علم حل مشكلات التصاق البلاستيك: زوايا التماس – تبلل السطح – التنشيط الكيميائي

علم حل مشكلات التصاق البلاستيك: زوايا التماس – تبلل السطح – التنشيط الكيميائي

أبرز النقاط

• اللصق لا يقتصر على المواد اللاصقة. فالعلم نفسه يحكم الأحبار والدهانات والطلاءات ومواد التغليف والصب والمعدنة.
• أربع خصائص تجعل لصق البلاستيك صعبًا: كراهية الماء، وانخفاض طاقة السطح، وعدم القطبية والخمول، وضعف الوظائف الكيميائية للسطح.
• زاوية التماس الساكنة وحدها مضللة. فالإنتاج ديناميكي لا ساكن، ولذلك تكتسب زوايا التماس الديناميكية أهمية أكبر.
• تقيس زاويتا التقدم والتراجع أمرين مختلفين: فزاوية التقدم تعكس السطح غير المعدَّل، بينما تعكس زاوية التراجع السطح المعالج أوليًا.
• التبلل نصف المشكلة فقط. فيجب إنشاء وظائف كيميائية على السطح، لا الاكتفاء برفع طاقة السطح.

مشكلات الربط بالالتصاق البوليمري منتشرة في قطاع البلاستيك كله. فالمنتجات ثنائية وثلاثية الأبعاد غالبًا ما تتضمن لصق بلاستيك ببلاستيك، وبلاستيك بمعدن، وبلاستيك بمادة مركبة، وتجميعات بصرية ميكانيكية وغيرها. ولا تقتصر تطبيقات الربط بالالتصاق على المواد اللاصقة (الإيبوكسي والبولي يوريثان والأكريليك والسيليكون وغيرها)، بل تشمل التصاق أحبار الطباعة والدهانات والطلاءات ومواد التغليف ومركبات الصب والمعدنة وغيرها.

يصعب لصق ركائز البلاستيك لأنها مواد كارهة للماء (غير قابلة للتبلل بطبيعتها)، وضعيفة قابلية التبلل السطحي (أي منخفضة طاقة السطح)، وذات بنى غير قطبية وخاملة، وضعيفة الوظائف الكيميائية للسطح. ويناقش هذا المقال العلم الأساسي لزوايا التماس وتبلل السطح والتنشيط الكيميائي لتحقيق قوة التصاق عالية.

الأسئلة الشائعة

ما زاوية التماس ولماذا تهم؟

هي الزاوية المتكونة بين المماس عند النقطة التي تلتقي فيها قطرة السائل بالسطح الصلب والخط الأفقي لذلك السطح. وفهمها، وفهم التفاعل الفيزيائي بين الصلب والسائل الذي تمثله، هو ما يخبركم بمدى كفاية قابلية تبلل السطح للصق.

لماذا نقيس زوايا التماس الديناميكية بدلًا من الساكنة؟

لأن الإنتاج الصناعي ديناميكي لا ساكن. فاختبار زاوية التماس الساكنة وحدها قد يؤدي إلى تفسير خاطئ للسطح البيني بين السائل والصلب ولمشكلة اللصق نفسها.

ما الفرق بين زاويتي التماس المتقدمة والمتراجعة؟

زاوية التقدم هي الأكثر حساسية للمكونات منخفضة الطاقة وغير المعدَّلة في السطح، بينما زاوية التراجع أكثر حساسية للمجموعات المؤكسدة عالية الطاقة التي تُدخلها المعالجة الأولية. ولذلك تكون زاوية التراجع القياس الأكثر دلالة على السطح المعالج.

هل يكفي رفع طاقة السطح لحل مشكلة اللصق؟

لا. فهناك ميل قوي إلى التركيز على قياسات زاوية التماس بوصفها المؤشر الوحيد، لكن الوظائف الكيميائية للسطح لا تقل أهمية، إذ يجب تحويل الأسطح الكارهة للماء تحويلًا فعّالًا إلى أسطح محبة للماء قابلة للصق عبر الأكسدة في الطور الغازي.

ما تطبيقات اللصق التي يغطيها هذا العلم؟

أكثر بكثير من المواد اللاصقة مثل الإيبوكسي والبولي يوريثان والأكريليك والسيليكون. فهو ينطبق بالقدر نفسه على أحبار الطباعة والدهانات والطلاءات ومواد التغليف ومركبات الصب والمعدنة، في تجميعات بلاستيك ببلاستيك، وبلاستيك بمعدن، وبلاستيك بمادة مركبة، وتجميعات بصرية ميكانيكية.

زاوية التماس

لنتأمل قطرة سائل واحدة على سطح صلب مستوٍ في حالة سكون (حالة الاتزان). ويظهر مقطع عرضي لها أدناه (الشكل 1). وتُسمى الزاوية المتكونة بين السطح الصلب والمماس للسطح العلوي عند نقطة النهاية زاوية التماس، وهي الزاوية بين المماس عند نقطة التلامس والخط الأفقي للسطح الصلب. ويوفر فهم زاوية التماس وخصائصها الفيزيائية الخاصة بالتفاعل بين الأجسام الصلبة والسوائل معلومات قيّمة لتحديد ظروف قابلية تبلل السطح المثلى للربط بالالتصاق.

يعود شكل الفقاعة أو القطرة إلى القوى الجزيئية التي تجعل السوائل كلها، عبر انكماش سطحها، تميل إلى وضع الحجم المحتوى في شكل ذي أصغر مساحة سطحية. وتُسمى القوى بين الجزيئية المسببة لانكماش السطح التوتر السطحي. والتوتر السطحي، وهو مقياس لطاقة السطح يُعبَّر عنه بـ «داين/سم» (أو mN/m في النظام الدولي)، هو الخاصية (الناتجة عن القوى الجزيئية) التي تميل السوائل كلها بموجبها، عبر انكماش السطح، إلى وضع الحجم المحتوى في شكل ذي أصغر مساحة سطحية.

وكلما ارتفعت طاقة سطح الركيزة الصلبة نسبةً إلى التوتر السطحي للسائل (الماء أو أحبار الطباعة أو المواد اللاصقة/مواد التغليف أو الطلاءات وغيرها)، تحسنت «قابلية التبلل» وصغرت زاوية التماس. وكقاعدة عامة يتحقق التصاق مقبول عندما تزيد طاقة سطح الركيزة (المقاسة بوحدة داين/سم) بنحو 8-10 داين/سم على التوتر السطحي للسائل (الشكل 2).

يتضمن اختبار تبلل السطح قياس زاوية التماس. فحين لا يبلّل السائل الركيزة (أي المنتج البوليمري) بالكامل تتشكل زاوية تماس. وزاوية التماس مقياس كمي لتبلل السائل للجسم الصلب، وهي مقياس مباشر للتفاعلات الجارية بين الأطوار المشاركة (غاز/سائل/صلب أو سائل/سائل/صلب). ويخضع شكل القطرة ومقدار زاوية التماس لقوى التفاعل الثلاث المتمثلة في التوتر البيني لكل طور مشارك (الغاز والسائل والصلب).

وفي كثير من التطبيقات قد يكفي فحص زاوية التماس الساكنة عند الاتزان باستخدام محاليل الداين وفق إجراء اختبار موثق مثل ASTM D2578. وتوفر مجموعات التطبيق أو «أقلام/محاليل الداين» معلومات مفيدة، لكنها ليست قياسات دقيقة للتوتر السطحي. فقياسات التوتر السطحي قد تتباين كثيرًا بحسب الفرد (التقنية) وتفسير سلوك السائل «المركزي». ومن المعروف أن أقلام/محاليل الداين مؤشرات اتجاهية للفروق الكبيرة في التوتر السطحي، وقادرة على تمييز الأسطح «الجيدة» من «السيئة» من حيث قابلية اللصق بسعر اقتصادي.

زوايا التماس الديناميكية (DCA)

إن اختبار سلوك السائل عبر زاوية التماس الساكنة فقط قد يؤدي إلى تفسير خاطئ لنتائج السطح البيني بين السائل والصلب ولحل مشكلات اللصق. وذلك لأن عمليات الإنتاج الصناعي أقرب واقعيًا إلى ظروف ديناميكية لا ساكنة. ولذلك فإن فهم زوايا التماس الديناميكية (DCA) هو الأهم.

وتُعد زوايا التماس متأثرة عمومًا بكل من التغيرات في كيمياء السطح والتغيرات في طبوغرافيته. فزاوية التقدم هي الأكثر حساسية للمكونات منخفضة الطاقة (غير المعدَّلة) في سطح الركيزة، بينما زاوية التراجع أكثر حساسية للمجموعات المؤكسدة عالية الطاقة التي تُدخلها المعالجات الأولية للسطح. ومن ثم فإن زاوية التراجع هي في الواقع القياس الأكثر تمثيلًا للمكوِّن المعدَّل من السطح بعد المعالجات الأولية، عند قياسها باستخدام محاليل الداين. ولذلك من المهم قياس زاويتي التقدم والتراجع على جميع المواد المعدَّلة السطح1 (الشكل 3).

عندما تلتصق قطرة بسطح صلب ثم يُميَّل هذا السطح، تندفع القطرة إلى الأمام وتنزلق إلى الأسفل. وتُسمى الزاويتان المتكونتان على التوالي زاوية التقدم (?a) وزاوية التراجع (?r). ويصف معيار ASTM D724 طرق قياس DCA باستخدام معدات متقدمة (مقاييس التوتر البصرية ومقاييس الزوايا) لتحليل زاويتي التقدم والتراجع اعتمادًا على تحليل شكل القطرة وكتلتها.

التنشيط الكيميائي للسطح

يميل المصنّعون ميلًا قويًا إلى التركيز على قياسات زاوية التماس وحدها بوصفها المؤشر الوحيد لمشكلات اللصق ولإجراء اختبارات السطح الروتينية. لكن الوظائف الكيميائية للسطح لا تقل أهمية، إذ تُنشَّط الأسطح الكارهة للماء لتصبح أسطحًا محبة للماء قابلة للصق. وتُستخدم عمليات المعالجة الأولية في الطور الغازي و«التفريغ المتوهج» وأكسدة السطح للتنشيط الكيميائي للسطح.

تشمل طرق أكسدة السطح في الطور الغازي التفريغ الكهربائي بالكورونا والمعالجة باللهب وبلازما الغاز البارد والتشعيع بالأشعة فوق البنفسجية. ولكل طريقة تطبيقاتها الخاصة ومزاياها الفريدة وقيودها المحتملة.

يمكن للتفاعل الكيميائي والفيزيائي الأساسي الذي يحدث في الإلكترونات الحرة والأيونات والأنواع شبه المستقرة والجذور والأشعة فوق البنفسجية المتولدة في البلازما أن يؤثر في السطح بطاقات كافية لكسر الروابط الجزيئية على سطح معظم ركائز البوليمرات. وهذا يُنتج جذورًا حرة شديدة التفاعل على سطح البوليمر يمكنها بدورها أن تتشكل أو تتشابك، أو تتفاعل بسرعة بوجود الأكسجين لتكوين مجموعات وظيفية كيميائية متنوعة على سطح الركيزة. ومن المجموعات الوظيفية القطبية التي قد تتكون وتعزز قابلية اللصق مجموعات الكربونيل (C=O) والكربوكسيل (HOOC) والهيدروبيروكسيد (HOO-) والهيدروكسيل (HO-). وحتى الكميات الصغيرة من المجموعات الوظيفية التفاعلية المدمجة في البوليمرات قد تكون مفيدة جدًا في تحسين الوظائف الكيميائية للسطح وقابلية التبلل. كما يمكن استخدام طبقات الأساس/المذيبات الكيميائية والصنفرة الميكانيكية (بما في ذلك نسيجة أداة القالب) منفردة أو بالتزامن مع المعالجات الأولية في الطور الغازي.2

مشكلات لصق البوليمرات واسعة الانتشار ولا تقتصر على المواد اللاصقة. وترتبط بفشل اللصق تبعات مالية كبيرة، منها ضعف أداء المنتج في الميدان، والهالك وإعادة التصنيع، وتراجع كفاءة الإنتاج، وزيادة فحوصات مراقبة الجودة. ومن خلال فهم العلم الأساسي لزوايا التماس وتبلل السطح والتنشيط الكيميائي يمكن حل أي مشكلة لصق تقريبًا بنجاح، حتى عند استخدام أصعب المواد البوليمرية والمرنة في اللصق.

المراجع

• Mark Strobel, Christopher Lyons, 3M Company, 3M Center, 1995
• Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc., “Surface Wetting Pretreatment Methods,” Plastics Decorating Magazine, 2002
• شكر وتقدير: Enercon Industries Corporation – الصور

Scott R. Sabreen هو مؤسس ورئيس The Sabreen Group, Inc. وThe Sabreen Group شركة استشارات هندسية عالمية متخصصة في عمليات التصنيع الثانوية للبلاستيك: المعالجة الأولية للسطح، والربط بالالتصاق، والتزيين والتشطيب، والوسم بالليزر، وأمن المنتج. لمزيد من المعلومات اتصلوا على (888) SABREEN أو زوروا www.sabreen.com أو www.plasticslasermarking.com.

---