Poliolefin ürünlerin endüstriyel sıvı kaplaması – iç ve dış mekân uygulamaları

Poliolefin ürünlerin endüstriyel sıvı kaplaması – iç ve dış mekân uygulamaları

Plastiklerin endüstriyel kaplaması; dekorasyon, yüzey işleme ve kitlesel kişiselleştirme için temel bir prosestir. Sıvı kaplamalar son derece çok yönlüdür ve sonsuz işlevsel ve estetik olasılık sunar. Kaplamalar değer katar, uygun maliyetlidir ve çevre dostudur. Kaplama prosesleri çok yönlüdür ve doğru mühendislik gerektirir. Boya kimyasının ve polimer uyumluluğunun etkileri anlaşılmalıdır. Yapışma ve kusursuz kalite için yüzey kalitesi ve temizliği şarttır. Bu makale, plastikler için sıvı kaplamaları ele alan serinin ilkidir. Bu sayıda polimer özelliklerini, kaplamalar ile altlık malzemeler arasındaki etkileşim türlerini, polipropilen uygulamalarını ve kaplama teknolojilerini inceliyoruz.

“Kaplama” ve “boyama” terimleri sıklıkla birbirinin yerine kullanılır. Genel olarak “boyamanın” amacı estetik, “kaplamanın” amacı ise altlık malzeme üzerine işlevsel bir malzeme katmanı uygulayarak performans sağlamaktır. Performans kaplamalarına örnekler arasında su yalıtımı, kendi kendini temizleme, antimikrobiyal, pas ve korozyon önleme, UV/hava koşullarına dayanıklılık koruması, esneklik ve elastikiyet ile renk tutuculuğu yer alır. Yapışma sağlamak için plastik parçaların statik elektrikten, kirden, yağlardan, parmak izlerinden, kalıp ayırıcı kalıntılarından vb. arınmış olması gerekir. Antioksidanlar, plastikleştiriciler, kayganlaştırıcı ve antistatik maddeler, renklendiriciler/pigmentler ve stabilizatörler gibi düşük moleküler ağırlıklı oksitlenmiş malzemeler (LMWOM), bir parçanın boyanabilirliğini değiştirebilir ve delaminasyona ve diğer kusurlara yol açabilir. Polipropilenin (PP) ve birçok polimerin hidrofobik yapısı nedeniyle plazma ön işlemi gerekir ve bu işlem bazen klorlu poliolefin kimyasal yapışma artırıcılarıyla birlikte uygulanır.

Temel çıkarımlar

• Boya ve polimer kimyasal, termal ve mekanik olarak etkileşir; hiçbir etkileşim plastiğin özelliklerinden ödün verdirmemelidir.
• PP, plastik endüstrisinin “çeliğidir”: sert, rijit, kristalin, polar olmayan ve %100 geri dönüştürülebilir.
• Boyanabilirlik bir tasarım kararıdır. Aynı polimer ailesi içinde bile kaliteler farklılık gösterir; bu nedenle polimer seçimi üst sınırı belirler.
• Üç kaplama ailesi (tek bileşenli lakerler, iki bileşenli termosetler ve UV) su bazlı kimyalarda da mevcuttur.
• Geri dönüştürülmüş PP gerçek bir kaplama pazarıdır. Otomotiv aküleri, 25 yıl veya daha uzun süre garantili yapı ürünlerine dönüşür.

Sıkça sorulan sorular

Polipropilen neden zor boyanır?

PP hidrofobik, polar olmayan ve kimyasal olarak inerttir; bu da zayıf yüzey ıslanabilirliği anlamına gelir. Poliolefin ailesinde doğrusal bir hidrokarbon reçinesidir ve polimerizasyon sırasında metil grubunun konumuna bağlı olarak ataktik, izotaktik veya sindiyotaktik zincir yapıları oluşturur; her biri davranışı etkiler.

Boyayı plastikle eşleştirirken nelere dikkat edilmelidir?

Üç etkileşim türü: kimyasal, termal ve mekanik. Hiçbiri plastiğin özelliklerinden ödün verdirmemelidir. Zorluk şudur: çok sayıda plastik ve her ailede çok sayıda kalite vardır, her birinin boyanabilirliği farklıdır ve birincil işleme de etkilidir.

Plastik yüzey işleme için hangi kaplama teknolojileri mevcuttur?

Üç ana kategori. Tek bileşenli lakerlerin kullanımı kolaydır, metrekare başına maliyeti düşüktür ve çözücü veya su buharlaşmasıyla, genellikle 30 dakika veya daha kısa sürede kurur. Diğerlerini iki bileşenli termosetler ve UV kaplamalar oluşturur. Üçü de su bazlı kimyalarda mevcuttur.

Geri dönüştürülmüş polipropilen başarıyla kaplanabilir mi?

Evet ve bu önemli bir uygulamadır. Geri dönüştürülmüş otomotiv aküleri yapı iç ve dış mekân ürünlerine dönüşür; bazıları üretici tarafından 25 yılı aşkın süre garantilidir ve kitlesel kişiselleştirme için tercih edilen dekorasyon prosesi kaplamadır.

Tek bileşenli lakerler ne zaman doğru seçimdir?

Metrekare başına maliyetin ve kullanım kolaylığının en önemli olduğu ve performans gereksiniminin orta düzeyde kaldığı durumlarda. Sertlik ve aşınma direnci için formüle edilebilir veya yumuşak plastikler için daha esnek hale getirilebilir; oda sıcaklığında buharlaşmayla veya düşük fırınlamayla tamamen sertleşirler.

Boya-polimer uyumluluğu

Sağlam operasyonlar ve nihai kullanım performansı elde etmek için boya kimyasının ve plastik uyumluluğunun etkileri anlaşılmalıdır. Boya ve plastik seçimi; kimyasal, termal ve mekanik olmak üzere çeşitli etkileşimler içerir2. Hiçbir unsurun plastik özelliklerinden ödün vermesi kabul edilemez. Tasarım mühendisleri, performans ile boyanabilirlik arasında bir denge olan en uygun polimeri seçmelidir. Bir karmaşıklık, aynı polimer ailesi içinde bile çok sayıda farklı plastik ve kalitenin bulunması ve her birinin kendine özgü özelliklere ve boyanabilirlik derecesine sahip olmasıdır. Malzeme saflığı, kalıp sıcaklığı, girişlendirme, gaz alma, kristallik derecesi vb. dahil birincil işleme de bir katkı faktörüdür.

Kimyasal etkiler – Boya çözücüleri ve kimyasal etkileşimler plastiğe zarar verebilir. Boya çözücülerinin plastiğe etki etmesi (dağlaması) çoğu zaman istenir; bu, sınırlı ölçüde yapışma bağını iyileştirebilir. Ancak çözücüler yüzeyde çatlaklanmaya, çevresel gerilmeli çatlamaya, şişmeye, yumuşamaya, polimer altlığın çözünmesine ve çözücüyle ilgili birçok kusura (ör. iğne deliği, çözücü patlaması ve boşluklar) neden olabilir.

Termal etkiler – Bazı boya türleri yüksek sıcaklıkta kürleme gerektirir. Daha yüksek sıcaklıklar (polimer modüllerine göre), kalıplamadan kalan parça gerilimlerini gidererek eğilmeye neden olabilir. Kürleme sırasında boyanın çekmesi artık gerilmeler oluşturabilir. Aşırı sıcaklıklar polimeri bozabilir. Fırında kürlemede sıcaklık artışı kademeli olmalıdır.

Mekanik etkiler – Kuru boyanın mukavemet ve rijitlik özellikleri plastikle uyumlu olmalı ve birlikte tek bir bütün olarak çalışmalıdır. Belirli bir plastik altlık malzemeyle düzgün eşleştirilmemiş bir boya sisteminin seçilmesi, erken hasara yani “elastik uyumsuzluğa” yol açabilir.

Polipropilenler

Polipropilen (PP), belirli amaçlar için çeşitli şekillerde değiştirilebilmesi nedeniyle sıklıkla plastik endüstrisinin “çeliği” olarak anılır. PP, propen (veya propilen) monomerinden üretilen sert, rijit, kristalin ve polar olmayan bir termoplastiktir. %100 geri dönüştürülebilir. PP; hidrofobik, polar olmayan, kimyasal olarak inert, yani zayıf yüzey ıslanabilirliğine sahip olduğundan yapıştırılması zordur. PP, poliolefinler grubuna ait doğrusal bir hidrokarbon reçinesidir. PP'nin kimyasal formülü (C3H6)n'dir.

Polimerizasyon sırasında PP, metil gruplarının konumuna bağlı olarak üç temel zincir yapısı oluşturabilir:

• Ataktik (aPP) – Düzensiz metil grubu (CH3) dizilimi
• İzotaktik (iPP) – Metil gruplarının (CH3) karbon zincirinin bir tarafında dizilmesi
• Sindiyotaktik (sPP) – Dönüşümlü metil grubu (CH3) dizilimi

İki ana PP türü vardır: homopolimerler ve kopolimerler. Kopolimerler ayrıca blok kopolimerler ve rastgele kopolimerler olarak ikiye ayrılır. Homopolimer PP genel amaçlı bir kalitedir. Blok kopolimer PP'de komonomer birimleri bloklar halinde dizilmiştir ve %5 ile %15 arasında etilen içerir. Rastgele kopolimer PP'de komonomer birimleri molekül boyunca düzensiz veya rastgele desenlerde dizilmiştir; genellikle %1 ile %7 etilen içerir1. PP'nin erime noktası bir aralıkta yer alır; bu, fırın kürleme sıcaklığı ayar noktasının kalitesine göre değerlendirilmesi gerektiği anlamına gelir.

• Homopolimer: 160-165°C
• Kopolimer: 135-159°C

Antistatik. PP mükemmel elektrik yalıtım özelliklerine sahiptir ve yüzeye kir çeken statik yükleri tutma eğilimindedir. Antistatik katkı maddeleri yüzeye “çiçeklenerek” elektrik yüklerini dağıtabilir, ancak boyanın delaminasyonuna neden olur. Ayrıca koyu renklerin yüzeyinde birkaç ay sonra beyaz film (çiçeklenme) görülebilir.

Radyasyonun etkileri. Ultraviyole (UV). PP, UV radyasyonundan büyük ölçüde etkilenir. Bir UV inhibitörü veya yüksek oranda karbon siyahı pigmenti kullanılmadıkça doğrudan güneş ışığına maruz kalma mukavemet özelliklerinin kaybına yol açar. Yüksek oranda inhibitör veya pigment katkısıyla bile şiddetli güneş ışığı koşullarında servis ömrü beklentisi sınırlıdır.

PP ve düşük yüzey enerjili polimerler için polimer tasarım hususları:

• PP kopolimerlerinin yapışması/yapıştırılması homopolimerlere göre daha kolay olabilir.
• Naylonlar ve polikarbonatlar higroskopiktir ve kurutulmalıdır. PP higroskopik değildir, ancak reçine peletlerinin yüzeyinde nem varsa bu, ıslak higroskopik malzemelerle aynı sorunlara yol açar.
• Naylonun “kütle” özellikleri hidrofobik, “yüzey” özellikleri ise higroskopiktir1.
• Naylon 6, Naylon 66'ya göre nemi daha kolay emer; nem burada plastikleştirici görevi görür. Naylon 6, Naylon 11 veya 12'ye göre daha kolay yapıştırılabilir.
• Asetal POM kopolimerleri (Celcon), homopolimerlere (Delrin) göre daha kolay yapıştırılabilir.
• Polietilenlerin yapıştırılması daha kolaydır. PP'nin gerçekten gerekli olduğundan emin olun.

Geri dönüştürülmüş polipropilenden (rPP) uygulamalar

PP %100 geri dönüştürülebilir ve boyanabilir. Bkz. Şekil 1. Otomotiv aküleri, yapı/ev iç ve dış mekân ürünlerine geri dönüştürülür. Bu ürünlerin bir kısmı üretici tarafından 25 yılı aşkın süre garantilidir. Kaplama, kitlesel kişiselleştirme için en çok tercih edilen dekorasyon prosesidir.

Kaplama teknolojileri

OEM plastik yüzey işleme için performans, maliyet ve hat alanı gereksinimlerine bağlı olarak her biri farklı avantajlar sunan çeşitli kaplama teknolojisi seçenekleri vardır. Bu teknolojiler üç ana kategoriye ayrılır:

Tek bileşenli lakerler: Kullanımı kolay ve metrekare başına maliyeti düşük olan tek bileşenli lakerler plastik dekorasyonunda yaygın olarak kullanılır. Bu kaplamalar tamamen çözücü veya su buharlaşmasıyla kurur ve sertleşir; oda sıcaklığında veya düşük fırınlama koşullarında genellikle 30 dakika veya daha kısa sürede kurur. Tek bileşenli lakerler sertlik ve aşınma direnci için formüle edilebilir veya yumuşak plastikler için esnek ve sünek hale getirilebilir. Oda sıcaklığında havayla kuruyabilmesi yatırım gereksinimlerini azaltır; ancak 100-120F'de düşük fırınlama çevrim süresini kısaltmaya yardımcı olur. Tek bileşenli lakerler, yoğuşmalı neme, suya daldırmaya ve sert kimyasallara olası maruziyetin sınırlı olduğu kullanımlar için tasarlanmış bitmiş ürünlere en uygun olanlardır. Bu ürünler çözücü bazlı ve su bazlı formülasyonlarda mevcuttur ve HVLP veya hava atomizasyonlu püskürtmeyle uygulanabilir.

İki bileşenli termoset kaplamalar: İki bileşenli termosetler yüksek performans sunar ve çok çeşitli aşırı endüstriyel görev, dış mekân tüketim ürünleri ve otomotiv uygulamaları için optimize edilebilir. Bu alanda epoksiler, poliüretanlar ve daha az ölçüde M-cure reaktif modifiye ediciler öne çıkar. Poliüretan kaplamaların metrekare başına maliyeti yüksektir, ancak uzun süreli doğrudan güneş ışığına maruziyet sırasında mükemmel kimyasal direnç ve otomotiv kalitesinde renk ve parlaklık tutuculuğu sunar. Epoksilerin maliyeti üretanlardan düşüktür; film sertliği, kimyasal direnç ve nem buharı bariyeri özelliklerinde üstündür. Ancak epoksiler son kat uygulamalarında doğrudan güneş ışığına maruz kaldığında zayıf renk kararlılığına ve dayanıklılığa sahiptir ve beyazlamaya (blushing) yatkındır; bu nedenle genellikle astar olarak kullanılır. Ayrıca epoksi kaplı ürünler genellikle Kaliforniya Proposition 65 etiketi gerektirir.

Genel olarak iki bileşenli termoset kaplamalar, film sertliğinin çoğu kimyasal çapraz bağlanma (kürleme) yoluyla geliştiğinden ellemeye/paketlemeye kadar uzun kür süresi gerektirir. Plastik altlık malzemelerin ısıya duyarlılığı nedeniyle, iki bileşenli termosetlerin kürlenmesini ısı ekleyerek hızlandırma imkânı sınırlıdır. Çok bileşenli karıştırma ekipmanı, daha kısa çevrim süresi gerektiğinde daha hızlı kürlenen formülasyonların kullanımını mümkün kılabilir. Maliyet veya kür süresi kısıtlarının iki bileşenli üretanların kullanımını engellediği uygulamalarda M-cure, dikkate alınabilecek bir seçenektir; çünkü yeni M-cure reçine teknolojisi, M-cure formülasyonlarının tarihsel olarak mümkün olandan çok daha uzun işlenebilir kap ömrüne ulaşmasını sağlamış ve böylece çok bileşenli karıştırma ekipmanı olmadan ortam veya düşük fırınlama sıcaklıklarında daha hızlı kuruma süreleri elde edilebilmektedir. Su bazlı ve çözücü bazlı termoset formülasyonlar mevcuttur ve genellikle HVLP veya hava atomizasyonlu püskürtmeyle uygulanır.

UV ile kürlenen kaplamalar: UV kür kaplamalar, plastik için herhangi bir kaplama teknolojisinin sunduğu hızlı kuruma/kürlenme süresi ve performans kombinasyonunun en iyisini sunar. Kürlenme, formülasyona ve parça geometrisine bağlı olarak 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 veya daha hafif görevler için ekonomik hale getirilebilir. UV kür kaplamalar film sertliğine ulaşmak için genellikle bir UV kürleme lambasına doğrudan görüş hattı boyunca maruz kalmayı gerektirir; ancak su bazlı UV kür kaplamalar, kürlenmeden önce bile dokunmatik olarak kuru bir film oluşturmaları bakımından benzersizdir; bu nedenle karmaşık parçalardaki küçük gölge alanlar, bitmiş ürünlerde kürlenmemiş, yapışkan kalıntı bırakmaz. Cıva buharlı lambalar kürleme için en yaygın kullanılan UV kaynağıdır ve mikrodalga veya ark ile üretilebilir. 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. Hem mikrodalga hem de ark lambaları demir veya galyum katkılı olarak temin edilebilir; bu da onları pigmentli renklerin kürlenmesine uygun kılar ve tepe güç gereksinimlerine ve parça geometrisine bağlı olarak eliptik (yaygın) veya parabolik (odaklı) reflektörlerle birleştirilebilir. Cıva lambalara ek olarak LED UV lambalar, anında açma/kapama özelliği, çok düşük enerji tüketimi ve son derece düşük ısı üretimi sunan rakip bir teknoloji olarak ortaya çıkmıştır ve odak geometrisindeki kısıtlar nedeniyle düzenli şekilli silindirik parçalar veya düz parçalar için en uygunudur. Ayrıca LED lambalar yüksek pigmentli veya yüksek film kalınlıklı filmlerin tam kürlenmesinde üstün olsa da kullanımları, tam yüzey kürlenmesi için dağınık veya düşük güçlü bir cıva lambaya post-kür maruziyeti gerektirebilir. %100 katı, çözücü bazlı ve su bazlı formülasyonlar mevcuttur. UV kaplamalar HVLP ile püskürtülebilir veya düz yüzeylerde rulo ile kaplanabilir.

Sıvı kaplama seçim kılavuzu

Sonuç

Kaplama prosesleri çok yönlüdür ve hassas mühendislik ile kalite kontrolleri gerektirir. Boya kimyasının ve plastik uyumluluğunun etkileri ile yüzey kalitesi, ürün performansı için şarttır. Tek bileşenli laker, iki bileşenli termoset ve UV kaplama teknolojileri polipropilen malzemelerin boyanması ve kaplanması için etkilidir ve su bazlı kimyalarda mevcuttur.

Kaynaklar

• Definitive Guide to Polypropylene, Omnexus SpecialChem, 2021
• Sabreen, S. and Roobol, N: Painting Plastics for Painting, Plastics Decorating Magazine 2003
• Sabreen, S. Inkjet Printing & Adhesion of Low Surface Energy Polymers, Plastics Decorating Magazine 2019

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.

Dustin Kurath, yüksek performanslı endüstriyel kaplamalarda uzmanlaşmış bir boya üreticisi olan Northern Coatings and Chemical Co.'nun teknik direktörüdür. Kurath, 2000'li yılların ortalarından beri yüksek performanslı genel endüstriyel ve otomotiv kaplamaları, havacılık kaplamaları, ambalaj kaplamaları ve radyasyonla kürlenen kaplamalar üzerine kaplama araştırmalarında yer almaktadır. Kurath'a 906.352.5060 numaralı telefondan veya www.northern-coatings.com adresinden ulaşılabilir.

---