Revêtement liquide industriel des produits en polyoléfine : applications intérieures et extérieures

Revêtement liquide industriel des produits en polyoléfine : applications intérieures et extérieures

Le revêtement industriel des plastiques est un procédé fondamental pour la décoration, la finition et la personnalisation de masse. Les revêtements liquides sont extrêmement polyvalents et offrent des possibilités fonctionnelles et esthétiques infinies. Les revêtements apportent de la valeur, sont économiques et respectueux de l'environnement. Les procédés de revêtement sont multiples et exigent une ingénierie rigoureuse. Il faut comprendre les effets de la chimie de la peinture et de la compatibilité avec le polymère. La qualité de surface et la propreté sont essentielles pour l'adhérence et une qualité sans défaut. Cet article est le premier d'une série consacrée aux revêtements liquides pour plastiques. Dans ce numéro, nous examinons les propriétés des polymères, les types d'interactions entre revêtements et substrats, les applications du polypropylène et les technologies de revêtement.

Les termes « revêtement » (coating) et « peinture » (painting) sont souvent employés indifféremment. En général, la « peinture » vise l'esthétique, tandis que le « revêtement » vise la performance, par l'application d'une couche de matériau fonctionnel sur le substrat. Parmi les exemples de revêtements de performance figurent l'imperméabilisation, l'autonettoyage, l'antimicrobien, la prévention de la rouille et de la corrosion, la protection UV/résistance aux intempéries, la souplesse et l'élasticité, et la tenue de la couleur. Pour obtenir l'adhérence, les pièces plastiques doivent être exemptes d'électricité statique, de saletés, d'huiles, d'empreintes digitales, de résidus d'agent de démoulage, etc. Les matières oxydées de faible masse moléculaire (LMWOM), telles que les antioxydants, les plastifiants, les agents de glissement et antistatiques, les colorants/pigments et les stabilisants, peuvent modifier l'aptitude d'une pièce à être peinte et entraîner un délaminage et d'autres défauts. En raison de la nature hydrophobe du polypropylène (PP) et de nombreux polymères, un prétraitement plasma est nécessaire, parfois associé à des promoteurs d'adhérence chimiques à base de polyoléfines chlorées.

Points clés à retenir

• La peinture et le polymère interagissent sur les plans chimique, thermique et mécanique : aucune interaction ne doit altérer les propriétés du plastique.
• Le PP est l'« acier » de l'industrie des plastiques : tenace, rigide, cristallin, non polaire et recyclable à 100 %.
• L'aptitude à la peinture est une décision de conception. Les grades diffèrent même au sein d'une famille de polymères ; le choix du polymère fixe donc le plafond de performance.
• Trois familles de revêtements (laques monocomposant, thermodurcissables bicomposants et UV) sont toutes disponibles en chimies en phase aqueuse.
• Le PP recyclé est un véritable marché du revêtement. Les batteries automobiles deviennent des produits de construction garantis 25 ans ou plus.

Foire aux questions

Pourquoi le polypropylène est-il difficile à peindre ?

Le PP est hydrophobe, non polaire et chimiquement inerte, ce qui signifie une mauvaise mouillabilité de surface. C'est une résine hydrocarbonée linéaire de la famille des polyoléfines, qui, lors de la polymérisation, forme des structures de chaîne atactiques, isotactiques ou syndiotactiques selon la position des groupes méthyle, chacune influençant le comportement.

Que faut-il prendre en compte pour associer une peinture à un plastique ?

Trois types d'interactions : chimique, thermique et mécanique. Aucune ne doit altérer les propriétés du plastique. La complication tient au grand nombre de plastiques et de grades au sein de chaque famille, chacun ayant une aptitude à la peinture différente, et à l'influence de la transformation primaire.

Quelles technologies de revêtement existent pour la finition des plastiques ?

Trois grandes catégories. Les laques monocomposant sont faciles à utiliser, d'un faible coût par mètre carré, et sèchent par évaporation du solvant ou de l'eau, généralement en 30 minutes ou moins. Les thermodurcissables bicomposants et les revêtements UV constituent les deux autres. Les trois sont disponibles en chimies en phase aqueuse.

Un PP recyclé peut-il être revêtu avec succès ?

Oui, et c'est une application importante. Les batteries automobiles recyclées deviennent des produits d'intérieur et d'extérieur pour le bâtiment, certains garantis par le fabricant pendant plus de 25 ans, le revêtement étant le procédé de décoration privilégié pour la personnalisation de masse.

Quand les laques monocomposant sont-elles le bon choix ?

Lorsque le coût par mètre carré et la facilité d'utilisation comptent le plus et que l'exigence de performance est modérée. Elles peuvent être formulées pour la dureté et la résistance à l'abrasion, ou rendues plus souples pour les plastiques mous, et durcissent entièrement par évaporation à température ambiante ou sous cuisson légère.

Compatibilité peinture-polymère

Les effets de la chimie de la peinture et de la compatibilité avec le plastique doivent être compris pour garantir des opérations robustes et la performance en usage final. Le choix de la peinture et du plastique fait intervenir plusieurs interactions, notamment chimiques, thermiques et mécaniques2. Il serait inacceptable qu'un élément altère les propriétés du plastique. Les ingénieurs concepteurs doivent choisir le polymère optimal, en équilibrant performance et aptitude à la peinture. Une des complexités tient au très grand nombre de plastiques et de grades différents, même au sein d'une même famille de polymères, chacun possédant des propriétés et un degré d'aptitude à la peinture qui lui sont propres. La transformation primaire est un facteur contributif : pureté du matériau, température du moule, points d'injection, dégazage, degré de cristallinité, etc.

Effets chimiques : les solvants de peinture et les interactions chimiques peuvent endommager le plastique. Il est souvent souhaitable que les solvants de la peinture attaquent (gravent) le plastique, ce qui peut, dans une certaine mesure, améliorer l'adhérence. Toutefois, les solvants peuvent provoquer un faïençage de surface, une fissuration sous contrainte environnementale, un gonflement, un ramollissement, la dissolution du substrat polymère et de nombreux défauts liés aux solvants (par exemple piqûres, cloques de solvant et vides).

Effets thermiques : certains types de peintures exigent un durcissement à température élevée. Des températures (plus) élevées (par rapport aux modules du polymère) peuvent relâcher les contraintes de moulage de la pièce et provoquer un gauchissement. Le retrait de la peinture pendant le durcissement peut produire des contraintes résiduelles. Des températures extrêmes peuvent dégrader le polymère. Lors du durcissement en four, la montée en température doit être progressive.

Effets mécaniques : les propriétés de résistance et de rigidité de la peinture sèche doivent être compatibles avec le plastique, l'ensemble fonctionnant comme un tout. Le choix d'un système de peinture mal adapté à un substrat plastique donné peut conduire à une défaillance prématurée, c'est-à-dire à une « inadéquation élastique ».

Polypropylènes

Le polypropylène (PP) est souvent qualifié d'« acier » de l'industrie des plastiques en raison des nombreuses manières dont il peut être modifié pour des usages particuliers. Le PP est un thermoplastique tenace, rigide et cristallin, non polaire, produit à partir du monomère propène (ou propylène). Il est recyclable à 100 %. Le PP est difficile à coller car il est hydrophobe, non polaire et chimiquement inerte, c'est-à-dire de mauvaise mouillabilité de surface. Le PP est une résine hydrocarbonée linéaire appartenant au groupe des polyoléfines. Sa formule chimique est (C3H6)n.

Lors de la polymérisation, le PP peut former trois structures de chaîne de base selon la position des groupes méthyle :

• Atactique (aPP) : disposition irrégulière des groupes méthyle (CH3)
• Isotactique (iPP) : groupes méthyle (CH3) disposés d'un même côté de la chaîne carbonée
• Syndiotactique (sPP) : disposition alternée des groupes méthyle (CH3)

Il existe deux principaux types de PP : les homopolymères et les copolymères. Les copolymères se divisent en copolymères à blocs et copolymères statistiques. Le PP homopolymère est un grade à usage général. Le PP copolymère à blocs comporte des unités de comonomère disposées en blocs et contient de 5 % à 15 % d'éthylène. Le PP copolymère statistique a ses unités de comonomère disposées selon des motifs irréguliers ou aléatoires le long de la molécule, généralement de 1 % à 7 % d'éthylène1. Le point de fusion du PP se situe dans une plage de températures ; la consigne de température de durcissement en four doit donc être déterminée en fonction du grade.

• Homopolymère : 160-165 °C
• Copolymère : 135-159 °C

Antistatique. Le PP possède d'excellentes propriétés d'isolation électrique et tend à retenir les charges statiques, qui attirent la saleté en surface. Les additifs antistatiques peuvent « exsuder » vers la surface et dissiper les charges électriques, mais provoquent un délaminage de la peinture. De plus, un film blanc (efflorescence) peut apparaître à la surface des couleurs foncées après plusieurs mois.

Effets du rayonnement ultraviolet (UV). Le PP est fortement affecté par le rayonnement UV. L'exposition directe au soleil entraîne une perte de résistance, sauf si un inhibiteur UV ou une forte charge de pigment noir de carbone est utilisé. Même avec un fort ajout d'inhibiteur ou de pigment, la durée de vie en service dans des conditions d'ensoleillement sévères reste limitée.

Considérations de conception du polymère pour le PP et les polymères à faible énergie de surface :

• Les copolymères de PP peuvent être plus faciles à faire adhérer/coller que les homopolymères.
• Les nylons et les polycarbonates sont hygroscopiques et doivent être séchés. Le PP n'est pas hygroscopique, mais si les granulés de résine présentent de l'humidité en surface, cela entraîne les mêmes problèmes qu'avec les matériaux hygroscopiques humides.
• Les propriétés « de volume » du nylon sont hydrophobes et ses propriétés « de surface » sont hygroscopiques1.
• Le nylon 6 absorbe l'humidité plus facilement que le nylon 66, l'humidité agissant comme plastifiant. Le nylon 6 peut être plus facile à coller que les nylons 11 ou 12.
• Les copolymères d'acétal POM (Celcon) peuvent être plus faciles à coller que les homopolymères (Delrin).
• Les polyéthylènes sont plus faciles à coller. Vérifiez que le PP est bien nécessaire.

Applications à partir de polypropylène recyclé (rPP)

Le PP est recyclable à 100 % et peut être peint. Voir figure 1. Les batteries automobiles sont recyclées en produits d'intérieur et d'extérieur pour le bâtiment et l'habitat. Certains de ces produits sont garantis par le fabricant pendant plus de 25 ans. Le revêtement est le procédé de décoration le plus privilégié pour la personnalisation de masse.

Technologies de revêtement

Plusieurs technologies de revêtement existent pour la finition des plastiques en première monte (OEM), chacune présentant des avantages distincts selon les exigences de performance, de coût et d'encombrement de la ligne. Ces technologies se répartissent en trois grandes catégories :

Laques monocomposant : faciles à utiliser et d'un faible coût par mètre carré, les laques monocomposant sont couramment employées dans la décoration des plastiques. Ces revêtements sèchent et durcissent entièrement par évaporation du solvant ou de l'eau et sèchent généralement en 30 minutes ou moins à température ambiante ou sous cuisson légère. Elles peuvent être formulées pour la dureté et la résistance à l'abrasion ou, pour les plastiques mous, être rendues souples et ductiles. La possibilité de sécher à l'air à température ambiante réduit les besoins d'investissement, bien qu'une cuisson légère à 38-49 °C (100-120 °F) contribue à réduire le temps de cycle. Les laques monocomposant conviennent le mieux aux produits finis destinés à des usages où l'exposition potentielle à l'humidité condensante, à l'immersion dans l'eau et aux produits chimiques agressifs est limitée. Ces produits sont disponibles en formulations à base de solvant et à base d'eau et peuvent être appliqués par pulvérisation HVLP ou à air atomisé.

Revêtements thermodurcissables bicomposants : les thermodurcissables bicomposants offrent de hautes performances et peuvent être optimisés pour une grande variété d'applications industrielles extrêmes, de biens de consommation d'extérieur et d'applications automobiles. Les époxydes, les polyuréthanes et, dans une moindre mesure, les modificateurs réactifs M-cure dominent ce domaine. Les revêtements polyuréthane ont un coût par mètre carré élevé, mais offrent une excellente résistance chimique ainsi qu'une tenue de la couleur et du brillant de qualité automobile lors d'une exposition prolongée au soleil direct. Les époxydes sont moins coûteux que les uréthanes et excellent en dureté du film, en résistance chimique et en propriétés de barrière à la vapeur d'eau. Toutefois, les époxydes présentent une mauvaise stabilité de couleur et une faible durabilité lorsqu'ils sont exposés au soleil direct en couche de finition et sont sujets au blanchiment (blushing) ; ils sont donc généralement utilisés comme primaires. De plus, les produits revêtus d'époxyde nécessitent généralement une étiquette de la Proposition 65 de Californie.

En général, les revêtements thermodurcissables bicomposants exigent un long temps de durcissement avant manipulation/emballage, car l'essentiel de la dureté du film se développe par réticulation chimique (durcissement). En raison de la sensibilité des substrats plastiques à la chaleur, la possibilité d'accélérer le durcissement des thermodurcissables bicomposants par apport de chaleur est limitée. Un équipement de mélange multicomposant permet d'utiliser des formulations à durcissement plus rapide lorsqu'un temps de cycle plus court est nécessaire. Pour les applications où le coût ou le temps de durcissement exclut l'usage d'uréthanes bicomposants, le M-cure est une option à envisager : des temps de séchage plus rapides peuvent être obtenus à température ambiante ou sous cuisson légère, sans équipement de mélange multicomposant, grâce à une nouvelle technologie de résine M-cure qui permet d'obtenir des durées de vie en pot bien plus longues que par le passé. Des formulations thermodurcissables à base d'eau et de solvant sont disponibles et sont généralement appliquées par pulvérisation HVLP ou à air atomisé.

Revêtements durcis aux UV : les revêtements à durcissement 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, selon la formulation et la géométrie de la pièce. 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, ou être formulés de façon plus économique pour des usages moins exigeants. Ils nécessitent généralement une exposition en ligne de visée directe à une lampe de durcissement UV pour atteindre la dureté du film ; toutefois, les revêtements UV à base d'eau ont la particularité de former un film sec au toucher avant même le durcissement, de sorte que de petites zones d'ombre sur des pièces complexes ne laissent pas de résidu collant non durci sur les produits finis. Les lampes à vapeur de mercure sont la source UV la plus couramment utilisée pour le durcissement et peuvent être à micro-ondes ou à arc. 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 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 à micro-ondes comme à arc sont disponibles avec dopage au fer ou au gallium, ce qui les rend adaptées au durcissement des couleurs pigmentées, et peuvent être associées à des réflecteurs elliptiques (flood) ou paraboliques (focalisés) selon les besoins de puissance crête et la géométrie de la pièce. Outre les lampes au mercure, 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 ; elles conviennent surtout aux pièces cylindriques de forme régulière ou aux pièces plates, en raison de limites de géométrie focale. De plus, si les lampes LED excellent dans le durcissement en profondeur des films très pigmentés ou de forte épaisseur, leur usage peut exiger une postexposition à une lampe à mercure diffuse ou de faible puissance pour un durcissement complet de la surface. Des formulations à 100 % d'extrait sec, à base de solvant et à base d'eau sont disponibles. Les revêtements UV peuvent être pulvérisés en HVLP ou appliqués au rouleau sur des surfaces planes.

Guide de sélection des revêtements liquides

Conclusion

Les procédés de revêtement sont multiples et exigent une ingénierie précise et des contrôles qualité rigoureux. Les effets de la chimie de la peinture, la compatibilité avec le plastique et la qualité de surface sont essentiels à la performance du produit. Les technologies de laque monocomposant, de thermodurcissables bicomposants et de revêtement UV sont efficaces pour peindre et revêtir les matériaux en polypropylène, et elles sont disponibles en chimies en phase aqueuse.

Références

• Definitive Guide to Polypropylene, Omnexus SpecialChem, 2021
• Sabreen, S. and Roobol, N: Painting Plastics for Painting, Plastics Decorating Magazine 2003
• Sabreen, S. Inkjet Printing & Adhesion of Low Surface Energy Polymers, Plastics Decorating Magazine 2019

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.

Dustin Kurath est directeur technique de Northern Coatings and Chemical Co., un fabricant de peintures spécialisé dans les revêtements industriels hautes performances. Kurath mène des recherches sur les revêtements industriels généraux et automobiles hautes performances, les revêtements aérospatiaux, les revêtements d'emballage et les revêtements durcissables par rayonnement depuis le milieu des années 2000. Vous pouvez joindre Kurath au 906.352.5060 ou sur www.northern-coatings.com.

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