วิทยาศาสตร์แห่งการแก้ปัญหาการยึดเกาะของพลาสติก: มุมสัมผัส – การเปียกผิว – การกระตุ้นทางเคมี

วิทยาศาสตร์แห่งการแก้ปัญหาการยึดเกาะของพลาสติก: มุมสัมผัส – การเปียกผิว – การกระตุ้นทางเคมี

ประเด็นสำคัญ

• การยึดติดไม่ได้เกี่ยวกับกาวเพียงอย่างเดียว หลักวิทยาศาสตร์เดียวกันนี้ใช้กับหมึก สี สารเคลือบ สารห่อหุ้ม สารอัดฉีดกันความชื้น และการเคลือบผิวด้วยโลหะ
• สี่คุณสมบัติที่ทำให้พลาสติกยึดติดยาก ได้แก่ ไม่ชอบน้ำ พลังงานพื้นผิวต่ำ ไม่มีขั้วและเฉื่อย และหน้าที่ทางเคมีของพื้นผิวไม่ดี
• มุมสัมผัสสถิตเพียงอย่างเดียวชวนให้เข้าใจผิด การผลิตเป็นแบบไดนามิก ไม่ใช่สถิต มุมสัมผัสไดนามิกจึงสำคัญกว่า
• มุมรุกและมุมถอยวัดสิ่งที่ต่างกัน มุมรุกสะท้อนพื้นผิวที่ยังไม่ปรับสภาพ ส่วนมุมถอยสะท้อนพื้นผิวที่ผ่านการปรับสภาพ
• การเปียกผิวเป็นเพียงครึ่งหนึ่งของปัญหา ต้องสร้างหน้าที่ทางเคมีของพื้นผิวขึ้นมา ไม่ใช่เพียงเพิ่มพลังงานพื้นผิว

ปัญหาการยึดติดด้วยแรงยึดเกาะของพอลิเมอร์พบได้ทั่วไปในอุตสาหกรรมพลาสติก ผลิตภัณฑ์สองมิติและสามมิติมักเกี่ยวข้องกับการยึดติดพลาสติกกับพลาสติก พลาสติกกับโลหะ พลาสติกกับคอมโพสิต งานออปโตเมคานิก และอื่น ๆ การใช้งานด้านการยึดติดด้วยแรงยึดเกาะไม่ได้จำกัดเฉพาะกาว (อีพอกซี ยูรีเทน อะคริลิก ซิลิโคน ฯลฯ) แต่รวมถึงการยึดเกาะของหมึกพิมพ์ สีและสารเคลือบ สารห่อหุ้ม สารอัดฉีดกันความชื้น การเคลือบผิวด้วยโลหะ และอื่น ๆ

วัสดุรองรับพลาสติกยึดติดยากเพราะเป็นวัสดุไม่ชอบน้ำ (เปียกผิวไม่ได้ตามธรรมชาติ) เปียกผิวได้ไม่ดี (คือพลังงานพื้นผิวต่ำ) เป็นโครงสร้างไม่มีขั้วและเฉื่อย และมีหน้าที่ทางเคมีของพื้นผิวไม่ดี บทความนี้อธิบายหลักวิทยาศาสตร์พื้นฐานของมุมสัมผัส การเปียกผิว และการกระตุ้นทางเคมี เพื่อให้ได้ความแข็งแรงของพันธะยึดเกาะสูง

คำถามที่พบบ่อย

มุมสัมผัสคืออะไร และเหตุใดจึงสำคัญ

คือมุมที่เกิดขึ้นระหว่างเส้นสัมผัส ณ จุดที่หยดของเหลวพบกับพื้นผิวของแข็ง กับเส้นแนวนอนของพื้นผิวนั้น การทำความเข้าใจมุมสัมผัส และปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพระหว่างของแข็งกับของเหลวที่มุมนี้แสดงออกมา ช่วยบอกได้ว่าความสามารถในการเปียกผิวเพียงพอสำหรับการยึดติดหรือไม่

เหตุใดจึงวัดมุมสัมผัสไดนามิกแทนมุมสัมผัสสถิต

เพราะการผลิตในภาคอุตสาหกรรมเป็นแบบไดนามิก ไม่ใช่สถิต การทดสอบเฉพาะมุมสัมผัสสถิตอาจนำไปสู่การตีความรอยต่อของเหลว/ของแข็งและตัวปัญหาการยึดติดผิดพลาด

มุมรุกและมุมถอยของมุมสัมผัสแตกต่างกันอย่างไร

มุมรุกไวต่อองค์ประกอบพลังงานต่ำที่ยังไม่ผ่านการปรับสภาพของพื้นผิวมากที่สุด ส่วนมุมถอยไวต่อหมู่ออกซิไดซ์พลังงานสูงที่เกิดจากการปรับสภาพมากกว่า ทำให้มุมถอยเป็นการวัดที่มีความหมายมากกว่าบนพื้นผิวที่ผ่านการปรับสภาพ

การเพิ่มพลังงานพื้นผิวเพียงพอที่จะแก้ปัญหาการยึดติดหรือไม่

ไม่พอ มีแนวโน้มอย่างมากที่จะมุ่งเน้นการวัดมุมสัมผัสเป็นตัวทำนายเพียงอย่างเดียว แต่หน้าที่ทางเคมีของพื้นผิวสำคัญไม่แพ้กัน พื้นผิวไม่ชอบน้ำต้องถูกเปลี่ยนอย่างจริงจังให้เป็นพื้นผิวชอบน้ำที่ยึดติดได้ผ่านการออกซิเดชันในสถานะแก๊ส

หลักวิทยาศาสตร์นี้ครอบคลุมการใช้งานด้านการยึดติดแบบใดบ้าง

มากกว่ากาวอย่างอีพอกซี ยูรีเทน อะคริลิก และซิลิโคนมาก ใช้ได้เท่ากันกับหมึกพิมพ์ สีและสารเคลือบ สารห่อหุ้ม สารอัดฉีดกันความชื้น และการเคลือบผิวด้วยโลหะ ทั้งในชุดประกอบพลาสติกกับพลาสติก พลาสติกกับโลหะ พลาสติกกับคอมโพสิต และออปโตเมคานิก

มุมสัมผัส

พิจารณาหยดของเหลวหยดเดียวบนพื้นผิวของแข็งเรียบที่อยู่นิ่ง (สภาวะสมดุล) มุมมองภาคตัดขวางแสดงไว้ด้านล่าง (รูปที่ 1) มุมที่เกิดจากพื้นผิวของแข็งกับเส้นสัมผัสของพื้นผิวด้านบนที่จุดปลายเรียกว่ามุมสัมผัส มุมสัมผัสคือมุมระหว่างเส้นสัมผัส ณ จุดสัมผัสกับเส้นแนวนอนของพื้นผิวของแข็ง การทำความเข้าใจมุมสัมผัสและคุณสมบัติทางกายภาพของปฏิสัมพันธ์ระหว่างของแข็งกับของเหลวให้ข้อมูลที่มีคุณค่าในการกำหนดสภาวะความสามารถในการเปียกผิวที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการยึดติดด้วยแรงยึดเกาะ

รูปร่างของฟองอากาศ/หยดเกิดจากแรงระหว่างโมเลกุลที่ทำให้ของเหลวทุกชนิดหดผิวเพื่อให้ปริมาตรที่บรรจุอยู่มีรูปทรงที่มีพื้นที่ผิวน้อยที่สุด แรงระหว่างโมเลกุลที่ทำให้พื้นผิวหดเรียกว่าแรงตึงผิว แรงตึงผิวซึ่งเป็นการวัดพลังงานพื้นผิวที่แสดงเป็น "dynes/cm" (หรือ mN/m ในหน่วย SI) คือคุณสมบัติ (อันเนื่องมาจากแรงระหว่างโมเลกุล) ที่ทำให้ของเหลวทุกชนิดหดผิวเพื่อให้ปริมาตรที่บรรจุอยู่มีรูปทรงที่มีพื้นที่ผิวน้อยที่สุด

ยิ่งพลังงานพื้นผิวของวัสดุรองรับที่เป็นของแข็งสูงกว่าแรงตึงผิวของของเหลว (น้ำ หมึกพิมพ์ กาว/สารห่อหุ้ม สารเคลือบ ฯลฯ) มากเท่าใด "ความสามารถในการเปียกผิว" ก็ยิ่งดีขึ้นและมุมสัมผัสก็ยิ่งเล็กลง โดยหลักการ จะได้การยึดเกาะที่ยอมรับได้เมื่อพลังงานพื้นผิวของวัสดุรองรับ (วัดเป็น dynes/cm) สูงกว่าแรงตึงผิวของของเหลวประมาณ 8-10 dynes/cm (รูปที่ 2)

การทดสอบการเปียกผิวเกี่ยวข้องกับการวัดมุมสัมผัส เมื่อของเหลวเปียกวัสดุรองรับ (คือผลิตภัณฑ์พอลิเมอร์) ไม่สมบูรณ์ จะเกิดมุมสัมผัส มุมสัมผัสเป็นการวัดเชิงปริมาณของการเปียกของแข็งด้วยของเหลว เป็นการวัดโดยตรงของปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นระหว่างเฟสที่เกี่ยวข้อง (แก๊ส/ของเหลว/ของแข็ง หรือของเหลว/ของเหลว/ของแข็ง) รูปร่างของหยดและขนาดของมุมสัมผัสถูกควบคุมโดยแรงปฏิสัมพันธ์สามแรงของแรงตึงระหว่างผิวของแต่ละเฟสที่เกี่ยวข้อง (แก๊ส ของเหลว และของแข็ง)

สำหรับหลายการใช้งาน อาจจำเป็นต้องตรวจสอบเพียงมุมสัมผัสสมดุลสถิตโดยใช้สารละลายไดน์ตามขั้นตอนการทดสอบที่มีเอกสารกำกับ เช่น ASTM D2578 ชุดอุปกรณ์สำหรับใช้งานหรือ "ปากกา/สารละลายไดน์" ให้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์ แต่ไม่ใช่การวัดแรงตึงผิวที่แม่นยำ ผลการวัดแรงตึงผิวอาจแตกต่างกันมากตามผู้ปฏิบัติ (เทคนิค) และการตีความพฤติกรรมของของเหลวที่ "ตรงกลาง" ปากกา/สารละลายไดน์เป็นที่ทราบกันว่าเป็นตัวบ่งชี้ทิศทางของความแตกต่างที่สำคัญของแรงตึงผิว และสามารถระบุพื้นผิวที่ยึดติดได้ "ดี" และ "ไม่ดี" ได้ในราคาประหยัด

มุมสัมผัสไดนามิก (DCA)

การทดสอบพฤติกรรมของของไหลเฉพาะมุมสัมผัสสถิตอาจนำไปสู่การตีความผลรอยต่อของเหลว/ของแข็งผิดพลาดและการแก้ปัญหาการยึดติดที่ไม่ถูกต้อง เพราะการดำเนินงานผลิตในภาคอุตสาหกรรมเป็นสภาวะแบบไดนามิกที่สมจริงกว่า ไม่ใช่สถิต ดังนั้นจึงสำคัญที่สุดที่ต้องเข้าใจมุมสัมผัสไดนามิก (DCA)

โดยทั่วไปถือว่ามุมสัมผัสได้รับผลจากทั้งการเปลี่ยนแปลงของเคมีพื้นผิวและลักษณะภูมิประเทศของพื้นผิว มุมรุกไวต่อองค์ประกอบพลังงานต่ำ (ที่ยังไม่ปรับสภาพ) ของพื้นผิววัสดุรองรับมากที่สุด ส่วนมุมถอยไวต่อหมู่ออกซิไดซ์พลังงานสูงที่เกิดจากการปรับสภาพพื้นผิวมากกว่า ดังนั้น มุมถอยจึงเป็นการวัดที่แสดงลักษณะของส่วนที่ถูกปรับเปลี่ยนของพื้นผิวหลังการปรับสภาพได้ดีที่สุด เมื่อวัดโดยใช้สารละลายไดน์ ด้วยเหตุนี้ จึงสำคัญที่ต้องวัดทั้งมุมรุกและมุมถอยบนวัสดุที่ผ่านการปรับพื้นผิวทุกชนิด1 (รูปที่ 3)

เมื่อหยดติดอยู่กับพื้นผิวของแข็งและเอียงพื้นผิวของแข็ง หยดจะพุ่งไปข้างหน้าและเลื่อนลง มุมที่เกิดขึ้นเรียกตามลำดับว่ามุมรุก (θa) และมุมถอย (θr) ASTM D724 อธิบายวิธีวัด DCA ด้วยอุปกรณ์ขั้นสูง (เครื่องวัดแรงตึงผิวเชิงแสงและโกนิโอมิเตอร์) เพื่อวิเคราะห์มุมรุกและมุมถอยโดยอิงจากการวิเคราะห์รูปร่างของหยดและมวล

การกระตุ้นพื้นผิวทางเคมี

ผู้ผลิตมีแนวโน้มอย่างมากที่จะมุ่งเน้นเฉพาะการวัดมุมสัมผัสเป็นตัวทำนายเพียงอย่างเดียวของปัญหาการยึดติด และในการทดสอบพื้นผิวเป็นประจำ แต่หน้าที่ทางเคมีของพื้นผิวสำคัญไม่แพ้กัน ซึ่งพื้นผิวไม่ชอบน้ำถูกกระตุ้นให้เป็นพื้นผิวชอบน้ำที่ยึดติดได้ กระบวนการปรับสภาพในสถานะแก๊ส "การปล่อยประจุเรืองแสง" และการออกซิเดชันพื้นผิว ถูกใช้สำหรับการกระตุ้นพื้นผิวทางเคมี

วิธีกระบวนการออกซิเดชันพื้นผิวในสถานะแก๊ส ได้แก่ โคโรนาดิสชาร์จไฟฟ้า การปรับสภาพด้วยเปลวไฟ พลาสมาแก๊สเย็น และการฉายรังสีอัลตราไวโอเลต แต่ละวิธีเหมาะกับงานเฉพาะและมีข้อดีและข้อจำกัดที่อาจเกิดขึ้นแตกต่างกัน

ปฏิกิริยาเคมีและกายภาพพื้นฐานที่เกิดขึ้นคือ อิเล็กตรอนอิสระ ไอออน สปีชีส์กึ่งเสถียร อนุมูลอิสระ และ UV ที่เกิดขึ้นในพลาสมาสามารถกระทบพื้นผิวด้วยพลังงานที่มากพอจะทำลายพันธะโมเลกุลบนพื้นผิวของวัสดุรองรับพอลิเมอร์ส่วนใหญ่ ซึ่งสร้างอนุมูลอิสระที่ว่องไวมากบนพื้นผิวพอลิเมอร์ อนุมูลอิสระเหล่านี้สามารถเกิดการเชื่อมขวาง หรือเมื่อมีออกซิเจนจะทำปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วเกิดเป็นหมู่ฟังก์ชันทางเคมีต่าง ๆ บนพื้นผิววัสดุรองรับ หมู่ฟังก์ชันมีขั้วที่เกิดขึ้นและช่วยเพิ่มความสามารถในการยึดติด ได้แก่ หมู่คาร์บอนิล (C=O) คาร์บอกซิล (HOOC) ไฮโดรเปอร์ออกไซด์ (HOO-) และไฮดรอกซิล (HO-) แม้หมู่ฟังก์ชันว่องไวในปริมาณเล็กน้อยที่รวมอยู่ในพอลิเมอร์ก็เป็นประโยชน์อย่างมากต่อการปรับปรุงหน้าที่ทางเคมีและความสามารถในการเปียกผิวของพื้นผิว นอกจากนี้ ไพรเมอร์/ตัวทำละลายทางเคมีและการขัดถูเชิงกล (รวมถึงพื้นผิวลวดลายของแม่พิมพ์) สามารถใช้เดี่ยว ๆ หรือร่วมกับการปรับสภาพในสถานะแก๊สได้2

ปัญหาการยึดติดของพอลิเมอร์แพร่หลายและไม่จำกัดเฉพาะกาว ความล้มเหลวของการยึดติดมีผลกระทบด้านต้นทุนอย่างมาก รวมถึงสมรรถนะของผลิตภัณฑ์ในภาคสนามที่ไม่ดี เศษวัสดุ/การทำงานซ้ำ ความไร้ประสิทธิภาพในการผลิต และการตรวจสอบควบคุมคุณภาพที่เพิ่มขึ้น ด้วยการเข้าใจหลักวิทยาศาสตร์พื้นฐานของมุมสัมผัส การเปียกผิว และการกระตุ้นทางเคมี ปัญหาการยึดติดแทบทุกกรณีสามารถแก้ได้สำเร็จ แม้เมื่อใช้วัสดุพอลิเมอร์และอีลาสโตเมอร์ที่ยึดติดยากที่สุด

เอกสารอ้างอิง

• Mark Strobel, Christopher Lyons, 3M Company, 3M Center, 1995
• Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc., "Surface Wetting Pretreatment Methods," Plastics Decorating Magazine, 2002
• Acknowledgement: Enercon Industries Corporation – photos

Scott R. Sabreen เป็นผู้ก่อตั้งและประธานของ The Sabreen Group, Inc. The Sabreen Group เป็นบริษัทที่ปรึกษาด้านวิศวกรรมระดับโลกที่เชี่ยวชาญด้านกระบวนการผลิตพลาสติกขั้นที่สอง ได้แก่ การปรับสภาพพื้นผิว การยึดติดด้วยแรงยึดเกาะ การตกแต่งและการเก็บงานผิว การมาร์กด้วยเลเซอร์ และความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ สอบถามข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่ (888) SABREEN หรือเยี่ยมชม www.sabreen.com หรือ www.plasticslasermarking.com

---