पॉलिमर के आसंजन में सुधार के लिए UV/ओज़ोन सतह पूर्व-उपचार

पॉलिमर के आसंजन में सुधार के लिए UV/ओज़ोन सतह पूर्व-उपचार

लेखक की टिप्पणी: कई पॉलिमर और रबर पर प्रिंटिंग व आसंजन की समस्याएँ पूरे उद्योग में आम हैं। इसका एक प्रमुख कारण पॉलिमर की स्वाभाविक रूप से कम सतह ऊर्जा है। सतह ऑक्सीकरण प्रक्रियाएँ पॉलिमर सतहों को ऑक्सीकृत करके उन्हें अधिक वेटेबल (गीला होने योग्य) बना सकती हैं।

पराबैंगनी (UV)/ओज़ोन पूर्व-उपचार एक अत्यंत प्रभावी प्रकाश-रासायनिक ऑक्सीकरण प्रक्रिया है, जो पॉलिमर सतहों से कार्बनिक संदूषकों को हटाती है और आसंजन में सुधार करती है। यह प्रक्रिया सामान्य परिवेश स्थितियों में होती है, उपयोग में आसान है और किफ़ायती है। इस लेख में UV/ओज़ोन पूर्व-उपचार, इसकी रासायनिक क्रियाविधि और अनुप्रयोगों के लाभों की चर्चा की गई है।

थर्मोप्लास्टिक अध्रुवीय, स्वभाव से जल-विरोधी और कम सतह ऊर्जा वाले सब्सट्रेट होते हैं, जो सामान्यतः समान या भिन्न सामग्रियों से अच्छी तरह नहीं चिपकते। इसका मुख्य कारण उनकी कमज़ोर सीमा परतें हैं, जो पॉलीमराइज़ेशन के दौरान आई अशुद्धियों, सतह पर मौजूद कम आणविक भार वाले पदार्थों, एंटीऑक्सीडेंट व स्लिप एजेंट जैसे एडिटिव्स, मोल्ड रिलीज़ एजेंट जैसे बाहरी प्रोसेसिंग सहायकों और निर्माण के बाद के संदूषकों से बनती हैं।

मुख्य बिंदु

• दो तरंगदैर्घ्य काम करते हैं। 184.9 nm ओज़ोन बनाता है; 253.7 nm उसे अत्यंत अभिक्रियाशील परमाणु ऑक्सीजन में विघटित करता है।
• यह कोल्ड गैस ऑक्सीजन प्लाज़्मा से अधिक सौम्य है, क्योंकि इसमें उच्च गतिज ऊर्जा वाले कण शामिल नहीं होते।
• UV/ओज़ोन फ्लेम, कोरोना या प्लाज़्मा उपचार की तुलना में सामग्री के भीतर अधिक गहराई तक पहुँचता है।
• पहले सफ़ाई करें। UVO कार्बनिक संदूषकों को अच्छी तरह हटाता है, लेकिन अकार्बनिक गंदगी, धूल और लवणों पर अप्रभावी है।
• भंडारण की स्थितियाँ शेल्फ लाइफ बदल देती हैं — आर्द्रता-रहित या निर्वात भंडारण COC और PC में जल-विरोधी गुणों की वापसी को रोकता है, परंतु PMMA में नहीं।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

UV/ओज़ोन पूर्व-उपचार वास्तव में कैसे काम करता है?

एक निम्न-दाब मर्करी वेपर लैंप 184.9 nm और 253.7 nm तरंगदैर्घ्य उत्पन्न करता है। 184.9 nm ऑक्सीजन अणुओं को तोड़कर ओज़ोन बनाता है; 253.7 nm उस ओज़ोन को उच्च-ऊर्जा सक्रिय परमाणु ऑक्सीजन में विघटित करता है। परमाणु ऑक्सीजन की एक स्थिर-अवस्था सांद्रता बन जाती है, जो प्रबल ऑक्सीकारक के रूप में पॉलिमर श्रृंखलाओं से हाइड्रोजन अलग कर देती है।

कौन से पॉलिमर UV/ओज़ोन पर अच्छी प्रतिक्रिया देते हैं?

ABS, COC, COP, EPDM, PDMS, PET, PMMA, पॉलीओलेफ़िन, SBS, पॉलीकार्बोनेट, PVC और स्टाइरीन। यह प्रक्रिया मेडिकल माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों में केशिका द्रव प्रवाह को अधिकतम करने और फुटवियर में थर्मोप्लास्टिक व रबर सतहों को सक्रिय करने के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है।

क्या केवल UV प्रकाश पर्याप्त है, या ओज़ोन भी आवश्यक है?

यह पॉलिमर पर निर्भर करता है। कुछ पॉलिमर के लिए ओज़ोन की उपस्थिति में फोटो-ऑक्सीकरण, अकेले ओज़ोन या अकेले UV प्रकाश से अधिक प्रभावी पाया गया है, जबकि अन्य के लिए केवल UV प्रकाश पर्याप्त है। सभी पॉलिमर एक जैसी प्रतिक्रिया नहीं देते, इसलिए अनुकूलन हमेशा आवश्यक है।

क्या UV/ओज़ोन सतह को सक्रिय करने के साथ साफ़ भी करता है?

यह आम तौर पर कार्बनिक संदूषकों को हटाने में प्रभावी है, पर अकार्बनिक संदूषकों पर नहीं। सब्सट्रेट से गंदगी, धूल और लवण पहले साफ़ कर लें, क्योंकि ऑक्सीकरण क्रिया इन्हें वाष्पशील उत्पादों में नहीं बदल सकती।

UV/ओज़ोन से उपचारित सतहें कितने समय तक टिकती हैं?

पहले माने जाने से अधिक समय तक। पुरानी रिपोर्टों में अन्य ऑक्सीकरण पूर्व-उपचारों की तुलना में कम एजिंग स्थिरता का संकेत मिला था, परंतु नए अध्ययन दिखाते हैं कि महीनों तक टिकाऊपन संभव है और भंडारण की स्थिति का इस पर बड़ा प्रभाव पड़ता है। COC और PC में जल-विरोधी गुणों की वापसी को आर्द्रता-रहित या निर्वात भंडारण से रोका जा सकता है, जबकि PMMA पर भंडारण स्थिति का उल्लेखनीय प्रभाव नहीं पड़ता।

पॉलिमर का सबसे आम सतह संशोधन ऑक्सीकरण है। सतह की बनावट (टॉपोग्राफी) जैसे कारक वेटिंग में सुधार करते हैं, पर कठिन-से-जुड़ने वाले प्लास्टिक सब्सट्रेट के बीच आसंजन बढ़ाने के लिए प्लाज़्मा सतह संशोधन पूर्व-उपचार बंधन की कई समस्याएँ हल कर देते हैं। प्लाज़्मा पूर्व-उपचारों में इलेक्ट्रिकल कोरोना, वायुमंडलीय प्लाज़्मा, रिमोट कोल्ड गैस, फ्लेम और UV/ओज़ोन शामिल हैं।

इन प्रक्रियाओं की विशेषता “गैस प्लाज़्मा” उत्पन्न करने की क्षमता है, जो मुक्त इलेक्ट्रॉनों, धनात्मक आयनों और अन्य कणों से बनी अत्यंत अभिक्रियाशील गैस है। इसके साथ रासायनिक सतह कार्यात्मकीकरण भी होता है। उच्च गतिज ऊर्जा वाले कणों की अनुपस्थिति के कारण UV/ओज़ोन को आम तौर पर कोल्ड गैस ऑक्सीजन प्लाज़्मा से अधिक सौम्य माना जाता है।

पॉलिमर सतह संशोधन और आसंजन के संदर्भ में पराबैंगनी प्रकाश और ओज़ोन के संपर्क के प्रभावों का उपयोग दशकों से होता आ रहा है। वैज्ञानिक अध्ययन और औद्योगिक अनुप्रयोग उपचार को अधिकतम करने के लिए विशिष्ट पॉलिमर पर UV प्रकाश और ओज़ोन के संयोजनों का उपयोग करते हैं, अर्थात् हवा में UV प्रकाश (जिससे ओज़ोन बनता है); हवा में UV प्रकाश (जिससे ओज़ोन बनता है) के साथ आने वाली हवा में अतिरिक्त ओज़ोन; और केवल ओज़ोन। उपचार की प्रभावशीलता खुले पॉलिमर के गुणों और उपचार प्रक्रिया पर निर्भर करती है। ऑक्सीजन अवशोषण स्तरों की जाँच से पता चलता है कि सतह संशोधन कितनी तेज़ी से होता है।

UV/ओज़ोन पूर्व-उपचार के अनुप्रयोग

आधुनिक UV/ओज़ोन सिस्टम के लाभ इसे वेटेबिलिटी और मज़बूत आसंजन बंधन की आवश्यकता वाले कई 3D अनुप्रयोगों के लिए पसंदीदा पूर्व-उपचार बनाते हैं। यह प्रक्रिया शुष्क है, परिवेश स्थितियों में होती है, उपयोग में आसान और किफ़ायती है। UV/ओज़ोन मेडिकल माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों में केशिका द्रव प्रवाह को अधिकतम करने तथा फुटवियर उत्पादों में प्रयुक्त थर्मोप्लास्टिक व रबर सतहों को सक्रिय और कार्यात्मक बनाने के लिए आदर्श है। UV/ओज़ोन से लाभान्वित पॉलिमर अनुप्रयोगों में ABS, COC, COP, EPDM, PDMS, PET, PMMA, पॉलीओलेफ़िन, SBS, पॉलीकार्बोनेट, PVC और स्टाइरीन शामिल हैं।

UV/ओज़ोन उपचार

UV विकिरण विद्युत-चुंबकीय स्पेक्ट्रम का एक छोटा भाग है, जो 100 से 400 nm तक फैला है। UV/ओज़ोन – या “UVO” – पूर्व-उपचार एक फोटो-संवेदित ऑक्सीकरण प्रक्रिया है, जिसमें सब्सट्रेट सतह या कार्बनिक संदूषकों के अणु लघु-तरंगदैर्घ्य UV विकिरण के अवशोषण से उत्तेजित और/या विघटित हो जाते हैं। UV विकिरण (तरंगदैर्घ्य = 185 nm) वायुमंडलीय ऑक्सीजन से अभिक्रिया करके परमाणु ऑक्सीजन और ओज़ोन बनाता है, जो दोनों प्रबल ऑक्सीकारक हैं, और इस प्रकार सतहों से संदूषक हटाता है। ओज़ोन 254 nm UV विकिरण को अवशोषित करके आणविक ऑक्सीजन और परमाणु ऑक्सीजन में विघटित हो जाता है।

जब पॉलिमरिक अणु UV विकिरण के संपर्क में आते हैं, तो वे आम तौर पर ऑक्सीजन अणुओं के निरंतर विघटन और ओज़ोन अणुओं के निर्माण से उत्पन्न परमाणु ऑक्सीजन से निम्नलिखित क्रियाविधियों द्वारा अभिक्रिया करते हैं।

• निम्न-दाब मर्करी वेपर डिस्चार्ज ग्रिड ट्यूब दो तरंगदैर्घ्य उत्पन्न करती है, 184.9 nm और 253.7 nm।
• 184.9 nm UV ऑक्सीजन अणुओं को विघटित करके ओज़ोन O3 का संश्लेषण करता है। 184.9 nm विकिरण पर आणविक ऑक्सीजन उत्तेजित-अवस्था आणविक ऑक्सीजन O2* में बदल जाती है।
• 253.7 nm UV ओज़ोन को विघटित करके उच्च-ऊर्जा O* सक्रिय ऑक्सीजन उत्पन्न करता है। जलवाष्प की उपस्थिति में हाइड्रॉक्सिल रैडिकल भी बनते हैं। पॉलिमर सब्सट्रेट परमाणु ऑक्सीजन, आणविक ऑक्सीजन और ओज़ोन द्वारा पॉलिमर श्रृंखलाओं से हाइड्रोजन परमाणु अलग होने के माध्यम से ऑक्सीकृत होते हैं, जिससे रैडिकल कार्बन स्थल बनते हैं। ओज़ोन उपचार के बाद पॉलिमर सतह पर संभवतः हाइड्रॉक्सिल और कार्बोक्सिल समूह पाए जाते हैं।

चूँकि ओज़ोन लगातार बनता और नष्ट होता रहता है, परमाणु ऑक्सीजन की एक स्थिर-अवस्था सांद्रता बन जाती है, जहाँ वह प्रबल ऑक्सीकारक के रूप में कार्य करती है। ऑक्सीकरण से सतह अधिक ऊर्जावान हो जाती है, जिससे जल-स्नेही गुण बढ़ते हैं और वेटेबिलिटी में सुधार होता है।

UVO पूर्व-उपचार पर एक्सपोज़र समय, UV तीव्रता और UV स्रोत से दूरी, ओज़ोन सांद्रता, गैस प्रवाह दर और तापमान का बहुत प्रभाव पड़ता है। ये प्रभाव फ़िलर और एडिटिव्स सहित पॉलिमर सिस्टम की UV-अवशोषण विशेषताओं पर बहुत निर्भर करते हैं। सभी पॉलिमर UV विकिरण पर एक जैसी प्रतिक्रिया नहीं देते।

वांछित सतह गुण प्राप्त करने के लिए सामग्री पैरामीटर और प्रोसेसिंग स्थितियों का अनुकूलन हमेशा आवश्यक है। कुछ अध्ययनों में विशिष्ट पॉलिमर और प्रोसेसिंग के लिए ओज़ोन की उपस्थिति में फोटो-ऑक्सीकरण, अकेले ओज़ोन या UV प्रकाश द्वारा ऑक्सीकरण से अधिक प्रभावी पाया गया है, जबकि अन्य पॉलिमर पर केवल UV प्रकाश पर्याप्त है।

पूर्व-सफ़ाई

UVO सफ़ाई आम तौर पर कार्बनिक संदूषकों को हटाने में प्रभावी है, हालाँकि अकार्बनिक संदूषकों को हटाने में यह अप्रभावी हो सकती है। पॉलिमर सब्सट्रेट से गंदगी, धूल और लवण पहले साफ़ करने की सलाह दी जाती है, क्योंकि ऑक्सीकरण क्रिया इन्हें वाष्पशील उत्पादों में नहीं बदल सकती।

UVO-उपचारित पॉलिमर की स्थिरता

उपचारित प्लास्टिक की शेल्फ लाइफ (उपचार की एजिंग से क्षरण) रेज़िन के प्रकार, फ़ॉर्मूलेशन और भंडारण क्षेत्र के परिवेश पर निर्भर करती है। उपचारित उत्पादों की शेल्फ लाइफ कम आणविक भार वाले ऑक्सीकृत पदार्थों (LMWOM) की उपस्थिति से सीमित होती है, जैसे एंटीऑक्सीडेंट, प्लास्टिसाइज़र, स्लिप व एंटीस्टैटिक एजेंट, कलरेंट व पिगमेंट, स्टेबलाइज़र आदि। उपचारित सतहों को उच्च तापमान पर रखने से आणविक श्रृंखला की गतिशीलता बढ़ती है। श्रृंखला की गतिशीलता जितनी अधिक होगी, एजिंग उतनी ही तेज़ होगी। पूर्व-उपचारित सतहें आसपास के वातावरण से जुड़े कारकों के अनुसार अलग-अलग दर और सीमा तक एज होती हैं। सक्रिय सतहों की शेल्फ लाइफ घंटों, दिनों, महीनों या उससे अधिक हो सकती है। एजिंग विशेषताएँ और भंडारण शेल्फ लाइफ विनिर्माण प्रक्रिया संचालन के लिए अनिवार्य हैं।

कुछ अध्ययनों और अनुप्रयोग रिपोर्टों के अनुसार UVO-उपचारित प्लास्टिक की एजिंग स्थिरता अन्य ऑक्सीकरण पूर्व-उपचारों से कम हो सकती है, जो लंबे समय के भंडारण वाले अनुप्रयोगों को सीमित कर सकती है। नए अध्ययन दिखाते हैं कि UVO-उपचारित प्लास्टिक महीनों तक टिक सकते हैं, और सतह की स्थिरता पर भंडारण स्थिति का महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। विशेष रूप से, UVO-उपचारित COC और PC में जल-विरोधी गुणों की वापसी को उन्हें आर्द्रता-रहित या निर्वात स्थितियों में रखकर रोका जा सकता है, जबकि PMMA की स्थिरता भंडारण स्थिति से उल्लेखनीय रूप से प्रभावित नहीं होती। इससे भी महत्वपूर्ण यह है कि इन मापों से पता चलता है कि जल-विरोधी गुणों की वापसी पर भंडारण स्थिति का प्रभाव प्रत्येक प्रकार के प्लास्टिक के लिए अलग-अलग होता है।

निष्कर्ष

UV/ओज़ोन पूर्व-उपचार एक अत्यंत प्रभावी प्रकाश-रासायनिक ऑक्सीकरण प्रक्रिया है, जो पॉलिमर सतहों से कार्बनिक संदूषकों को हटाती है और आसंजन में सुधार करती है। यह प्रक्रिया परिवेश स्थितियों में होती है, उपयोग में आसान और किफ़ायती है। वांछित सतह गुण प्राप्त करने के लिए सामग्री पैरामीटर और प्रोसेसिंग स्थितियों का अनुकूलन हमेशा आवश्यक है। वेटेबिलिटी पर एक्सपोज़र समय, UV तीव्रता, UV स्रोत से दूरी और ओज़ोन सांद्रता का बहुत प्रभाव पड़ता है।

सभी पॉलिमर UV विकिरण पर एक जैसी प्रतिक्रिया नहीं देते। अध्ययन बताते हैं कि कुछ पॉलिमर के लिए ओज़ोन की उपस्थिति में फोटो-ऑक्सीकरण, अकेले ओज़ोन या UV प्रकाश द्वारा ऑक्सीकरण से अधिक प्रभावी है। UVO-उपचारित पॉलिमर और रबर की शेल्फ लाइफ अक्सर लंबी होती है। उपचारित उत्पादों की शेल्फ लाइफ कम आणविक भार वाले ऑक्सीकृत पदार्थों और परिवेशी भंडारण स्थितियों से सीमित होती है। कुछ प्लास्टिक में जल-विरोधी गुणों की वापसी को आर्द्रता-रहित या निर्वात स्थितियों में रखकर और रोका जा सकता है। जल-विरोधी गुणों की वापसी पर भंडारण स्थिति का प्रभाव प्रत्येक प्रकार के प्लास्टिक के लिए अलग होता है।

संदर्भ

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• Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc. “Plasma Surface Pretreatments of Polymers for Improved Adhesion Bonding,” Plastics Decorating magazine, 2018

Scott R. Sabreen The Sabreen Group, Inc. के संस्थापक और अध्यक्ष हैं, जो एक इंजीनियरिंग कंसल्टिंग कंपनी है और द्वितीयक प्लास्टिक विनिर्माण प्रक्रियाओं – सतह पूर्व-उपचार, आसंजन बंधन, इंकजेट प्रिंटिंग, लेज़र मार्किंग, औद्योगिक कोटिंग्स, डेकोरेटिंग व फिनिशिंग और उत्पाद सुरक्षा – में विशेषज्ञता रखती है। वे 30 से अधिक वर्षों से अग्रणी प्रौद्योगिकियाँ विकसित कर रहे हैं और विनिर्माण समस्याएँ हल कर रहे हैं। उनसे 972.820.6777 पर या www.sabreen.com पर जाकर संपर्क किया जा सकता है।

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