المعالجة الأولية لأسطح البلاستيك

المعالجات الأولية للسطح / جودة السطح

زاوية التماس والتوتر السطحي لتحسين الالتصاق

اختبار البلازما في الموقع والتثقيف في علم الأسطح

مواد البلاستيك صعبة اللصق والطلاء والتصفيح والطباعة والتزيين بطبيعتها، لأنها مواد لا قطبية كارهة للماء وخاملة كيميائياً وذات قابلية ترطيب سطحية ضعيفة — أي طاقة سطح منخفضة. يتحدد الالتصاق بالتفاعلات القطبية وغير القطبية بين الركائز و/أو مواد الطلاء. ويتطلب تحسين الترطيب والالتصاق على أسطح البوليمرات زيادة طاقة السطح والمكونات القطبية المتفاعلة. وللالتصاق الأمثل، يجب أن "يرطب" اللاصق (الطلاء أو الحبر أو الدهان) سطح اللصق ترطيباً تاماً. معالجات البلازما في الطور الغازي عمليات "مؤكسدة" وفعالة للغاية في حل مشكلات الالتصاق عبر إدخال أنواع وظيفية قطبية كيميائية.

تتخصص The Sabreen Group في هندسة الأسطح والمعالجات الأولية للبلاستيك والمواد المركبة والمطاط والمعادن لتحقيق عمليات تصنيع قوية. تحل أساليبنا وتقنياتنا مشكلات لصق البلاستيك بالبلاستيك والبلاستيك بالمطاط والبلاستيك بالمعدن. وقد مُنحنا براءة الاختراع الأمريكية 5051586 عن عملية المعالجة الأولية للسطح المستخدمة في تصنيع الإلكترونيات العسكرية/الفضائية والصواريخ/القنابل الذكية. وتشمل اختبارات تحليل الأسطح المخبرية مجهر القوة الذرية وESCA/XPS وزاوية التماس.

تشمل حلول SABREEN المبتكرة تطبيقات:

• لصق البلاستيك والمواد المركبة والمعادن
• طلاءات البلاستيك والمعادن
• الطباعة النفاثة للحبر
• الطباعة على أفلام البوليمر
• طلاءات كارهة/محبة للماء
• أجهزة الموائع الدقيقة
• طلاءات البلاستيك والزجاج والمعادن
• تفلون / PTFE

بالاستفادة من خبرتها ومعرفتها الواسعتين في القطاع، تحل The Sabreen Group مشكلات المعالجة الأولية للأسطح بمهارة وتطبق حلولاً فعالة التكلفة وصديقة للبيئة. ويتميز خبراء SABREEN في تخصصات المعالجات الأولية للأسطح وكيمياء الأسطح البينية وجودة الأسطح وتقنيات القياس والتحليل.

لماذا المعالجة الأولية للسطح ضرورية؟

تمتلك مواد البلاستيك طاقة سطح منخفضة وخصائص التصاق بيني ضعيفة عند اللصق باللواصق والطلاءات والأحبار والدهانات. تُستخدم معالجات البلازما الأولية لتعزيز الالتصاق بين ركائز البلاستيك صعبة اللصق، وتُعد أكسدة السطح (التعديل) بالبلازما في "الطور الغازي" أكثر طرق التعديل شيوعاً، وقد أثبتت فعالية عالية واقتصادية وسلامة بيئية. وقد يكون اختيار الطريقة المناسبة لتطبيق معين صعباً، جزئياً بسبب المفاهيم الخاطئة والمصطلحات المربكة. لكن بفهم العلم الأساسي لزوايا التماس وترطيب الأسطح والتنشيط الكيميائي، يمكن حل أي مشكلة لصق تقريباً بنجاح، حتى مع أصعب المواد البوليمرية والمرنة لصقاً.

ما أكسدة السطح (التعديل) بالبلازما في "الطور الغازي"؟

تُستخدم عمليات المعالجة الأولية بأكسدة السطح "بالتفريغ المتوهج" في الطور الغازي للتنشيط الكيميائي للسطح. وتتميز هذه العمليات بقدرتها على توليد "بلازما الغاز"، وهي غاز شديد التفاعل يتكون من إلكترونات حرة وأيونات موجبة وأنواع أخرى. وكثيراً ما توصف البلازما بأنها الحالة الرابعة للمادة: فمع إمداد الطاقة، تنصهر المواد الصلبة إلى سوائل، وتتبخر السوائل إلى غازات، وتتأين الغازات إلى "بلازما".

أي عملية هي الأفضل لتطبيقكم؟ انقروا على الأزرار أدناه للتعرف على كل طريقة بلازما.

البلازما الجوية

بلازما اللهب

الأشعة فوق البنفسجية والأوزون

تفريغ الكورونا الكهربائي

بلازما اللهب Pyrosil

الأكسدة الفلورية

بلازما الهواء الكهربائية

بلازما الغاز البارد

الطرق الكيميائية والميكانيكية

سطح محب للماء

سطح كاره للماء

ترطيب جزئي

زاوية التماس هي الزاوية، تقاس عادة عبر السائل، حيث يلتقي السطح الفاصل سائل-بخار بالسطح الصلب. وتقيس زاوية التماس كمياً قابلية ترطيب سطح صلب بسائل عبر معادلة يونغ.

اختبار سلوك السائل بزاوية التماس الساكنة وحدها قد يؤدي إلى سوء تفسير نتائج السطح الفاصل سائل/صلب وإعاقة حل مشكلات اللصق. فعمليات الإنتاج الصناعي في الواقع ظروف ديناميكية لا ساكنة. لذا من المهم فهم زاوية التماس الديناميكية (DCA). وتتأثر زوايا التماس عموماً بتغيرات كيمياء السطح وتضاريسه معاً.

زاوية التماس المتقدمة هي الأكثر حساسية للمكونات منخفضة الطاقة (غير المعدلة) في سطح الركيزة، بينما الزاوية المتراجعة أكثر حساسية للمجموعات المؤكسدة عالية الطاقة التي تُدخلها المعالجات الأولية. ومن ثم فالزاوية المتراجعة هي القياس الأكثر تمثيلاً للمكون المعدَّل من السطح بعد المعالجة، كما تقاس بمحاليل داين. لذلك من المهم قياس الزاويتين المتقدمة والمتراجعة على جميع المواد المعدلة سطحياً.

عندما تلتصق قطرة بسطح صلب ثم يُمال هذا السطح، تندفع القطرة أماماً وتنزلق نزولاً. وتسمى الزاويتان الناتجتان الزاوية المتقدمة والزاوية المتراجعة على التوالي. يصف معيار ASTM D724 طرق قياس زوايا التماس الديناميكية بمعدات متقدمة (مقاييس توتر بصرية ومقاييس زوايا) لتحليل الزاويتين المتقدمة والمتراجعة اعتماداً على تحليل شكل القطرة وكتلتها.

زاويتا التماس الديناميكيتان: المتراجعة والمتقدمة

الأسباب الكامنة وراء صعوبة لصق كثير من اللدائن أنها مواد لا قطبية كارهة للماء وخاملة كيميائياً وذات قابلية ترطيب ضعيفة — أي طاقة سطح منخفضة. وبينما تُعد هذه الخصائص الكارهة للماء مثالية لمصممي القطع الباحثين عنها، فهي غريم المصنّعين الذين يحتاجون للصق هذه المواد. يتطلب اللصق القوي عادة أسطحاً "محبة للماء". وللالتصاق الأمثل، يجب أن يرطب اللاصق (الطلاء أو الحبر أو الدهان) سطح اللصق ترطيباً تاماً.

"الترطيب التام" يعني أن يسيل السائل ويغطي السطح لتعظيم مساحة التلامس وقوى التجاذب بين اللاصق وسطح اللصق. ولكي يرطب سائل سطحاً بفعالية، يجب أن تكون طاقة سطح اللاصق مساوية أو أدنى من طاقة سطح المادة الملصوقة؛ أو بدلاً من ذلك، يجب رفع طاقة سطح الركيزة.

تخيلوا قطرة سائل واحدة ساكنة على سطح صلب مستوٍ (في توازن). الزاوية التي يشكلها السطح الصلب مع مماس السطح العلوي عند نقطة النهاية تسمى زاوية التماس؛ وهي الزاوية المقاسة عبر السائل بين خط المماس عند نقطة التلامس والخط الأفقي للسطح الصلب. ويعود شكل الفقاعة/القطرة إلى القوى الجزيئية التي تجعل جميع السوائل، عبر انكماش سطحها، تميل إلى إعطاء الحجم المحتوى شكلاً بأقل مساحة سطح. وتسمى القوى بين الجزيئية التي تقلص السطح "التوتر السطحي". والتوتر السطحي، وهو مقياس لطاقة السطح، يُعبَّر عنه بوحدة داين/سم (بالنظام الدولي: نيوتن/م).

كلما ارتفعت طاقة سطح الركيزة الصلبة نسبةً إلى التوتر السطحي للسائل (الماء وأحبار الطباعة واللواصق/مواد التغليف والطلاءات وغيرها)، تحسّنت "قابلية الترطيب" وصغرت زاوية التماس (الشكل 1 في الصفحة 2). وكقاعدة، يتحقق التصاق مقبول عندما تزيد طاقة سطح الركيزة بنحو 8 إلى 10 داين/سم على التوتر السطحي للسائل.

"ترطيب السطح": الأسطح المحبة للماء مقابل الكارهة للماء

في تطبيقات كثيرة قد يكفي فحص زاوية التماس الساكنة المتوازنة بمحاليل داين وفق إجراء اختبار موثق. توفر أطقم الاختبار أو "أقلام/محاليل داين" معلومات مفيدة لكنها ليست قياسات دقيقة للتوتر السطحي، إذ قد تتفاوت النتائج كثيراً بحسب الشخص (الأسلوب) وتفسير سلوك السائل "في الوسط". وتُعرف أقلام/محاليل داين بأنها مؤشرات اتجاهية للفروق المعتبرة في التوتر السطحي، وقادرة على تمييز الأسطح "الجيدة" و"الرديئة" للصق بأسعار اقتصادية. وقد تكون محاليل داين المعبأة أفضل من الأقلام بسبب مشكلات التلوث الناتجة عن تعدد الاستخدام.

أفضل طريقة لفحص جودة السطح:

جهاز Surface Analyst™ 2001 جهاز رقمي محمول لقياس زوايا التماس في خط الإنتاج من دون محاليل داين الكيميائية. الطريقة غير إتلافية، فيمكن معالجة القطعة كالمعتاد — بخلاف اختبار محاليل داين الذي تُتلف فيه القطعة. اخترعت BTG Labs جهاز Surface Analyst™ ليضع تقنية القياس السطحي الدقيقة في أيدي فنيي أرضية المصنع، في العمليات التي تكون فيها حالة السطح بالغة الأهمية كاللصق والطلاء والدهان والطباعة وإزالة التلوث. وباستخدام تقنية مسجلة ببراءة تسمى "الترسيب الباليستي"، يودع الجهاز قطرة ماء عالية النقاء على سطح الركيزة.

وبمعرفة حجم قطرة الماء ومساحتها، يحسب الجهاز زاوية تماس الماء مع السطح المعني، ويقدم للمستخدم نتيجة فورية برقم قابل للقياس أو تنبيه نجاح/فشل. تتيح بيانات الفحص للمستخدمين تحديد ما إذا كانت الركيزة قد جُهزت جيداً لعمليات الالتصاق، بديلاً عن محاليل داين الإتلافية. تعمل الوحدة المحمولة في أي اتجاه وعلى الأسطح الملساء أو المزخرفة، مثل TPO المحبب. ويمكن استخدام هذه البيانات للتحسين المستمر للعملية، وكشف انحرافات الجودة التي قد تنذر بمشكلات وشيكة، أو تحديد السبب الحرج لإخفاقات المنتج بدقة.

جهاز BTG Labs Surface Analyst. الصور بإذن من BTG LABS ‏(513.469.1800).

يميل المصنّعون بقوة إلى التركيز على زوايا التماس أو قياسات الترطيب الأخرى وحدها كمؤشر وحيد لمشكلات اللصق وللاختبارات السطحية الروتينية. غير أن الوظيفية الكيميائية للسطح مهمة بالقدر نفسه؛ إذ تُنشَّط الأسطح الكارهة للماء لتصبح أسطحاً محبة للماء قابلة للصق. وتُستخدم عمليات أكسدة السطح "بالتفريغ المتوهج" في الطور الغازي للتنشيط الكيميائي. وتتميز بقدرتها على توليد "بلازما الغاز"، الغاز شديد التفاعل المكوَّن من إلكترونات حرة وأيونات موجبة وأنواع أخرى. والبلازما توصف غالباً بأنها الحالة الرابعة للمادة: مع إمداد الطاقة تنصهر المواد الصلبة إلى سوائل، وتتبخر السوائل إلى غازات، وتتأين الغازات إلى "بلازما".

في علم الفيزياء، تختلف آليات توليد هذه البلازما لكن آثارها على قابلية ترطيب الأسطح متشابهة. التفاعل الكيميائي والفيزيائي الأساسي هو أن الإلكترونات الحرة والأيونات والأنواع شبه المستقرة والجذور والأشعة فوق البنفسجية المتولدة في البلازما تصطدم بالسطح بطاقات كافية لكسر الروابط الجزيئية على سطح معظم الركائز البوليمرية. ينتج ذلك جذوراً حرة شديدة التفاعل على سطح البوليمر يمكنها أن تتكوّن أو تتشابك، أو تتفاعل سريعاً بوجود الأكسجين لتكوين مجموعات وظيفية كيميائية متنوعة على سطح الركيزة. ومن المجموعات الوظيفية القطبية التي تتكوّن وتعزز قابلية اللصق: الكربونيل (C=O) والكربوكسيل (HOOC) والهيدروبيروكسيد (-HOO) والهيدروكسيل (-HO). وحتى الكميات الصغيرة من المجموعات الوظيفية التفاعلية المدمجة في البوليمرات مفيدة للغاية لتحسين الوظيفية الكيميائية للسطح وقابلية ترطيبه. كما يمكن استخدام طبقات الأساس الكيميائية/المذيبات والسحج الميكانيكي (بما فيه نسيج القالب) منفردة أو مع المعالجات الأولية.

تتأثر درجة أو جودة المعالجة الأولية اللازمة لقوة التصاق متينة بنظافة أسطح البلاستيك. يجب أن يكون السطح نظيفاً لتحقيق المعالجة المثلى ثم الالتصاق الأمثل. وتشمل مصادر التلوث على أسطح المنتجات التي تعيق المعالجة الأوساخ والغبار والشحوم والزيوت. والمواد منخفضة الوزن الجزيئي كالسيليكونات ومواد فك القوالب ومواد منع الانزلاق ضارة باللصق بوجه خاص. ونقاء المادة عامل مهم أيضاً. كما يمكن لبعض المركبات الذائبة أو غير الذائبة المستخدمة في ملونات الأصباغ أن تؤثر سلباً على الالتصاق.

يعتمد العمر التخزيني (تدهور شيخوخة المعالجة) للدائن المعالجة على نوع الراتنج والتركيبة وبيئة منطقة التخزين. ويحدّ من عمر المنتجات المعالجة وجودُ مواد مؤكسدة منخفضة الوزن الجزيئي (LMWOM) مثل مضادات الأكسدة والملدنات وعوامل الانزلاق ومضادات الكهرباء الساكنة والملونات والأصباغ والمثبتات وغيرها. وتعرّض الأسطح المعالجة لحرارة مرتفعة يزيد حركية السلاسل الجزيئية؛ وكلما زادت الحركية تسارعت شيخوخة المعالجة. وتشيخ الأسطح المعالجة بالبلازما بمعدلات ودرجات متفاوتة تبعاً لعوامل البيئة المحيطة. وخصائص الشيخوخة وعمر التخزين أساسيان لعمليات التصنيع. فقد يمتد عمر الأسطح المنشطة ساعات أو أياماً أو أشهراً أو أكثر. ويوصى بلصق المنتجات أو طلائها أو دهنها أو تزيينها في أسرع وقت بعد المعالجة الأولية.

اعلموا أن كل طريقة معالجة أولية خاصة بتطبيقها وقد تمتلك مزايا فريدة وقيوداً محتملة. لنتائج قوية، ضعوا في الاعتبار العوامل التالية:

• تتفاعل البوليمرات مع عمليات الأكسدة بشكل مختلف. نوع الركيزة البوليمرية ومتطلبات أدائها في الاستخدام النهائي حاسمان في اختيار طريقة المعالجة.
• هل الركيزة (المنتج المراد معالجته) موصلة للكهرباء؟ فمثلاً يمكن معالجة أجسام موصلات إلكترونية بلاستيكية غير مجمعة — من دون دبابيس تلامس معدنية — كهربائياً، بينما قد تواجه الموصلات المجمعة مشكلات القوس الكهربائي.
• هندسة القطعة — الأسطح المستوية أسهل معالجة من التجاويف العميقة والاستدقاقات الشديدة وغيرها من الأشكال غير المنتظمة. ويصعب إجراء اختبارات الترطيب في المساحات الصغيرة وعلى الأسطح شديدة النقش.
• أتمتة مناولة المواد: قد تسبب الأحزمة والسلاسل الموصلة قوساً كهربائياً مع تفريغ الكورونا التقليدي وأجهزة المعالجة الموضعية. كبديل، فكروا في اللهب أو بلازما الغاز البارد أو البلازما الجوية منخفضة الجهد.
• تجنبوا الإفراط في المعالجة. فقد تضر الأسطح المؤكسدة بالبلازما بإفراط بعمليات التجميع اللاحقة كالإغلاق الحراري/اللحام.
• ليست كل معدات المعالجة الأولية سواء. افحصوا جودة الأنظمة المبنية أثناء العمل: في العمليات الكهربائية راقبوا انتظام تفريغ البلازما؛ وفي المعالجة باللهب وازنوا بين الحارقات الشريطية والمثقوبة ومكونات نظام الاحتراق؛ وفي بلازما الغاز البارد افحصوا جودة بناء الحجرة ورفوف الأقطاب وخصوصاً الشركة المصنعة لمضخة التفريغ.

خشونة السطح هي درجة عدم استواء سطح الجسم الصلب تحت مقياس شكله أو تموّجه، لكن فوق عدم انتظام بنى الشبكة البلورية.

تؤثر درجة الخشونة على قابلية ترطيب الجسم الصلب. ولأن الخشونة تترافق مع مساحة سطح أكبر، فهي تؤثر على قابلية الترطيب وزاوية تماس السائل والالتصاق.

يصف هذا الإجراء طريقة اختبار وقياس توتر الترطيب السطحي (أي طاقة السطح) لركائز البلاستيك باستخدام أقلام اختبار داين.

يجب إجراء اختبارات الترطيب فور المعالجة الأولية (تفريغ الكورونا، المعالجة باللهب، بلازما الغاز RF). الأسطح المعالجة حساسة للزمن وتتأثر بظروف البيئة كالحرارة والرطوبة. ويجب أن تكون أسطح الركائز نظيفة للالتصاق الأمثل. فالأوساخ والغبار وزيوت اليد/الأصابع والمنتجات السيليكونية وغيرها من الملوثات تعيق الالتصاق وقد تسبب نتائج اختبار خاطئة.

1.0 المواد / المعدات

• أقلام داين — المستويات المتوفرة: 30، 32، 34، 36، 38، 40، 42، 44، 46، 48، 50، 52، 54، 56، 60
• المنتجات المراد اختبارها
• قفازات بلاستيكية
• مناديل خالية من الوبر (Chemwipes) أو مناشف ورقية
• مقاييس الحرارة والرطوبة
• منطقة عمل نظيفة

2.0 الطريقة

• سجلوا حرارة ورطوبة المحيط.
• اختاروا قلم 60 داين وانزعوا الغطاء.
• ضعوا المنتج المراد اختباره على سطح مستوٍ واضغطوا رأس القلم بإحكام على المنتج حتى يُسحب المحلول إلى الرأس.
• بلمسة خفيفة، اسحبوا القلم على طول السطح المعالج مرة واحدة لوضع طبقة سائلة رقيقة.
• يوصى بمسارات متوازية. المحلول الزائد يؤدي إلى قراءة خاطئة.
• لاحظوا الوقت الذي يستغرقه السائل ليتفتت قطرات. وينبغي رصد سلوك السائل في وسطه.
• إذا لم يتفتت السائل إلى قطرات بعد ثانيتين (2)، تُعد طاقة السطح 60 داين على الأقل؛ انتقلوا إلى الخطوة 2.7. وإذا تفتت السائل قطرات في أقل من ثانيتين (2)، كرروا الاختبار بقلم داين المستوى الأدنى التالي. قد يلزم تعديل عملية المعالجة الأولية.
• يكتمل الاختبار عندما تحقق جميع الأسطح نتائج الترطيب المطلوبة.
• تخلصوا من المنتجات المختبرة بطريقة سليمة.

---