Tratamiento de Superficies por Plasma en Plásticos
El Pretratamiento por Plasma Mejora la Adhesión de los Polímeros
Los pretratamientos de superficie por plasma, denominados específicamente oxidación superficial por plasma de "descarga luminiscente en fase gaseosa", pueden resolver problemas de adhesión entre plásticos de baja energía superficial y adhesivos, recubrimientos, tintas de impresión, pinturas y selladores. Estos métodos incluyen la corona eléctrica, el plasma atmosférico, el plasma de aire eléctrico soplado, el plasma de flama, Pyrosil, el plasma frío remoto y el ozono por radiación UV. Todos estos procesos se caracterizan por su capacidad de generar "plasma gaseoso". Desde el punto de vista de la física, los mecanismos mediante los cuales se genera este plasma difieren entre sí, pero sus efectos sobre la humectabilidad de la superficie son similares. Además del tratamiento por plasma, existen otros métodos muy eficaces, entre ellos el químico, la fluorooxidación y el mecánico.
¿Por Qué es Difícil Pegar los Plásticos?
Los plásticos y los compuestos son difíciles de pegar porque sus superficies son hidrofóbicas, no polares, químicamente inertes y tienen baja energía superficial. La adhesión ocurre mediante múltiples mecanismos que involucran el anclaje mecánico, la difusión molecular, la interacción electrostática, el humectado, la unión química y la formación de una capa límite débil, todos los cuales ocurren simultáneamente. El grado de resistencia de la unión que se logra está determinado tanto por las propiedades de los dos materiales como por el proceso de unión/ensamblaje. Para lograr una adhesión óptima, el adhesivo (recubrimiento, tinta o pintura) debe "humectar" por completo la superficie (sustrato) que se va a pegar.
El pegado por adhesión es un "proceso", no solo una máquina. Para entender las diferencias entre los métodos de pretratamiento por plasma, es importante aclarar cualquier terminología ambigua que a veces utilizan los proveedores con fines de mercadotecnia. El diseño del equipo, la funcionalidad y la pureza del plasma varían considerablemente entre fabricantes, lo cual tiene un impacto sustancial en la calidad del tratamiento, el desempeño del producto y la vida útil.
The Sabreen Group fue la primera empresa en patentar el pretratamiento por plasma de corona de superficies poliméricas tridimensionales para dispositivos electrónicos militares (US505186, 1991). Los más de 40 años de experiencia práctica de SABREEN en pegado por adhesión, adhesivos, química de ciencia de superficies, pretratamientos de superficie, procesos de unión, modos de falla de adhesión, pruebas analíticas, polímeros, operaciones de moldeo e integración de sistemas garantizan la excelencia en el proceso de unión.
Expertos en Pegado por Adhesión y Pretratamiento por Plasma
- Examinamos cada proceso, desde el moldeo hasta el ensamblaje
- Evaluamos múltiples pretratamientos por plasma (equipo en sitio)
- Medimos con precisión los factores críticos del proceso, conforme a normas ASTM
- Ángulo de contacto, energía superficial
- Pruebas de lavavajillas
- Adhesión, cohesión, modo de falla
- Curado y perfilado de dosificación
- Abrasión Taber, rayado/marcado
- Espesor de recubrimiento húmedo/seco
- Resistencia química
- Envejecimiento acelerado por UV
- Identificación de causas raíz críticas, validación de soluciones
Implementamos Soluciones de Proceso Six Sigma
Pretratamientos por Plasma para la Limpieza de Superficies y la Activación Química de Materiales
Pretratamientos de Superficie por Plasma de Polímeros para Mejorar el Pegado por Adhesión
Modificación de Superficie por Plasma Frío de Gas
Modificación de Superficie por Plasma de Flama en Polímeros para el Pegado por Adhesión
Pretratamiento de Superficie por UV/Ozono para Mejorar la Adhesión de Polímeros
Las aplicaciones de adhesión incluyen:
- Pegado de plásticos, compuestos y metales
- Recubrimientos para plásticos y metales
- Impresión por inyección de tinta
- Impresión sobre películas de polímero
- Recubrimientos hidrofóbicos / hidrofílicos
- Dispositivos microfluídicos
- Recubrimientos de plástico, vidrio y metales
- Teflón / PTFE
Los problemas en la aplicación del proceso incluyen:
- Capacitación técnica
- Selección de adhesivo
- Textura
- Almacenamiento de piezas
- Piezas contaminadas
- Imprimante químico
- Falta de protección para las manos
- Temperatura y humedad
- Pretratamiento inconsistente
- Mezclado
- Viscosidad
- Espesor de película húmeda/seca
- Presión de sujeción
- Receta de curado
- Curado en horno
- Control de calidad
Webinar Destacado por Scott Sabreen
En este webinar grabado, usted obtendrá una mejor comprensión de la ciencia detrás del pretratamiento de superficie de distintos plásticos y aprenderá a determinar las mejores soluciones para sus retos de adhesión.
Temas que se abordan:
- Falla por adhesión versus falla por cohesión
- Por qué se requieren pretratamientos para sustratos plásticos de baja energía
- Efectos en la adhesión provenientes de las operaciones primarias de moldeo
- Cómo seleccionar el mejor proceso de pretratamiento
- Diagnóstico, solución de problemas y soluciones
- Métodos de proceso de "mejores prácticas" de manufactura
- Casos de estudio reales
¿Por Qué es Necesario el Pretratamiento de Superficie?
Los materiales plásticos poseen baja energía superficial y bajas propiedades de adhesión interfacial al pegarse con adhesivos, recubrimientos, tintas y pinturas. Los pretratamientos de superficie por plasma se utilizan para promover la adhesión entre sustratos plásticos difíciles de pegar, y la oxidación superficial (modificación) por plasma "en fase gaseosa" es el método de modificación más común, comprobado como altamente eficaz, económico y seguro para el medio ambiente. La selección del método a utilizar para una aplicación determinada puede ser todo un reto. Al comprender la ciencia básica de los ángulos de contacto, el humectado de superficies y la activación química, prácticamente todos los problemas de adhesión pueden resolverse, incluso al trabajar con los materiales poliméricos y elastoméricos más difíciles de pegar.
¿Qué es la Oxidación Superficial por Plasma "en Fase Gaseosa" (Modificación)?
¿Qué proceso de plasma es el mejor para su aplicación? Haga clic en los botones a continuación para conocer cada método.
Superficie Hidrofílica
Superficie Hidrofóbica
Humectado Parcial
El ángulo de contacto es el ángulo, medido normalmente a través del líquido, donde una interfaz líquido-vapor se encuentra con una interfaz sólida. El ángulo de contacto cuantifica la humectabilidad de una superficie sólida por un líquido mediante la ecuación de Young.
Evaluar únicamente el comportamiento del fluido mediante el ángulo de contacto estático puede llevar a una interpretación errónea de los resultados de la interfaz líquido/sólido y de la solución de problemas de adhesión. Esto se debe a que las operaciones de producción de manufactura industrial se dan, de manera más realista, en condiciones dinámicas, no estáticas. Por ello, es importante comprender el ángulo de contacto dinámico (DCA). Los ángulos de contacto generalmente se ven afectados tanto por cambios en la química de la superficie como por cambios en la topografía de la superficie.
El ángulo de avance es el más sensible a los componentes de baja energía (no modificados) de la superficie del sustrato, mientras que el ángulo de retroceso es más sensible a los grupos oxidados de alta energía introducidos por los pretratamientos de superficie. Por ello, el ángulo de retroceso es la medición más representativa del componente modificado de la superficie después de los pretratamientos, medido mediante soluciones dyne. Por lo tanto, es importante medir tanto el ángulo de avance como el de retroceso en todos los materiales con superficie modificada.
Cuando una gota se adhiere a una superficie sólida y esta se inclina, la gota se desplazará hacia adelante y se deslizará hacia abajo. Los ángulos que se forman se denominan, respectivamente, ángulo de avance (θa) y ángulo de retroceso (θr). La norma ASTM D724 describe métodos para medir los DCA utilizando equipo avanzado (tensiómetros ópticos y goniómetros) para analizar los ángulos de avance y retroceso con base en el análisis de la forma y la masa de la gota.
Ángulos de contacto dinámicos θr y θa
La razón subyacente por la que muchos plásticos son difíciles de pegar es que son materiales hidrofóbicos no polares, químicamente inertes y con una humectabilidad de superficie deficiente, es decir, baja energía superficial. Si bien estas propiedades hidrofóbicas (que repelen el agua) son ideales para los diseñadores de piezas que buscan dichas propiedades, representan un obstáculo para los fabricantes que necesitan pegar dichos materiales. Un pegado por adhesión robusto por lo general requiere superficies "hidrofílicas". Para que ocurra una adhesión óptima, un adhesivo (recubrimiento, tinta o pintura) debe "humectar" por completo la superficie (sustrato) que se va a pegar.
"Humectar" significa que el líquido fluye y cubre una superficie para maximizar el área de contacto y las fuerzas de atracción entre el adhesivo y la superficie del sustrato a unir. Para que un líquido humecte eficazmente una superficie, la energía superficial del adhesivo debe ser igual o menor que la energía superficial del sustrato que se va a pegar. De lo contrario, debe elevarse la energía superficial del sustrato.
Considere una sola gota de líquido sobre una superficie sólida plana en reposo (equilibrio). El ángulo formado por la superficie sólida y la línea tangente a la superficie superior en el punto final se denomina ángulo de contacto; es el ángulo (?) que forma el líquido entre la línea tangente en el punto de contacto y la línea horizontal de la superficie sólida. La forma de la burbuja/gota se debe a las fuerzas moleculares mediante las cuales todos los líquidos, al contraer su superficie, tienden a adoptar la forma que contiene el volumen con la menor área superficial posible. Las fuerzas intermoleculares que contraen la superficie se denominan "tensión superficial". La tensión superficial, una medida de la energía superficial, se expresa en dinas/cm (N/m en el SI).
Cuanto mayor sea la energía superficial del sustrato sólido en relación con la tensión superficial de un líquido (agua, tintas de impresión, adhesivos/encapsulantes, recubrimientos, etc.), mejor será su "humectabilidad" y menor será el ángulo de contacto (Figura 1 en la página 2). Como regla general, se logra una adhesión aceptable cuando la energía superficial de un sustrato es aproximadamente de 8 a 10 dinas/cm mayor que la tensión superficial del líquido.
"Humectado de superficie" con superficies hidrofílicas frente a hidrofóbicas
Para muchas aplicaciones, puede bastar con examinar el ángulo de contacto de equilibrio estático mediante soluciones dyne, conforme a un procedimiento de prueba documentado. Los kits de aplicación o "plumones/soluciones dyne" proporcionan información útil, pero no son mediciones precisas de la tensión superficial. Las mediciones de tensión superficial pueden variar considerablemente según la persona (técnica) y la interpretación del comportamiento del líquido en el "centro". Se sabe que los plumones/soluciones dyne son indicadores direccionales de diferencias significativas en la tensión superficial y son capaces de identificar superficies pegables "buenas" y "malas" a un costo económico. Las soluciones dyne embotelladas pueden ser preferibles a los plumones debido a problemas de contaminación por usos múltiples.
El mejor método para inspeccionar la calidad de la superficie:
El Surface Analyst™ 2001 es un dispositivo digital portátil para medir ángulos de contacto en línea de producción sin utilizar soluciones dyne químicas. El método es no destructivo; por lo tanto, la pieza puede procesarse con normalidad, a diferencia de las pruebas con solución dyne, en las que la pieza se raspa. Inventado por BTG Labs, el Surface Analyst™ fue diseñado para poner tecnología de medición de superficie de precisión en manos de los técnicos de planta, en operaciones donde la condición de la superficie es de importancia crítica, como el pegado por adhesión, la pintura, el recubrimiento, la impresión y la descontaminación. Mediante una técnica patentada llamada "depósito balístico", el dispositivo deposita una gota de agua altamente purificada sobre la superficie del sustrato.
Al conocer el volumen y el área de una gota de agua, el dispositivo calcula el ángulo de contacto del agua contra una superficie determinada. El dispositivo brinda retroalimentación inmediata al usuario mediante un número cuantificable o una alerta de aprobado/reprobado. Los datos de inspección que proporciona el dispositivo permiten a los usuarios determinar si el sustrato se preparó correctamente para los procesos de adhesión, como reemplazo de las soluciones dyne destructivas. La unidad portátil funciona en cualquier orientación y se emplea en superficies lisas o texturizadas, como los TPO con textura granulada. Estos datos pueden usarse para la mejora continua del proceso, para identificar desviaciones de calidad que puedan señalar problemas inminentes, o para determinar la causa crítica de fallas del producto.
Surface Analyst de BTG Labs. Fotos cortesía de BTG LABS (513.469.1800).
Existe una fuerte tendencia entre los fabricantes a enfocarse únicamente en los ángulos de contacto u otras mediciones de humectabilidad como el único indicador de problemas de adhesión, y a realizar pruebas de superficie de manera rutinaria. La funcionalidad química de la superficie es igual de importante, ya que las superficies hidrofóbicas se activan y se convierten en superficies hidrofílicas aptas para pegado. Los procesos de pretratamiento por oxidación de superficie en fase gaseosa, o "descarga luminiscente", se utilizan para la activación química de superficies. Estos procesos se caracterizan por su capacidad de generar "plasma gaseoso", un gas extremadamente reactivo compuesto por electrones libres, iones positivos y otras especies. El plasma con frecuencia se describe como un cuarto estado de la materia. A medida que se suministra energía, los sólidos se funden en líquidos, los líquidos se vaporizan en gases y los gases se ionizan en "plasma".
Desde el punto de vista de la física, los mecanismos mediante los cuales se genera este plasma son diferentes entre sí, pero sus efectos sobre la humectabilidad de la superficie son similares. La reacción química y física básica que ocurre es que los electrones libres, iones, especies metaestables, radicales y UV generados en el plasma pueden impactar una superficie con energías suficientes para romper los enlaces moleculares en la superficie de la mayoría de los sustratos poliméricos. Esto crea radicales libres muy reactivos en la superficie del polímero que, a su vez, pueden formarse, entrecruzarse o, en presencia de oxígeno, reaccionar rápidamente para formar diversos grupos funcionales químicos en la superficie del sustrato. Entre los grupos funcionales polares que pueden formarse y mejorar la capacidad de adhesión se encuentran los grupos carbonilo (C=O), carboxilo (HOOC), hidroperóxido (HOO-) e hidroxilo (HO-). Incluso pequeñas cantidades de grupos funcionales reactivos incorporados a los polímeros pueden ser muy beneficiosas para mejorar la funcionalidad química y la humectabilidad de la superficie. Asimismo, los imprimantes/solventes químicos y la abrasión mecánica (incluida la textura de la herramienta de moldeo) pueden utilizarse solos o en conjunto con los pretratamientos.
El grado o la calidad del pretratamiento para lograr una resistencia de adhesión robusta se ve afectado por la limpieza de las superficies plásticas. La superficie debe estar limpia para lograr un pretratamiento óptimo y la posterior adhesión. Las fuentes de contaminación en las superficies del producto que inhiben el tratamiento incluyen suciedad, polvo, grasa y aceite. Los materiales de bajo peso molecular, como las siliconas, los desmoldantes y los agentes antideslizantes, son particularmente perjudiciales para el pegado. La pureza del material también es un factor importante. Además, ciertos agentes compuestos solubles o insolubles utilizados en pigmentos y colorantes tipo tinte pueden afectar negativamente la adhesión.
La vida útil (degradación por envejecimiento del tratamiento) de los plásticos tratados depende del tipo de resina, la formulación y el entorno ambiental del área de almacenamiento. La vida útil de los productos tratados está limitada por la presencia de materiales oxidados de bajo peso molecular (LMWOM), como antioxidantes, plastificantes, agentes deslizantes y antiestáticos, colorantes y pigmentos, estabilizadores, etc. La exposición de las superficies tratadas a temperaturas elevadas incrementa la movilidad de las cadenas moleculares. Cuanto mayor sea la movilidad de las cadenas, más rápido será el envejecimiento del pretratamiento. Las superficies tratadas con plasma envejecen a distintas velocidades y en distinta medida según los factores del entorno circundante. Las características de envejecimiento y su vida útil de almacenamiento son fundamentales para las operaciones de proceso de manufactura. Las superficies activadas pueden tener una vida útil de horas, días, meses o más. Se recomienda pegar, recubrir, pintar o decorar los productos lo antes posible después del pretratamiento.
Reconozca que cada método de pretratamiento de superficie es específico para cada aplicación y puede tener ventajas particulares y limitaciones potenciales. Para obtener resultados robustos, considere los siguientes factores:
- Los polímeros reaccionan de manera distinta a los procesos de oxidación. El tipo de sustrato polimérico y sus requisitos de desempeño en el uso final son fundamentales para determinar la selección del método de pretratamiento.
- ¿Es conductor el sustrato (producto a tratar)? Por ejemplo, los cuerpos de conectores electrónicos plásticos sin ensamblar, sin pines de contacto metálicos, pueden tratarse eléctricamente, mientras que los conectores ensamblados pueden presentar problemas de arqueo eléctrico.
- Geometría de la pieza: las superficies planas se tratan con mayor facilidad en comparación con cavidades profundas, ahusamientos extremos y otras irregularidades de forma. Las pruebas de humectado son difíciles de realizar en áreas pequeñas y en superficies muy texturizadas.
- Automatización del manejo de materiales: las bandas y cadenas conductoras pueden causar arqueo eléctrico con los sistemas clásicos de descarga corona eléctrica y los tratadores puntuales. Como alternativa, considere el uso de flama, plasma frío de gas o plasma atmosférico de bajo potencial.
- Evite el sobretratamiento. Las superficies excesivamente oxidadas por plasma pueden afectar negativamente los procesos de ensamblaje posteriores, como el sellado o la soldadura por calor.
- No todo el equipo de pretratamiento es igual. Examine la calidad de los sistemas construidos en funcionamiento. Para los procesos de tratamiento eléctrico, observe la uniformidad de la descarga de plasma; para el tratamiento a la flama, considere las diferencias entre quemadores de listón y de puertos perforados y los componentes del sistema de combustión; para el plasma frío de gas, examine la calidad de la construcción de la cámara, los soportes de electrodos y, en particular, el fabricante de la bomba de vacío.
La rugosidad superficial es el grado de irregularidad de la superficie de un sólido, por debajo de la escala de magnitud de su forma u ondulación, pero por encima de la irregularidad de las estructuras de red cristalina.
El grado de rugosidad afecta la humectabilidad de un sólido. Dado que la rugosidad va de la mano con una mayor área superficial, afecta la humectabilidad de un sólido, el ángulo de contacto de un líquido y la adhesión.
Este procedimiento describe un método para probar y medir la tensión de humectado de superficie (es decir, la energía superficial) de sustratos plásticos utilizando plumones de prueba dyne.
Las pruebas de humectado de superficie deben realizarse inmediatamente después del pretratamiento (descarga corona, tratamiento a la flama, plasma de gas RF). Las superficies tratadas son sensibles al tiempo y se ven afectadas por condiciones ambientales como la temperatura y la humedad. Los sustratos deben tener superficies limpias para una adhesión óptima. La suciedad, el polvo, los aceites de manos/dedos, los productos a base de silicona y otros contaminantes inhiben la adhesión y pueden causar resultados de prueba erróneos.
1.0 Materiales / Equipo
- Plumones marcadores dyne — niveles disponibles: 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 60
- Productos a probar
- Guantes de plástico
- Toallas Chemwipe o de papel
- Medidores de temperatura y humedad
- Área de trabajo limpia
2.0 Método
- Registre la temperatura y la humedad ambientales.
- Seleccione el plumón dyne de 60 y retire la tapa.
- Coloque el producto a probar sobre una superficie plana y presione firmemente la punta aplicadora del plumón sobre el producto hasta que la solución se absorba en la punta.
- Con un toque ligero, deslice el plumón a lo largo de la superficie pretratada una sola vez para aplicar una capa fina de líquido.
- Se recomiendan pasadas paralelas. El exceso de solución dará como resultado una lectura incorrecta.
- Anote el tiempo que tarda el líquido en romperse en gotas. La lectura del comportamiento del líquido debe observarse en el centro del líquido.
- Si el líquido no se rompe en gotas después de dos (2) segundos, se asume que la energía superficial es de un mínimo de 60 dinas. Continúe con el paso 2.7. Si el líquido se rompe en gotas en menos de dos (2) segundos, repita la prueba utilizando el siguiente plumón dyne de menor nivel. Pueden ser necesarios ajustes al proceso de pretratamiento.
- La prueba se completa cuando todas las superficies alcanzan los resultados de humectado deseados.
- Deseche adecuadamente los productos probados.
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