Technologies avancées de décoration du polyéthylène

Technologies avancées de décoration du polyéthylène

Le polyéthylène (PE) est l'un des polymères les plus utilisés et se classe selon sa densité et sa ramification. Le type de PE a un impact considérable sur la facilité ou la difficulté des opérations secondaires. Les types les plus courants sont le PEBD, le PEHD et le PE réticulé. Les produits en PE sont difficiles à coller et à décorer en raison de leurs propriétés de surface chimiques, physiques et hydrophobes. Cet article présente les procédés secondaires de pointe permettant d'obtenir un collage, un revêtement, une impression jet d'encre et un marquage laser de qualité supérieure sur le PE.

La première étape pour réussir des opérations secondaires robustes est de comprendre les différences entre les types de PE : ramifié, linéaire et réticulé. Si le PE n'est pas hygroscopique, il n'est pas mouillable et présente une faible énergie libre de surface, qui peut encore diminuer en présence de matières oxydées de faible masse moléculaire. Les pigments inorganiques à base d'oxydes métalliques mixtes peuvent influer sur le degré de cristallinité et sur la vitesse de cristallisation, qui déterminent les propriétés finales d'une pièce plastique. Les opérations de moulage primaire et la vitesse de refroidissement sont déterminantes pour l'adhérence interfaciale entre polyoléfines.

Points clés à retenir

• Le type de PE détermine la difficulté. Le PEBD, le PEHD et le PE réticulé se comportent différemment dans chaque opération secondaire.
• Le PEHD est généralement plus facile à coller et à marquer au laser que le PEBD, en grande partie en raison de différences de stabilité thermique.
• Le plasma à flamme offre aux polyoléfines la plus longue durée de conservation après traitement, grâce à sa faible profondeur de traitement de 5 à 10 nm.
• Le Pyrosil n'est pas un traitement à la flamme. Il dépose 5 à 100 nm de SiO2 par CVD de combustion ; la flamme est rose plutôt que bleue.
• Le PE sans additifs laser se marque de façon pratiquement illisible, car il n'a aucune absorption à 1060-1070 nm.

Foire aux questions

Pourquoi le polyéthylène est-il si difficile à décorer ?

Le PE est hydrophobe, non polaire et chimiquement inerte, avec une faible énergie libre de surface, et cette énergie diminue encore en présence de matières de faible masse moléculaire migrant vers la surface, comme les agents de démoulage, les antioxydants, les plastifiants, les agents de glissement et antistatiques, les colorants et les stabilisants.

Le PEHD ou le PEBD est-il plus facile à travailler ?

Le PEHD, en général. Les chaînes du PEBD sont ramifiées, alors que le PEHD a une structure plus cristalline, et une analyse thermique publiée a montré que le PEBD est thermiquement moins stable que le PEHD. Cette différence rend le PEHD plus facile à coller comme à marquer au laser.

Quel prétraitement offre la plus longue durée de conservation sur les polyoléfines ?

Le plasma à flamme. Des études montrent que le traitement à la flamme des polyoléfines produit la plus longue durée de conservation après traitement, en raison de sa profondeur de traitement relativement faible, de 5 à 10 nm depuis la surface.

Le polyéthylène peut-il être marqué au laser sans additifs ?

Pas de façon utile. Le marquage du PE sans additifs produit des marques pratiquement illisibles, comme pour de nombreux thermoplastiques, car les polymères n'ont pratiquement aucune absorption à 1060-1070 nm. Ce sont les additifs, les charges, les pigments et les colorants qui permettent un changement de couleur localisé.

À quelle vitesse les revêtements UV durcissent-ils sur le PE ?

Généralement en 3 à 10 secondes seulement. Une fois durcies, les pièces décorées sont immédiatement prêtes à être emballées, et les revêtements à durcissement UV excellent en ténacité et en résistance chimique, avec des formulations disponibles pour une durabilité extérieure à long terme.

Polyéthylène

Le PE est un thermoplastique cristallin variable de la famille des polyoléfines, classé selon sa densité et sa ramification. Ses principaux usages comprennent l'emballage, l'automobile, l'électricité, les biens de consommation, les fibres et textiles, ainsi que les tuyaux et raccords. Les propriétés mécaniques du PE dépendent fortement de variables telles que l'étendue et le type de ramification, la structure cristalline et la masse moléculaire. Le PE est obtenu par polymérisation par addition ou radicalaire de monomères d'éthylène (oléfine).

Une caractéristique majeure du PE est la facilité avec laquelle il peut être modifié pendant la transformation pour donner des formes variées, qui diffèrent par la longueur de chaîne du polymère, la densité et la cristallinité. Ces caractéristiques permettent d'adapter les produits en PE à toute une gamme d'usages. Les types de polyéthylène les plus courants sont énumérés ci-dessous.

Versions ramifiées

• Polyéthylène basse densité (PEBD)
• Polyéthylène basse densité linéaire (PEBDL)
• Versions linéaires

Polyéthylène haute densité (PEHD)

• Polyéthylène de masse moléculaire ultra-élevée (UHMWPE)
• Polyéthylène réticulé (PEX ou XLPE)

Le PE existe aussi sous d'autres types, notamment : polyéthylène moyenne densité (PEMD), polyéthylène très basse densité (ULDPE), polyéthylène de haute masse moléculaire (HMWPE), polyéthylène métallocène (mPE) et polyéthylène chloré (CPE).

Différences entre le PEHD et le PEBD

Le type de PE choisi par les concepteurs détermine fortement la facilité ou la difficulté des opérations secondaires. Le PEBD et le PEHD partagent de nombreuses caractéristiques, mais leurs compositions internes fondamentalement différentes entraînent de nombreuses différences. Les chaînes de polymère qui constituent ces deux matériaux sont ramifiées dans le PEBD, alors que dans le PEHD les polymères ont une structure plus cristalline. Le PEHD est plus sensible à la fissuration sous contrainte environnementale. Les différences d'organisation du polymère confèrent des caractéristiques distinctes à chaque matériau. Une étude publiée dans le Journal of Applied Polymer Science, évaluant les propriétés thermiques, a montré que le PEBD est thermiquement moins stable que le PEHD1. Les travaux menés par The Sabreen Group confirment cette conclusion : le PEHD est plus stable thermiquement que le PEBD et est souvent plus facile à coller et à marquer au laser².

Adhérence

Une forte adhérence est un prérequis pour de nombreux procédés secondaires. Le PE semi-cristallin est difficile à mouiller en raison de ses propriétés hydrophobes et de sa faible énergie libre de surface, qui peut encore diminuer en présence de LMWOM (matières oxydées de faible masse moléculaire) telles que les agents de démoulage, les antioxydants, les plastifiants, les agents de glissement et antistatiques, les colorants et pigments, et les stabilisants. Outre la composition chimique de la surface, la texture, la porosité, toute contamination par des LMWOM ou toute barrière qui recouvre la surface du substrat et migre vers celle-ci, ou encore les contaminants dus à la manipulation, peuvent affecter la capacité du liquide à s'écouler et à établir un contact intime. La propreté de la surface est essentielle. Outre l'adhérence chimique, la rugosité de surface peut accroître l'adhérence mécanique. Un prétraitement est généralement nécessaire pour les composants en PE à coller. Le prétraitement plasma est une méthode privilégiée.

Même nettoyées de leurs contaminants, les surfaces en PE peuvent résister au mouillage par un liquide (adhésif, revêtement ou encre). Cela tient à un phénomène appelé énergie de surface. L'énergie de surface est l'excès d'énergie qui existe à la surface d'un solide, par opposition au volume. Cet excès d'énergie existe parce que les molécules de surface ne peuvent pas interagir avec autant de molécules voisines semblables que les molécules du volume. Elles présentent par conséquent un excès d'énergie d'interaction.

Prétraitement plasma

Quelles nouveautés ? Un plasma atmosphérique à commande de puissance variable jusqu'à 500 W et à zones de traitement plus grandes, fabriqué par le leader du secteur 3DT LLC (PlasmaDyne Pro). Ces avancées permettent un contrôle précis de la puissance d'une ionisation plasma de grande pureté pour des systèmes en ligne et automatisés (robotisés).

L'oxydation (modification) de surface par plasma « à décharge luminescente » en phase gazeuse est très efficace pour résoudre les problèmes d'adhérence des surfaces polymères non polaires, chimiquement inertes et hydrophobes. Les procédés les plus connus sont le plasma atmosphérique électrique, le plasma à flamme, le Pyrosil®, la décharge corona électrique, le plasma à air (décharge électrique), le plasma froid RF basse pression et les UV/ozone. Tous ces procédés ajoutent une fonctionnalité chimique en plus d'augmenter l'énergie de surface. Voir l'article technique en ligne « Plasma Surface Pretreatments of Polymers for Improved Adhesion Bonding », Plastics Decorating Magazine 2018.

Cet article examine trois procédés de prétraitement plasma bien adaptés au traitement en ligne ou secondaire des composants en PE et de toutes les polyoléfines : 1) le plasma atmosphérique électrique, 2) le plasma à flamme et 3) le Pyrosil®. Photo 1. Le choix du meilleur procédé pour chaque application dépend de nombreux facteurs, dont le type de polymère, l'épaisseur de la pièce et sa géométrie.

Plasma atmosphérique

Le plasma atmosphérique, ou plasma d'ions soufflés électrique, utilise une électrode buse alimentée par un générateur électrique et un transformateur élévateur, ainsi que de l'air sous haute pression dans lequel un plasma intense est généré à l'intérieur de la tête de traitement puis projeté vers l'extérieur. La formation d'ozone est négligeable. Ce procédé de prétraitement est quasi sans potentiel (pour le traitement des matériaux conducteurs, dont les métaux) et peut éliminer la saleté, les débris et la plupart des hydrocarbures du substrat. De nouvelles recherches indiquent qu'une gravure fine de la surface peut créer de nouvelles topographies favorisant l'accrochage mécanique.

Traitement par plasma à flamme

Le traitement par plasma à flamme utilise les espèces très réactives présentes dans la combustion de l'air et d'un gaz hydrocarboné pour créer le plasma. Bien que le traitement à la flamme soit exothermique, ce n'est pas la chaleur qui crée la fonctionnalité chimique et l'amélioration du mouillage de surface. Le flammage élimine la saleté, les débris et la plupart des hydrocarbures du substrat. Le traitement à la flamme peut conférer un mouillage, une oxydation et une durée de conservation supérieurs à ceux des prétraitements électriques, grâce à sa profondeur de traitement relativement plus faible depuis la surface, de 5 à 10 nm. Des études montrent que le plasma à flamme sur les polyoléfines produit la plus longue durée de conservation après traitement, grâce à cette profondeur de traitement plus faible, un avantage pour les produits. Aucun ozone n'est produit. Lors de l'achat de brûleurs pour traitement à la flamme, les brûleurs à ruban assurent une meilleure uniformité de la flamme avec des régulateurs à équilibrage zéro. Le flammage au propane est idéal pour traiter les pièces durables en PE et en polyoléfine.

Pyrosil® par CCVD

À ne pas confondre avec le plasma à flamme, le traitement Pyrosil® est une technique de modification de surface qui dépose une couche de dioxyde de silicium (SiO2) amorphe sur la surface d'un substrat par dépôt chimique en phase vapeur par combustion (CCVD). Par pyrolyse à la flamme, on peut obtenir une fine couche (5 à 100 nm) d'oxyde de silicium très réactif et hydrophobe sur le substrat. Il en résulte une surface hydrophile définie, grâce à la forte densité de groupes Si-OH à la surface des particules de SiO2 déposées et à la rugosité à l'échelle nanométrique. Le Pyrosil® (flamme de couleur rosée) et le plasma à flamme traditionnel (flamme de couleur bleutée) présentent des similitudes de procédé, mais la chimie de la flamme et les mécanismes de fonctionnalisation de surface sont différents. La principale différence est que le Pyrosil® produit du SiO2, ce que ne fait pas le traitement à la flamme.

Impression jet d'encre UV LED en un seul passage

Quelles nouveautés ? Des systèmes d'impression jet d'encre UV LED en un seul passage pour PE/polyoléfines souples et rigides, utilisant des encres sans danger sur le plan toxicologique et certifiées biocompatibles. Photo 2.

Le principal avantage de l'impression quadrichromie en un seul passage, par rapport au balayage, est une vitesse supérieure et une productivité accrue. Bon nombre des problèmes de sécurité liés aux encres UV ont été résolus. Une nouvelle encre UV LED, la gamme Apollo FTX Ink Series†, a été qualifiée dans des applications spécifiques comme sûre pour les adultes et les enfants, pour le contact avec la peau humaine, selon la norme ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14), et testée pour sa biocompatibilité.

Les propriétés de l'encre offrent un excellent mouillage, une excellente adhérence et une excellente adhérence intermoléculaire entre l'encre blanche (couche de base) et les couleurs CMYK++. Cette encre présente un débit élevé et constant et un angle de contact de sortie de buse qui assurent une rupture uniforme du jet. La chimie est précisément adaptée à des profils de durcissement UV LED spécifiques, garantissant de solides propriétés finales de durcissement et un bel aspect, sans sous-durcissement (collant) ni surdurcissement (fragile).

Revêtement et peinture

Quelles nouveautés ? Des revêtements durcis par UV LED avec pigments à effet décoratif et résistance aux intempéries sur PE, y compris les plastiques recyclés. Photo 3.

Les revêtements durcis aux UV offrent la meilleure combinaison de temps de séchage/durcissement rapide et de performances de toutes les technologies de revêtement pour plastiques. Le durcissement peut généralement être obtenu en 3 à 10 secondes seulement. Une fois durcis, les produits plastiques décorés avec des revêtements à durcissement UV sont immédiatement prêts à être emballés.

Les revêtements à durcissement UV excellent en ténacité et en résistance chimique et peuvent être formulés pour une durabilité extérieure à long terme. Les lampes à vapeur de mercure sont la source UV la plus couramment utilisée pour le durcissement. Les lampes à arc sont plus économiques à l'achat, mais nécessitent un temps de préchauffage et dégagent beaucoup de chaleur.

Les lampes à micro-ondes sont plus chères que les lampes à arc, mais elles sont prêtes à l'emploi quelques secondes après leur mise en marche, dégagent moins de chaleur et ont une durée de vie plus longue. Les lampes UV LED se sont imposées comme une technologie concurrente offrant un allumage/extinction instantané, une très faible consommation d'énergie et une très faible production de chaleur. Les revêtements UV se pulvérisent facilement avec un pistolet HVLP, manuellement ou par robot.

Marquage laser à fibre

Quelles nouveautés ? Des additifs d'amélioration laser conformes au contact alimentaire indirect et aux exigences médicales/FDA, et des lasers à fibre à l'ytterbium MOPA.

De nouveaux additifs chimiques produisent un contraste de marquage supérieur (blanc opaque et noir profond sur PE) sans affecter la transparence du polymère, sa transmission spectrale ni ses propriétés physiques de base. Le marquage laser du PE sans additifs produit des marques pratiquement illisibles, comme pour de nombreux thermoplastiques. Comme la plupart des polymères n'ont pas de propriétés d'absorption à 1060-1070 nm, les experts utilisent des additifs, des charges, des pigments et des colorants qui améliorent l'absorption de l'énergie laser pour obtenir des changements de couleur localisés. Des études sur le PE suggèrent que la stabilité thermique et les propriétés de dégradation thermique sont des mécanismes déterminants. Voir figure 1. En outre, le PEHD donne une qualité supérieure à celle du PEBD, du PEBDL et des polyoléfines avec des lasers proche infrarouge.

Analyses thermogravimétriques (ATG) de la température ambiante à 1000 °C de deux échantillons de PEHD montrant des différences de températures de dégradation thermique. Le PEHD B se marquera plus facilement et plus rapidement que le PEHD A.

Le taux de charge typique en poids dans la pièce finale se situe généralement entre 0,01 et 3,0 %. Les formes granulés et poudre peuvent toutes deux être mélangées à une matière colorée précomposée ou à un concentré de couleur. Les additifs laser permettent des économies et démontrent des vitesses de marquage supérieures de 20 % et plus par rapport aux matériaux non optimisés.

Les lasers à fibre à l'ytterbium comptent parmi les avancées les plus significatives pour le marquage des polymères. Les lasers à fibre Q-switch, dont la largeur d'impulsion est généralement de 100 à 120 ns, sont utilisés pour certaines applications de marquage des polymères, mais leur fréquence de répétition est limitée à environ 80 kHz en raison de la contrainte inhérente à la technologie Q-switch. Les lasers à fibre MOPA à modulation directe peuvent fonctionner à des fréquences de répétition allant jusqu'à 500 kHz avec des largeurs d'impulsion de l'ordre de la nanoseconde (20 à 70 ns pour le PE), ce qui rend la forme temporelle de l'impulsion idéale pour les polymères à additifs laser. Photo 4.

Conclusion

Les technologies avancées offrent de nouvelles solutions pour la décoration et la finition des produits en polyéthylène. Les procédés secondaires examinés sont le collage, le revêtement, l'impression jet d'encre et le marquage laser. Le type de PE a un impact considérable sur la facilité ou la difficulté de fabrication. Le PE est difficile à coller et à décorer en raison des propriétés de son volume et de sa surface hydrophobe. Les opérations de moulage, y compris la vitesse de refroidissement, sont importantes pour déterminer l'adhérence interfaciale. Le PEHD est généralement plus facile à coller et à marquer au laser que le PEBD, en raison de différences de stabilité thermique. Les systèmes d'impression jet d'encre UV LED en un seul passage pour PE/polyoléfines souples et rigides, utilisant des encres sans danger sur le plan toxicologique et certifiées biocompatibles, comptent parmi les nouvelles technologies les plus prometteuses.

Références

• 2002 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polymer Sci 86: 764–772, 2002.
• Sabreen, S. “Thermoplastic Materials for UV Inkjet and Laser Marking”, Plastics Decorating Magazine 2019.

†La gamme d'encres Apollo FTX est disponible à l'achat. Contactez The Sabreen Group au 972.820.6777 ou à [email protected]

Scott R. Sabreen est le fondateur et président de The Sabreen Group, Inc., une société de conseil en ingénierie spécialisée dans les procédés de transformation secondaire des plastiques : prétraitements de surface, liaison par adhérence, impression jet d'encre, marquage laser, revêtements industriels, décoration et finition, et sécurité des produits. Sabreen développe des technologies pionnières et résout des problèmes de fabrication depuis plus de 30 ans. Vous pouvez le joindre au 972.820.6777 ou en visitant www.sabreen.com.

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