Narzędzia inżynierskie

Kalkulator energii powierzchniowej i poziomu dyne

Sprawdzenie, czy farba drukarska, powłoka lub klej zwilży dane tworzywo, przeliczenie odczytów kąta zwilżania na energię powierzchniową oraz typowe poziomy dyne popularnych tworzyw sztucznych.

Czy zwilży? Podłoże a farba drukarska, powłoka lub klej

Ciecz zwilża powierzchnię tylko wtedy, gdy energia powierzchniowa jest wyższa niż napięcie powierzchniowe cieczy. Praktyczna zasada: akceptowalną przyczepność uzyskuje się, gdy energia tworzywa jest o ok. 8-10 dyn/cm wyższa niż napięcie farby drukarskiej, powłoki lub kleju. Należy wybrać tworzywo lub wpisać zmierzony poziom dyne, a następnie wskazać, co zostanie naniesione.

1. Tworzywo
lub
Wartość zmierzona (pisakiem dyne lub z kąta zwilżania) jest zawsze lepsza niż typowa — gatunki po obróbce, z wypełniaczami i z recyklingu znacznie się różnią.
2. Co zostanie naniesione
lub
Podane wartości są typowe. Rzeczywiste napięcie powierzchniowe podaje karta danych technicznych dostawcy – jeśli jest dostępna, należy z niej skorzystać.

Wynik · dyn/cm

29Powierzchnia: PP
32Ciecz
-3Margines (cel +10)
Brak zwilżania

Napięcie powierzchniowe cieczy jest wyższe niż energia powierzchniowa tworzywa, więc ciecz zbiera się w krople zamiast się rozpływać – i żaden czas schnięcia, docisk ani zmiana receptury nie zmieni tego rachunku. Najpierw należy przeprowadzić obróbkę wstępną.

Docelowa energia powierzchniowa dla tej cieczy: 42 dyn/cm lub więcej, mierzona w momencie drukowania, powlekania lub klejenia.

PP: Nieobrabiany PP ma ok. 29-31 dyn/cm, czyli mniej niż niemal każda farba drukarska i klej, dlatego obróbka wstępna jest w praktyce obowiązkowa. Typowe wartości docelowe to 38-44 dyn/cm. Gatunki ze środkami poślizgowymi mogą utracić większość efektu obróbki w ciągu 24 godzin.

Czy Scott ma przeanalizować ten wynik?

Prosimy podać adres e-mail i, jeśli Państwo chcą, kilka słów o detalu. Powyższe wartości zostaną dołączone do wiadomości.

Przeliczenie kąta zwilżania na energię powierzchniową (Owens–Wendt)

Roztwory testowe dyne dają odpowiedź „spełnia / nie spełnia”. Kąty zwilżania pokazują, ile wynosi energia powierzchniowa i jaka jej część jest polarna – czyli ta część, którą dodaje obróbka wstępna. Typową parą cieczy są woda i dijodometan: woda dostarcza składowej polarnej, a dijodometan jest praktycznie niepolarny. Kalkulator wykorzystuje model Owensa-Wendta-Rabela-Kaelble’a (OWRK); model należy zapisać wraz z wynikiem.

Ciecz testowa 1 (Ciecz polarna)
Ciecz testowa 2 (Ciecz niepolarna)
Należy przyjąć średnią z co najmniej pięciu kropli każdej cieczy, mierzonych na tej samej powierzchni.

Wynik · mN/m

35Całkowita
34.3Składowa dyspersyjna
0.7Składowa polarna

Polarność: 2% całości stanowi składowa polarna.

Nieobrabiane poliolefiny są niemal całkowicie dyspersyjne, a ich składowa polarna jest bliska zeru. Obróbka plazmowa, płomieniowa i koronowa wprowadza na powierzchnię grupy polarne – i to one podnoszą składową polarną.

Równanie i dane cieczy używane przez kalkulator
γL (1 + cos θ) / 2 = √(γSᵈ · γLᵈ) + √(γSᵖ · γLᵖ)

Zapisane dla każdej cieczy daje układ dwóch równań z dwiema niewiadomymi — składową dyspersyjną (γSᵈ) i polarną (γSᵖ) energii powierzchniowej ciała stałego. Ich suma to energia całkowita. Wartości dla cieczy (mN/m):

CieczCałkowitaDyspersyjnaPolarna
Woda72.821.851
Dijodometan (jodek metylenu)50.850.80
Formamid583919
Glikol etylenowy482919
Glicerol63.43726.4
1-Bromonaftalen44.444.40

Czy Scott ma przeanalizować ten wynik?

Prosimy podać adres e-mail i, jeśli Państwo chcą, kilka słów o detalu. Powyższe wartości zostaną dołączone do wiadomości.

Energia powierzchniowa popularnych tworzyw sztucznych

Typowe energie powierzchniowe nieobrabianych tworzyw sztucznych, zwykle stosowane metody obróbki wstępnej oraz typowy czas, przez jaki efekt obróbki plazmą tlenową lub powietrzną pozostaje użyteczny. Gatunek, wypełniacze, dodatki, środki antyadhezyjne i warunki przechowywania zmieniają te wartości – należy je traktować jako punkt wyjścia do planu badań, a nie jako specyfikację.

Energie powierzchniowe według danych opublikowanych przez Sabreen; † = typowa wartość literaturowa tam, gdzie Sabreen nie publikuje własnej. Kalkulator przyjmuje dolną granicę każdego zakresu. 1 dyn/cm = 1 mN/m.
Tworzywo Energia powierzchniowa bez obróbki dyn/cm = mN/m Druk / klejenie bez obróbki? Typowa obróbka wstępna Czas przydatności obróbki po plazmie powietrznej / O₂
PTFE i fluoropolimery 18-20 Nie Pyrosil® lub niskociśnieniowa plazma zimna Od minut do godzin
Silikon ok. 24 Nie Pyrosil® Od minut do godzin
Polipropylen (PP, OPP, BOPP) 29-31 Nie Obróbka płomieniowa (wypraski), obróbka koronowa (folia), plazma atmosferyczna Od godzin do kilku dni
TPO i olefinowe TPE 29-31 Nie Plazma atmosferyczna lub płomieniowa Szybko – klejenie w ciągu kilku godzin
Polietylen (LDPE, HDPE) 30-31 Nie Obróbka płomieniowa (wypraski), obróbka koronowa (folia), plazma atmosferyczna Od godzin do kilku dni
PBT ok. 32 Wymaga obróbki Plazma atmosferyczna lub niskociśnieniowa plazma zimna Od dni do tygodni
PVC plastyfikowany (miękki) 33-38 Na granicy Plazma, następnie szybki druk lub klejenie Szybko
Polistyren (PS) 33-38 Niektóre farby Obróbka płomieniowa lub plazma —
Acetal (POM) poniżej 36 Nie Niskociśnieniowa plazma zimna —
ABS 35-42 Często Czyszczenie; obróbka płomieniowa lub plazma elektryczna dla powtarzalności Od jednego do kilku tygodni
Akryl (PMMA) 38-41 † Często Czyszczenie; plazma elektryczna (płomień może zmatowić powierzchnie optyczne) Od jednego do kilku tygodni
PPS ok. 38 Nie Plazma atmosferyczna lub niskociśnieniowa plazma zimna; Pyrosil® przy długim czasie między obróbką a klejeniem Od dni do tygodni
PVC sztywny ok. 39 Często Czyszczenie; plazma przy wymagających zadaniach —
Nylon (PA 6, PA 66) 40-46 Często (suche detale) Obróbka koronowa, plazma powietrzna lub atmosferyczna, obróbka płomieniowa, niskociśnieniowa plazma zimna Od kilku dni do ok. dwóch tygodni
Poliimid ok. 40 Niektóre systemy Plazma —
PEEK 40-44 † Na granicy Niskociśnieniowa plazma zimna lub Pyrosil® Od dni do tygodni
Poliester (PET) 41-44 Niektóre systemy Obróbka koronowa (folia), plazma Od jednego do kilku tygodni
Polisulfon (PSU) ok. 41 Często Czyszczenie; plazma —
Poliwęglan (PC) 42-46 Często Czyszczenie; plazma elektryczna (płomień może zmatowić powierzchnie optyczne) Od jednego do kilku tygodni
Modyfikowany PPO ok. 47 Często Czyszczenie; plazma —

Jak mierzyć energię powierzchniową

Roztwory i pisaki testowe dyne (ASTM D2578)

Należy zacząć od wysokiego poziomu dyne – 60 – i przeciągnąć ciecz po powierzchni. Jeżeli ciecz nie rozpadnie się na krople w ciągu dwóch sekund, energia powierzchniowa wynosi co najmniej tyle. Jeżeli zbierze się w krople wcześniej, próbę powtarza się z kolejnym, niższym poziomem, aż pasek się utrzyma. Nigdy nie należy powtarzać testu w tym samym miejscu; trzeba zapisać temperaturę i wilgotność, mierzyć w wielu miejscach detalu, a nie w jednym punkcie, oraz wykonać test bezpośrednio po obróbce wstępnej i ponownie w miejscu użycia. Roztwory zachowują przydatność 6-12 miesięcy; pisaki wysychają i tracą dokładność. Roztwory testowe zawierają 2-etoksyetanol i formamid, dlatego należy obchodzić się z nimi ostrożnie – kobiety w ciąży nie powinny wykonywać tego testu.

Kąt zwilżania

Goniometr mierzy kąt, jaki kropla cieczy tworzy z powierzchnią – to metoda właściwa wtedy, gdy wynik liczbowy musi się obronić. Należy stosować stałą objętość kropli rzędu kilku mikrolitrów, mierzyć szybko i wykonać kilka odczytów. Sama woda pozwala szybko sprawdzić skuteczność obróbki:

Kąt zwilżania wodąPowierzchniaTypowa dla
Poniżej 30°Dobrze zwilżona, hydrofilowaPowierzchnia po skutecznej obróbce
30-60°Umiarkowanie zwilżonaPoliolefina po obróbce lub nieobrabiany polimer polarny
60-90°Słabo zwilżonaNieobrabiane konstrukcyjne tworzywo termoplastyczne; na granicy przy klejeniu
90-120°Niezwilżalna, hydrofobowaNieobrabiana poliolefina
Powyżej 120°Silnie hydrofobowaFluoropolimer, silikon – lub powierzchnia zanieczyszczona silikonem

Dobry odczyt to nie wszystko

Obróbka wstępna aktywuje wszystko, co znajduje się na powierzchni, łącznie z zanieczyszczeniami, a roztwór testowy dyne bez problemu „odczyta” aktywowane zanieczyszczenie. Jeżeli poziom dyne jest dobry, a połączenie mimo to zawodzi, przed zwiększeniem intensywności obróbki należy poszukać zanieczyszczeń – krok po kroku prowadzi przez to narzędzie Diagnostyka utraty przyczepności.

Efekt obróbki zanika – należy mierzyć w miejscu użycia

Efekt obróbki plazmowej, płomieniowej i koronowej nie jest trwały: łańcuchy polimeru zmieniają orientację, a dodatki migrują na powierzchnię. Na poliolefinach największy spadek następuje w ciągu pierwszych 24 godzin, a przechowywanie w cieple go przyspiesza. Powyższa tabela podaje typowe okresy przydatności; aby wyznaczyć własne, należy mierzyć detale po obróbce po 0, 1, 4 i 24 godzinach oraz po 3, 7, 14 i 28 dniach w rzeczywistych warunkach przechowywania, a następnie wpisać maksymalny czas od obróbki do klejenia do specyfikacji procesu. Więcej w artykule jak długo utrzymuje się efekt obróbki plazmowej.

Najczęściej zadawane pytania

Jaki poziom dyne jest potrzebny do druku lub klejenia tworzyw sztucznych?

Zasadniczo akceptowalną przyczepność uzyskuje się, gdy energia powierzchniowa tworzywa jest o ok. 8-10 dyn/cm wyższa niż napięcie powierzchniowe farby drukarskiej, powłoki lub kleju. Dla większości farb i klejów na poliolefinach oznacza to 38-44 dyn/cm; farby do druku atramentowego UV wymagają zwykle 42 lub więcej, folię PET poddaje się obróbce do 46-52, a połączenia konstrukcyjne mogą wymagać znacznie więcej – nylon 50-54 dyn/cm, PPS z klejem epoksydowym co najmniej 48-54. Wartość należy potwierdzić próbą z użyciem rzeczywiście stosowanej chemii.

Czy dyn/cm to to samo co mN/m?

Tak. 1 dyn/cm odpowiada 1 mN/m. Poziomy dyne (dyn/cm) to tradycyjna jednostka w drukarstwie i przetwórstwie folii; mN/m to jednostka układu SI stosowana w pomiarach kąta zwilżania.

Jaka jest energia powierzchniowa polipropylenu?

Energia powierzchniowa nieobrabianego polipropylenu wynosi ok. 29-31 dyn/cm (mN/m) i jest niemal całkowicie dyspersyjna. To mniej niż napięcie powierzchniowe niemal każdej farby drukarskiej i kleju, dlatego PP przed drukiem lub klejeniem poddaje się obróbce płomieniowej, koronowej lub plazmowej.

Czy pisaki dyne są tak dokładne jak pomiar kąta zwilżania?

Nie. Roztwory i pisaki dyne to szybkie testy produkcyjne, ale stanowią subiektywną ocenę, czy film utrzymuje się przez dwie sekundy, a pisaki się starzeją. Goniometryczny pomiar kąta zwilżania daje wynik liczbowy, którego można bronić, a przy dwóch cieczach pozwala rozdzielić składową polarną i dyspersyjną energii powierzchniowej.

Jak długo utrzymuje się efekt obróbki plazmowej lub koronowej?

Od minut do tygodni, zależnie od polimeru, jego dodatków i warunków przechowywania. Typowe okresy przydatności po obróbce plazmą tlenową lub powietrzną: silikony i fluoropolimery – od minut do godzin; PP i PE – od godzin do kilku dni; nylon – od kilku dni do ok. dwóch tygodni; ABS, PC, PET i PMMA – od jednego do kilku tygodni. Przechowywanie w cieple i środki poślizgowe skracają te okresy. Efekt obróbki Pyrosil® pozostaje zwykle użyteczny przez tygodnie, a nawet miesiące.

Powierzchnia nadal nie przyjmuje farby lub kleju?

Scott Sabreen rozwiązuje problemy z przyczepnością tworzyw sztucznych od ponad 30 lat. Wystarczy opisać detal, materiał i proces, a wskaże, gdzie szukać przyczyny.

Porozmawiaj ze Scottem Sabreenem
Scott Sabreen

Scott Sabreen
Prezes i Główny Inżynier
Ponad 30 lat doświadczenia

Proszę opisać problem w dwóch zdaniach. Scott Sabreen odpowiada osobiście, zwykle w ciągu jednego dnia roboczego.

Wysłano pomyślnie!

Dziękujemy. Scott otrzymał wiadomość i odpowie e-mailem, zwykle w ciągu jednego dnia roboczego.

Otrzymaliśmy Państwa zapytanie

Otrzymaliśmy Państwa zapytanie i wkrótce się skontaktujemy.

🌐 Polski ▴