Plastiklerin boyamaya hazırlanması

Plastiklerin boyamaya hazırlanması

Sıvı boyaların çoğunu plastiklere uygulamak için kullanılan prosesler, metalleri boyamak için kullanılanlardan pek farklı değildir; ancak toz boya plastiklerde hâlâ oldukça nadirdir. Ayrıca metallerde yaygın olarak kullanılan bazı özel boyama yöntemleri, örneğin kimyasal biriktirme (otoforetik) ve elektro-biriktirme kaplaması, plastiklerde mümkün değildir. Ancak fırçalama, daldırma kaplama, akıtma kaplama, perde kaplama, püskürtmenin ve döner atomizasyonun tüm çeşitleri dahil diğer tüm teknikler hem metalleri hem de plastikleri kaplamak için kullanılır. UV radyasyonla kürlemenin ve seçili toz boyaların düşük sıcaklıkta kürlenmesinin ortaya çıkmasıyla, bir ölçüde ısıya dayanıklı bazı plastiklerde toz uygulaması artık yapılmaktadır, ancak bu teknoloji hâlâ emekleme aşamasındadır.

İmalatta yaygın olarak kullanılan tüm metallerin boyanabilirliği oldukça benzerdir. Bu durum kısmen metallerin yüzey enerjisi, elektriksel iletkenlik, ısıl iletkenlik ve ısı direnci değerlerinin birbirine oldukça yakın olmasından kaynaklanır. Plastikler için bu kesinlikle geçerli değildir. Genel olarak plastiklerin bu özelliklerine ilişkin değerler metallerinkinden çok daha düşüktür ve çeşitli plastikler arasındaki değerler aşırı farklılık gösterir. Belirli bir plastik ailesi içinde bile, plastiklerin molekül ağırlıklarındaki farklar ve çeşitli reçinelerin üretiminde farklı katkı maddelerinin kullanılması nedeniyle boyanabilirlikleri şaşırtıcı ölçüde farklı olabilir. Temel plastik bileşimi yalnızca tek bir reçineden oluşabileceği gibi iki veya daha fazla farklı reçinenin karışımı da olabilir. Bir reçine bileşimine çeşitli dolgu maddeleri, uzatıcılar ve plastikleştiriciler formüle edilmiş olabilir. Arzu edilen fiziksel ve kimyasal özellikleri elde etmek için reçinelere sıklıkla katkı maddeleri eklenir; parlaklığı değiştirmek veya renk vermek için pigmentler kullanılır. Bu katkı maddelerinin kimyasal doğası ve miktarları, söz konusu formülasyonun boyanabilirliğini önemli ölçüde değiştirebilir. Aynı reçine formülasyonundan üretilen parçalar bile boyanabilirlik açısından mutlaka eşit değildir. Parçayı üretmek için kullanılan kalıplama, ekstrüzyon veya diğer şekillendirme prosesi, parçada oluşan gerilim, reçine ve çapraz bağlanma nedeniyle parçanın boyanabilirliğinde de önemli bir rol oynayabilir.

Reçinenin kimyasal doğası, plastiğin yüzey enerjisini büyük ölçüde belirler. Genel olarak yüzey enerjisi daha yüksek olan bir yüzey boya tarafından daha kolay “ıslatılır” ve dolayısıyla daha “boyanabilirdir”; yani kaplama yapışması daha iyi olur. Metallerin yüzey enerjileri genellikle plastiklerden önemli ölçüde yüksek olduğundan, boyanın metallere yapışmasının çoğu zaman plastiklere yapışmasından daha üstün olduğu görülmüştür. Polietilen ve polipropilen gibi plastiklerdeki moleküllerin düşük polaritesi, bu plastiklerin düşük yüzey enerjisinin (ve zayıf boyanabilirliğinin) nedenidir. Yüzey enerjisini ve dolayısıyla boya yapışmasını artırmak, plastiklerin ön işlemden geçirilmesinin başlıca amaçlarından biridir.

Temel çıkarımlar

• Sıvı boya yöntemlerinin çoğu metalden aktarılır; ancak kimyasal biriktirme ve elektro-biriktirme kaplaması plastiklerde mümkün değildir.
• Statik elektrik plastiklere özgü bir sorundur. Plastikler yalıtkandır; bu nedenle yük biriktirir ve boyamadan önce havadaki tozu çeker.
• Balmumu türü kalıp ayırıcılar boyanın düşmanıdır. Suda çözünen ayırıcılar çok daha tercih edilir ve sıradan sulu deterjanla yıkanır.
• Pürüzsüz yüzeyler, boyanın ihtiyaç duyduğu tutunma noktalarını oluşturmak için kimyasal veya mekanik olarak pürüzlendirilmelidir.
• Hızlandırılmış yaşlandırma testi saha performansını öngörür: kuru ısı, nemli ısı ve bir kontrol grubu, ardından ASTM D3330'a göre soyma testi.

Sıkça sorulan sorular

Plastik boyamadan önce hangi kirleticiler giderilmelidir?

Parmak izleri, toz, tiftik ve kalıp ayırıcı kalıntıları. Deterjanla temizleme genellikle çıplak ellerin bıraktığı tuzları ve yağları giderir; operatörler şekillendirme prosesinden boya uygulamasına kadar tiftiksiz eldiven giyerse parmak izi kirlenmesi tümüyle önlenebilir.

Plastik parçalar boyamadan önce neden toz çeker?

Çünkü çoğu plastik yalıtkan veya zayıf elektrik iletkenidir; bu nedenle havadaki parçacıkları çeken ve tutan statik yükler biriktirir. Statik kontrolü, metal yüzey işleme hatlarının hiç ihtiyaç duymadığı bir adımdır.

Hangi kalıp ayırıcılar boyamayla uyumludur?

Sıradan sulu deterjanla temizlemeyle kolayca çıkan suda çözünen ayırıcılar. Balmumu türü ayırıcılar bazen çözücüyle giderilebilir, ancak boyanacak parçalar için önerilmez; zaten VOC, yangın ve sağlık nedenleriyle çözücü kullanımı önerilmez.

Boyanın pürüzsüz bir plastik yüzeye yapışması nasıl sağlanır?

Yüzeyi pürüzlendirerek. Plastiklerin yüzey enerjisi ve yüzey profili düşüktür ve pürüzsüz yüzeyler zayıf yapışma sağlar. Olağan yöntem, mikro pürüzlülük ve tutunma noktaları oluşturmak için kimyasal dağlamadır; ideal olarak bu, uygulanan boyada zaten bulunan çözücülerle yapılır.

Boya yapışması uzun vadede nasıl test edilmelidir?

Hızlandırılmış yaşlandırma testiyle. Uygulanabilir bir tasarım üç gruptan oluşur: 158°F'de beş gün kuru, 90°F ve %90 nemde beş gün ve ortam koşullarında bir kontrol grubu. Hemen ardından kontrolle karşılaştırarak gözle inceleyin, numuneler stabilize olduktan sonra ASTM D3330'a göre, çoğunlukla 180°'de soyma testi uygulayın.

Plastik altlık malzemelerin temizlenmesi

Boyanacak diğer tüm yüzeylerde olduğu gibi plastiklerin de kir ve yabancı maddelerden makul ölçüde arınmış olması gerekir. Kaplanacak plastik parçalarda bulunan yaygın kirler arasında parmak izleri, toz, tiftik ve kalıp ayırıcı kalıntıları yer alır. Genellikle deterjanla temizleme, plastiğe çıplak elle dokunulmasıyla bırakılan tuzları ve yağları tatmin edici biçimde giderir. Parçaları şekillendirme prosesinden boya uygulama adımına kadar taşıyan çalışanlar tiftiksiz eldiven giyerse parmak izi kirleri tümüyle önlenebilir.

Çoğu plastik ya yalıtkandır ya da etkisiz elektrik iletkenidir. Sonuç olarak tiftik ve toz parçacıklarını çeken ve inatla tutan statik yükler biriktirme eğilimindedirler. Yapışkan bezle silmek bu kirleticilerin tümünü gidermeyebilir. Statik olarak çekilmiş tiftik ve kiri gidermek için mükemmel bir yöntem, statik giderici hava üflemesi kullanmaktır. Statik giderici hem pozitif hem de negatif yükler üretmelidir; çoğu ünite üfleme hava kaynağında zayıf bir radyoaktif emisyon kaynağı kullanır. Giriş havası filtrelenir ve iyon yüklü hava parça üzerinden üflenir; böylece pozitif ve negatif iyonlar tüm statik yükleri nötralize eder. Statik giderme, parçaların kaplama prosesine girerken mümkün olduğunca temiz olması için boyamadan hemen önce yapılmalıdır. Statik giderme ile boyama arasındaki gecikmeler yüklerin yeniden oluşmasına izin verir ve sonuç olarak parçalar yüzeylerinde yeniden partikül biriktirir.

Plastik boyama operasyonlarını bir “temiz oda” içine kurarak toz ve tiftik gibi kirler daha kolay kontrol edilir. Hava beslemesi filtrelenmeli ve yaklaşık %50 bağıl nemde tutulmalıdır. Bu odaya her zaman yalnızca tiftiksiz tulum, saç bonesi ve galoş giyen yetkili kişilerin girmesine izin verilmelidir.

Kalıp ayırıcılar ve plastikleştiriciler

Boyanabilir bazı kalıp ayırıcılar mevcuttur, ancak diğer birçok kalıp ayırıcı boya yapışmasını olumsuz etkiler. Plastik parçaların kalıptan ayrılmasını kolaylaştırmak için kullanılan bu maddeleri gidermek için çeşitli teknikler gerekebilir. Balmumu türü kalıp ayırıcılar bazen çözücüyle temizlenerek giderilebilir, ancak bu tür bir ayırıcı boyanacak parçalar için önerilmez. VOC emisyon kısıtlamaları ile birçok çözücünün olası yangın ve sağlık tehlikeleri nedeniyle çözücü kullanımı neredeyse otomatik olarak önerilmez. Suda çözünen kalıp ayırıcılar çok daha tercih edilir. Bunların plastik yüzeyden giderilmesi sıradan sulu deterjan çözeltileriyle kolayca gerçekleştirilir.

Kalıp ayırıcı maddeler plastik formülasyonlara da karıştırılabilir; bunlara “iç” kalıp ayırıcı maddeler denir. İç kalıp ayırıcılardan mümkün olduğunca kaçınılmalıdır. Boyanabilirlik hemen bozulabilir veya bozulmayabilir ve kalite güvence yapışma testleri başlangıçta mükemmel yapışma gösterebilir. Ancak bazı durumlarda iç kalıp ayırıcılar yavaş yavaş parça yüzeyine göç etmiş ve bir parça boyandıktan aylar sonra boya yapışma hatasına neden olmuştur.

Plastikleştiriciler darbe dayanımını artırmak için kalıplama reçinelerine eklenebilir, ancak bunlar çoğu zaman kalıp ayırıcılar gibi boya yapışmasını azaltabilir. Bazı plastikleştiriciler yavaş yavaş yüzeye göç ederek plastik ile boya arasındaki arayüzü yumuşatır ve yapışma kaybına yol açar. Bu durumda da ilk boya yapışma testleri tamamen tatmin edici olabilir, ancak boya filminin plastik yüzeyden kalkması veya ayrılması daha sonra gerçekleşir. Bu, parça hizmete alındıktan çok sonra maliyetli saha hatalarına ve sorumluluk taleplerine yol açabilir.

Sağlam boya yapışması elde etmek

Çoğu plastik yüzeyin yalnızca yüzey enerjisi değil, doğası gereği yüzey profili de düşüktür. Yüzey önce kimyasal veya mekanik yollarla pürüzlendirilmedikçe pürüzsüz yüzeyler zayıf boya yapışması verme eğilimindedir. Metaller üzerindeki dönüşüm kaplamaları, metal üzerinde oluşan inorganik tabakanın mikro pürüzlü yüzeyi sayesinde kısmen boya yapışmasına katkıda bulunur. Plastiklerin yüzey pürüzsüzlüğünü aşmanın en yaygın yolu, boyaya yapışma sağlayacak mikro pürüzlülük ve tutunma noktaları oluşturmak için yüzeyi kimyasal bir ajanla dağlamaktır. Mümkünse, ayrı bir proses adımından kaçınmak için dağlama uygulanan boyada bulunan çözücülerle yapılır. Farklı çözücüler plastikleri farklı hızlarda dağladığından boya çözücüsü seçimi oldukça kritiktir. Hem aşırı dağlamadan hem de yetersiz dağlamadan kaçınılmalıdır. Yetersiz dağlama uygun yapışma sağlamaz; aşırı dağlama plastiğe zarar verebilir. Parçayı eğebilir, katkı dolgu maddesi ve uzatıcı parçacıklarını açığa çıkarabilir ve hatta plastikteki malzemelerin kaplamaya sızabileceği alanlar oluşturabilir. Polikarbonat veya polistiren gibi bazı plastikler, özellikle duyarlı oldukları çözücülerin etkisiyle çatlar veya yüzeyde aşırı çatlaklanır. Plastiklerin kalıplama prosesinden kaynaklanan yüksek gerilimli bölgeleri varsa çözücüler bu bölgelerde gerilim gevşemesi nedeniyle gözle görülür çatlaklar oluşturabilir. Bu nedenle çözücüyle dağlama yapılırken belirli bir özen gerekir.

Bazı parça şekilleri kalıplanırken, hızlı plastik enjeksiyon akışının kalıp içinde parçada önemli sürtünme ısınması oluşturduğu bölgeler vardır. Bu bölgelerde çözücüyle dağlamaya dirençli, yüksek oranda çapraz bağlı (sırlı) bir kabuk oluşur. Aşırı sert plastik kabuğu gidermek için adım atılmadıkça bu bölgelerde boya yapışması zayıf olur. Bu bölgeler, orta derecede aşındırıcı ortamla tamburlama veya yüzeyin hafif agresif bir kumla püskürtülmesi yoluyla, tatmin edici boya yapışmasına izin verecek kadar sırdan arındırılabilir. Kısa süreli sıcak çözücü veya çözücü buharına daldırma işlemi de bazı parçalar için etkilidir. Ancak çözücülerle mikro pürüzlülük oluşturmak genellikle yalnızca plastiğin kendisi en azından bir ölçüde polar yapıdaysa etkilidir.

Sırdan arındırma veya çözücüyle dağlama etkili olmadığında ya da istenmediğinde, yüzeyde polar oksitlenmiş gruplar oluşturmak için kimyasal bir reaksiyon kullanmak gerekebilir. Bu özellikle son derece polar olmayan plastik yüzeyler için geçerlidir. Polipropilen ve polietilen, oksidatif olarak işlenen düşük polariteli plastiklere iki örnektir. Bu reçineler ve benzeri düşük polariteli plastikler, bir gaz brülöründen çıkan açık aleve kısa süre maruz bırakılabilir. Bu, gözle görülür düzeyde olmasa da yüzeyde mükemmel boya yapışması sağlayacak kadar polarite oluşturan oksidatif bir kimyasal reaksiyonu (başlangıç aşamasında yanma) başlatır. Plastik parçaların ozon üreten bir elektriksel korona deşarjından geçirilmesi de yüzey oksidasyonuna neden olmak için kullanılmıştır. Korona, ozon oluşturan uyarılmış oksijen atomları üretir; ozon da plastiğe oksidatif olarak etki ederek hidroksil, karbonil ve karboksilik asit grupları gibi polar gruplar oluşturur.

Düşük polariteli plastikler, fotosensitizör adı verilen ışığa duyarlı kimyasallar kullanılarak ve ardından ultraviyole ışığa maruz bırakılarak da yüzeyde oksitlenebilir. UV ışığı, ışığa duyarlı bileşiklerin moleküllerini “kırarak” serbest radikaller oluşturur. Serbest radikaller son derece reaktif türlerdir ve bu proseste havada bulunan oksijenle birleşir. Oksijen serbest radikalleri de plastikle reaksiyona girerek yüzeyde polar gruplar oluşturur.

Soğuk gaz plazma teknolojisi, plastikleri ön işleme tabi tutmak ve yüzeyi oksitleyerek boya yapışması için yüzey özelliklerini önemli ölçüde iyileştirmek amacıyla kullanılabilir. Bir gaz yeterli enerjiyi absorbe etmeye zorlandığında iyonize olur, yani “plazma” haline gelir. Bir radyo frekansı jeneratörü uyarımı sağlar. Ark kaynağı ve floresan aydınlatma, uyarılmış iyonların kararlı enerji durumuna dönmesinin neden olduğu bir “parıltının” ortaya çıktığı olgunun örnekleridir. Sistemin güvenlik sınırları içinde bu proses herhangi bir tek gazı veya gaz karışımını kullanabilir. Bu amaçla oksijen, azot, helyum, argon, hava ve amonyak kullanılmıştır.

Plazma koşullandırma, plastiklerin iyi yapışmayla boyanmasına da olanak tanır. Plazma reaktörü genellikle parçaların yüklenmesi ve boşaltılması için sıkıca kapanabilen bir port bulunan bir vakum kabıdır. Reaktör çalışırken bir ışıldayan deşarj gözlenebilir. Gaz plazması işlemi yüzeyi hem mikro dağlar hem de aktive eder. Kısa süreli bir işlem, aksi halde düşük polariteli veya polar olmayan bir plastik üzerinde yüksek yüzey enerjisine sahip polar bir yüzey oluşturur ve boya tarafından tamamen ve homojen biçimde “ıslatılmasını” sağlar. Plazma prosesleri genellikle yüzey görünümünü değiştirmez; dolayısıyla malzemeler renk bozulmasına neden olmadan işlenebilir. Metaller üzerinde kullanılan aynı boyayla mükemmel yapışma elde edilebilir. Bu, bazı üreticiler için önemli bir özellik olabilir, çünkü hem plastik hem de metal içeren bir montaj ünitesi aynı kaplamayla eşzamanlı olarak boyanabilir.

Daha az etkili olan yöntem, daha iyi boya yapışması sağlayacak kadar plastik yüzeyi oksitlemek için boyanın kendisinde kimyasal oksitleyici ajanlar kullanmaktır. Yansımalı kızılötesi spektroskopisi, bu işlemlerin plastik yüzeyde diğer oksitleyici proseslerle aynı oksijenli (hidroksil, karbonil ve karboksilik asit) grupları oluşturduğunu, ancak daha az miktarda oluşturduğunu doğrulamıştır. Boyanın kendisindeki oksidanlar yalnızca sınırlı durumlarda dayanıklı boya yapışması için yeterli polariteyi oluşturur.

Yüzey ön işlemleri proses pencerelerini artırır (genişletir). Örneğin “işlenmemiş” poliolefinlerin yüzey enerjileri 29-31 dyne/cm aralığındadır. Boyama prosesleri için bu yüzeyler, kaplama kimyasının türüne, örneğin çözücü bazlı, su bazlı veya UV, bağlı olarak 38-60 dyne/cm aralığında işlem seviyeleri gerektirir. Her ön işlem yöntemi uygulamaya özgüdür ve potansiyel avantajlara, sınırlamalara ve maliyet etkilerine sahiptir. Belirli koşullarda gaz fazı oksidasyon prosesleri, ısıyla mühürleme gibi sonraki üretim operasyonlarını olumsuz etkileyebilir. Üretime geçmeden önce kapsamlı bir değerlendirme kritiktir.

Yapışma testi

Boya yapışmasını ve çizilme sertliği özelliklerini ölçmek için çok sayıda yöntem kullanılır. Hızlandırılmış yaşlandırma testi, uzun vadeli ürün performansını öngörmeye yardımcı olabilecek bir tekniktir. Aşağıdaki deney tasarımı bir örnektir:

• Grup 1: Beş (5) gün, 158°F, kuru, nemsiz
• Grup 2: Beş (5) gün, 90°F, %90 nem
• Grup 3: Kontrol grubu, ortam koşulları

Testin hemen ardından gözle inceleme yapılmalı ve kontrol grubuyla karşılaştırılmalıdır. Numuneler stabilize olduktan sonra ASTM D3330'a uygun olarak soyma testleri yapılmalıdır. Birçok uygulamada çoğunlukla 180° soyma testi kullanılır. Karşılaştırma amacıyla 90° soyma da önerilir. Bu test, değerler 180° soymada kaydedilenlerden daha düşük olabilse de yapışma performansı hakkında daha gerçekçi bir fikir verebilir. Grup 1 testinin 5 günden 10 güne uzatılması, ilişki doğrusal bir fonksiyon olmadığından saha performansının iki katını öngörmez; ancak daha sağlam sonuçlar gösterir.

Scott R. Sabreen, The Sabreen Group Inc.'in (TSG) kurucusu ve başkanıdır. TSG; plastik ikincil işleme operasyonları olan yüzey ön işlemleri, yapıştırma, dekorasyon ve yüzey işleme ile lazer markalama alanlarında mühendislik konusunda uzmanlaşmış bir teknoloji şirketidir. Dr. Norman R. Roobol (770-487-9133 veya [email protected]), 35 yılı aşkın deneyime sahip, birçok kitabın yazarı olan bir endüstriyel boyama danışmanıdır. Daha fazla bilgi için 888-SABREEN numarasını arayın veya www.sabreen.com adresini ziyaret edin.

---