Energía superficial
Puntos clave
- La energía superficial decide si un líquido moja o forma perlas: es el mejor predictor individual del éxito de la impresión y el pegado.
- La tensión superficial del líquido debe ser menor que la del sólido, con un margen de trabajo de aproximadamente 7–10 dyne/cm.
- Las poliolefinas se sitúan alrededor de 29–31 dyne/cm, por debajo de casi todas las tintas y adhesivos, y por eso necesitan pretratamiento.
- El tratamiento decae. La energía superficial es un estado temporal, no una propiedad permanente de la pieza.
Energía superficial
La energía superficial es el exceso de energía que tienen las moléculas en la superficie de un sólido en comparación con las del interior, y en los plásticos determina si una tinta, un adhesivo o un recubrimiento se extiende sobre la superficie o se recoge en perlas. Convencionalmente se reporta en dinas por centímetro (dyne/cm), numéricamente igual a milinewtons por metro.
Las moléculas dentro de un sólido están rodeadas por todos lados y sus fuerzas de atracción se satisfacen en todas las direcciones. Las de la superficie no, por lo que conservan capacidad de enlace insatisfecha. Esa capacidad insatisfecha es con lo que un líquido puede interactuar, y una superficie con poca de ella (una superficie de baja energía) no le da al líquido nada a lo cual sujetarse.
La regla que gobierna la humectación
Para que un líquido moje un sólido, la tensión superficial del líquido debe ser menor que la energía superficial del sólido. Cuando es mayor, el líquido minimiza su área de contacto y forma perlas. En la práctica se necesita un margen y no una mera igualdad:
Energía superficial objetivo ≈ tensión superficial del líquido + 7 a 10 dyne/cm
Esta sola relación explica la mayoría de las fallas de adhesión en plásticos. Una tinta base agua de alrededor de 35 dyne/cm aplicada sobre polipropileno sin tratar a 29 dyne/cm no puede mojarlo, y ningún tiempo de secado, presión o reformulación de la tinta cambia esa aritmética. Primero hay que elevar la superficie.
Valores típicos por polímero
| Material | Energía superficial sin tratar | Implicación |
|---|---|---|
| PTFE y fluoropolímeros | Alrededor de 18–20 dyne/cm | La más baja de uso común; deliberadamente antiadherente y muy difícil de pegar |
| Silicón | Alrededor de 24 dyne/cm | También es un contaminante: el silicón en el aire reduce la energía de todo aquello donde se deposita |
| Polipropileno | Alrededor de 29 dyne/cm | Por debajo de toda tinta y adhesivo comunes; el pretratamiento es prácticamente obligatorio |
| Polietileno | Alrededor de 31 dyne/cm | Igual que el polipropileno; los agentes deslizantes la reducen aún más en servicio |
| ABS | Alrededor de 35–42 dyne/cm | Moderada; el pretratamiento suele tratar de consistencia y limpieza más que de elevar la energía |
| Policarbonato | Alrededor de 42–46 dyne/cm | Generalmente imprimible y pegable tal como sale del molde |
| PET | Alrededor de 41–44 dyne/cm | La película normalmente se trata de todos modos, a 46–52, para un anclaje confiable de la tinta |
| Nylon | Alrededor de 40–46 dyne/cm | Higroscópico, por lo que las lecturas varían con la humedad ambiente |
| Vidrio limpio y metales | Varios cientos de dyne/cm | Se mojan con facilidad; por eso su problema de adhesión es la contaminación y no la energía |
Cómo elevar la energía superficial
Todo pretratamiento industrial funciona por la misma vía básica: oxidar las primeras capas moleculares para que grupos polares que contienen oxígeno se injerten sobre una cadena hidrocarbonada no polar. Los métodos difieren en geometría, costo y durabilidad, no en principio:
- Descarga corona: el estándar para película y banda a alta velocidad y bajo costo por metro cuadrado.
- Plasma de flama: adecuado para piezas moldeadas y contorneadas con suficiente masa térmica para tolerarlo.
- Plasma atmosférico: selectivo, montable en robot y de baja carga térmica, para piezas tridimensionales.
- Plasma frío: proceso por lotes al vacío que alcanza geometrías en sombra, con el resultado más durable y la capacidad de adaptar la química de la superficie.
- Pyrosil: deposita una capa reactiva de silicato en lugar de activar la superficie existente, lo que da una ventana de uso mucho más larga.
Cómo medirla
| Método | Qué proporciona | Úselo para |
|---|---|---|
| Lápices de dyne | Un aprobado/reprobado contra un valor | Verificaciones rápidas en piso de producción. Convenientes, pero la tinta se seca y los lápices envejecen, por lo que los resultados se desvían. |
| Soluciones de tensión de humectación (ASTM D2578) | Un valor de dyne dentro de un intervalo | La verificación estándar de producción. Más confiable que los lápices; aun así es una lectura subjetiva de si la película se mantiene durante dos segundos. |
| Goniometría de ángulo de contacto | Un ángulo cuantitativo y, con varios líquidos, los componentes polar y dispersivo | Validación de procesos, calificación y resolución de problemas. El método a usar cuando un número debe defenderse. |
| Prueba de ruptura de película de agua | Presencia o ausencia de humectación continua | Un filtro cualitativo rápido para contaminación grave. No da un valor. |
Mida a lo largo de la pieza o del ancho de la banda y no en un solo punto. La variación entre el borde y el centro es común, fácil de pasar por alto y una causa frecuente de una falla que parece aleatoria.
Por qué el tratamiento no dura
La energía superficial elevada es un estado temporal. Dos mecanismos la hacen bajar de nuevo, y ambos operan desde el momento en que termina el tratamiento:
- Reorientación de las cadenas. Los grupos polares injertados están unidos a cadenas de polímero móviles, que giran para enterrarlos bajo la superficie donde están energéticamente más cómodos. El calor acelera este proceso.
- Migración de aditivos. Los agentes deslizantes, los aditivos antibloqueo, los plastificantes y el desmoldante residual migran a la superficie y cubren la capa tratada. En película de poliolefina este suele ser el efecto mayor, y es la razón por la que un cambio de formulación puede acortar la ventana de uso sin que cambie nada en el tratador.
La consecuencia práctica es que el intervalo entre el tratamiento y el pegado debe incluirse en la especificación del proceso con un máximo declarado. El material tratado que ha envejecido debe volver a medirse antes de usarse, no darse por bueno.
Términos y lecturas relacionados
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Preguntas frecuentes
¿Qué energía superficial necesita un plástico antes de imprimirse o pegarse?
La suficiente para superar la tensión superficial del líquido en aproximadamente 7 a 10 dyne/cm. Para la mayoría de las tintas y adhesivos esto significa 38–44 dyne/cm en poliolefinas y 46–52 en película de PET, pero la cifra debe provenir de una prueba con la química real y no de una meta genérica. Una especificación que cita un número estándar de la industria que nadie ha probado con la tinta real es una especificación que está por fallar.
¿Por qué las poliolefinas necesitan pretratamiento y otros plásticos no?
Porque el polipropileno y el polietileno se sitúan en aproximadamente 29–31 dyne/cm, por debajo de prácticamente toda tinta y adhesivo comunes, de modo que no ocurre humectación alguna. El policarbonato, el ABS y el PET parten en el rango de 35–46, por encima de muchos líquidos o cerca de ellos, por lo que con frecuencia pueden imprimirse o pegarse tal como salen del molde. La química que hace a las poliolefinas inertes y económicas es la misma que las hace imposibles de imprimir.
¿Es la lectura de un lápiz de dyne suficientemente confiable para el control de producción?
Para una verificación rápida, sí; para algo que deba defenderse, no. Las tintas de los lápices se secan y envejecen, y la lectura es subjetiva. Las soluciones de tensión de humectación según ASTM D2578 son el método estándar de producción, y la goniometría de ángulo de contacto da el valor cuantitativo necesario para la validación o para resolver una disputa con un cliente. Se use el que se use, mida a lo ancho y no en un solo punto.
¿Por qué falla la adhesión cuando la lectura de dyne es correcta?
Casi siempre por contaminación. El pretratamiento activa lo que haya en la superficie, de modo que una capa de desmoldante, de aditivo deslizante migrado o de aceite de compresor se activa en lugar del polímero, y un lápiz de dyne leerá ese contaminante activado sin problema. Aumentar el nivel de tratamiento no ayuda. Rastree el contaminante hasta su origen, que con frecuencia es un proceso previo y no la estación de tratamiento.
¿Cuánto dura el tratamiento superficial?
De horas a semanas, según el polímero, su paquete de aditivos y las condiciones de almacenamiento. Las cadenas del polímero se reorientan para enterrar los grupos polares injertados, y los agentes deslizantes, los plastificantes y el desmoldante migran a la superficie y los cubren. Los elastómeros y los grados plastificados decaen más rápido. Establezca empíricamente un intervalo máximo entre tratamiento y pegado, inclúyalo en la especificación del proceso y vuelva a medir el material envejecido en lugar de suponer que sigue siendo bueno.
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