Décoration et finition des plastiques

Décoration et finition

Excellence des procédés, du concept à la commercialisation

Les produits à l'esthétique soignée ne sont jamais le fruit du hasard ! Depuis 1992, SABREEN a résolu des problématiques de fabrication de plastiques pour 525 entreprises dans 34 pays. Nos technologies innovantes sont utilisées dans la fabrication de nombreux produits militaires et commerciaux parmi les plus reconnaissables aujourd'hui, de la Station spatiale internationale et des produits pharmaceutiques aux caméras d'action sous-marines. L'ingénierie de SABREEN a valu à nos clients les plus grandes distinctions du secteur, notamment le prix du produit de l'année dans l'emballage pharmaceutique/médical, intronisé au Smithsonian National Museum. Notre implication dès les premières phases du projet permet d'accélérer les délais de réalisation.

Les procédés révolutionnaires de Sabreen permettent une fabrication à moindre coût, une qualité Six Sigma et des avantages concurrentiels décisifs. Laissez-nous créer pour votre entreprise des produits à l'esthétique dynamique.

Technologies personnalisées de collage et de durcissement pour l'étanchéité hermétique des polyoléfines

Boutons automobiles rétroéclairés « jour/nuit » — peinture et ablation laser

Impression numérique (jet d'encre) sur stylos cylindriques à surface galbée

Tampographie à 360° sur cadran de serrure de coffre-fort en PPS, angle de dépouille de 60°

Impression numérique couleur jet d'encre et marquage laser sur élastomères thermoplastiques et caoutchoucs. Personnalisation de masse.

Marquage laser sous-surface pour l'information produit et la sécurité des produits

Impression numérique pour la personnalisation de masse

Vernis de finition transparent spécialisé pour l'adhérence et une haute résistance aux chocs

Impression numérique couleur avec vernis de finition transparent résistant aux produits chimiques (conforme FDA) pour la stabilité au lave-vaisselle

Étuis de contraception pharma/médicaux au design primé

Tuiles de toiture en polymère décorées/revêtues pour imiter l'ardoise ou le bardeau de cèdre, garantie de 40 ans de résistance à la lumière, au feu et au vent

Décoration personnalisée et vernis de finition à effets spéciaux imitant le toucher doux (soft-touch) et l'aspect bois

Les décorateurs utilisent divers procédés secondaires pour créer des effets accrocheurs pour les contenants et autres pièces en plastique. De plus, des colorants à effets spéciaux peuvent être incorporés par moulage dans les pièces en plastique afin de leur conférer, à eux seuls, un aspect attrayant. Mieux encore, nous pouvons combiner ces colorants avec des procédés secondaires tels que la peinture au pistolet, la tampographie, l'hydrographie, le marquage laser et la métallisation, pour obtenir des effets spéciaux visuels et tactiles uniques.

Types de colorants à effets spéciaux

Le tableau 1 répertorie six grandes classes de pigments et colorants à effets spéciaux. Tous sont disponibles sans métaux lourds, et certains sont conformes à la réglementation FDA sur les plastiques.

Le tableau 1 répertorie six grandes classes de pigments et colorants à effets spéciaux. Tous sont disponibles sans métaux lourds, et certains sont conformes à la réglementation FDA sur les plastiques :

Pigments nacrés. Le principal type de pigments nacrés utilisés dans les peintures, encres et plastiques repose sur des paillettes de mica enrobées de dioxyde de titane1. À mesure que l'épaisseur du revêtement augmente, la couleur varie du blanc argenté au jaune, au rouge, au bleu et au vert. Différentes couleurs peuvent être obtenues en ajoutant un second revêtement d'oxyde de fer (or et beige) ou d'oxyde de chrome (vert), et une gamme de couleurs métalliques (bronze et cuivre) est obtenue en remplaçant le dioxyde de titane par de l'oxyde de fer.

Pigments métalliques. Les pigments métalliques sont fabriqués à partir d'alliages de cuivre et d'aluminium, et sont disponibles dans une variété de couleurs et de formes de particules. Les versions en cuivre varient d'un doré verdâtre vif à un doré rougeâtre. Les versions en aluminium sont de couleur argent et gris argenté. À l'origine, la grande majorité des offres se présentaient sous forme de paillettes afin de maximiser l'éclat. Comme pour les pigments nacrés, le transformateur de plastiques doit veiller à minimiser les forces de cisaillement afin de préserver la forme des particules, et le coloriste mélange généralement des pigments de tailles de particules différentes pour obtenir l'équilibre souhaité entre éclat et opacité. Les particules plus petites confèrent l'opacité ; les particules plus grandes confèrent l'éclat. Les pigments métalliques conduisant la chaleur et l'électricité, ils sont souvent utilisés pour apporter d'autres propriétés fonctionnelles au-delà de la décoration.

Colorants et pigments fluorescents. Parfois appelées couleurs « lumineuses en plein jour », les couleurs fluorescentes fonctionnent selon le principe « déshabiller Pierre pour habiller Paul ». La lumière du jour est composée de rayonnements ultraviolets, visibles et infrarouges. Dans le cas des pigments classiques, la couleur perçue résulte de la réflexion de longueurs d'onde particulières de la lumière visible frappant l'objet. Les pigments et colorants fluorescents exploitent à la fois les rayons ultraviolets et les rayons visibles. Leur composition chimique leur permet d'émettre sous forme de rayonnement visible une partie des rayons UV qu'ils absorbent. Cette lumière émise s'ajoute à la lumière visible réfléchie, ce qui donne une couleur beaucoup plus lumineuse qui semble rayonner. Un effet similaire se produit avec l'éclairage fluorescent commercial. Des produits de consommation allant du chewing-gum à la lessive ont été conditionnés dans des emballages fluorescents afin d'attirer l'œil de l'acheteur.

Pigments phosphorescents. Également appelés pigments « lumineux dans le noir », les pigments phosphorescents trouvent leur place dans une grande variété d'applications, notamment les interrupteurs, les cadrans, les boutons de télécommandes de télévision et les jouets, pour n'en citer que quelques-unes. Alors que les pigments classiques émettent la lumière aussi vite qu'ils l'absorbent, les pigments phosphorescents interagissent différemment avec les sources lumineuses. Ces pigments absorbent facilement la lumière sur une large plage de longueurs d'onde, mais la réémettent très lentement dans le temps. À l'origine, ces pigments reposaient sur une chimie au sulfure de cadmium. Mais aujourd'hui, plusieurs entreprises proposent des versions sans métaux lourds. On « charge » l'article coloré avec de tels pigments en l'exposant à une source de lumière visible – une simple ampoule à incandescence suffit – et l'article brillera pendant plusieurs heures après avoir été retiré de la source lumineuse.

Colorants thermochromiques et photochromiques. Ces colorants produisent des effets de changement de couleur saisissants. Comme leur nom l'indique, les colorants thermochromiques changent de couleur en réponse à une variation de température. Ce sont des colorants complexes composés d'un colorant, d'un activateur et d'un solvant. Le point de fusion du solvant détermine la température à laquelle le changement de couleur se produit, tandis que le colorant détermine la couleur obtenue. Les thermochromiques fonctionnent mieux dans les « plastiques souples ». Par exemple, ils sont plus efficaces dans le PE, le polystyrène choc et le PVC souple que dans le PP, le polystyrène cristal ou le PVC rigide. Cela s'explique par le fait que les plastiques plus souples disposent d'un volume libre plus important pour accueillir les 3 composants requis. Les thermochromiques disponibles dans le commerce présentent des prix très variables, mais tous doivent être utilisés à des niveaux assez élevés pour obtenir un effet de changement de couleur spectaculaire. Les colorants photochromiques reposent sur des colorants qui changent de forme moléculaire lorsqu'ils sont exposés à la lumière du soleil. Les photochromiques peuvent être utilisés à faible dose (environ 0,5 % et moins) et fonctionnent bien pour les plastiques transparents.

Les revêtements aqueux décoratifs offrent un aspect exceptionnel, une grande fonctionnalité, un excellent rapport qualité-prix et sont respectueux de l'environnement. Le revêtement aqueux est une technologie en plein essor qui utilise l'eau comme moyen de transfert du revêtement sur la surface plastique ; il devient la nouvelle norme, remplaçant de nombreux équivalents à base de solvants. Les formulations aqueuses actuelles peuvent offrir des propriétés esthétiques et physiques égales, voire supérieures, à celles des produits à base de solvants pour de nombreuses applications.

Les revêtements aqueux haute performance atteignent des standards de finition décorative très élevés et s'imposent rapidement dans de nombreux secteurs de la peinture et du revêtement. Les revêtements aqueux sont écologiques et respectent des réglementations strictes en matière d'émissions, ce qui a permis à de nombreux fabricants de délaisser les systèmes de peinture à base de solvants pour de nombreuses applications. Les revêtements aqueux sont moins toxiques, présentent de faibles teneurs en COV et sont moins inflammables. Leur utilisation permet de réduire les émissions atmosphériques et d'améliorer la santé et la sécurité des travailleurs.

Les revêtements aqueux existent selon différents mécanismes de durcissement, notamment a) l'évaporation, b) la cuisson au four et c) le durcissement UV. Ces dernières années, les industries automobile, navale et architecturale (OEM) ont considérablement accru leur utilisation de revêtements aqueux pigmentés et de vernis de finition (topcoat).

Dans les revêtements à base de solvants, le milieu fluidifiant est un solvant organique ou un mélange de solvants organiques (MEK, MIBK, xylène, toluène, etc.). Pour être classé comme revêtement « aqueux », l'eau doit constituer un milieu fluidifiant important, voire majoritaire. La plupart des revêtements qualifiés d'aqueux contiennent également des co-solvants organiques dans le milieu fluidifiant. Il s'agit généralement de cétones, d'alcools et d'esters polaires de faible poids moléculaire. La composition chimique type est d'environ 50 % d'eau, 45 % de matières solides et 5 % de co-solvants (pouvant varier de 2 à 20 % du milieu fluidifiant).

Application du procédé

Les procédés d'application classiques peuvent être utilisés avec les revêtements aqueux, y compris toutes les méthodes de pulvérisation et le trempage. Cela confère aux procédés aqueux un avantage par rapport aux peintures à haut extrait sec, qui ne peuvent pas être appliquées par trempage en raison de leur viscosité plus élevée. Les méthodes de pulvérisation comprennent l'atomisation à air classique, le HVLP, l'airless et l'airless assisté par air. Les pistolets à peinture peuvent être nettoyés à l'eau ou avec des solutions à base d'eau plutôt qu'avec du diluant à peinture ou de l'acétone.

Considérations relatives au séchage

Le temps de durcissement des revêtements aqueux est bien plus long que celui de leurs équivalents à base de solvants. Un temps de flash-off adéquat entre la cabine de pulvérisation et le four est nécessaire lors du séchage forcé ou de la cuisson du revêtement. Dans le cas contraire, un phénomène de bullage du solvant peut survenir. Il est également nécessaire de veiller à ce que la température de surface de la pièce soit supérieure au point de rosée afin d'éviter la formation de condensation. Bien que cela ne pose généralement pas de problème pendant les mois les plus chauds, cela peut devenir préoccupant pendant les mois plus froids.

Un temps chaud associé à une humidité élevée peut prolonger les temps de flash-off et de séchage. Si l'humidité est élevée, la vapeur d'eau libérée pendant le séchage n'a nulle part où aller, et le film ne durcit pas. En assurant un flux d'air modéré et une température accrue, on peut fournir en continu de l'air frais au revêtement afin d'augmenter sa capacité à retenir l'humidité. Toute l'eau doit être éliminée du revêtement avant que les pièces ne soient exposées à des températures de gel. À défaut, une perte d'adhérence peut survenir, l'eau résiduelle se dilatant en gelant.

L'adhérence et la résistance à l'abrasion des revêtements et encres durcis sont deux propriétés de performance essentielles, dont la mesure et le contrôle sont indispensables à une fabrication robuste. L'adhérence et la résistance à l'abrasion sont des propriétés physiques distinctes, souvent mal diagnostiquées lors de l'analyse des modes de défaillance. Une adhérence et une résistance à l'abrasion insuffisantes sont des causes majeures de défaillances sur le terrain, de rebuts et de reprises, de baisse de rentabilité et d'insatisfaction des clients. Des techniques existent pour mesurer ces propriétés.

Adhérence contre abrasion

Une adhérence et une résistance à l'abrasion optimales des revêtements et encres durcis sur les substrats plastiques doivent être obtenues dès la fabrication pour produire des articles de haute qualité qui dureront tout au long de leur vie utile. Ces propriétés peuvent être interdépendantes, mais sont souvent mutuellement exclusives. Autrement dit, des revêtements et encres durcis peuvent présenter une bonne adhérence et une mauvaise résistance à l'abrasion, ou inversement. Des essais rigoureux et une bonne compréhension de l'adhérence et de l'abrasion garantissent la conformité aux spécifications et sont précieux pour résoudre les problèmes de revêtement et d'impression. L'identification du mécanisme de défaillance — adhérence (cohésion), abrasion, ou les deux — déterminera la solution technique à apporter. Des méthodes d'essai historiques et de nouveaux instruments existent pour mesurer et analyser ces propriétés.

Méthodes d'essai d'adhérence

La méthode d'essai normalisée ASTM D 3359 pour la mesure de l'adhérence par test au ruban adhésif est historiquement sans doute la méthode la plus connue et la plus utilisée pour tester l'adhérence des revêtements et des encres, en raison de sa simplicité et de son faible coût. La procédure de base pour réaliser le test au ruban adhésif comprend les étapes suivantes :

• Accord sur le choix du ruban adhésif.
• Les revêtements et encres doivent être entièrement durcis avant l'essai.
• Effectuer des incisions en X dans le film selon la méthode A, ou selon un quadrillage de six ou onze incisions dans chaque direction selon la méthode B de l'essai.
• Retirer et jeter deux tours de ruban adhésif du dévidoir.
• Lisser le ruban en place avec le doigt, puis frotter fermement avec une gomme fixée au bout d'un crayon ou un outil similaire. La couleur visible sous le ruban est un bon indicateur d'un contact complet.
• Dans les 60 à 120 secondes suivant l'application, retirer le ruban en tirant rapidement (sans à-coup) l'extrémité libre vers l'arrière, en formant un angle aussi proche que possible de 180 degrés.
• Examiner la zone incisée afin de détecter tout arrachement du revêtement sur le substrat, et évaluer l'adhérence selon les descriptions et classifications illustrées prédéfinies (0B, 1B, 2B, 3B, 4B, 5B).

Les concepteurs peuvent améliorer l'adhérence en ajoutant une texture à la ou aux surfaces du moule. La texture crée des pics et des creux, assurant un ancrage mécanique de l'adhérence. Elle peut être obtenue directement dans l'outillage du moule ou manuellement à l'aide d'un tampon Scotch-Brite et d'un nettoyage au solvant. La texturation intégrée au moulage est préférable, car elle conserve les caractéristiques de surface sans coût supplémentaire de main-d'œuvre ou de produits chimiques. Par exemple, une finition de cavité de moule NTMA « 40-Diamond buffed 1200 Grit » améliorera probablement la résistance du collage par rapport à une finition « 10-Fine Diamond 8000 Grit » (plage de 0 à 3 microns). Voir la Figure 4, Finition de surface de moule SPI. Même des surfaces légèrement texturées sont bénéfiques. Pour les applications à trous encastrés, comme les connecteurs, des broches de noyau gravées dans le moule sont très efficaces.

Compatibilité encre-substrat polymère – Parmi les polymères les plus difficiles à imprimer en jet d'encre figurent : les acétals (POM), les polyamides (nylon), les polyoléfines, le polyester (PET), le polysulfure de phénylène (PPS), le polyétheréthercétone (PEEK), le polyétherimide (PEI), le polyimide « Kapton » (PI), le polytétrafluoroéthylène (PTFE) et les polyuréthanes (PUR). Les concepteurs choisissent ces matériaux à faible énergie de surface (LSE) pour leur légèreté en remplacement du métal, leur rigidité et leur résistance, leur résistance chimique et leurs propriétés physiques à des températures de service élevées.

Pour réussir l'impression et la décoration, les encres et revêtements doivent assurer une adhérence durable à la surface du polymère. L'adhérence dépend en grande partie de phénomènes de surface, c'est-à-dire que l'encre à température élevée doit être éjectée facilement par la tête d'impression et interagir correctement avec le substrat. L'encre doit pouvoir établir un contact intime avec la surface du substrat polymère. Ce contact intime est appelé mouillage, et désigne la capacité de l'encre à s'étaler sur la surface. La plupart des surfaces polymères sont naturellement hydrophobes et résistent au mouillage. Ces plastiques présentent typiquement des surfaces chimiquement inertes, non poreuses et à faible énergie de surface, ce qui rend l'adhérence à l'impression presque impossible. L'énergie de surface est l'excès d'énergie qui existe à la surface (par opposition au volume) d'un solide. Cet excès d'énergie existe parce que les molécules situées en surface ne peuvent pas interagir avec autant de voisins semblables que les molécules situées dans le volume ; elles présentent donc un excès d'énergie d'interaction.

Par exemple – Le polyamide, communément appelé nylon, est un polymère semi-cristallin. Les deux grades les plus courants sont le Nylon 6 et le Nylon 6/6. Les polymères nylon sont intrinsèquement difficiles à coller, car ils sont hydrophobes, chimiquement inertes et présentent une faible mouillabilité de surface (c'est-à-dire une faible énergie de surface). De plus, les nylons sont hygroscopiques et peuvent absorber plus de 3 % de leur masse en eau depuis l'atmosphère. L'humidité, à elle seule, crée des problèmes d'adhérence. Une procédure de séchage adéquate des résines de nylon est essentielle à la transformation et à la performance des pièces. Il est particulièrement notable que le comportement hydrophobe du nylon est une propriété de surface, tandis que son comportement hydrophile est une propriété de volume. Le nylon étant un polymère organique, il présente une énergie de surface relativement faible. Cela résulte de la chimie et de la physique de surface des polymères et autres matériaux organiques. Cependant, les groupes amide de la chaîne du nylon attirent l'eau et sont à l'origine du comportement hydrophile de ce matériau en matière d'absorption d'eau en volume. Ainsi, en volume, le nylon peut se comporter comme un matériau hydrophile, alors qu'en surface, il peut présenter un comportement hydrophobe.

Le polysulfure de phénylène (PPS) offre la plus large résistance aux agents corrosifs parmi les plastiques techniques avancés. Les produits en PPS ne sont pas hygroscopiques et ne connaissent donc pas les problèmes de dilatation dimensionnelle propres au nylon (polyamides). Il reste néanmoins important d'utiliser une résine sèche pour le moulage des pièces. L'humidité, à elle seule, pose problème. Des taux d'humidité élevés peuvent créer des vides susceptibles de nuire à la performance des pièces, d'altérer l'adhérence et de modifier l'aspect esthétique. Le délai entre le séchage et la transformation doit être aussi court que possible. Le PPS doit être séché dans des sécheurs à trémie déshumidifiante. Les fours à air chaud ne sont généralement pas recommandés. Pour atteindre un état pleinement cristallin, des températures de moule d'au moins 275 à 300°F sont nécessaires. Lorsque le PPS est moulé en dessous de 275°F, les pièces moulées sont amorphes ou semi-cristallines, et restent dans cet état jusqu'à leur exposition à des températures de service plus élevées (y compris lors d'un durcissement thermique). Si la température de service dépasse la température de moulage, les pièces deviendront plus cristallines, entraînant des variations dimensionnelles et de propriétés. Par exemple, la température de fléchissement sous charge (HDT), à 264 psi (1,8 MPa), d'un PPS chargé à 40 % de fibres de verre et moulé à l'état non cristallin n'est que de 350°F, mais elle dépasse 500°F (260°C) à l'état cristallin. De plus, la température du moule a un effet considérable sur l'aspect de surface.

Les substances de faible poids moléculaire – telles que les silicones, les agents démoulants, les agents antidérapants et les additifs de procédé – limitent la capacité de l'encre à s'écouler et à établir le contact intime essentiel à l'adhérence. Certains agents composés solubles ou insolubles utilisés dans les colorants pigmentaires ou tinctoriaux peuvent nuire à l'adhérence. La composition chimique de la surface moulée, sa texture et sa porosité affectent significativement l'écoulement de l'encre et l'adhérence. Le degré ou la qualité du traitement et de l'adhérence dépendent de la propreté de la surface plastique. La surface doit être propre pour obtenir un prétraitement optimal et une adhérence de l'encre satisfaisante par la suite. La contamination de surface – comme les résidus d'agent démoulant siliconé, la saleté, la poussière, la graisse, les huiles et les traces de doigts – nuit au traitement.

La pureté du matériau est également un facteur important. La durée de conservation des plastiques traités dépend du type de résine, de la formulation et de l'environnement ambiant de la zone de stockage. Cette durée de conservation des produits traités est limitée par la présence de matières oxydées de faible poids moléculaire (LMWOM), telles que les antioxydants, les plastifiants, les agents glissants et antistatiques, les colorants et pigments, les stabilisants, etc. L'exposition des surfaces traitées à des températures élevées augmente la mobilité des chaînes moléculaires – plus cette mobilité est élevée, plus le vieillissement du traitement est rapide. La mobilité des chaînes polymères dans les matériaux traités entraîne l'éloignement des sites de liaison créés par le traitement, par rapport à la surface. Ces composants peuvent finir par migrer vers la surface du polymère.

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