Pretratamientos de superficies / Calidad de superficie
Ángulo de contacto y tensión superficial para optimizar la adhesión
Pruebas de plasma en sitio y educación en ciencia de superficies
Los materiales plásticos son inherentemente difíciles de pegar, recubrir, laminar, imprimir y decorar porque son materiales hidrofóbicos no polares, químicamente inertes y poseen baja humectabilidad superficial, es decir, baja energía superficial. La adhesión está determinada por interacciones polares y no polares entre los sustratos y/o los materiales de recubrimiento. Mejorar la humectación y la adhesión en superficies poliméricas requiere aumentar la energía superficial y los componentes polares interactivos. Para una adhesión óptima, el adhesivo (recubrimiento, tinta o pintura) debe "humectar" completamente la superficie (adherente) que se va a unir. Los pretratamientos con plasma en fase gaseosa son procesos "oxidativos" y sumamente eficaces para resolver problemas de adhesión mediante la introducción de especies funcionales polares químicas.
The Sabreen Group se especializa en ingeniería de superficies y pretratamientos de plásticos, compuestos, hules y metales para lograr procesos de manufactura robustos. Nuestros métodos y tecnologías resuelven problemas de unión de plástico a plástico, plástico a hule y plástico a metal. Se nos otorgó la Patente de EE. UU. 5051586 por un proceso de pretratamiento de superficies empleado en la fabricación de electrónica militar/aeroespacial y misiles/bombas inteligentes. Las pruebas de análisis de superficies en laboratorio incluyen microscopía de fuerza atómica, ESCA/XPS y ángulo de contacto.
Las soluciones innovadoras de SABREEN para aplicaciones incluyen:
- Unión de plásticos, compuestos y metales
- Recubrimientos de plástico y metal
- Impresión por inyección de tinta
- Impresión sobre películas poliméricas
- Recubrimientos hidrofóbicos / hidrofílicos
- Dispositivos microfluídicos
- Recubrimientos de plástico, vidrio y metales
- Teflón / PTFE
Aprovechando nuestra amplia experiencia y conocimiento de la industria, The Sabreen Group resuelve con destreza los problemas de pretratamiento de superficies e implementa soluciones rentables y ecológicas. Los expertos de SABREEN se distinguen en las disciplinas de pretratamientos de superficies, química interfacial, calidad de superficie y técnicas de medición y análisis.
¿Por qué es necesario el pretratamiento de superficies?
Los materiales plásticos poseen baja energía superficial y bajas propiedades de adhesión interfacial al unirse con adhesivos, recubrimientos, tintas y pinturas. Los pretratamientos con plasma se utilizan para promover la adhesión entre sustratos plásticos difíciles de pegar, y la oxidación superficial por plasma en "fase gaseosa" (modificación) es el método de modificación más común, y ha demostrado ser sumamente eficaz, económico y seguro para el medio ambiente. La selección del método a utilizar en cada aplicación puede ser un reto, en parte debido a conceptos erróneos y terminología confusa. Comprendiendo la ciencia básica de los ángulos de contacto, la humectación superficial y la activación química, prácticamente cualquier problema de unión puede resolverse con éxito, incluso al usar los materiales poliméricos y elastoméricos más difíciles de pegar.
¿Qué es la oxidación superficial por plasma en "fase gaseosa" (modificación)?
Los procesos de pretratamiento por oxidación superficial 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 de electrones libres, iones positivos y otras especies. Los plasmas suelen describirse 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 "plasmas".
¿Cuál proceso es mejor para su aplicación? Haga clic en los botones a continuación para conocer cada método de plasma.
Superficie hidrofílica
Superficie hidrofóbica
Humectación parcial
El ángulo de contacto es el ángulo, generalmente medido a través del líquido, donde una interfase líquido-vapor se encuentra con una interfase sólida. El ángulo de contacto cuantifica la humectabilidad de una superficie sólida por un líquido mediante la ecuación de Young.
Evaluar únicamente el ángulo de contacto estático puede llevar a una mala interpretación de los resultados de la interfase líquido/sólido y de la resolución de problemas de adhesión. Esto se debe a que las operaciones de producción industrial son, de manera más realista, condiciones dinámicas y 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 superficial como por cambios en la topografía de la superficie.
El ángulo de avance es más sensible a los componentes de baja energía (sin modificar) 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 lo tanto, el ángulo de retroceso es la medición más característica del componente modificado de la superficie tras el pretratamiento, según se mide con soluciones dyne. Por ello, 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 avanzará y se deslizará hacia abajo. Los ángulos formados 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 masa de la gota.
Ángulos de contacto dinámicos θr y θa
Las razones fundamentales por las que muchos plásticos son difíciles de pegar son porque son materiales hidrofóbicos no polares, químicamente inertes y con baja humectabilidad superficial, es decir, baja energía superficial. Si bien estas propiedades hidrofóbicas (que repelen el agua) son ideales para los diseñadores de piezas que las buscan, representan un obstáculo para los fabricantes que necesitan pegar estos materiales. Una unión adhesiva robusta generalmente requiere superficies "hidrofílicas". Para que ocurra una adhesión óptima, un adhesivo (recubrimiento, tinta o pintura) debe "humectar" completamente la superficie (adherente) que se va a unir.
"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 adherente. Para que un líquido humecte eficazmente una superficie, la energía superficial del adhesivo debe ser igual o menor que la energía superficial del adherente que se va a unir. 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 entre la superficie sólida y la línea tangente a la superficie superior en el punto final se denomina ángulo de contacto; es el ángulo (?) a través del 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 formar el volumen contenido en la forma 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 (SI N/m).
Cuanto mayor sea la energía superficial del sustrato sólido en relación con la tensión superficial de un líquido (agua, tintas de impresión, adhesivos/encapsulados, 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.
"Humectación superficial" con superficies hidrofílicas frente a hidrofóbicas
Para muchas aplicaciones, puede bastar con examinar el ángulo de contacto estático en equilibrio mediante soluciones dyne, siguiendo un procedimiento de prueba documentado. Los kits de aplicación o "plumones/soluciones dyne" ofrecen 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.
Mejor método para inspeccionar la calidad superficial:
El Surface Analyst™ 2001 es un dispositivo digital portátil para medir ángulos de contacto en línea de producción sin usar soluciones químicas dyne. El método es no destructivo; así, la pieza puede procesarse con normalidad, a diferencia de las pruebas con soluciones dyne, en las que la pieza se raspa. Inventado por BTG Labs, el Surface Analyst™ fue diseñado para poner tecnología de medición de superficies de precisión en manos de los técnicos de piso de producción, en operaciones donde la condición superficial es de importancia crítica, como la unión adhesiva, el pintado, 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/rechazado. Los datos de inspección proporcionados por 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 en superficies lisas o texturizadas, como TPO con acabado granulado. Estos datos pueden usarse para la mejora continua del proceso, identificando desviaciones de calidad que podrían 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 predictor de problemas de adhesión y para realizar pruebas superficiales rutinarias. La funcionalidad química de la superficie es igualmente importante, ya que las superficies hidrofóbicas se activan para convertirse en superficies hidrofílicas pegables. Los procesos de pretratamiento por oxidación superficial 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 de electrones libres, iones positivos y otras especies. Los plasmas suelen describirse 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 "plasmas".
En el campo de la física, los mecanismos mediante los cuales se generan estos plasmas son distintos, pero sus efectos sobre la humectabilidad superficial 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. Los grupos funcionales polares que pueden formarse y mejorar la capacidad de unión incluyen carbonilo (C=O), carboxilo (HOOC), hidroperóxido (HOO-) e hidroxilo (HO-). Incluso pequeñas cantidades de grupos funcionales reactivos incorporados en los polímeros pueden ser muy beneficiosas para mejorar la funcionalidad química superficial y la humectabilidad. Asimismo, los imprimantes/solventes químicos y la abrasión mecánica (incluida la textura del molde) pueden utilizarse solos o junto con los pretratamientos.
El grado o 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 adhesión posterior. Las fuentes de contaminación en las superficies de los productos que inhiben el tratamiento incluyen suciedad, polvo, grasa y aceite. Los materiales de bajo peso molecular, como siliconas, agentes desmoldantes y antideslizantes, son particularmente perjudiciales para la unión. La pureza del material también es un factor importante. Además, ciertos agentes compuestos solubles o insolubles utilizados en pigmentos y colorantes 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 ambiente 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 aumenta 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 diferentes ritmos y en distinta medida según factores del entorno circundante. Las características de envejecimiento y su vida útil en almacenamiento son esenciales para las operaciones del 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 superficies es específico para cada aplicación y puede tener ventajas únicas y limitaciones potenciales. Para obtener resultados robustos, considere los siguientes factores:
- Los polímeros reaccionan de manera diferente 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, conicidades extremas y otras irregularidades de forma. Las pruebas de humectación 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 equipos clásicos de descarga corona eléctrica y tratadores puntuales. Como alternativa, considere usar plasma 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 térmico o la soldadura.
- No todos los equipos de pretratamiento son iguales. 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, así como los componentes del sistema de combustión; para el plasma frío de gas, examine la calidad de la construcción de la cámara, las repisas 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 la red cristalina.
El grado de rugosidad afecta la humectabilidad de un sólido. Como 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 humectación superficial (es decir, la energía superficial) de sustratos plásticos utilizando plumones de prueba dyne.
Las pruebas de humectación superficial deben realizarse inmediatamente después del pretratamiento (descarga corona, tratamiento a la flama, plasma de gas por 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 Chemwipes o de papel
- Medidores de temperatura y humedad
- Área de trabajo limpia
2.0 Método
- Registre la temperatura y humedad ambiental.
- 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 contra el producto hasta que la solución se absorba en la punta.
- Con un toque ligero, pase el plumón una vez a lo largo de la superficie pretratada para aplicar una capa delgada de líquido.
- Se recomiendan pasadas paralelas. El exceso de solución provocará una lectura incorrecta.
- Registre el tiempo que tarda el líquido en romperse en gotas. La observación del comportamiento del líquido debe hacerse 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 con el siguiente plumón dyne de nivel inferior. Es posible que se requieran ajustes al proceso de pretratamiento.
- La prueba se completa cuando todas las superficies logran los resultados de humectación deseados.
- Deseche adecuadamente los productos probados.
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