Düşük yüzey enerjili polimerlerde mürekkep püskürtmeli baskı ve yapışma

Düşük yüzey enerjili polimerlerde mürekkep püskürtmeli baskı ve yapışma

Plastik bir ürüne ilk mürekkep damlası püskürtülmeden çok önce, tasarımcılar mürekkep baskısının kolay mı zor mu olacağını önceden belirleyen kilit kararlar verir. Yapışma, esasen yüzeysel bir olgudur; çünkü sıvı mürekkep ile altlık malzemenin yüzeyi arasındaki etkileşimlere bağlıdır.

Yapışmayı etkileyen başlıca etkenler; polimer seçimi (renklendiriciler, dolgu maddeleri ve katkı maddeleri dahil), kalıplama prosesi, yüzey koşulları ile depolama ve elleçlemedir. Mürekkep püskürtmeli baskı, birçok disiplinler arası alanı kapsayan son derece karmaşık bir prosestir. Her şeyden önce gelen konu, mürekkep-polimer altlık uyumluluğudur.

Bu makale, sağlam mürekkep yapışması elde etmek için polimer seçimini ve birincil işlemeyi inceler. Üretim için tasarlanmış bu yaklaşım, değerli içgörüler sunar ve yapışma sorunlarını önleyen, sahada kanıtlanmış çözümler sağlar.

Mürekkep püskürtmeli baskı, analog baskıdan çok daha karmaşık ve hassastır. Polimerlere mürekkep püskürtmek doğası gereği zordur; çünkü plastikler arasında, hatta aynı polimer ailesi içinde bile çoğu zaman önemli kimyasal ve fiziksel farklar vardır. Konturlu geometrilere mürekkep püskürtmeyle baskı yapmak ise ek zorluklar getirir; pad baskı ve serigrafide kullanılan, doğal olarak daha düşük yüzey gerilimine sahip ve polimer altlıkları kolayca ıslatan solvent bazlı mürekkep formülasyonlarında böyle bir durum yoktur.

Temel çıkarımlar

• Yapışma, tasarım aşamasında, ilk damla püskürtülmeden çok önce belirlenir: polimer, renklendirici, dolgu maddesi ve katkı maddesi seçimleriyle.
• Amorf polimerler genellikle kristalin polimerlerden daha iyi baskı alır; kristalin polimerlerin düzenli yapısı ıslanmaya direnir.
• Naylon yüzeyde hidrofobik, kütlede ise hidrofiliktir; kütlesinin %3'ünden fazlasını su olarak emer, bu nedenle kurutma kritiktir.
• Kalıp dokusu yapışmayı ücretsiz kazandırır. 1200 grit elmas parlatma yüzeyi, 8000 grit ince elmas yüzeyinden daha iyi performans gösterir.
• Silikonlar düşmandır. İç ve dış silikonları ortadan kaldırın, işleme katkı maddelerini en aza indirin.

Sık sorulan sorular

Mürekkep püskürtmeli baskısı en zor olan polimerler hangileridir?

Asetaller, poliamitler, poliolefinler, polyester, PPS, PEEK, PEI, poliimid, PTFE ve poliüretanlar. Tasarımcılar bu düşük yüzey enerjili malzemeleri metal ikamesi, rijitlik, kimyasal direnç ve yüksek sıcaklık performansı için seçer; baskıyı zorlaştıran da aynı özelliklerdir.

Naylon neden bu kadar kalıcı yapışma sorunlarına yol açar?

Naylon yüzeyde hidrofobik, kimyasal olarak inert ve düşük yüzey enerjilidir; ancak zincirdeki amit grupları suyu çeker, bu nedenle kütlede hidrofilik davranır ve atmosferden kütlesinin %3'ünden fazlasını emer. Bu ikili davranış ve nemin kendisi, reçine kurutma doğru kontrol edilmedikçe yapışma sorunları yaratır.

Kalıp tasarımı mürekkep yapışmasını nasıl iyileştirebilir?

Doku ekleyerek. Tepeler ve vadiler mekanik kilitlenme sağlar; kalıptan gelen doku, işçilik veya kimyasal maliyeti olmadığı için elle zımparalamaya tercih edilir. NTMA “40 — Elmas parlatma 1200 grit” yüzeyi, tipik olarak “10 — İnce elmas 8000 grit” yüzeyinden daha iyi performans gösterir. Gömme deliklerde dağlanmış maça pimleri iyi sonuç verir.

Baskıdan önce naylon ve PPS'yi temizlemek için hangi solventler kullanılmalıdır?

Toluen, ksilen, aseton veya MEK. Alkol zayıf bir solventtir; yüzeydeki kiri giderir ancak hidrokarbon kirleticileri gidermez. Tiftiksiz bezler ve pudrasız eldivenler kullanın, aşırı solventten kaçının; aşırı solvent, bağlanmayı engelleyen zayıf sınır tabakaları ve buğulanma bırakır.

Maliyetsiz olarak mürekkep yapışmasını en çok iyileştiren basit değişiklikler nelerdir?

İç ve dış silikonları ortadan kaldırın ve işleme katkı maddelerini en aza indirin; kalıp dokusu ekleyin; reçineyi doğru kurutun; yüzeyleri temiz tutun; aşırı solventten kaçının; kalıplanmış parçaları kurutucu madde ile birlikte polietilen olmayan veya polyester poşetlere sıkıca paketleyin; kalıplamadan sonra mümkün olan en kısa sürede baskı yapın.

Termoplastikler

Baskı yapılacak termoplastiğin türü, tüm mürekkep püskürtme prosesini önemli ölçüde etkiler. Termoplastik malzemelerde çok uzun, zincir benzeri moleküller nispeten zayıf Van der Waals kuvvetleriyle bir arada tutulur. Termoplastikler iki alt kategoriye ayrılır: amorf ve kristalin (bkz. Şekil 2). Genel olarak amorf polimerler, kristalin olanlara göre daha iyi yapışma özelliklerine sahiptir.

“Amorf” terimi, belirli bir şekle sahip olmama veya kolayca değişebilen bir şekle sahip olma anlamına gelir. “Kristalin” ise moleküler kümelerde düzenli, tanımlı bir desen bulunduğunu ifade eder. Amorf reçineler, rastgele, spagetti benzeri yapılar sergiler. Malzemeye verilen enerjiyi büyük ölçüde sönümlemezler. Isı uygulandıkça yumuşarlar ve keskin biçimde tanımlanmış bir erime sıcaklıkları yoktur.

Kristalin reçineler düzenli desenlere sahiptir (bkz. Şekil 3). Ayrıca iyi tanımlanmış erime sıcaklıkları vardır. Bir polimerde bu iki hal bir arada bulunur: bitişik polimer bölümleri ikincil çekim kuvvetleriyle bir arada tutulan sıkı kristalin demetler halinde paketlenirken, aynı moleküllerin diğer bölümleri kristal örgüye fiziksel olarak giremez ve amorf kalır. Belirli bir polimer segmentinin kristalin veya amorf olma olasılığı çoğunlukla rastgele bir olaydır ve kristalleşme prosesinin dinamikleriyle kontrol edilir.

Yarı kristalin malzemeler, keskin erime noktalarına sahip, yüksek düzeyde düzenli bir moleküler yapıya sahiptir. Sıcaklık arttıkça kademeli olarak yumuşamazlar; bunun yerine belirli miktarda ısı emilene kadar katı kalır, ardından hızla düşük viskoziteli bir sıvıya dönüşürler. Amorf polimerler, keskin bir erime noktası olmayan, rastgele düzenlenmiş bir moleküler yapıya sahiptir. Bunun yerine amorf malzemeler sıcaklık yükseldikçe kademeli olarak yumuşar. Bu malzemeler ısıtıldığında viskozite değiştirir, ancak nadiren yarı kristalin malzemeler kadar kolay akarlar. Amorf polimerler, camsı geçiş sıcaklıklarının (Tg) üzerinde mukavemetlerini hızla kaybeder.

Mürekkep-polimer altlık uyumluluğu

Mürekkep püskürtmeli baskısı en zor polimerler arasında şunlar yer alır: asetaller (POM), poliamitler (naylon), poliolefinler, polyester (PET), polifenilen sülfür (PPS), polietereterketon (PEEK), polieterimid (PEI), poliimid “Kapton” (PI), politetrafloroetilen (PTFE) ve poliüretanlar (PUR). Tasarımcılar bu düşük yüzey enerjili (LSE) malzemeleri hafif metal ikamesi, rijitlik ve mukavemet, kimyasal direnç ve yüksek servis sıcaklıklarındaki fiziksel özellikleri nedeniyle seçer.

Mürekkep püskürtmeli baskının başarılı olması için polimer yüzeyine uzun süreli yapışma sağlanmalıdır. Yapışma büyük ölçüde yüzey olaylarına bağlıdır; yani yüksek sıcaklıktaki mürekkep yazıcı kafasından kolayca püskürtülmeli ve altlıkla uygun biçimde etkileşime girmelidir. Mürekkep, polimer altlığın yüzeyiyle yakın temas kurabilmelidir. Bu yakın temasa yüzeyi ıslatma denir ve mürekkebin yüzey üzerinde yayılma yeteneğini ifade eder. Polimer yüzeylerin çoğu doğal olarak hidrofobiktir ve ıslanmaya direnir. Bu plastikler karakteristik olarak kimyasal açıdan inert, gözeneksiz ve düşük yüzey enerjili yüzeylere sahiptir; bu da baskı yapışmasını neredeyse imkânsız kılar. Yüzey enerjisi, bir katının yüzeyinde (kütlenin aksine) bulunan fazla enerjidir. Bu fazla enerji, yüzeydeki moleküllerin, kütledeki moleküllerin etkileşebildiği kadar çok benzer komşuyla etkileşememesinden kaynaklanır; dolayısıyla fazla etkileşim enerjisine sahiptirler.

Polimer malzemenin belirtilen özelliklerine ulaşmak için birincil işleme kritiktir. Örneğin mürekkep püskürtmesi zor iki LSE polimeri inceleyelim: poliamit (PA) ve polifenilen sülfür (PPS):

Genellikle naylon olarak bilinen poliamit, yarı kristalin bir polimerdir. En yaygın iki kalitesi Naylon 6 ve Naylon 6/6'dır. Naylon polimerleri; hidrofobik, kimyasal açıdan inert ve zayıf yüzey ıslanabilirliğine (yani düşük yüzey enerjisine) sahip olduklarından doğası gereği yapıştırılması zordur. Ayrıca naylonlar higroskopiktir ve atmosferden kütlesinin %3'ünden fazla su emer. Nemin kendisi yapışma sorunları yaratır. Naylon reçinelerinin doğru kurutulması, işleme ve parça performansı için kritiktir. Özellikle naylonun hidrofobik davranışı bir yüzey özelliği, hidrofilik davranışı ise bir kütle özelliğidir. Naylon organik bir polimer olduğu için nispeten düşük yüzey enerjisine sahiptir. Bu, polimerlerin ve diğer organik maddelerin yüzey kimyası ve yüzey fiziğinin bir sonucudur. Ancak naylon zincirindeki amit grupları suyu çeker ve bu malzemenin suyu kütle halinde emmesi bakımından hidrofilik davranışına yol açar. Böylece naylon, kütlede hidrofilik bir malzeme gibi davranabilirken yüzeyde hidrofobik davranış sergileyebilir.

Polifenilen sülfür (PPS), gelişmiş mühendislik plastikleri arasında aşındırıcı maddelere karşı en geniş direnci sunar. PPS ürünleri higroskopik değildir ve bu nedenle naylonda (poliamitlerde) olduğu gibi boyutsal genleşme sorunları yaşamaz. Yine de parça kalıplamada kuru reçine kullanmak önemlidir. Nemin kendisi sorunludur. Yüksek nem seviyeleri boşluklar oluşturabilir; bu da parça performansını olumsuz etkileyebilir, yapışmayı etkileyebilir ve estetiği değiştirebilir. Kurutma ile işleme arasındaki süre mümkün olduğunca kısa olmalıdır. PPS, nem alıcı hazneli kurutucularda kurutulmalıdır. Sıcak hava fırınları genellikle önerilmez. Tam kristalin bir hale ulaşmak için en az 275 ila 300°F kalıp sıcaklıkları gerekir. PPS 275°F'nin altında kalıplandığında parçalar amorf veya yarı kristalindir ve daha yüksek servis sıcaklıklarına (ısıl kürleme dahil) maruz kalana kadar bu halde kalır. Servis sıcaklığı kalıplama sıcaklığını aşarsa parçalar daha kristalin hale gelir; bu da boyutsal ve özellik değişikliklerine yol açar. Örneğin %40 cam elyaf dolgulu PPS'nin 264 psi (1,8 MPa) altındaki ısıl sapma sıcaklığı (HDT), kristalin olmayan halde kalıplandığında yalnızca 350°F iken kristalin halde >500°F (260°C) değerine yükselir. Ayrıca kalıp sıcaklığının yüzey görünümü üzerinde dramatik bir etkisi vardır.

Naylon ve PPS yüzeylerini uygun biçimde temizlemek ve LMWM'yi (düşük molekül ağırlıklı maddeler) gidermek için toluen, ksilen, aseton veya MEK kullanın. Alkol zayıf bir solventtir ve yalnızca yüzeydeki kiri giderir, hidrokarbon kirleticileri gidermez. Tiftiksiz bezler kullanmak ve pudrasız koruyucu eldivenler giymek dahil, her zaman doğru teknik uygulanmalıdır. Aşırı solvent, giderilmemiş kimyasallardan oluşan zayıf sınır tabakaları yaratır ve bağlanmayı engelleyen bir buğulanma birikimi bırakır.2 Baskı prosesleri kalıplama operasyonlarından hemen sonra mümkün olan en kısa sürede yapılmalı veya parçalar polyester gibi polietilen olmayan poşetlere sıkıca paketlenmelidir. Naylon ve PPS yapıştırma uygulamaları çoğunlukla plazma ön işlemi gerektirir: elektriksel korona deşarj, elektriksel atmosferik plazma, elektriksel hava plazması, alev plazması ve düşük basınçlı RF soğuk gaz plazması gibi.

Temiz altlık yüzeyleri

Silikonlar, kalıp ayırıcılar, kaymayı önleyici ajanlar ve proses katkı maddeleri gibi düşük molekül ağırlıklı maddeler, mürekkebin akma ve yapışma için gerekli yakın teması sağlama yeteneğini engeller. Pigment ve boya renklendiricilerinde kullanılan bazı çözünür veya çözünmez bileşik ajanlar yapışmayı olumsuz etkileyebilir. Kalıplanmış yüzeyin kimyasal yapısı, dokusu ve gözenekliliği mürekkep akışını ve yapışmayı önemli ölçüde etkiler. İşlemin derecesi veya kalitesi ile yapışma, plastik yüzeyin temizliğinden etkilenir. En uygun ön işlemi ve ardından gelen mürekkep yapışmasını elde etmek için yüzey temiz olmalıdır. Silikon kalıp ayırıcı, kir, toz, gres, yağlar ve parmak izleri gibi yüzey kirliliği işlemi engeller. Malzeme saflığı da önemli bir etkendir.

İşlem görmüş plastiklerin raf ömrü; reçinenin türüne, formülasyona ve depolama alanının ortam koşullarına bağlıdır. İşlem görmüş ürünlerin raf ömrü; antioksidanlar, plastikleştiriciler, kaydırıcı ve antistatik ajanlar, renklendiriciler ve pigmentler, stabilizatörler gibi düşük molekül ağırlıklı oksitlenmiş maddelerin (LMWOM) varlığıyla sınırlıdır. İşlem görmüş yüzeylerin yüksek sıcaklıklara maruz kalması moleküler zincir hareketliliğini artırır; zincir hareketliliği ne kadar yüksekse işlemin yaşlanması o kadar hızlıdır. İşlem görmüş malzemelerdeki polimer zinciri hareketliliği, işlemle oluşturulan bağlanma bölgelerinin yüzeyden uzaklaşmasına neden olur. Bu bileşenler zamanla polimer yüzeyine göç edebilir.

Kalıp tasarımı ve yüzey dokusu

Tasarımcılar, kalıp yüzeylerine doku ekleyerek yapışmayı iyileştirebilir. Doku, mekanik kilitlenme yapışması sağlayan tepeler ve vadiler oluşturur. Doku, kalıp takımı içinde veya Scotch-Brite ped ve solvent temizliği kullanılarak elle oluşturulabilir. Ek işçilik/kimyasal maliyeti olmadan yüzey özelliklerini koruduğu için kalıptan gelen doku tercih edilir.

Örneğin NTMA kalıp boşluğu yüzeyi “40-Elmas parlatma 1200 grit”, “10-İnce elmas 8000 grit” (0 ila 3 mikron aralığı) yüzeyine kıyasla büyük olasılıkla bağ mukavemetini artıracaktır. Bkz. Şekil 4 SPI kalıp yüzey kalitesi. Hafif dokulu yüzeyler bile faydalıdır. Konnektörler gibi gömme delik uygulamalarında kalıptaki dağlanmış maça pimleri son derece etkilidir.

Özetle, sağlam mürekkep yapışması ve/veya polimerlerin yüksek mukavemetli adhezyon ile birleştirilmesi için aşağıdaki maddeler önerilir. Bu maddelerin hiçbiri maliyet eklemez; hatta maliyet tasarrufu sağlar.

• İç veya dış silikon olmamalı. İşleme katkı maddelerini en aza indirin.
• Kalıp dokusu.
• Kalıplamadan önce reçineyi doğru şekilde kurutun.
• Yüzeyler temiz olmalıdır.
• Giderilmemiş kimyasallardan oluşan zayıf sınır tabakaları yaratan aşırı solvent kullanımından kaçının.
• Kalıplanmış parçaları kurutucu madde ile birlikte polietilen olmayan poşetlere sıkıca paketleyin veya polyester poşet kullanın.
• Baskı prosesini kalıplamadan sonra mümkün olan en kısa sürede gerçekleştirin.

Kaynaklar

• 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, plastik ikincil işleme proseslerinde (ürün güvenliği, lazer markalama, yüzey ön işlemleri, yapıştırma, dekorasyon ve yüzey işleme) uzmanlaşmış bir mühendislik şirketi olan The Sabreen Group, Inc.'in kurucusu ve başkanıdır. Sabreen, 30 yılı aşkın süredir öncü teknolojiler geliştirmekte ve üretim sorunlarını çözmektedir. Kendisine 972.820.6777 numaralı telefondan ya da www.Sabreen.com adresini ziyaret ederek ulaşabilirsiniz.

---