การปรับสภาพพื้นผิวพอลิเมอร์ด้วยพลาสมาเพื่อปรับปรุงการยึดติดด้วยแรงยึดเกาะ

การปรับสภาพพื้นผิวพอลิเมอร์ด้วยพลาสมาเพื่อปรับปรุงการยึดติดด้วยแรงยึดเกาะ

ประเด็นสำคัญ

• พลาสติกส่วนใหญ่ต้านทานการยึดติดโดยธรรมชาติ เพราะไม่ชอบน้ำ ไม่มีขั้ว และเฉื่อยทางเคมี โดยมีพลังงานพื้นผิวต่ำเกินกว่าที่กาวจะเปียกผิวได้
• ควรตั้งเป้าให้สูงกว่าของเหลวประมาณ 8–10 dynes/cm ซึ่งเป็นเกณฑ์ในทางปฏิบัติที่กาว หมึกพิมพ์ หรือสารเคลือบจะเปียกวัสดุรองรับ
• ควรวัดมุมสัมผัสถอย (receding) ไม่ใช่เพียงมุมสถิต เพราะมุมถอยสะท้อนพื้นผิวที่ผ่านการปรับปรุงหลังการปรับสภาพได้จริง
• แต่ละวิธีเข้าถึงความลึกต่างกัน — เปลวไฟตื้นที่สุด โคโรนาและพลาสมาลึกกว่า ส่วน UV/โอโซนเข้าถึงเนื้อวัสดุได้ไกลที่สุด
• ผลการปรับสภาพเสื่อมลงตามเวลา อายุการเก็บรักษามีตั้งแต่ไม่กี่ชั่วโมงถึงหลายเดือนขึ้นอยู่กับเรซิน สารเติมแต่ง และการจัดเก็บ จึงควรยึดติดโดยเร็วที่สุดหลังการปรับสภาพ

บทคัดย่อ

ปัญหาการยึดติดของพอลิเมอร์พบได้ทั่วไปในอุตสาหกรรมพลาสติก ผลิตภัณฑ์แบบสองมิติและสามมิติมักเกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อพลาสติกกับพลาสติก พลาสติกกับโลหะ และพลาสติกกับวัสดุคอมโพสิต พลาสติกหลายชนิดมีแนวโน้มยึดติดกับวัสดุอื่นได้ไม่ดีเนื่องจากโครงสร้างทางเคมีตามธรรมชาติ จึงต้องมีการปรับสภาพ

การปรับสภาพพื้นผิวด้วยพลาสมาใช้เพื่อส่งเสริมการยึดเกาะระหว่างวัสดุรองรับพลาสติกที่ยึดติดยากกับกาว สารเคลือบ หมึกพิมพ์ และสี บทความนี้กล่าวถึงวิทยาศาสตร์ของพลาสมาและกลไกปฏิสัมพันธ์ระหว่างพลาสมากับพื้นผิวพอลิเมอร์ รวมทั้งหักล้างความเชื่อผิด ๆ ที่พบบ่อย

คำถามที่พบบ่อย

เหตุใดพลาสติกจึงต้องปรับสภาพพื้นผิวก่อนการยึดติด

เพราะพลาสติกไม่ชอบน้ำ ไม่มีขั้ว และเฉื่อยทางเคมี โดยมีพลังงานพื้นผิวต่ำเกินกว่าที่กาว หมึกพิมพ์ หรือสารเคลือบจะเปียกผิวได้ การปรับสภาพทำให้พื้นผิวถูกออกซิไดซ์และเกิดหมู่ฟังก์ชันมีขั้ว ได้แก่ คาร์บอนิล คาร์บอกซิล ไฮโดรเปอร์ออกไซด์ และไฮดรอกซิล ซึ่งทำให้พื้นผิวชอบน้ำและยึดติดได้

ต้องมีพลังงานพื้นผิวเท่าใดจึงจะยึดติดได้อย่างเชื่อถือได้

โดยหลักการ จะได้การยึดเกาะที่ยอมรับได้เมื่อพลังงานพื้นผิวของวัสดุรองรับสูงกว่าแรงตึงผิวของของเหลวที่ใช้ประมาณ 8 ถึง 10 dynes/cm หากต่ำกว่าส่วนต่างนี้ ของเหลวจะจับตัวเป็นหยดแทนที่จะเปียกผิว

ปากกาไดน์แม่นยำพอสำหรับการควบคุมการผลิตหรือไม่

ปากกาไดน์เป็นเพียงตัวบ่งชี้แนวโน้ม ไม่ใช่การวัดที่แม่นยำ สามารถแยกพื้นผิวที่ยึดติดได้ดีและไม่ดีได้อย่างน่าเชื่อถือด้วยต้นทุนต่ำ แต่ค่าที่อ่านได้แตกต่างกันมากระหว่างผู้ปฏิบัติงานตามการตีความพฤติกรรมของของเหลวตรงกลาง สารละลายแบบขวดดีกว่าปากกา เพราะปากกามีปัญหาการปนเปื้อนจากการใช้ซ้ำ

พลาสมาความดันบรรยากาศเป็นตัวแทนที่ราคาถูกกว่าโคโรนาหรือไม่

ไม่ใช่ นี่เป็นความเข้าใจผิดที่พบบ่อย โคโรนามักมีประสิทธิผลมากกว่าบนพื้นที่ผิวขนาดใหญ่และปรับสภาพได้ลึกกว่า และระบบพลาสมาความดันบรรยากาศจำนวนมากมีราคาแพงกว่าจริง ๆ

พื้นผิวที่ผ่านการปรับสภาพยึดติดได้นานเท่าใด

ตั้งแต่ไม่กี่ชั่วโมงไปจนถึงหลายเดือน อายุการเก็บรักษาถูกจำกัดโดยวัสดุออกซิไดซ์โมเลกุลต่ำที่เคลื่อนที่มายังพื้นผิว ได้แก่ สารต้านอนุมูลอิสระ พลาสติไซเซอร์ สารลดแรงเสียดทานและสารป้องกันไฟฟ้าสถิต สารให้สี และสารเสถียร ความร้อนเร่งกระบวนการนี้โดยเพิ่มความคล่องตัวของสายโซ่

พื้นผิวถูกปรับสภาพมากเกินไปได้หรือไม่

ได้ และก่อให้เกิดปัญหาจริง พื้นผิวที่ถูกออกซิไดซ์ด้วยพลาสมามากเกินไปอาจส่งผลเสียต่อขั้นตอนการประกอบถัดไป เช่น การซีลด้วยความร้อนและการเชื่อม และอาจนำไปสู่ความล้มเหลวจากการหลุดลอกในการใช้งานจริง

บทนำ

ออกซิเดชันพื้นผิว (การปรับปรุง) ด้วยพลาสมา “เฟสแก๊ส” เป็นวิธีปรับปรุงที่พบบ่อยที่สุด และพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิผลสูง ประหยัด และปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม การเลือกใช้วิธีใดกับการใช้งานหนึ่ง ๆ อาจเป็นเรื่องท้าทาย ส่วนหนึ่งเนื่องจากความเข้าใจผิดและศัพท์ที่สับสน กระบวนการที่รู้จักกันทั่วไป ได้แก่ โคโรนาไฟฟ้า พลาสมาแก๊สเย็นระยะไกล เปลวไฟ และ UV/โอโซน (แบบผสม) ความล้มเหลวของการยึดติดมีผลกระทบด้านต้นทุนอย่างมาก ทั้งสมรรถนะของผลิตภัณฑ์ในการใช้งานจริงที่ไม่ดี ของเสีย/การแก้ไขงาน ความไม่มีประสิทธิภาพในการผลิต และการตรวจสอบคุณภาพที่เพิ่มขึ้น เมื่อเข้าใจวิทยาศาสตร์พื้นฐานของมุมสัมผัส การเปียกผิว และการกระตุ้นทางเคมี ก็สามารถแก้ปัญหาการยึดติดได้เกือบทุกกรณี แม้เมื่อใช้วัสดุพอลิเมอร์และอีลาสโตเมอร์ที่ยึดติดยากที่สุด

มุมสัมผัส พลังงานพื้นผิว และการเปียกผิว

สาเหตุพื้นฐานที่พลาสติกจำนวนมากยึดติดยากคือ เป็นวัสดุไม่ชอบน้ำที่ไม่มีขั้ว เฉื่อยทางเคมี และมีความสามารถในการเปียกผิวต่ำ กล่าวคือมีพลังงานพื้นผิวต่ำ แม้คุณสมบัติไม่ชอบน้ำ (ผลักน้ำ) นี้จะเหมาะกับนักออกแบบชิ้นงานที่ต้องการคุณสมบัติดังกล่าว แต่กลับเป็นอุปสรรคสำหรับผู้ผลิตที่ต้องยึดติดวัสดุเหล่านี้ การยึดติดด้วยแรงยึดเกาะที่แข็งแรงมักต้องมีพื้นผิว “ชอบน้ำ” เพื่อให้เกิดการยึดเกาะที่ดีที่สุด กาว (สารเคลือบ หมึกพิมพ์ หรือสี) ต้อง “เปียกผิว” ของพื้นผิว (วัสดุที่ถูกยึด) ที่จะยึดติดอย่างทั่วถึง

“การเปียกผิว” หมายถึงของเหลวไหลและปกคลุมพื้นผิวเพื่อให้พื้นที่สัมผัสและแรงดึงดูดระหว่างกาวกับพื้นผิววัสดุที่ถูกยึดมีค่าสูงสุด เพื่อให้ของเหลวเปียกผิวได้อย่างมีประสิทธิผล พลังงานพื้นผิวของกาวต้องต่ำกว่าหรือเท่ากับพลังงานพื้นผิวของวัสดุที่ถูกยึด หรืออีกทางหนึ่งคือต้องเพิ่มพลังงานพื้นผิวของวัสดุรองรับ

พิจารณาหยดของเหลวเดี่ยวบนพื้นผิวของแข็งเรียบขณะนิ่ง (สมดุล) มุมที่เกิดจากพื้นผิวของแข็งและเส้นสัมผัสกับผิวด้านบนที่จุดปลายเรียกว่ามุมสัมผัส คือมุม (Θ) ผ่านของเหลวระหว่างเส้นสัมผัสที่จุดสัมผัสกับเส้นแนวนอนของพื้นผิวของแข็ง รูปร่างฟองอากาศ/หยดของเหลวเกิดจากแรงระดับโมเลกุลที่ทำให้ของเหลวทั้งหมดมีแนวโน้มจัดปริมาตรที่บรรจุอยู่ให้มีรูปร่างที่มีพื้นที่ผิวน้อยที่สุดผ่านการหดตัวของผิว แรงระหว่างโมเลกุลที่ทำให้ผิวหดตัวเรียกว่าแรงตึงผิว แรงตึงผิวซึ่งเป็นการวัดพลังงานพื้นผิว แสดงเป็น dynes/cm (หน่วย SI คือ N/m)

ยิ่งพลังงานพื้นผิวของวัสดุรองรับที่เป็นของแข็งสูงกว่าแรงตึงผิวของของเหลว (น้ำ หมึกพิมพ์ กาว/สารห่อหุ้ม สารเคลือบ เป็นต้น) มากเท่าใด ความสามารถในการเปียกผิวก็ยิ่งดี และมุมสัมผัสก็ยิ่งเล็ก (รูปที่ 1) โดยหลักการ จะได้การยึดเกาะที่ยอมรับได้เมื่อพลังงานพื้นผิวของวัสดุรองรับสูงกว่าแรงตึงผิวของของเหลวประมาณ 8 ถึง 10 dynes/cm

สำหรับการใช้งานจำนวนมาก อาจเพียงพอที่จะตรวจสอบมุมสัมผัสสมดุลสถิตโดยใช้สารละลายไดน์ตามขั้นตอนทดสอบที่มีเอกสารกำกับ ชุดอุปกรณ์หรือ “ปากกา/สารละลายไดน์” ให้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์ แต่ไม่ใช่การวัดแรงตึงผิวที่แม่นยำ ผลการวัดแรงตึงผิวอาจแตกต่างกันมากตามแต่ละบุคคล (เทคนิค) และการตีความพฤติกรรมของของเหลว “ตรงกลาง”

ปากกา/สารละลายไดน์เป็นที่ทราบกันว่าเป็นตัวบ่งชี้แนวโน้มของความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญของแรงตึงผิว และสามารถระบุพื้นผิวที่ยึดติดได้ “ดี” และ “ไม่ดี” ในราคาประหยัด สารละลายไดน์แบบขวดอาจดีกว่าปากกาเนื่องจากปัญหาการปนเปื้อนจากการใช้ซ้ำหลายครั้ง

มุมสัมผัสไดนามิก (DCA)

การทดสอบพฤติกรรมของของเหลวเฉพาะมุมสัมผัสสถิตอาจทำให้ตีความผลที่รอยต่อของเหลว/ของแข็งผิดพลาด และส่งผลต่อการแก้ปัญหาการยึดติด เพราะการปฏิบัติงานผลิตในภาคอุตสาหกรรมมีสภาวะแบบไดนามิกตามความเป็นจริงมากกว่าแบบสถิต ดังนั้นจึงต้องเข้าใจมุมสัมผัสไดนามิก (DCA) (รูปที่ 2)

มุมสัมผัสโดยทั่วไปได้รับผลจากทั้งการเปลี่ยนแปลงเคมีพื้นผิวและการเปลี่ยนแปลงลักษณะพื้นผิว มุมสัมผัสรุก (advancing) ไวที่สุดต่อองค์ประกอบพลังงานต่ำ (ที่ไม่ได้ปรับปรุง) ของพื้นผิววัสดุรองรับ ขณะที่มุมถอย (receding) ไวกว่าต่อหมู่ที่ถูกออกซิไดซ์พลังงานสูงซึ่งเกิดจากการปรับสภาพพื้นผิว

ดังนั้น มุมถอยจึงเป็นการวัดที่แสดงลักษณะของส่วนที่ผ่านการปรับปรุงของพื้นผิวหลังการปรับสภาพได้ดีที่สุด เมื่อวัดด้วยสารละลายไดน์ จึงควรวัดทั้งมุมสัมผัสรุกและมุมถอยบนวัสดุที่ผ่านการปรับปรุงพื้นผิวทุกชนิด

เมื่อหยดของเหลวติดอยู่บนพื้นผิวของแข็งและเอียงพื้นผิวนั้น หยดจะพุ่งไปข้างหน้าและไหลลง มุมที่เกิดขึ้นเรียกตามลำดับว่ามุมรุก (Θa) และมุมถอย (Θr) ASTM D724 อธิบายวิธีวัด DCA โดยใช้อุปกรณ์ขั้นสูง (ออปติคัลเทนซิโอมิเตอร์และโกนิโอมิเตอร์) เพื่อวิเคราะห์มุมสัมผัสรุกและมุมถอยจากการวิเคราะห์รูปร่างหยดและมวล

การกระตุ้นพื้นผิวทางเคมี

ผู้ผลิตมีแนวโน้มสูงที่จะมุ่งเน้นเฉพาะมุมสัมผัสหรือการวัดความสามารถในการเปียกผิวอื่น ๆ เป็นตัวชี้วัดเดียวของปัญหาการยึดติดและใช้ในการทดสอบพื้นผิวตามปกติ ขณะที่หมู่ฟังก์ชันเคมีบนพื้นผิวก็สำคัญไม่แพ้กัน โดยพื้นผิวไม่ชอบน้ำถูกกระตุ้นให้เป็นพื้นผิวชอบน้ำที่ยึดติดได้ กระบวนการปรับสภาพด้วยออกซิเดชันพื้นผิวแบบเฟสแก๊ส “การปล่อยประจุเรืองแสง” ใช้สำหรับการกระตุ้นพื้นผิวทางเคมี กระบวนการเหล่านี้มีลักษณะเฉพาะคือสามารถสร้าง “พลาสมาแก๊ส” ซึ่งเป็นแก๊สที่ว่องไวมาก ประกอบด้วยอิเล็กตรอนอิสระ ไอออนบวก และอนุภาคอื่น ๆ พลาสมามักอธิบายได้ว่าเป็นสถานะที่สี่ของสสาร เมื่อได้รับพลังงาน ของแข็งหลอมเป็นของเหลว ของเหลวกลายเป็นไอเป็นแก๊ส และแก๊สแตกตัวเป็นไอออนกลายเป็น “พลาสมา”

ในวิชาฟิสิกส์ กลไกที่ใช้สร้างพลาสมาเหล่านี้แตกต่างกัน แต่ผลต่อความสามารถในการเปียกผิวคล้ายกัน ปฏิกิริยาเคมีและกายภาพพื้นฐานที่เกิดขึ้นคือ อิเล็กตรอนอิสระ ไอออน สปีชีส์กึ่งเสถียร อนุมูล และ UV ที่เกิดในพลาสมาสามารถกระทบพื้นผิวด้วยพลังงานที่มากพอจะทำลายพันธะโมเลกุลบนพื้นผิวของวัสดุรองรับพอลิเมอร์ส่วนใหญ่ ทำให้เกิดอนุมูลอิสระที่ว่องไวมากบนพื้นผิวพอลิเมอร์ ซึ่งสามารถสร้างพันธะ เชื่อมขวาง หรือเมื่อมีออกซิเจนก็ทำปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วเกิดเป็นหมู่ฟังก์ชันเคมีต่าง ๆ บนพื้นผิววัสดุรองรับ หมู่ฟังก์ชันมีขั้วที่เกิดขึ้นได้และเพิ่มความสามารถในการยึดติด ได้แก่ หมู่คาร์บอนิล (C=O) คาร์บอกซิล (HOOC) ไฮโดรเปอร์ออกไซด์ (HOO-) และไฮดรอกซิล (HO-) แม้หมู่ฟังก์ชันที่ว่องไวเพียงเล็กน้อยที่รวมเข้าในพอลิเมอร์ก็เป็นประโยชน์อย่างมากต่อการปรับปรุงหมู่ฟังก์ชันเคมีของพื้นผิวและความสามารถในการเปียกผิว นอกจากนี้ ยังใช้ไพรเมอร์/ตัวทำละลายเคมีและการขัดสีเชิงกล (รวมถึงลวดลายพื้นผิวของแม่พิมพ์) เดี่ยว ๆ หรือร่วมกับการปรับสภาพได้

กระบวนการที่รู้จักกันทั่วไป ได้แก่ การปล่อยประจุโคโรนาไฟฟ้า (หรือเรียกว่าการปล่อยประจุแบบกั้นไดอิเล็กทริก) พลาสมาความดันบรรยากาศแบบไฟฟ้า พลาสมาอากาศแบบไฟฟ้า เฟลมพลาสมา พลาสมาแก๊สเย็น RF ความดันต่ำ และรังสีอัลตราไวโอเลต/โอโซน (แบบผสม) แต่ละวิธีเหมาะกับการใช้งานเฉพาะและมีข้อดีเฉพาะตัวและข้อจำกัดที่อาจเกิดขึ้น จำเป็นต้องตรวจสอบและทดสอบพอลิเมอร์ (อสัณฐานหรือกึ่งผลึก) กระบวนการพลาสมา สารยึดติด และกระบวนการผลิตอย่างรอบคอบ

งานศึกษาสำคัญชิ้นหนึ่งที่ทำกับพอลิโพรพิลีนพบว่าการปรับสภาพด้วยเปลวไฟดูเหมือนจะ “ตื้นที่สุด” กล่าวคือ ออกซิเจนที่ถูกรวมเข้าไปจากการปรับสภาพกระจุกตัวมากที่สุดใกล้ผิวนอกของฟิล์ม การปรับสภาพด้วยโคโรนาและพลาสมาดูเหมือนจะแทรกซึมเข้าไปในพอลิเมอร์ลึกกว่าเล็กน้อย ในทางตรงข้าม การปรับสภาพด้วย UV/โอโซนเข้าถึงเนื้อพอลิเมอร์ได้ไกลกว่า

สภาวะการปล่อยประจุ เช่น ผลของความชื้น ก็สำคัญเช่นกัน1 เป็นที่ทราบกันว่าการปรับสภาพบางวิธีและวิธีการใช้อาจส่งผลเสียต่อการปฏิบัติงานผลิตขั้นถัดไป เช่น การหลุดลอกของหลอดยาสีฟันระหว่างการซีลด้วยความร้อน

ปัจจัยที่มีผลต่อการยึดเกาะและการเสื่อมสภาพ (อายุการเก็บรักษา)

ระดับหรือคุณภาพของการปรับสภาพเพื่อให้ได้ความแข็งแรงของการยึดเกาะที่แข็งแรงได้รับผลจากความสะอาดของพื้นผิวพลาสติก พื้นผิวต้องสะอาดจึงจะได้การปรับสภาพและการยึดเกาะที่ตามมาอย่างเหมาะสมที่สุด แหล่งปนเปื้อนบนพื้นผิวผลิตภัณฑ์ที่ขัดขวางการปรับสภาพ ได้แก่ สิ่งสกปรก ฝุ่น จาระบี และน้ำมัน วัสดุน้ำหนักโมเลกุลต่ำ เช่น ซิลิโคน สารปลดแบบ และสารป้องกันการลื่น เป็นอันตรายต่อการยึดติดเป็นพิเศษ ความบริสุทธิ์ของวัสดุก็เป็นปัจจัยสำคัญ นอกจากนี้ สารประกอบที่ละลายได้หรือไม่ละลายบางชนิดที่ใช้ในสารให้สีประเภทเม็ดสีและสีย้อมอาจส่งผลเสียต่อการยึดเกาะ

อายุการเก็บรักษา (การเสื่อมสภาพของการปรับสภาพ) ของพลาสติกที่ผ่านการปรับสภาพขึ้นอยู่กับชนิดของเรซิน สูตรส่วนผสม และสภาพแวดล้อมของพื้นที่จัดเก็บ อายุการเก็บรักษาของผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการปรับสภาพถูกจำกัดโดยวัสดุออกซิไดซ์โมเลกุลต่ำ (LMWOM) เช่น สารต้านอนุมูลอิสระ พลาสติไซเซอร์ สารลดแรงเสียดทานและสารป้องกันไฟฟ้าสถิต สารให้สีและเม็ดสี สารเสถียร เป็นต้น การให้พื้นผิวที่ผ่านการปรับสภาพสัมผัสอุณหภูมิสูงจะเพิ่มความคล่องตัวของสายโซ่โมเลกุล ยิ่งสายโซ่เคลื่อนที่ได้มาก การเสื่อมสภาพของการปรับสภาพก็ยิ่งเร็ว พื้นผิวที่ผ่านพลาสมาเสื่อมด้วยอัตราและระดับที่แตกต่างกันตามปัจจัยของสภาพแวดล้อมโดยรอบ ลักษณะการเสื่อมสภาพและอายุการเก็บรักษามีความสำคัญต่อการดำเนินงานในกระบวนการผลิต พื้นผิวที่ถูกกระตุ้นอาจมีอายุการเก็บรักษาเป็นชั่วโมง วัน เดือน หรือนานกว่านั้น แนะนำให้ยึดติด เคลือบ พ่นสี หรือตกแต่งผลิตภัณฑ์โดยเร็วที่สุดหลังการปรับสภาพ

การปรับสภาพพื้นผิวด้วยพลาสมา

การปล่อยประจุโคโรนาไฟฟ้าแบบดั้งเดิม (การปล่อยประจุแบบกั้นไดอิเล็กทริก) ได้จากเครื่องกำเนิดและอิเล็กโทรดที่ต่อกับแหล่งไฟฟ้าแรงสูง ขั้วตรงข้ามที่ศักย์เป็นศูนย์ และไดอิเล็กทริกที่ใช้เป็นตัวกั้น กล่าวคือ เป็นการปล่อยประจุแรงดันสูงความถี่สูง (หม้อแปลงแบบสเต็ปอัป) ที่สร้างความต่างศักย์ระหว่างสองจุดซึ่งต้องมีสายดิน 35+kV และ 20-25kHz การกำหนดค่าอิเล็กโทรดแบบกำหนดเองช่วยให้ปรับสภาพรูปทรงพื้นผิวได้หลากหลาย ทั้งแบบเรียบ โค้ง ร่องลึก แยกส่วน เป็นต้น

ตัวอย่างการใช้งานหนึ่งคือระบบปรับสภาพด้วยโคโรนาสำหรับขั้วต่อไฟฟ้า ซึ่งใช้อิเล็กโทรดแบบเข็มและลูกบอลร่วมกันเพื่อปรับสภาพทั้งรูขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กแบบสามมิติและพื้นผิวภายนอกที่เรียบไปพร้อมกัน สิทธิบัตรสหรัฐฯ US5051586 (1991)2 โอโซนเกิดขึ้นในบริเวณพลาสมาจากการปล่อยประจุไฟฟ้า พบว่าการปล่อยประจุโคโรนามีประสิทธิผลพอสมควรในการทำความสะอาดวัสดุไฮโดรคาร์บอนที่มองไม่เห็นซึ่งหลงเหลืออยู่หลังการล้างด้วยตัวทำละลายหรือผงซักฟอก เป็นต้น

ความเชื่อผิด: พลาสมาความดันบรรยากาศเป็นเทคโนโลยีทดแทนโคโรนาที่มีต้นทุนต่ำ

ข้อเท็จจริง: โคโรนามักมีประสิทธิผลมากกว่าในการปรับสภาพพื้นที่ผิวขนาดใหญ่และที่ความลึกพื้นผิวมากกว่า ที่จริงแล้วระบบพลาสมาความดันบรรยากาศจำนวนมากมีราคาแพงกว่า

พลาสมาอากาศจากการปล่อยประจุไฟฟ้า (“air plasma”) เป็นการปรับสภาพเฉพาะจุดด้วยการปล่อยประจุโคโรนา (เรียกอีกอย่างว่าพลาสมาลมเป่า/โคโรนาลมอัด/อาร์กลมเป่า) หัวปรับสภาพนี้ประกอบด้วยอิเล็กโทรดแบบตะขอสองอันวางใกล้กัน ต่อกับหม้อแปลงแรงดันสูงที่สร้างอาร์กไฟฟ้าประมาณ 7 ถึง 12kV และความถี่ต่ำกว่า 50 ถึง 60 รอบ/วินาที (เมื่อเทียบกับโคโรนาไฟฟ้า) จากนั้นใช้อากาศอัดให้อาร์กไฟฟ้าต่อเนื่องสร้างการปล่อยประจุโคโรนาหรือ “พลาสมา” ไม่จำเป็นต้องมีกราวด์บวก กระบวนการปรับสภาพนี้แทบไม่มีความสามารถในการทำความสะอาด เกิดโอโซน

ความเชื่อผิด: การปรับสภาพเฉพาะจุดด้วยโคโรนาให้อายุการเก็บรักษายาวนานกว่าการใช้เปลวไฟ

ข้อเท็จจริง: งานวิชาการแสดงว่าเฟลมพลาสมาบนพอลิโอเลฟินให้อายุการเก็บรักษาหลังการปรับสภาพนานกว่า เนื่องจากความลึกของการปรับสภาพค่อนข้างตื้นกว่า

พลาสมาความดันบรรยากาศหรือพลาสมาไอออนเป่าด้วยไฟฟ้า (เรียกอีกอย่างว่าพลาสมาโคโรนาแบบโฟกัส) ใช้อิเล็กโทรดหัวฉีดแคบเดี่ยว ขับเคลื่อนด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและหม้อแปลงสเต็ปอัป และอากาศความดันสูง ซึ่งพลาสมาที่โฟกัสอย่างเข้มข้นเกิดขึ้นภายในหัวปรับสภาพและพุ่งออกมา กระบวนการปรับสภาพนี้ทำความสะอาดสิ่งสกปรก เศษ และไฮโดรคาร์บอนบางชนิดจากวัสดุรองรับได้ แต่ไม่สามารถกำจัดซิลิโคนและสารลดแรงเสียดทานส่วนใหญ่ งานวิจัยใหม่ชี้ว่าการกัดผิวละเอียดสามารถสร้างลักษณะพื้นผิวแบบใหม่เพื่อเพิ่มการยึดติดเชิงกล การเกิดโอโซนน้อยมาก

ความเชื่อผิด: พลาสมาความดันบรรยากาศไม่มีศักย์ไฟฟ้า

ข้อเท็จจริง: พลาสมาความดันบรรยากาศอธิบายได้ดีกว่าว่าเป็นแบบ “ศักย์ต่ำ” เว้นแต่จะพิสูจน์ได้อย่างชัดเจนว่าเป็นศูนย์ในการใช้งานเฉพาะใด ๆ ประสิทธิภาพแตกต่างกันตามผู้ผลิตอุปกรณ์

การปรับสภาพด้วยเฟลมพลาสมาใช้สปีชีส์ที่ว่องไวสูงซึ่งมีอยู่ในการเผาไหม้ของอากาศและก๊าซไฮโดรคาร์บอน (เพื่อสร้างพลาสมา) แม้การปรับสภาพด้วยเปลวไฟจะคายความร้อน แต่ความร้อนไม่ได้สร้างหมู่ฟังก์ชันเคมีและการเปียกผิวที่ดีขึ้น การใช้เปลวไฟทำความสะอาดสิ่งสกปรก เศษ และไฮโดรคาร์บอนบางชนิดจากวัสดุรองรับได้

เปลวไฟไม่สามารถกำจัดซิลิโคน สารปลดแบบ และสารลดแรงเสียดทาน การปรับสภาพด้วยเปลวไฟให้การเปียกผิว ออกซิเดชัน และอายุการเก็บรักษาสูงกว่าการปรับสภาพด้วยไฟฟ้า เนื่องจากความลึกของการปรับสภาพจากผิวค่อนข้างตื้นกว่า คือ 5 ถึง 10nm ไม่เกิดโอโซน เมื่อจัดหาหัวเผาสำหรับการปรับสภาพด้วยเปลวไฟ ควรเปรียบเทียบแบบริบบอนกับแบบเจาะรู และประโยชน์ของตัวควบคุมสมดุลศูนย์

ความเชื่อผิด: การปรับสภาพด้วยเปลวไฟไม่ปลอดภัย ข้อวิพากษ์วิจารณ์ที่ผิดพลาดนี้มาจากผู้ผลิตอุปกรณ์คู่แข่ง

ข้อเท็จจริง: การปรับสภาพด้วยเปลวไฟถูกใช้มานานหลายทศวรรษเป็นเทคนิคที่ปลอดภัยและมีประสิทธิผลในหลายอุตสาหกรรม

Pyrosil®เป็นเทคนิคปรับสภาพที่เพิ่งได้รับการประเมิน และเพิ่งได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับพลาสติก (และโลหะ) โดย Applied Surface Technologies LLC และ The Sabreen Group Inc. กระบวนการ Pyrosil เป็นเทคโนโลยีเปลวไฟกรรมสิทธิ์ที่พัฒนาโดย SURA Instruments GmbH เมื่อ 30 ปีก่อน และมีประสิทธิผลสูงในการปรับสภาพแก้วและเซรามิก

ล่าสุด Sabreen ได้พัฒนากระบวนการนี้ต่อยอดอย่างเป็นอิสระสำหรับการใช้งานพลาสติกที่ต้องการการยึดติดด้วยกาว การยึดเกาะของการพิมพ์อิงก์เจ็ทแบบ UV และสารเคลือบเพื่อการตกแต่งและการใช้งาน ผลลัพธ์บนผลิตภัณฑ์จำนวนมากยอดเยี่ยม และในบางกรณีดีกว่าวิธีปล่อยประจุไฟฟ้าและเปลวไฟแบบดั้งเดิม การควบคุมกระบวนการของการใช้ไพรเมอร์และการเผาไหม้ของเปลวไฟมีความสำคัญต่อการยึดติดด้วยแรงยึดเกาะที่ดีที่สุด

กระบวนการ Pyrosil เป็นเทคโนโลยีการสะสมไอเคมีด้วยการเผาไหม้ ซึ่งนำไปสู่ชั้นซิลิเกตอสัณฐานบนวัสดุรองรับที่ผ่านการปรับสภาพ พื้นผิวถูกปรับสภาพด้วยส่วนออกซิไดซ์ของเปลวไฟแก๊สซึ่งมีสารตั้งต้นที่เป็นสารประกอบออร์กาโนซิลิคอน สารตั้งต้นถูกไพโรไลซ์ (การสลายตัวด้วยความร้อน) ระหว่างกระบวนการ และเถ้าที่เกิดขึ้นสะสมเป็นซิลิเกตอสัณฐานบนพื้นผิว ทำให้เกิดชั้นเคลือบบางเฉียบ (20 ถึง 40nm) ที่ยึดเกาะแน่น

กล่าวอีกนัยหนึ่ง เกิดชั้นคล้ายแก้วที่ว่องไวทางเคมีสูง ด้วยการระเหยสารเคมีกรรมสิทธิ์ซึ่งผสมกับโพรเพนแล้วเผา – SiOx (ซิลิคอนไดออกไซด์) จะสะสมลงบนวัสดุรองรับ SiOx สร้างแรงตึงผิวสูงเพื่อปรับปรุงความชอบน้ำ (ความสามารถในการเปียกผิว) Pyrosil แตกต่างจากการปรับสภาพด้วยเปลวไฟมาตรฐาน สามารถสร้างระบบการผลิตแบบกำหนดเองที่ขยายกำลังการผลิตได้ง่าย

ความเชื่อผิด: กระบวนการ Pyrosil เหมือนกับการปรับสภาพด้วยเปลวไฟแบบดั้งเดิม

ข้อเท็จจริง: เทคโนโลยี Pyrosil แตกต่างจากการปรับสภาพด้วยเปลวไฟ เป็นกระบวนการสะสมที่ใช้ส่วนผสมของแก๊สและสารประกอบซิลิโคน

การเลือกการปรับสภาพพื้นผิวด้วยพลาสมา

พึงตระหนักว่าแต่ละวิธีปรับสภาพพื้นผิวเหมาะกับการใช้งานเฉพาะและอาจมีข้อดีเฉพาะตัวและข้อจำกัดที่อาจเกิดขึ้น เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่แข็งแกร่ง ควรพิจารณาปัจจัยต่อไปนี้

• พอลิเมอร์ตอบสนองต่อกระบวนการออกซิเดชันต่างกัน ชนิดของวัสดุรองรับพอลิเมอร์และข้อกำหนดสมรรถนะการใช้งานปลายทางมีความสำคัญต่อการเลือกวิธีปรับสภาพ
• วัสดุรองรับ (ผลิตภัณฑ์ที่จะปรับสภาพ) นำไฟฟ้าหรือไม่ ตัวอย่างเช่น ตัวเรือนขั้วต่อไฟฟ้าพลาสติกที่ยังไม่ประกอบ ซึ่งไม่มีหมุดสัมผัสโลหะ สามารถปรับสภาพด้วยไฟฟ้าได้ ขณะที่ขั้วต่อที่ประกอบแล้วอาจเกิดปัญหาการอาร์กทางไฟฟ้า
• รูปทรงชิ้นงาน: พื้นผิวเรียบปรับสภาพได้ง่ายกว่าร่องลึก ส่วนเรียวมาก และรูปทรงผิดปกติอื่น ๆ การทดสอบการเปียกผิวทำได้ยากในพื้นที่เล็กและบนพื้นผิวที่มีลวดลายหนาแน่น
• ระบบอัตโนมัติในการจัดการวัสดุ: สายพานและโซ่ที่นำไฟฟ้าอาจทำให้เกิดการอาร์กทางไฟฟ้ากับโคโรนาไฟฟ้าแบบดั้งเดิมและเครื่องปรับสภาพเฉพาะจุด อีกทางเลือกหนึ่งคือพิจารณาใช้เปลวไฟ พลาสมาแก๊สเย็น หรือพลาสมาความดันบรรยากาศศักย์ต่ำ
• หลีกเลี่ยงการปรับสภาพมากเกินไป พื้นผิวที่ถูกออกซิไดซ์ด้วยพลาสมามากเกินไปอาจส่งผลเสียต่อกระบวนการประกอบขั้นถัดไป เช่น การซีล/เชื่อมด้วยความร้อน
• อุปกรณ์ปรับสภาพทุกรุ่นไม่ได้เท่าเทียมกัน ควรตรวจสอบคุณภาพของระบบที่สร้างขึ้นขณะทำงาน สำหรับกระบวนการปรับสภาพด้วยไฟฟ้า ให้สังเกตความสม่ำเสมอของการปล่อยประจุพลาสมา สำหรับการปรับสภาพด้วยเปลวไฟ ให้พิจารณาความแตกต่างระหว่างหัวเผาแบบริบบอนกับแบบเจาะรู และองค์ประกอบของระบบเผาไหม้ สำหรับพลาสมาแก๊สเย็น ให้ตรวจสอบคุณภาพการสร้างห้อง ชั้นวางอิเล็กโทรด และโดยเฉพาะผู้ผลิตปั๊มสุญญากาศ

ปัญหาการยึดติดของพอลิเมอร์พบได้อย่างแพร่หลายและไม่จำกัดเฉพาะกาว ความล้มเหลวของการยึดติดด้วยแรงยึดเกาะมีผลกระทบด้านต้นทุนอย่างมาก การปรับสภาพพื้นผิวด้วยพลาสมาเป็นวิธีปรับปรุงที่พบบ่อยที่สุด คุ้มค่า และปลอดภัย การเลือกใช้วิธีใดกับการใช้งานหนึ่ง ๆ อาจเป็นเรื่องท้าทาย ส่วนหนึ่งเนื่องจากความเข้าใจผิดและศัพท์ที่สับสน

เมื่อเข้าใจวิทยาศาสตร์ของมุมสัมผัส การเปียกผิว และการกระตุ้นทางเคมี ก็สามารถแก้ปัญหาการยึดติดได้เกือบทุกกรณี แม้เมื่อใช้วัสดุพอลิเมอร์และอีลาสโตเมอร์ที่ท้าทายที่สุด

The Sabreen Group ให้การอบรมและฝึกอบรมแบบครบวงจรถึงสถานที่ปฏิบัติงานเกี่ยวกับกระบวนการยึดติดด้วยแรงยึดเกาะ การปรับสภาพด้วยพลาสมา และเทคนิคการผลิตขั้นสูง การสาธิตอุปกรณ์ปรับสภาพดำเนินการภายในองค์กรโดยใช้ชิ้นงานผลิตจริงและการทดสอบแบบเรียลไทม์ รับประกันผลลัพธ์

Scott R. Sabreen เป็นผู้ก่อตั้งและประธานของ The Sabreen Group, Inc. บริษัทวิศวกรรมที่เชี่ยวชาญกระบวนการผลิตพลาสติกขั้นที่สอง ได้แก่ การมาร์กด้วยเลเซอร์ การปรับสภาพพื้นผิว การยึดติด การตกแต่งและการเก็บงานผิว และความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ มีประสบการณ์พัฒนาเทคโนโลยีบุกเบิกและแก้ปัญหาการผลิตมามากกว่า 30 ปี ติดต่อได้ที่ 972.820.6777 หรือเยี่ยมชม www.sabreen.com หรือ www.plasticslasermarking.com

เอกสารอ้างอิง

• Mark Strobel, Mary Jane Walzak, Josephine M. Hill, Amy Lin, Elizabeth Karbashewski & Christopher S. Lyons (2012) A comparison of gas-phase methods of modifying polymer surfaces, Journal of Adhesion Science and Technology, 9:3, 365-383, DOI: 10.1163/156856195X00554
• Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc., “Surface Wetting Pretreatment Methods,” Plastics Decorating magazine, 2002

---