الطباعة النفاثة للحبر والالتصاق على البوليمرات منخفضة طاقة السطح

الطباعة النفاثة للحبر والالتصاق على البوليمرات منخفضة طاقة السطح

قبل أن تُقذف أول قطرة حبر على المنتج البلاستيكي بوقت طويل، يتخذ المصممون قرارات رئيسية تحدد مسبقًا ما إذا كانت الطباعة بالحبر ستكون سهلة أم صعبة. فالالتصاق ظاهرة سطحية في جوهرها، إذ يعتمد على التفاعلات بين الحبر السائل وسطح الركيزة.

العوامل الرئيسية المؤثرة في الالتصاق هي اختيار البوليمر (بما في ذلك الملوّنات والحشوات والإضافات)، وعملية القولبة، وحالة السطح، والتخزين والتداول. والطباعة النفاثة للحبر عملية بالغة التعقيد تتداخل فيها مجالات علمية متعددة، وأول ما يجب مراعاته هو توافق الحبر مع ركيزة البوليمر.

يتناول هذا المقال اختيار البوليمرات والمعالجة الأولية لها لتحقيق التصاق متين للحبر. وهذا النهج، المصمم للتصنيع، يقدم رؤى قيّمة وحلولًا مجرّبة ميدانيًا تمنع مشكلات الالتصاق.

الطباعة النفاثة للحبر أشد تعقيدًا وحساسية بكثير من الطباعة التناظرية. فالطباعة النفاثة على البوليمرات صعبة بطبيعتها، إذ توجد غالبًا فروق كيميائية وفيزيائية كبيرة بين أنواع البلاستيك، حتى داخل العائلة البوليمرية الواحدة. كما تضيف الطباعة النفاثة على الأشكال المنحنية تعقيدات أخرى، بخلاف الطباعة بالوسادة والطباعة الحريرية اللتين تستخدمان تركيبات حبر مذيبية ذات توتر سطحي منخفض بطبيعتها يبلّل ركائز البوليمر بسهولة.

أبرز النقاط

• يُحسم الالتصاق في مرحلة التصميم، قبل قذف أول قطرة بوقت طويل، عبر اختيارات البوليمر والملوّن والحشوة والإضافات.
• تُطبع البوليمرات غير المتبلورة عمومًا بشكل أفضل من المتبلورة التي يقاوم تركيبها المنتظم عملية التبلل.
• النايلون كاره للماء على سطحه لكنه محب للماء في كتلته، إذ يمتص أكثر من 3% من كتلته ماءً، ولذلك يكتسب التجفيف أهمية حاسمة.
• تمنحكم نسيجة القالب التصاقًا دون تكلفة. فالتشطيب المصقول بالألماس بدرجة 1200 يتفوق على التشطيب الألماسي الناعم بدرجة 8000.
• السيليكونات هي العدو. أزيلوا السيليكونات الداخلية والخارجية وقلّلوا إضافات المعالجة إلى الحد الأدنى.

الأسئلة الشائعة

ما البوليمرات الأصعب في الطباعة النفاثة للحبر؟

الأسيتال والبولي أميدات والبولي أوليفينات والبوليستر وPPS وPEEK وPEI والبولي إيميد وPTFE والبولي يوريثانات. يختار المصممون هذه المواد منخفضة طاقة السطح لاستبدال المعادن ولصلابتها ومقاومتها الكيميائية وأدائها عند درجات الحرارة المرتفعة، وهي الخصائص نفسها التي تجعل الطباعة عليها صعبة.

لماذا يسبب النايلون مشكلات التصاق مستمرة؟

النايلون كاره للماء وخامل كيميائيًا ومنخفض طاقة السطح عند سطحه، لكن مجموعات الأميد في سلسلته تجذب الماء فيسلك سلوك المواد المحبة للماء في كتلته، ويمتص أكثر من 3% من كتلته من الغلاف الجوي. وهذا السلوك المزدوج، إضافة إلى الرطوبة ذاتها، يخلق مشكلات التصاق ما لم يُضبط تجفيف الراتنج بشكل سليم.

كيف يحسّن تصميم القالب التصاق الحبر؟

بإضافة النسيجة. فالقمم والوديان توفر تعشيقًا ميكانيكيًا، والنسيجة المشكَّلة في القالب أفضل من الصنفرة اليدوية لأنها لا تكلف عمالة ولا مواد كيميائية. وعادةً يتفوق تشطيب NTMA «40 — مصقول بالألماس بدرجة 1200» على «10 — ألماس ناعم بدرجة 8000». وتعمل دبابيس القلب المحفورة جيدًا في الثقوب الغائرة.

ما المذيبات التي ينبغي استخدامها لتنظيف النايلون وPPS قبل الطباعة؟

التولوين أو الزيلين أو الأسيتون أو MEK. أما الكحول فمذيب ضعيف يزيل الأوساخ السطحية دون الملوثات الهيدروكربونية. استخدموا أقمشة خالية من الوبر وقفازات خالية من البودرة، وتجنبوا الإفراط في المذيب لأنه يترك طبقات حدودية ضعيفة وضبابية تعيق الالتصاق.

ما التغييرات البسيطة التي تحسّن التصاق الحبر أكثر دون أي تكلفة؟

أزيلوا السيليكونات الداخلية والخارجية وقلّلوا إضافات المعالجة؛ وأضيفوا نسيجة للقالب؛ وجفّفوا الراتنج جيدًا؛ وحافظوا على نظافة الأسطح؛ وتجنبوا الإفراط في المذيب؛ وعبّئوا الأجزاء المقولبة بإحكام في أكياس غير بولي إيثيلينية أو أكياس بوليستر مع مادة مجففة؛ واطبعوا في أسرع وقت ممكن بعد القولبة.

اللدائن الحرارية

يؤثر نوع اللدائن الحرارية المختارة للطباعة تأثيرًا كبيرًا في عملية الطباعة النفاثة بأكملها. ففي اللدائن الحرارية تترابط الجزيئات الطويلة الشبيهة بالسلاسل بقوى فان دير فالس الضعيفة نسبيًا. وتنقسم اللدائن الحرارية إلى فئتين فرعيتين: غير متبلورة ومتبلورة (انظر الشكل 2). وعمومًا تتمتع البوليمرات غير المتبلورة بخصائص التصاق أفضل من المتبلورة.

يعني مصطلح «غير متبلور» عدم وجود شكل محدد أو وجود شكل يسهل تغييره، بينما يعني «متبلور» وجود نمط منتظم ومحدد للتجمعات الجزيئية. تُظهر الراتنجات غير المتبلورة بنى عشوائية تشبه المعكرونة، ولا تُخمد الطاقة المدخلة إلى المادة بدرجة كبيرة. وعند تطبيق الحرارة تلين ولا تكون لها درجة انصهار محددة بحدة.

للراتنجات المتبلورة أنماط منتظمة (انظر الشكل 3)، ولها أيضًا درجات انصهار محددة جيدًا. وفي البوليمر الواحد تتعايش الحالتان: إذ تتراص أجزاء البوليمر المتجاورة في حزم بلورية محكمة تربطها قوى جذب ثانوية، بينما تعجز أجزاء أخرى من الجزيئات نفسها عن التحرك فيزيائيًا إلى الشبكة البلورية فتبقى غير متبلورة. واحتمال أن يكون جزء بوليمري معين متبلورًا أو غير متبلور هو في الغالب حدث عشوائي تتحكم فيه ديناميكيات عملية التبلور.

المواد شبه المتبلورة ذات بنية جزيئية عالية الانتظام ونقاط انصهار حادة. فهي لا تلين تدريجيًا مع ارتفاع الحرارة، بل تبقى صلبة حتى تمتص كمية معينة من الحرارة ثم تتحول بسرعة إلى سائل منخفض اللزوجة. أما البوليمرات غير المتبلورة فذات بنية جزيئية عشوائية بلا نقطة انصهار حادة، بل تلين تدريجيًا مع ارتفاع الحرارة. وتتغير لزوجة هذه المواد عند تسخينها، لكنها نادرًا ما تكون بسهولة انسياب المواد شبه المتبلورة. وتفقد البوليمرات غير المتبلورة متانتها بسرعة فوق درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg).

توافق الحبر مع ركيزة البوليمر

من أصعب البوليمرات في الطباعة النفاثة للحبر: الأسيتال (POM)، والبولي أميدات (النايلون)، والبولي أوليفينات، والبوليستر (PET)، وكبريتيد البولي فينيلين (PPS)، وPEEK، وPEI، والبولي إيميد «Kapton» (PI)، وPTFE، والبولي يوريثانات (PUR). يختار المصممون هذه المواد منخفضة طاقة السطح (LSE) لخفة وزنها كبديل للمعادن، ولصلابتها ومتانتها ومقاومتها الكيميائية وخصائصها الفيزيائية عند درجات حرارة التشغيل المرتفعة.

لنجاح الطباعة النفاثة للحبر يجب أن تحقق التصاقًا طويل الأمد بسطح البوليمر. ويعتمد الالتصاق إلى حد كبير على الظواهر السطحية، أي أن الحبر عالي الحرارة يجب أن ينقذف بسهولة من رأس الطباعة ويتفاعل بالشكل المناسب مع الركيزة. ويجب أن يتمكن الحبر من ملامسة سطح ركيزة البوليمر ملامسة وثيقة. وتسمى هذه الملامسة الوثيقة التبلل، وتشير إلى قدرة الحبر على الانتشار فوق السطح. ومعظم أسطح البوليمرات كارهة للماء بطبيعتها وتقاوم التبلل. وتتميز هذه اللدائن عادةً بأنها خاملة كيميائيًا وأسطحها غير مسامية ومنخفضة طاقة السطح، مما يجعل التصاق الطباعة شبه مستحيل. وطاقة السطح هي الطاقة الزائدة الموجودة عند سطح الجسم الصلب (مقابل كتلته الداخلية)، وتوجد لأن الجزيئات السطحية لا تستطيع التفاعل مع عدد الجزيئات المماثلة المجاورة الذي تتفاعل معه الجزيئات داخل الكتلة، ولذلك تمتلك طاقة تفاعل زائدة.

تُعد المعالجة الأولية ضرورية لتحقيق الخصائص المعلنة لمادة البوليمر. فلنأخذ مثالًا بوليمرين منخفضي طاقة السطح يصعب طباعتهما نفاثًا: البولي أميد (PA) وكبريتيد البولي فينيلين (PPS):

البولي أميد، المعروف باسم النايلون، بوليمر شبه متبلور. والدرجتان الأكثر شيوعًا هما نايلون 6 ونايلون 6/6. ويصعب لصق بوليمرات النايلون بطبيعتها لأنها كارهة للماء وخاملة كيميائيًا وضعيفة قابلية التبلل السطحي (أي منخفضة طاقة السطح). كما أن النايلون استرطابي ويمتص من الغلاف الجوي رطوبة تزيد على 3% من كتلته. والرطوبة بحد ذاتها تسبب مشكلات التصاق، ولذلك فإجراء التجفيف السليم لراتنجات النايلون أمر حاسم للمعالجة ولأداء القطعة. والأهم أن السلوك الكاره للماء خاصية سطحية، أما السلوك المحب للماء فخاصية كتلية. وبما أن النايلون بوليمر عضوي فإن طاقة سطحه منخفضة نسبيًا، وهذا نتيجة كيمياء سطح البوليمرات والمواد العضوية الأخرى وفيزيائها. لكن مجموعات الأميد في سلسلة النايلون تجذب الماء وتفسر السلوك المحب للماء لهذه المادة من حيث امتصاص الماء في الكتلة. وهكذا قد يسلك النايلون في كتلته سلوك مادة محبة للماء، بينما يُظهر على سطحه سلوكًا كارهًا للماء.

يوفر كبريتيد البولي فينيلين (PPS) أوسع مقاومة للمواد المسببة للتآكل بين لدائن الهندسة المتقدمة. ولا تمتص منتجات PPS الرطوبة، ولذلك لا تعاني مشكلات التمدد البُعدي كالنايلون (البولي أميدات). ومع ذلك من المهم استخدام راتنج جاف عند قولبة القطع، فالرطوبة بحد ذاتها مشكلة. وقد تسبب مستويات الرطوبة العالية فراغات تؤثر سلبًا في أداء القطعة والتصاقها ومظهرها. ويجب أن تكون المدة بين التجفيف والمعالجة أقصر ما يمكن. ويجب تجفيف PPS في مجففات قادوس مزيلة للرطوبة، ولا يُنصح عمومًا بأفران الهواء الساخن. ولبلوغ حالة تبلور كاملة يلزم أن تكون درجة حرارة القالب 275 إلى 300°F على الأقل. وعند قولبة PPS دون 275°F تكون القطع المقولبة غير متبلورة أو شبه متبلورة وتبقى كذلك إلى أن تتعرض لدرجات حرارة تشغيل أعلى (بما في ذلك المعالجة الحرارية). وإذا تجاوزت درجة حرارة التشغيل درجة حرارة القالب تزداد القطع تبلورًا، مما يؤدي إلى تغيرات في الأبعاد والخصائص. فعلى سبيل المثال، درجة حرارة الانحراف الحراري (HDT) عند 264 psi (1.8 MPa) لـ PPS المحمّل بنسبة 40% ألياف زجاجية والمقولب في حالة غير متبلورة لا تتجاوز 350°F، لكنها ترتفع إلى أكثر من 500°F (260°C) في الحالة المتبلورة. كما أن لدرجة حرارة القالب تأثيرًا كبيرًا في مظهر السطح.

لتنظيف أسطح النايلون وPPS تنظيفًا مناسبًا وإزالة المواد منخفضة الوزن الجزيئي (LMWM)، استخدموا التولوين أو الزيلين أو الأسيتون أو MEK. فالكحول مذيب ضعيف لا يزيل إلا الأوساخ السطحية دون الملوثات الهيدروكربونية. ويجب اتباع التقنية السليمة دائمًا، بما في ذلك استخدام أقمشة خالية من الوبر وارتداء قفازات واقية خالية من البودرة. ويُنتج الإفراط في المذيب طبقات حدودية ضعيفة من مواد كيميائية لم تُزل، تاركًا ضبابية تعيق الترابط.2 ويجب إجراء عمليات الطباعة في أسرع وقت ممكن بعد عمليات القولبة، أو تعبئة القطع بإحكام في أكياس غير بولي إيثيلينية مثل أكياس البوليستر. وغالبًا ما تتطلب تطبيقات لصق النايلون وPPS معالجة أولية بالبلازما، مثل تفريغ الكورونا الكهربائي، والبلازما الجوية الكهربائية، وبلازما الهواء الكهربائية، وبلازما اللهب، وبلازما الغاز البارد منخفضة الضغط بالترددات الراديوية.

أسطح ركائز نظيفة

تمنع المواد منخفضة الوزن الجزيئي، مثل السيليكونات ومواد تحرير القالب ومواد منع الانزلاق وإضافات المعالجة، قدرة الحبر على الانسياب وتحقيق الملامسة الوثيقة الضرورية للالتصاق. كما أن بعض المركبات القابلة للذوبان أو غير القابلة له المستخدمة في ملوّنات الأصباغ والأصبغة قد تؤثر سلبًا في الالتصاق. ويؤثر التركيب الكيميائي للسطح المقولب ونسيجته ومساميته تأثيرًا كبيرًا في انسياب الحبر والتصاقه. وتتأثر درجة المعالجة وجودتها والالتصاق بنظافة سطح البلاستيك؛ إذ يجب أن يكون السطح نظيفًا لتحقيق معالجة أولية مثلى والتصاق لاحق للحبر. والتلوث السطحي، مثل مادة تحرير القالب السيليكونية والأتربة والغبار والشحوم والزيوت وبصمات الأصابع، يعيق المعالجة. كما أن نقاء المادة عامل مهم.

يعتمد العمر التخزيني للبلاستيك المعالج على نوع الراتنج وتركيبته والبيئة المحيطة بمنطقة التخزين. ويتحدد العمر التخزيني للمنتجات المعالجة بوجود مواد مؤكسدة منخفضة الوزن الجزيئي (LMWOM)، مثل مضادات الأكسدة والملدنات ومواد الانزلاق ومضادات الكهرباء الساكنة والملوّنات والأصبغة والمثبتات وغيرها. ويزيد تعريض الأسطح المعالجة لدرجات حرارة مرتفعة من حركية السلاسل الجزيئية، وكلما زادت حركية السلاسل أسرع تقادم المعالجة. وتتسبب حركية سلاسل البوليمر في المواد المعالجة في ابتعاد مواقع الترابط التي أنشأتها المعالجة عن السطح. وقد تهاجر هذه المكونات في نهاية المطاف إلى سطح البوليمر.

تصميم أداة القالب ونسيجة السطح

يمكن للمصممين تحسين الالتصاق بإضافة نسيجة إلى أسطح القالب. فالنسيجة تُنشئ قممًا ووديانًا توفر التصاقًا بالتعشيق الميكانيكي. ويمكن تحقيق النسيجة داخل أداة القالب أو يدويًا باستخدام وسادة Scotch-Brite والتنظيف بالمذيب. والنسيجة المشكَّلة في القالب هي المفضلة لأنها تحافظ على خصائص السطح دون تكاليف عمالة أو مواد كيميائية إضافية.

فعلى سبيل المثال، من المرجح أن يحسّن تشطيب تجويف القالب NTMA «40 – مصقول بالألماس بدرجة 1200» قوة الترابط مقارنةً بالتشطيب «10 – ألماس ناعم بدرجة 8000» (نطاق 0 إلى 3 ميكرون). راجعوا الشكل 4 الخاص بتشطيب أسطح القوالب وفق SPI. وحتى الأسطح ذات النسيجة الطفيفة مفيدة. وفي تطبيقات الثقوب الغائرة، مثل الموصلات، تكون دبابيس القلب المحفورة في القالب فعالة جدًا.

وخلاصةً، لتحقيق التصاق متين للحبر و/أو ربط عالي المتانة للبوليمرات بالالتصاق، يُوصى بما يلي. ولا يضيف أي من هذه البنود تكلفة، بل يوفر في التكاليف.

• عدم وجود سيليكونات داخلية أو خارجية، وتقليل إضافات المعالجة إلى الحد الأدنى.
• نسيجة القالب.
• تجفيف الراتنج جيدًا قبل القولبة.
• يجب أن تكون الأسطح نظيفة.
• تجنب الإفراط في المذيب الذي يخلق طبقات حدودية ضعيفة من مواد كيميائية لم تُزل.
• تعبئة الأجزاء المقولبة بإحكام في أكياس غير بولي إيثيلينية مع مادة مجففة أو استخدام أكياس بوليستر.
• إجراء عملية الطباعة في أسرع وقت ممكن بعد القولبة.

المراجع

• Innovations in Bonding to Low Surface Energy Surfaces, 3M Technical Guide
• Best Practices for Bonding Semi-Crystalline Thermoplastics, The Sabreen Group, January 2015

Scott R. Sabreen هو مؤسس ورئيس The Sabreen Group, Inc.، وهي شركة هندسية متخصصة في عمليات التصنيع الثانوية للبلاستيك: أمن المنتج والوسم بالليزر والمعالجة الأولية للسطح واللصق والتزيين والتشطيب. ويبتكر Sabreen التقنيات ويحل مشكلات التصنيع منذ أكثر من 30 عامًا. يمكنكم التواصل معه على الرقم 972.820.6777 أو عبر زيارة www.Sabreen.com.

---