تجهيز البلاستيك للدهان

تجهيز البلاستيك للدهان

لا تختلف العمليات المستخدمة لتطبيق معظم الدهانات السائلة على البلاستيك كثيرًا عن تلك المستخدمة في دهان المعادن، رغم أن الطلاء بالمساحيق ما زال غير شائع على البلاستيك. كما أن بعض طرق الدهان المحددة المستخدمة على نطاق واسع مع المعادن، مثل الترسيب الكيميائي (الأوتوفوريتي) والطلاء بالترسيب الكهربائي، غير ممكنة مع البلاستيك. أما جميع التقنيات الأخرى مثل الدهان بالفرشاة والطلاء بالغمس والطلاء بالتدفق والطلاء بالستارة، بما في ذلك جميع أنواع الرش والتذرية الدوارة، فتُستخدم لطلاء المعادن والبلاستيك على حد سواء. ومع ظهور المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية والمعالجة بدرجات حرارة منخفضة لبعض طلاءات المساحيق، يجري الآن تطبيق المساحيق على بعض أنواع البلاستيك المقاومة للحرارة نسبيًا، وإن كانت هذه التقنية لا تزال في مهدها.

قابلية الطلاء متقاربة إلى حد كبير في جميع المعادن الشائعة الاستخدام في التصنيع. ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن قيم طاقة السطح والموصلية الكهربائية والموصلية الحرارية ومقاومة الحرارة في المعادن متقاربة جدًا. وهذا بالتأكيد غير صحيح في البلاستيك. فعمومًا، قيم هذه الخصائص في البلاستيك أقل بكثير منها في المعادن، كما أن القيم بين أنواع البلاستيك المختلفة تتباين تباينًا شديدًا. وحتى داخل العائلة الواحدة من البلاستيك، قد تختلف قابلية الطلاء اختلافًا مفاجئًا بسبب الفروق في الأوزان الجزيئية والإضافات المختلفة المستخدمة في تصنيع الراتنجات المتنوعة. وقد يتكون تركيب البلاستيك الأساسي من راتنج واحد فقط أو من خليط من راتنجين أو أكثر. وقد تُركَّب في تركيبة الراتنج مجموعة متنوعة من الحشوات والمواد المالئة والملدنات. وغالبًا ما تُضاف الإضافات إلى الراتنجات للحصول على خصائص فيزيائية وكيميائية مرغوبة، وتُدخل الصبغات لتغيير اللمعان أو لإضفاء اللون. ومن المرجح أن تغير طبيعة هذه الإضافات الكيميائية وكمياتها قابلية الطلاء لتلك التركيبة تغييرًا كبيرًا. وحتى القطع المصنّعة من تركيبة الراتنج نفسها ليست بالضرورة متساوية في قابلية الطلاء. فعملية القولبة أو البثق أو أي عملية تشكيل أخرى تُستخدم لإنتاج القطعة قد تؤدي دورًا مهمًا في قابلية القطعة للطلاء، بسبب الإجهاد المستحث في القطعة والتشابك في الراتنج.

تحدد الطبيعة الكيميائية للراتنج إلى حد كبير طاقة سطح البلاستيك. وعمومًا، يكون السطح ذو طاقة السطح الأعلى أسهل «ترطيبًا» بالدهان وبالتالي أكثر «قابلية للطلاء»، أي أن التصاق الطلاء يكون أفضل. وقد لوحظ أن التصاق الدهان بالمعادن غالبًا ما يكون أفضل من التصاقه بالبلاستيك، لأن المعادن تمتلك عادة طاقات سطح أعلى بكثير من البلاستيك. ويُعد انخفاض قطبية جزيئات البلاستيك مثل البولي إيثيلين والبولي بروبيلين سبب انخفاض طاقة سطح هذه الأنواع (وضعف قابليتها للطلاء). ويُعد رفع طاقة السطح، وبالتالي التصاق الدهان، أحد الأغراض الرئيسية للمعالجة الأولية للبلاستيك.

أبرز النقاط

• تنتقل معظم طرق الدهان السائل من المعادن إلى البلاستيك، لكن الترسيب الكيميائي والطلاء بالترسيب الكهربائي غير ممكنين على البلاستيك.
• الكهرباء الساكنة مشكلة خاصة بالبلاستيك. فالبلاستيك عازل، ولذلك يكتسب شحنة ويجذب الغبار المحمول في الهواء قبل الدهان.
• مواد تسهيل الفك من القالب الشمعية عدوة الدهان. أما المواد الذائبة في الماء فهي أفضل بكثير وتُزال بمنظف مائي عادي.
• تحتاج الأسطح الملساء إلى تخشين كيميائي أو ميكانيكي لإيجاد مواقع التثبيت التي يحتاجها الدهان.
• تتنبأ اختبارات التقادم المتسارع بالأداء الميداني: حرارة جافة وحرارة رطبة ومجموعة ضابطة، ثم اختبار التقشير وفق ASTM D3330.

الأسئلة الشائعة

ما الملوثات التي يجب إزالتها قبل دهان البلاستيك؟

بصمات الأصابع والغبار والوبر وبقايا مواد تسهيل الفك من القالب. ويزيل التنظيف بالمنظفات عادة الأملاح والزيوت التي تتركها الأيدي العارية، ويمكن تجنب تلوث بصمات الأصابع كليًا إذا ارتدى العاملون قفازات خالية من الوبر منذ عملية التشكيل حتى تطبيق الدهان.

لماذا تجذب القطع البلاستيكية الغبار قبل الدهان؟

لأن معظم أنواع البلاستيك عازلة أو ضعيفة التوصيل الكهربائي، فتتراكم عليها شحنات ساكنة تجذب الجسيمات المحمولة في الهواء وتحتفظ بها. والتحكم في الكهرباء الساكنة خطوة لا تحتاجها خطوط تشطيب المعادن أصلًا.

ما مواد تسهيل الفك من القالب المتوافقة مع الدهان؟

المواد الذائبة في الماء، وهي تُزال بسهولة بالتنظيف العادي بمنظف مائي. أما المواد من النوع الشمعي فيمكن أحيانًا إزالتها بالمذيب لكنها غير موصى بها للقطع التي ستُدهن، كما يُنصح بعدم استخدام المذيبات أصلًا لأسباب تتعلق بالمركبات العضوية المتطايرة (VOC) والحريق والصحة.

كيف تجعلون الدهان يلتصق بسطح بلاستيكي أملس؟

بتخشينه. فالبلاستيك منخفض طاقة السطح ومنخفض بروفيل السطح، والأسطح الملساء تعطي التصاقًا ضعيفًا. والطريقة المعتادة هي الحفر الكيميائي لتوليد خشونة دقيقة ومواقع تثبيت، ويُفضَّل أن يتم ذلك بالمذيبات الموجودة أصلًا في الدهان المطبَّق.

كيف ينبغي اختبار التصاق الدهان على المدى الطويل؟

باختبار التقادم المتسارع. ومن التصاميم العملية ثلاث مجموعات: خمسة أيام عند 158°F جافة، وخمسة أيام عند 90°F ورطوبة 90%، ومجموعة ضابطة في الظروف المحيطة. تُفحص بصريًا مقارنةً بالمجموعة الضابطة مباشرة بعد الاختبار، ثم يُجرى اختبار التقشير وفق ASTM D3330 بعد استقرار العينات، وغالبًا عند 180°.

تنظيف ركائز البلاستيك

كما هو الحال مع أي سطح آخر يراد دهانه، يجب أن يكون البلاستيك خاليًا بدرجة معقولة من أي أوساخ أو مواد غريبة. وتشمل الأوساخ الشائعة على القطع البلاستيكية المراد طلاؤها بصمات الأصابع والغبار والوبر وبقايا مواد تسهيل الفك من القالب. ويمكن عادة للتنظيف بالمنظفات أن يزيل بشكل مُرضٍ الأملاح والزيوت التي تترسب على البلاستيك عند لمسه بالأيدي العارية. ويمكن تجنب أوساخ بصمات الأصابع كليًا إذا ارتدى العاملون الذين يتعاملون مع القطع من عملية التشكيل إلى خطوة تطبيق الدهان قفازات خالية من الوبر.

معظم أنواع البلاستيك إما عازلة أو ضعيفة التوصيل الكهربائي. ونتيجة لذلك، فهي تميل إلى تراكم شحنات ساكنة تجذب جسيمات الوبر والغبار وتحتفظ بها بإحكام. وقد لا يزيل المسح بقماش لاصق جميع هذه الملوثات. ومن الطرق الممتازة لإزالة الوبر والأوساخ المنجذبة ساكنيًا استخدام نفخ هواء مزيل للكهرباء الساكنة. ويجب أن يولّد المزيل شحنات موجبة وسالبة؛ وتستخدم معظم الوحدات مصدر انبعاث مشع ضعيفًا في مصدر هواء النفخ. ويُرشَّح هواء السحب ويُنفخ الهواء المحمّل بالأيونات عبر القطعة بحيث تعادل الأيونات الموجبة والسالبة جميع الشحنات الساكنة. ويجب إجراء إزالة الكهرباء الساكنة مباشرة قبل الدهان لتكون القطع في أنظف حالة ممكنة عند دخولها عملية الطلاء. وستسمح التأخيرات بين إزالة الكهرباء الساكنة والدهان بإعادة تكوّن الشحنات، وبالتالي ستعيد القطع تجميع الجسيمات على سطحها.

وبتركيب عمليات دهان البلاستيك داخل «غرفة نظيفة» يسهل التحكم في الأوساخ مثل الغبار والوبر. ويجب ترشيح إمداد الهواء والحفاظ على رطوبة نسبية بحدود 50%. ولا يُسمح بدخول هذه الغرفة في أي وقت إلا للأشخاص المصرح لهم الذين يرتدون بدلات وقاية خالية من الوبر وشبكات شعر وأغطية أحذية.

مواد تسهيل الفك من القالب والملدنات

تتوافر بعض مواد تسهيل الفك من القالب القابلة للدهان، لكن كثيرًا من المواد الأخرى يضر بالتصاق الدهان. وقد تلزم تقنيات متنوعة لإزالة هذه المواد المستخدمة لتسهيل فصل القطع البلاستيكية عن القوالب. ويمكن أحيانًا إزالة مواد تسهيل الفك الشمعية بالتنظيف بالمذيب، لكن هذا النوع غير موصى به للقطع المراد دهانها. ويُنصح تلقائيًا تقريبًا بعدم استخدام المذيبات بسبب قيود انبعاثات VOC ومخاطر الحريق والمخاطر الصحية المحتملة للعديد من المذيبات. وتُفضَّل كثيرًا المواد الذائبة في الماء، إذ تُزال بسهولة من سطح البلاستيك بمحاليل المنظفات المائية العادية.

قد تُمزج عوامل تسهيل الفك من القالب أيضًا في تركيبات البلاستيك، وتُسمى عوامل تسهيل الفك «الداخلية». ويجب تجنب مواد تسهيل الفك الداخلية كلما أمكن. فقد لا تتأثر قابلية الطلاء فورًا، وقد تُظهر اختبارات الالتصاق ضمن ضمان الجودة التصاقًا أوليًا ممتازًا. غير أن مواد تسهيل الفك الداخلية هاجرت في بعض الحالات ببطء إلى سطح القطعة وتسببت في فشل التصاق الدهان بعد أشهر من دهان القطعة.

يمكن إضافة الملدنات إلى راتنجات القولبة لزيادة مقاومة الصدمات، لكنها كثيرًا ما تقلل التصاق الدهان تمامًا كما تفعل مواد تسهيل الفك. وبعض الملدنات تهاجر ببطء إلى السطح وتلين السطح البيني بين البلاستيك والدهان، مما يؤدي إلى فقدان الالتصاق. وفي هذه الحالة أيضًا قد تكون اختبارات التصاق الدهان الأولية مُرضية تمامًا، ثم يحدث لاحقًا رفع أو انفصال لطبقة الدهان عن سطح البلاستيك. وقد ينتج عن ذلك أعطال ميدانية مكلفة ومطالبات مسؤولية لاحقًا، بعد وقت طويل من وضع القطعة في الخدمة.

تحقيق التصاق متين للدهان

معظم الأسطح البلاستيكية منخفضة طاقة السطح، كما أنها منخفضة بطبيعتها في بروفيل السطح. وتميل الأسطح الملساء إلى إعطاء التصاق ضعيف للدهان ما لم يُخشَّن السطح أولًا بوسائل كيميائية أو ميكانيكية. وتسهم طبقات التحويل على المعادن في التصاق الدهان جزئيًا عبر السطح الدقيق الخشونة للطبقة غير العضوية المتكونة على المعدن. والطريقة الأكثر شيوعًا للتغلب على نعومة أسطح البلاستيك هي حفر السطح بعامل كيميائي لتوليد خشونة دقيقة ومواقع تثبيت توفر الالتصاق للدهان. وإن أمكن يتم الحفر بالمذيبات الموجودة في الدهان المطبَّق لتجنب خطوة معالجة منفصلة. واختيار مذيب الدهان حاسم إلى حد كبير لأن المذيبات المختلفة تحفر البلاستيك بمعدلات متفاوتة. ويجب تجنب الحفر المفرط والحفر غير الكافي. فالحفر غير الكافي لا يوفر الالتصاق المناسب؛ أما الحفر المفرط فقد يتلف البلاستيك. وقد يسبب التواء القطعة ويكشف جسيمات الحشوات والمواد المالئة المضافة، وربما يخلق مناطق قد تنزف فيها المواد الموجودة في البلاستيك إلى الطلاء. وبعض أنواع البلاستيك، مثل البولي كربونات أو البوليستيرين، قد تتشقق أو تتعرض لتشقق سطحي مفرط بفعل هجوم المذيبات التي تتحسس منها بشكل خاص. وإذا كانت في البلاستيك مناطق شديدة الإجهاد من عملية القولبة، فقد تُكوّن المذيبات شقوقًا مرئية في هذه المناطق نتيجة تخفيف الإجهاد. ولذلك يلزم قدر من الحذر عند الحفر بالمذيبات.

عند قولبة بعض أشكال القطع، توجد مناطق ينتج فيها التدفق السريع للبلاستيك أثناء الحقن حرارة احتكاك كبيرة للقطعة داخل القالب. وفي هذه المناطق يتكون جلد شديد التشابك (مصقول) يقاوم الحفر بالمذيبات. ويكون التصاق الدهان ضعيفًا في هذه المناطق ما لم تُتخذ خطوات لإزالة الجلد البلاستيكي الصلب المفرط. ويمكن إزالة الصقل من هذه المناطق بما يكفي لالتصاق مُرضٍ للدهان بالتدحرج مع وسط كاشط معتدل، أو بقذف السطح بمادة حصى معتدلة الخشونة. كما أن المعالجة بالغمس القصير في مذيب ساخن أو بخار مذيب فعالة لبعض القطع. لكن توليد الخشونة الدقيقة بالمذيبات فعال عمومًا فقط إذا كان البلاستيك نفسه قطبيًا إلى حد ما.

عندما لا تكون إزالة الصقل أو الحفر بالمذيبات فعالة أو مرغوبة، قد يلزم استخدام تفاعل كيميائي لإنشاء مجموعات مؤكسدة قطبية على السطح. وينطبق هذا خصوصًا على أسطح البلاستيك شديدة اللاقطبية. ويُعد البولي بروبيلين والبولي إيثيلين مثالين على البلاستيك منخفض القطبية الذي يُعالج بالأكسدة. ويمكن تعريض هذه الراتنجات وما يشبهها من البلاستيك منخفض القطبية لفترة وجيزة للهب مفتوح من موقد غازي. وهذا يبدأ تفاعلًا كيميائيًا مؤكسدًا (احتراقًا مبدئيًا) لا يكفي ليكون مرئيًا، لكنه يكوّن قطبية كافية على السطح لتوفير التصاق ممتاز للدهان. كما استُخدم تمرير القطع البلاستيكية عبر تفريغ كورونا كهربائي يولّد الأوزون لإحداث أكسدة السطح. إذ تنتج الكورونا ذرات أكسجين مثارة تكوّن الأوزون، الذي يهاجم بدوره البلاستيك بالأكسدة لإنتاج مجموعات قطبية مثل الهيدروكسيل والكربونيل وأجزاء حمض الكربوكسيل.

ويمكن أيضًا أكسدة سطح البلاستيك منخفض القطبية باستخدام مواد كيميائية حساسة للضوء تسمى المُحسِّسات الضوئية، ثم التعريض للأشعة فوق البنفسجية. إذ «تكسر» الأشعة فوق البنفسجية جزيئات المركبات الحساسة للضوء لتكوين جذور حرة. والجذور الحرة أنواع شديدة التفاعل تتحد في هذه العملية مع الأكسجين الموجود في الهواء. وتتفاعل جذور الأكسجين الحرة بدورها مع البلاستيك لإنتاج مجموعات قطبية على السطح.

يمكن استخدام تقنية بلازما الغاز البارد للمعالجة الأولية للبلاستيك وأكسدة السطح لتحسين خصائص السطح تحسينًا كبيرًا لالتصاق الدهان. وعندما يُجبر غاز على امتصاص طاقة كافية، يتأين أو يصبح «بلازما». ويوفر مولد ترددات راديوية الإثارة. ويُعد لحام القوس والإضاءة الفلورية مثالين على ظاهرة ينتج فيها «التوهج» عن عودة الأيونات المثارة إلى حالة طاقتها المستقرة. وضمن حدود سلامة النظام يمكن أن تستخدم هذه العملية أي غاز منفرد أو خليط من الغازات. وقد استُخدمت لهذا الغرض الأكسجين والنيتروجين والهيليوم والأرجون والهواء والأمونيا.

تتيح المعالجة بالبلازما أيضًا دهان البلاستيك بالتصاق جيد. ومفاعل البلازما عادة وعاء مفرغ مزود بمنفذ محكم الإغلاق لتحميل القطع وتفريغها. ويمكن ملاحظة تفريغ متوهج أثناء تشغيل المفاعل. وتقوم معالجة بلازما الغاز بحفر دقيق للسطح وتنشيطه معًا. فالمعالجة القصيرة تنشئ سطحًا قطبيًا عالي طاقة السطح على بلاستيك منخفض القطبية أو غير قطبي أصلًا، مما يتيح «ترطيبه» بالكامل وبانتظام بالدهان. ولا تغير عمليات البلازما عادة مظهر السطح، وبالتالي يمكن معالجة المواد دون التسبب في تغير اللون. ويمكن تحقيق التصاق ممتاز بالدهان نفسه المستخدم على المعادن. وقد تكون هذه ميزة مهمة لبعض المصنّعين، لأن الوحدة المجمعة التي تحتوي على البلاستيك والمعدن معًا يمكن دهانها في الوقت نفسه بالطلاء نفسه.

أقل فعالية استخدام عوامل الأكسدة الكيميائية في الدهان نفسه لأكسدة سطح البلاستيك بما يكفي لتوليد التصاق أفضل. وقد أكد التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء بالانعكاس أن هذه المعالجات تنتج المجموعات المؤكسجة نفسها (الهيدروكسيل والكربونيل وحمض الكربوكسيل) على سطح البلاستيك كما تنتجها عمليات الأكسدة الأخرى، لكن بكمية أقل. ولا تسبب المؤكسدات في الدهان نفسه قطبية كافية لالتصاق دائم للدهان إلا في حالات محدودة.

تزيد المعالجات الأولية للسطح نوافذ المعالجة (توسّعها). فعلى سبيل المثال، تتراوح طاقة السطح للبولي أوليفينات «غير المعالجة» بين 29 و31 dyne/cm. وفي عمليات الدهان تتطلب هذه الأسطح مستويات معالجة تتراوح بين 38 و60 dyne/cm، بحسب نوع كيمياء الطلاء، مثل المذيبي أو المائي أو الأشعة فوق البنفسجية. وكل طريقة معالجة أولية خاصة بالتطبيق ولها مزايا وقيود وانعكاسات على الكلفة. وفي ظروف معينة، قد تؤثر عمليات الأكسدة في الطور الغازي سلبًا في عمليات التصنيع اللاحقة مثل اللحام الحراري. ومن الضروري إجراء تقييم شامل قبل التطبيق في الإنتاج.

اختبار الالتصاق

تُستخدم طرق عديدة لقياس التصاق الدهان وخصائص صلادة الخدش. ويُعد اختبار التقادم المتسارع تقنية يمكن أن تساعد في التنبؤ بأداء المنتج على المدى الطويل. وتصميم التجربة التالي مثال على ذلك:

• المجموعة 1: خمسة (5) أيام، 158°F، جاف دون رطوبة
• المجموعة 2: خمسة (5) أيام، 90°F، رطوبة 90%
• المجموعة 3: مجموعة ضابطة، ظروف محيطة

يجب إجراء فحص بصري فور انتهاء الاختبار ومقارنته بالمجموعة الضابطة. وبعد استقرار العينات، ينبغي إجراء اختبارات التقشير وفق ASTM D3330. وفي كثير من التطبيقات يُستخدم اختبار التقشير عند 180° في أغلب الأحيان. ولأغراض المقارنة يُقترح أيضًا التقشير عند 90°. وقد يعطي هذا الاختبار فكرة أدق عن أداء الالتصاق، وإن كانت القيم قد تكون أدنى من المسجلة عند التقشير 180°. ولا يتنبأ تمديد اختبار المجموعة 1 من 5 أيام إلى 10 أيام بضعف الأداء الميداني لأن العلاقة ليست خطية، لكنه يشير إلى نتائج أكثر متانة.

Scott R. Sabreen هو مؤسس ورئيس The Sabreen Group Inc. (TSG). وTSG شركة تقنية متخصصة في هندسة عمليات التصنيع الثانوي للبلاستيك: المعالجة الأولية للسطح، واللصق، والتزيين والتشطيب، والوسم بالليزر. والدكتور Norman R. Roobol (770-487-9133 أو [email protected]) استشاري دهان صناعي بخبرة تزيد على 35 عامًا وله عدة كتب. لمزيد من المعلومات اتصلوا على 888-SABREEN أو زوروا: www.sabreen.com.

---