeyinde bulunan fazla enerjidir. Bu fazla enerji, yüzeydeki moleküllerin kütledeki moleküllerin yapabildiği kadar çok benzer komşu molekülle etkileşime girememesinden kaynaklanır. Sonuç olarak fazla etkileşim enerjisine sahip olurlar.

Plazma ön işlemi

Yenilik nedir? Sektör lideri 3DT LLC tarafından üretilen PlasmaDyne Pro ile 500W'a kadar değişken güç kontrollü ve daha geniş işlem alanlı atmosferik plazma. Bu gelişmeler, hat içi ve otomatik (robotik) sistemler için yüksek saflıkta plazma iyonizasyonunun hassas güç kontrolünü sağlar.

Gaz fazında “ışıldayan deşarj” plazma yüzey (modifikasyon) oksidasyonu; polar olmayan, kimyasal olarak inert, hidrofobik polimer yüzeylerin yapışma sorunlarını çözmede son derece etkilidir. Yaygın olarak bilinen prosesler; elektriksel atmosferik plazma, alev plazması, Pyrosil®, elektriksel korona deşarjı, elektriksel hava plazması, düşük basınçlı RF soğuk gaz ve UV/ozondur. Bu proseslerin tümü yüzey enerjisini artırmanın yanı sıra kimyasal işlevsellik de kazandırır. Çevrimiçi teknik makaleye bakın: “Plasma Surface Pretreatments of Polymers for Improved Adhesion Bonding”, Plastics Decorating Magazine 2018.

Bu makale, PE bileşenlerin ve tüm poliolefinlerin hat içi veya ikincil işlemi için çok uygun üç plazma ön işlem prosesini inceler: 1) elektriksel atmosferik plazma, 2) alev plazması ve 3) Pyrosil®. Fotoğraf 1. Hangi prosesin bir uygulama için en iyisi olduğu; polimer türü, parça kalınlığı ve geometri gibi birçok faktöre bağlıdır.

Atmosferik plazma

Atmosferik plazma veya elektriksel üflemeli iyon plazması, bir elektrik jeneratörü ve yükseltici transformatörle beslenen bir nozul elektrot ile yüksek basınçlı hava kullanır; yoğun plazma işlem kafasının içinde oluşur ve dışarı doğru akar. Ozon oluşumu ihmal edilebilir düzeydedir. Bu ön işlem prosesi neredeyse potansiyelsizdir (metaller dahil iletken malzemelerin işlenmesi için) ve altlık malzemeden kir, döküntü ve hidrokarbonların çoğunu uzaklaştırabilir. Yeni araştırmalar, yüzeyin ince dağlanmasının artırılmış mekanik bağlanma için yeni topografyalar oluşturabileceğini göstermektedir.

Alev plazması işlemi

Alev plazması işlemi, plazmayı oluşturmak için hava ve hidrokarbon gazının yanmasında bulunan yüksek reaktif türleri kullanır. Alev işlemi ekzotermik olsa da kimyasal işlevselliği ve iyileşmiş yüzey ıslanmasını oluşturan ısı değildir. Alevleme, altlık malzemeden kir, döküntü ve hidrokarbonların çoğunu uzaklaştırır. Alev işlemi, yüzeyden itibaren nispeten daha sığ işlem derinliği (5 ila 10 nm) sayesinde elektriksel ön işlemlere göre daha yüksek ıslanma, oksidasyon ve raf ömrü sağlayabilir. Çalışmalar, poliolefinlerde alev plazmasının, nispeten sığ işlem derinliği sayesinde işlem sonrası en uzun raf ömrünü sağladığını, bunun da ürünler için bir avantaj olduğunu göstermektedir. Ozon üretilmez. Alev işlemi brülörleri tedarik edilirken, sıfır dengeli regülatörlerle şerit brülörler daha fazla alev homojenliği sağlar. Propan gazıyla alevleme, PE ve poliolefin dayanıklı parçaların işlenmesi için idealdir.

CCVD Pyrosil®

Alev plazmasıyla karıştırılmamalıdır; Pyrosil® işlemi, yanmalı kimyasal buhar biriktirme (CCVD) yoluyla altlık malzeme yüzeyine amorf bir silisyum dioksit (SiO2) tabakası biriktiren bir yüzey modifikasyon tekniğidir. Alev piroliziyle, altlık malzeme üzerinde son derece reaktif ve hidrofobik silikon oksitten oluşan ince bir tabaka (5 – 100 nm) elde edilebilir. Sonuç olarak, biriktirilen SiO2 parçacıklarının yüzeyindeki yüksek Si-OH grubu yoğunluğu ve nano ölçekli pürüzlülük sayesinde tanımlı bir hidrofilik yüzey oluşur. Pyrosil® (pembemsi renkli alev) ile geleneksel alev plazması (mavimsi renkli alev) proses açısından benzerlikler taşısa da alev kimyası ve yüzey işlevselliği mekanizmaları farklıdır. Temel fark, Pyrosil®'in SiO2 üretmesi, alev işleminin üretmemesidir.

Tek geçişli UV LED mürekkep püskürtmeli baskı

Yenilik nedir? Toksisite açısından güvenli ve biyouyumluluk sertifikalı mürekkepler içeren, esnek ve sert PE/poliolefinler için tek geçişli UV LED mürekkep püskürtmeli baskı sistemleri. Fotoğraf 2.

Tam renkli tek geçişli baskının tarama yöntemine göre önemli avantajı daha yüksek hız ve artan verimliliktir. UV mürekkeplerle ilgili güvenlik sorunlarının çoğu giderilmiştir. Yeni bir UV LED mürekkep olan Apollo FTX Ink Series†, ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14) uyarınca yetişkinler ve çocuklar için, insan cildiyle temas açısından güvenli olacak şekilde belirli uygulamalarda nitelendirilmiş ve biyouyumluluk testinden geçirilmiştir.

Mürekkebin özellikleri; mükemmel ıslanma, yapışma ve beyaz mürekkep (taban katman) ile CMYK++ renkleri arasında moleküller arası yapışma sağlar. Bu mürekkep, nozuldan çıkışta yüksek ve tutarlı akış ve çıkış temas açısına sahiptir; bu da düzgün bir jet kopmasını sağlar. Kimya, belirli UV LED kür profillerine hassas biçimde uyarlanmıştır; böylece yetersiz kür (yapışkan) veya aşırı kür (kırılgan) olmadan güçlü nihai kür özellikleri ve estetik sağlanır.

Kaplama ve boyama

Yenilik nedir? Geri dönüştürülmüş plastikler dahil PE üzerinde dekoratif efekt pigmentleri ve hava koşullarına dayanıklılık sunan UV LED kürlü kaplamalar. Fotoğraf 3.

UV kürlü kaplamalar, plastik için herhangi bir kaplama teknolojisinin sunduğu hızlı kuruma/kürlenme süresi ve performans kombinasyonunun en iyisini sunar. Kürlenme genellikle yalnızca 3-10 saniyede sağlanabilir. Kürlendikten sonra UV ile kürlenebilir kaplamalarla dekore edilmiş plastik ürünler hemen paketlemeye hazırdır.

UV kür kaplamalar tokluk ve kimyasal direnç açısından üstündür ve uzun süreli dış mekân dayanıklılığı sağlayacak şekilde formüle edilebilir. Kürleme için en yaygın kullanılan UV kaynağı cıva buharlı lambalardır. Ark tipi lambaların satın alma maliyeti daha düşüktür ancak ısınma süresi gerektirir ve önemli ölçüde ısı üretir.

Mikrodalga ile çalışan lambalar ark lambalarından daha pahalıdır, ancak açıldıktan birkaç saniye içinde kullanıma hazırdır, daha az ısı üretir ve daha uzun ampul ömrüne sahiptir. LED UV lambalar, anında açma/kapama özelliği, çok düşük enerji tüketimi ve son derece düşük ısı üretimi sunan rakip bir teknoloji olarak ortaya çıkmıştır. UV kaplamalar HVLP ile, elle veya robotla kolayca püskürtülerek atomize edilir.

Fiber lazer markalama

Yenilik nedir? Dolaylı gıda temasına uygun ve tıbbi/FDA uyumlu lazer artırıcı katkı maddeleri ile MOPA iterbiyum fiber lazerler.

Yeni kimyasal katkı maddeleri, üstün markalama kontrastı (PE üzerinde opak beyaz ve simsiyah) sağlar ve polimer şeffaflığını, spektral geçirgenliğini veya temel fiziksel özelliklerini etkilemez. PE'nin katkı maddesiz lazerle markalanması, birçok termoplastikte olduğu gibi pratikte okunamaz markalar üretir. Çoğu polimerin 1060 ila 1070 nm'de absorpsiyon özelliği bulunmadığından uzmanlar, yerel renk değişimleri için lazer enerjisinin absorpsiyonunu artıran katkı maddeleri, dolgu maddeleri, pigmentler ve boyalar kullanır. PE ile yapılan çalışmalar, termal kararlılığın ve ısıl bozunma özelliklerinin kritik yol mekanizmaları olduğunu göstermektedir. Bkz. Şekil 1. Ayrıca HDPE, yakın kızılötesi lazerler kullanıldığında LDPE, LLDPE ve poliolefinlere kıyasla üstün kalite sağlar.

İki HDPE numunesinin ortam sıcaklığından 1000°C'ye termal gravimetrik analizleri (TGA), termal bozunma sıcaklıklarındaki farkları göstermektedir. HDPE B, HDPE A'dan daha kolay ve daha hızlı markalanır.

Nihai parçada ağırlıkça tipik yükleme konsantrasyonu genellikle %0,01 ile 3,0 arasındadır. Hem granül hem de toz formlar, önceden compound edilmiş renkli malzemeye veya renk konsantresine karıştırılabilir. Lazer katkı maddeleri maliyet tasarrufu sağlar ve optimize edilmemiş malzemelere kıyasla %20 ve daha yüksek markalama hızı göstermiştir.

İterbiyum fiber lazerler, polimerlerin markalanmasındaki en önemli gelişmeler arasındadır. Genellikle 100 ila 120 ns darbe genişliğine sahip Q-anahtarlamalı fiber lazerler bazı polimer markalama uygulamalarında kullanılır, ancak Q-anahtarlama teknolojisinin doğal kısıtı nedeniyle tekrarlama hızları yaklaşık 80kHz ile sınırlıdır. Doğrudan modüle edilen MOPA fiber lazerler, nanosaniye darbe genişliklerinde (PE için 20 ns ila 70 ns) 500kHz'e kadar tekrarlama hızlarında çalışabilir; bu da zamansal darbe şekli dalga kılavuzunu lazerle güçlendirilmiş polimerler için ideal kılar. Fotoğraf 4.

Sonuç

İleri teknolojiler, polietilen ürünlerin dekorasyonu ve yüzey işlemesi için yeni çözümler sunar. İncelenen ikincil işlemler yapıştırma, kaplama, mürekkep püskürtmeli baskı ve lazer markalamadır. PE türü, üretimin kolaylığı veya zorluğu üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. PE, kütle ve hidrofobik yüzey özellikleri nedeniyle yapıştırılması ve dekore edilmesi zor bir malzemedir. Soğutma hızı dahil kalıplama işlemleri, arayüz yapışmasının belirlenmesinde önemlidir. HDPE, termal kararlılık farkları nedeniyle genellikle LDPE'ye göre daha kolay yapıştırılır ve lazerle markalanır. Toksisite açısından güvenli ve biyouyumluluk sertifikalı mürekkepler içeren, esnek ve sert PE/poliolefinler için tek geçişli UV LED mürekkep püskürtmeli baskı sistemleri, en heyecan verici yeni teknolojiler arasındadır.

Kaynaklar

• 2002 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polymer Sci 86: 764–772, 2002.
• Sabreen, S. “Thermoplastic Materials for UV Inkjet and Laser Marking”, Plastics Decorating Magazine 2019.

†Apollo FTX Ink serisi satın alınabilir. The Sabreen Group ile 972.820.6777 numaralı telefondan veya [email protected] adresinden iletişime geçin.

Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc.'in kurucusu ve başkanıdır. Şirket; yüzey ön işlemleri, adhezyon ile birleştirme, mürekkep püskürtmeli baskı, lazer markalama, endüstriyel kaplamalar, dekorasyon ve yüzey işleme ile ürün güvenliği alanlarında uzmanlaşmış, plastik ikincil işleme üzerine faaliyet gösteren bir mühendislik danışmanlığı şirketidir. Sabreen, 30 yılı aşkın süredir öncü teknolojiler geliştirmekte ve üretim sorunlarını çözmektedir. Kendisine 972.820.6777 numaralı telefondan veya www.sabreen.com adresinden ulaşılabilir.

---