प्लास्टिक आसंजन समस्याओं के समाधान का विज्ञान: संपर्क कोण – सतह वेटिंग – रासायनिक सक्रियण

प्लास्टिक आसंजन समस्याओं के समाधान का विज्ञान: संपर्क कोण – सतह वेटिंग – रासायनिक सक्रियण

मुख्य निष्कर्ष

• बंधन केवल चिपकाने वाले पदार्थों की बात नहीं है। वही विज्ञान इंक, पेंट, कोटिंग्स, एन्कैप्सुलेंट, पॉटिंग और मेटलाइज़ेशन पर भी लागू होता है।
• चार गुण प्लास्टिक को जोड़ना कठिन बनाते हैं — जल-विरोधी होना, निम्न सतह ऊर्जा, अध्रुवीय और निष्क्रिय होना, तथा खराब सतह रासायनिक क्रियाशीलता।
• केवल स्थैतिक संपर्क कोण भ्रामक है। उत्पादन गतिशील होता है, स्थैतिक नहीं, इसलिए गतिशील संपर्क कोण अधिक मायने रखते हैं।
• अग्रगामी और पश्चगामी कोण अलग-अलग चीज़ें मापते हैं — अग्रगामी कोण अपरिवर्तित सतह को दर्शाता है, पश्चगामी कोण पूर्व-उपचारित सतह को।
• वेटिंग समस्या का केवल आधा भाग है। रासायनिक सतह क्रियाशीलता बनानी पड़ती है, केवल सतह ऊर्जा बढ़ाना पर्याप्त नहीं।

पॉलिमर आसंजन बंधन की समस्याएँ पूरे प्लास्टिक उद्योग में व्यापक हैं। द्वि- और त्रि-आयामी उत्पादों में प्रायः प्लास्टिक-से-प्लास्टिक, प्लास्टिक-से-धातु, प्लास्टिक-से-कम्पोज़िट, ऑप्टोमैकेनिकल आदि का बंधन शामिल होता है। आसंजन बंधन अनुप्रयोग केवल चिपकाने वाले पदार्थों (एपॉक्सी, यूरेथेन, ऐक्रेलिक, सिलिकोन आदि) तक सीमित नहीं हैं, बल्कि इनमें प्रिंटिंग इंक, पेंट और कोटिंग्स, एन्कैप्सुलेंट, पॉटिंग यौगिक, मेटलाइज़ेशन आदि का आसंजन भी शामिल है।

प्लास्टिक सब्सट्रेट को जोड़ना कठिन होता है, क्योंकि वे जल-विरोधी (स्वाभाविक रूप से वेट न होने वाली) सामग्रियाँ हैं; उनकी सतह वेटेबिलिटी कम होती है (अर्थात निम्न सतह ऊर्जा); वे अध्रुवीय, निष्क्रिय संरचनाएँ हैं; और उनकी सतह की रासायनिक क्रियाशीलता खराब होती है। यह लेख मज़बूत आसंजन बंधन शक्ति प्राप्त करने के लिए संपर्क कोण, सतह वेटिंग और रासायनिक सक्रियण के मूल विज्ञान की चर्चा करता है।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

संपर्क कोण क्या है और यह क्यों महत्वपूर्ण है?

वह कोण जो उस बिंदु पर स्पर्श रेखा और उस सतह की क्षैतिज रेखा के बीच बनता है जहाँ द्रव की बूँद ठोस सतह से मिलती है। इसे और इसके द्वारा दर्शाई गई ठोस और द्रव के बीच की भौतिक पारस्परिक क्रिया को समझना ही बताता है कि सतह की वेटेबिलिटी बंधन के लिए पर्याप्त है या नहीं।

स्थैतिक के बजाय गतिशील संपर्क कोण क्यों मापें?

क्योंकि औद्योगिक उत्पादन गतिशील होता है, स्थैतिक नहीं। केवल स्थैतिक संपर्क कोण का परीक्षण द्रव/ठोस इंटरफ़ेस और बंधन समस्या की ही गलत व्याख्या का कारण बन सकता है।

अग्रगामी और पश्चगामी संपर्क कोण में क्या अंतर है?

अग्रगामी कोण सतह के निम्न-ऊर्जा, अपरिवर्तित घटकों के प्रति सबसे संवेदनशील होता है, जबकि पश्चगामी कोण पूर्व-उपचार द्वारा लाए गए उच्च-ऊर्जा ऑक्सीकृत समूहों के प्रति अधिक संवेदनशील होता है। इसलिए उपचारित सतह पर पश्चगामी कोण अधिक सार्थक माप है।

क्या सतह ऊर्जा बढ़ाना बंधन की समस्या ठीक करने के लिए पर्याप्त है?

नहीं। संपर्क कोण मापों को ही एकमात्र पूर्वानुमान मानने की प्रबल प्रवृत्ति है, परंतु रासायनिक सतह क्रियाशीलता भी उतनी ही महत्वपूर्ण है — जल-विरोधी सतहों को गैस-फ़ेज़ ऑक्सीकरण द्वारा सक्रिय रूप से बंधन योग्य जल-प्रेमी सतहों में बदलना पड़ता है।

यह विज्ञान कौन-से बंधन अनुप्रयोगों को कवर करता है?

एपॉक्सी, यूरेथेन, ऐक्रेलिक और सिलिकोन जैसे चिपकाने वाले पदार्थों से कहीं अधिक। यह प्रिंटिंग इंक, पेंट और कोटिंग्स, एन्कैप्सुलेंट, पॉटिंग यौगिकों और मेटलाइज़ेशन पर, तथा प्लास्टिक-से-प्लास्टिक, प्लास्टिक-से-धातु, प्लास्टिक-से-कम्पोज़िट और ऑप्टोमैकेनिकल असेंबली में समान रूप से लागू होता है।

संपर्क कोण

विराम अवस्था (साम्यावस्था) में एक समतल ठोस सतह पर द्रव की एकल बूँद पर विचार करें। अनुप्रस्थ काट का दृश्य नीचे दिखाया गया है (चित्र 1)। ठोस सतह और अंतिम बिंदु पर ऊपरी सतह की स्पर्श रेखा के बीच बनने वाले कोण को संपर्क कोण कहते हैं। संपर्क कोण संपर्क बिंदु पर स्पर्श रेखा और ठोस सतह की क्षैतिज रेखा के बीच का कोण है। संपर्क कोण और ठोस तथा द्रव के बीच पारस्परिक क्रिया के इसके भौतिक गुणों को समझना इष्टतम आसंजन बंधन सतह वेटेबिलिटी स्थितियाँ निर्धारित करने में मूल्यवान जानकारी देता है।

बुलबुले/बूँद का आकार आणविक बलों के कारण होता है, जिनसे सभी द्रव सतह के संकुचन द्वारा अपने आयतन को न्यूनतम सतह क्षेत्रफल वाले आकार में लाने की प्रवृत्ति रखते हैं। सतह को सिकोड़ने वाले अंतर-आणविक बलों को पृष्ठ तनाव कहते हैं। पृष्ठ तनाव, जो सतह ऊर्जा का माप है और “dynes/cm” (या SI इकाई mN/m) में व्यक्त किया जाता है, वह गुण है (आणविक बलों के कारण) जिसके द्वारा सभी द्रव सतह के संकुचन से अपने आयतन को न्यूनतम सतह क्षेत्रफल वाले आकार में लाने की प्रवृत्ति रखते हैं।

द्रव (पानी, प्रिंटिंग इंक, चिपकाने वाले पदार्थ/एन्कैप्सुलेशन, कोटिंग्स आदि) के पृष्ठ तनाव की तुलना में ठोस सब्सट्रेट की सतह ऊर्जा जितनी अधिक होगी, उसकी “वेटेबिलिटी” उतनी बेहतर होगी और संपर्क कोण उतना छोटा होगा। सामान्य नियम के रूप में, स्वीकार्य बंधन आसंजन तब प्राप्त होता है जब सब्सट्रेट की सतह ऊर्जा (dynes/cm में मापी गई) द्रव के पृष्ठ तनाव से लगभग 8-10 dynes/cm अधिक हो (चित्र 2)।

सतह वेटिंग परीक्षण में संपर्क कोण मापा जाता है। जब कोई द्रव सब्सट्रेट (यानी पॉलिमर उत्पाद) को पूरी तरह वेट नहीं करता, तो संपर्क कोण बनता है। संपर्क कोण किसी ठोस के द्रव द्वारा वेट होने का मात्रात्मक माप है। यह भाग लेने वाले फ़ेज़ (गैस/द्रव/ठोस या द्रव/द्रव/ठोस) के बीच होने वाली पारस्परिक क्रियाओं का प्रत्यक्ष माप है। बूँद का आकार और संपर्क कोण का परिमाण प्रत्येक भाग लेने वाले फ़ेज़ (गैस, द्रव और ठोस) के अंतरापृष्ठीय तनाव की तीन पारस्परिक क्रिया शक्तियों से नियंत्रित होते हैं।

अनेक अनुप्रयोगों के लिए ASTM D2578 जैसी प्रलेखित परीक्षण प्रक्रिया के अनुसार डाइन विलयनों का उपयोग करके केवल स्थैतिक साम्य संपर्क कोण की जाँच करना पर्याप्त हो सकता है। अनुप्रयोग किट या “डाइन पेन/विलयन” उपयोगी जानकारी देते हैं, परंतु वे पृष्ठ तनाव के सटीक माप नहीं हैं। पृष्ठ तनाव माप व्यक्ति (तकनीक) और “केंद्रीय” द्रव व्यवहार की व्याख्या के अनुसार काफ़ी भिन्न हो सकते हैं। डाइन पेन/विलयन पृष्ठ तनाव में महत्वपूर्ण अंतरों के दिशा-सूचक संकेतक माने जाते हैं और किफ़ायती मूल्य पर “अच्छी” और “खराब” बंधन योग्य सतहों की पहचान करने में सक्षम हैं।

गतिशील संपर्क कोण (DCA)

केवल स्थैतिक संपर्क कोण से द्रव के व्यवहार का परीक्षण द्रव/ठोस इंटरफ़ेस के परिणामों की गलत व्याख्या और बंधन समस्याओं के समाधान में चूक का कारण बन सकता है। इसका कारण यह है कि औद्योगिक विनिर्माण उत्पादन संचालन वास्तविकता में गतिशील स्थितियाँ हैं, स्थैतिक नहीं। इसलिए गतिशील संपर्क कोण (DCA) को समझना सबसे महत्वपूर्ण है।

सामान्यतः माना जाता है कि संपर्क कोण सतह रसायन में परिवर्तन और सतह स्थलाकृति में परिवर्तन, दोनों से प्रभावित होते हैं। अग्रगामी संपर्क कोण सब्सट्रेट सतह के निम्न-ऊर्जा (अपरिवर्तित) घटकों के प्रति सबसे संवेदनशील होता है, जबकि पश्चगामी कोण सतह पूर्व-उपचार द्वारा लाए गए उच्च-ऊर्जा, ऑक्सीकृत समूहों के प्रति अधिक संवेदनशील होता है। इस प्रकार, पश्चगामी कोण वास्तव में वह माप है जो पूर्व-उपचार के बाद सतह के संशोधित घटक का सबसे अधिक प्रतिनिधित्व करता है, जैसा कि डाइन विलयनों से मापा जाता है। इसलिए सभी सतह-संशोधित सामग्रियों पर अग्रगामी और पश्चगामी, दोनों संपर्क कोण मापना महत्वपूर्ण है1 (चित्र 3)।

जब बूँद ठोस सतह से चिपकी हो और ठोस सतह को झुकाया जाए, तो बूँद आगे की ओर लपकेगी और नीचे की ओर फिसलेगी। इस प्रकार बने कोणों को क्रमशः अग्रगामी कोण (θa) और पश्चगामी कोण (θr) कहते हैं। ASTM D724 उन्नत उपकरणों (ऑप्टिकल टेन्सियोमीटर और गोनियोमीटर) द्वारा बूँद के आकार के विश्लेषण और द्रव्यमान के आधार पर अग्रगामी और पश्चगामी संपर्क कोणों का विश्लेषण करके DCA मापने की विधियों का वर्णन करता है।

रासायनिक सतह सक्रियण

निर्माताओं में बंधन समस्याओं के एकमात्र पूर्वानुमान के रूप में और नियमित सतह परीक्षण के लिए केवल संपर्क कोण मापों पर ध्यान केंद्रित करने की प्रबल प्रवृत्ति है। रासायनिक सतह क्रियाशीलता भी उतनी ही महत्वपूर्ण है, जिसमें जल-विरोधी सतहों को बंधन योग्य जल-प्रेमी सतहों में सक्रिय किया जाता है। रासायनिक सतह सक्रियण के लिए गैस-फ़ेज़, “ग्लो-डिस्चार्ज” और सतह ऑक्सीकरण पूर्व-उपचार प्रक्रियाओं का उपयोग किया जाता है।

गैस-फ़ेज़ सतह ऑक्सीकरण प्रक्रिया विधियों में इलेक्ट्रिकल कोरोना डिस्चार्ज, फ्लेम ट्रीटमेंट, कोल्ड गैस प्लाज़्मा और पराबैंगनी विकिरण शामिल हैं। प्रत्येक विधि अनुप्रयोग-विशिष्ट है और उसके अपने लाभ तथा संभावित सीमाएँ हैं।

मूल रासायनिक और भौतिक अभिक्रिया यह है कि प्लाज़्मा में उत्पन्न मुक्त इलेक्ट्रॉन, आयन, मेटास्टेबल, मूलक और UV सतह पर इतनी ऊर्जा से टकरा सकते हैं जो अधिकांश पॉलिमर सब्सट्रेट की सतह के आणविक बंधों को तोड़ने के लिए पर्याप्त है। इससे पॉलिमर सतह पर अत्यंत अभिक्रियाशील मुक्त मूलक बनते हैं, जो बदले में क्रॉस-लिंक बना सकते हैं या ऑक्सीजन की उपस्थिति में तेज़ी से अभिक्रिया करके सब्सट्रेट सतह पर विभिन्न रासायनिक क्रियात्मक समूह बना सकते हैं। बंधनक्षमता बढ़ाने वाले जो ध्रुवीय क्रियात्मक समूह बन सकते हैं, उनमें कार्बोनिल (C=O), कार्बोक्सिल (HOOC), हाइड्रोपरऑक्साइड (HOO-) और हाइड्रॉक्सिल (HO-) समूह शामिल हैं। पॉलिमर में समाविष्ट अभिक्रियाशील क्रियात्मक समूहों की छोटी मात्रा भी सतह की रासायनिक क्रियाशीलता और वेटेबिलिटी सुधारने में अत्यंत लाभदायक हो सकती है। साथ ही, रासायनिक प्राइमर/विलायक और यांत्रिक घर्षण (मोल्ड टूल टेक्सचर सहित) का उपयोग अकेले या गैस-फ़ेज़ पूर्व-उपचारों के साथ किया जा सकता है।2

पॉलिमर बंधन की समस्याएँ व्यापक हैं और केवल चिपकाने वाले पदार्थों तक सीमित नहीं हैं। बंधन विफलता से जुड़े महत्वपूर्ण लागत प्रभाव हैं, जिनमें क्षेत्र में उत्पाद का खराब प्रदर्शन, स्क्रैप/रीवर्क, उत्पादन अकुशलताएँ और गुणवत्ता नियंत्रण निरीक्षण में वृद्धि शामिल हैं। संपर्क कोण, सतह वेटिंग और रासायनिक सक्रियण के मूल विज्ञान को समझकर, सबसे कठिन-बंधन वाली पॉलिमर और इलास्टोमर सामग्रियों का उपयोग करते समय भी, लगभग किसी भी बंधन समस्या का सफलतापूर्वक समाधान किया जा सकता है।

संदर्भ

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

Scott R. Sabreen The Sabreen Group, Inc. के संस्थापक और अध्यक्ष हैं। The Sabreen Group प्लास्टिक द्वितीयक प्रसंस्करण में विशेषज्ञता रखने वाली एक वैश्विक इंजीनियरिंग कंसल्टिंग कंपनी है – सतह पूर्व-उपचार, आसंजन बंधन, डेकोरेटिंग व फिनिशिंग, लेज़र मार्किंग और उत्पाद सुरक्षा। अधिक जानकारी के लिए (888) SABREEN पर कॉल करें या www.sabreen.com अथवा www.plasticslasermarking.com पर जाएँ।

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