Prétraitement plasma

Traitement plasma de surface des plastiques

Le prétraitement plasma améliore l'adhérence des polymères

Les prétraitements plasma de surface, plus précisément appelés oxydation de surface par plasma « en phase gazeuse à décharge luminescente », permettent de résoudre les difficultés de liaison par adhérence entre les plastiques à faible énergie de surface et les adhésifs, revêtements, encres d'impression, peintures et mastics d'étanchéité. Ces méthodes comprennent la décharge corona électrique, le plasma atmosphérique, le plasma à air soufflé électrique, le plasma à flamme, le Pyrosil, le plasma froid à distance et le rayonnement UV/ozone. Tous ces procédés se caractérisent par leur capacité à générer un « plasma gazeux ». Sur le plan de la physique, les mécanismes de génération de ces plasmas diffèrent, mais leurs effets sur la mouillabilité de surface sont similaires. Outre le traitement plasma, il existe d'autres méthodes très efficaces, notamment chimiques, la fluoro-oxydation et mécaniques.

liaison par adhérence

Pourquoi les plastiques sont-ils difficiles à coller ?

Les plastiques et les composites sont difficiles à coller car leurs surfaces sont hydrophobes, non polaires, chimiquement inertes et présentent une faible énergie de surface. L'adhérence résulte de plusieurs mécanismes agissant simultanément : ancrage mécanique, diffusion moléculaire, interaction électrostatique, mouillage, liaison chimique et formation d'une couche limite fragile. Le degré de résistance du collage obtenu dépend à la fois des propriétés des deux matériaux et du procédé de collage/assemblage. Pour obtenir une adhérence optimale, l'adhésif (revêtement, encre ou peinture) doit parfaitement « mouiller » la surface (substrat) à coller.

La liaison par adhérence est un « procédé » — pas seulement une machine. Pour comprendre les différences entre les méthodes de prétraitement plasma, il est important de clarifier toute terminologie ambiguë parfois utilisée par les fournisseurs à des fins marketing. La conception des équipements, leur fonctionnalité et la pureté du plasma varient considérablement d'un fabricant à l'autre, ce qui a un impact important sur la qualité du traitement, la performance du produit et sa durée de conservation.

The SABREEN Group a été le premier à breveter le prétraitement plasma corona des surfaces polymères tridimensionnelles pour les dispositifs électroniques militaires (US505186, 1991). Les plus de 40 ans d'expérience pratique de SABREEN en liaison par adhérence, adhésifs, chimie des surfaces, prétraitements de surface, procédés de collage, modes de défaillance d'adhérence, essais analytiques, polymères, opérations de moulage et intégration de systèmes garantissent l'excellence des procédés de collage.

Experts en liaison par adhérence et prétraitement plasma

• Examen de chaque étape du procédé — du moulage à l'assemblage
• Évaluation de plusieurs prétraitements plasma (équipements sur site)
• Mesure précise des facteurs critiques du procédé — norme ASTM
• Angle de contact, énergie de surface
• Essais au lave-vaisselle
• Adhérence, cohésion, mode de défaillance
• Profilage du durcissement et du dosage
• Abrasion Taber, rayures/marques
• Épaisseur de revêtement humide/sec
• Résistance chimique
• Vieillissement accéléré et UV
• Identification des causes profondes critiques, validation des solutions

Mise en œuvre de solutions de procédé Six Sigma

Prétraitements plasma pour le nettoyage de surface et l'activation chimique des matériaux

Prétraitements plasma de surface des polymères pour améliorer l'adhérence

Modification de surface par plasma froid

Modification de surface par plasma à flamme des polymères pour le collage par adhérence

Traitement Pyrosil® pour améliorer l'adhérence des polymères — les avancées élargissent les applications aux plastiques à faible énergie de surface

Prétraitement de surface UV/ozone pour améliorer l'adhérence des polymères

Applications d'adhérence :

• Collage des plastiques, composites, métaux
• Revêtements plastiques et métalliques
• Impression jet d'encre
• Impression sur films polymères
• Revêtements hydrophobes / hydrophiles
• Dispositifs microfluidiques
• Revêtements sur plastique, verre, métaux
• Teflon / PTFE

Problèmes d'application du procédé :

• Formation technique
• Sélection de l'adhésif
• Texture
• Stockage des pièces
• Pièces contaminées
• Primaire d'adhérence
• Absence de protection des mains
• Température et humidité
• Prétraitement irrégulier
• Mélange
• Viscosité
• Épaisseur de film humide/sec
• Pression de serrage
• Recette de durcissement
• Durcissement au four
• CQ

Webinaire à la une par Scott Sabreen

Dans ce webinaire enregistré, vous approfondirez votre compréhension de la science du prétraitement de surface des différents plastiques et apprendrez à déterminer les meilleures solutions pour vos problématiques d'adhérence.

Sujets abordés :

• Défaillance par adhérence ou par cohésion
• Pourquoi les prétraitements sont nécessaires pour les substrats plastiques à faible énergie
• Effets des opérations de moulage primaire sur l'adhérence
• Comment sélectionner le meilleur procédé de prétraitement
• Diagnostic, dépannage et solutions
• Méthodes de procédé de fabrication « meilleures pratiques »
• Études de cas réels

Pourquoi le prétraitement de surface est-il nécessaire ?

Les matériaux plastiques présentent une faible énergie de surface et de faibles propriétés d'adhérence interfaciale lors du collage d'adhésifs, de revêtements, d'encres et de peintures. Les prétraitements plasma de surface sont utilisés pour favoriser l'adhérence entre les substrats plastiques difficiles à coller, et l'oxydation de surface par plasma « en phase gazeuse » (modification) est la méthode de modification la plus courante ; elle s'avère très efficace, économique et respectueuse de l'environnement. Le choix de la méthode à utiliser pour une application donnée peut s'avérer complexe. En comprenant les principes fondamentaux des angles de contact, du mouillage de surface et de l'activation chimique, pratiquement tous les problèmes de collage peuvent être résolus, même avec les matériaux polymères et élastomères les plus difficiles à coller.

Qu'est-ce que l'oxydation de surface par plasma « en phase gazeuse » (modification) ?

Plasma atmosphérique

Plasma à flamme

Rayonnement UV / ozone

Décharge corona électrique

Plasma à flamme Pyrosil

Fluoro-oxydation

Plasma à air électrique

Plasma froid

Chimique et mécanique

Quel procédé plasma convient le mieux à votre application ? Cliquez sur les boutons ci-dessous pour en savoir plus sur chaque méthode.

Surface hydrophile

Surface hydrophobe

Mouillage partiel

L'angle de contact est l'angle, généralement mesuré à travers le liquide, formé à la jonction entre l'interface liquide-vapeur et l'interface solide. L'angle de contact quantifie la mouillabilité d'une surface solide par un liquide via l'équation de Young.

Se limiter à l'étude du comportement du fluide en angle de contact statique peut conduire à une mauvaise interprétation des résultats à l'interface liquide/solide et de la résolution des problèmes de collage. En effet, les opérations de production industrielle correspondent plus fidèlement à des conditions dynamiques que statiques. Il est donc important de comprendre l'angle de contact dynamique (DCA). Les angles de contact sont généralement influencés à la fois par les changements de chimie de surface et par les changements de topographie de surface.

L'angle de contact d'avancée est le plus sensible aux composants à faible énergie (non modifiés) de la surface du substrat, tandis que l'angle de recul est plus sensible aux groupes oxydés à haute énergie introduits par les prétraitements de surface. L'angle de recul est ainsi la mesure la plus représentative de la composante modifiée de la surface après prétraitement, telle que mesurée à l'aide de solutions dyne. Il est donc important de mesurer à la fois les angles de contact d'avancée et de recul sur tous les matériaux à surface modifiée.

Lorsqu'une gouttelette adhère à une surface solide et que celle-ci est inclinée, la gouttelette s'avance et glisse vers le bas. Les angles ainsi formés sont respectivement appelés angle d'avancée (θa) et angle de recul (θr). La norme ASTM D724 décrit des méthodes de mesure des DCA à l'aide d'équipements avancés (tensiomètres optiques et goniomètres) permettant d'analyser les angles de contact d'avancée et de recul à partir de l'analyse de la forme et de la masse de la goutte.

Angles de contact dynamiques θr et θa

La difficulté à coller de nombreux plastiques s'explique par le fait qu'ils sont des matériaux hydrophobes, non polaires, chimiquement inertes et présentent une faible mouillabilité de surface, c'est-à-dire une faible énergie de surface. Si ces propriétés hydrophobes (repoussant l'eau) sont idéales pour les concepteurs de pièces qui les recherchent, elles constituent un obstacle majeur pour les fabricants devant coller ces matériaux. Une adhérence robuste nécessite généralement des surfaces « hydrophiles ». Pour obtenir une adhérence optimale, un adhésif (revêtement, encre ou peinture) doit parfaitement « mouiller » la surface (substrat) à coller.

Le « mouillage » désigne le fait que le liquide s'écoule et recouvre une surface afin de maximiser la zone de contact et les forces d'attraction entre l'adhésif et la surface du substrat à coller. Pour qu'un liquide mouille efficacement une surface, l'énergie de surface de l'adhésif doit être égale ou inférieure à celle du substrat à coller. À défaut, l'énergie de surface du substrat doit être augmentée.

Considérons une simple gouttelette de liquide posée sur une surface solide plane, au repos (équilibre). L'angle formé par la surface solide et la tangente à la surface supérieure au point de contact est appelé angle de contact ; c'est l'angle (?) mesuré à travers le liquide entre la tangente au point de contact et la ligne horizontale de la surface solide. La forme de la bulle/gouttelette résulte des forces moléculaires par lesquelles tous les liquides, par contraction de leur surface, tendent à donner au volume contenu la forme ayant la plus petite surface possible. Les forces intermoléculaires qui contractent la surface sont appelées « tension superficielle ». La tension superficielle, une mesure de l'énergie de surface, s'exprime en dynes/cm (SI : N/m).

Plus l'énergie de surface du substrat solide est élevée par rapport à la tension superficielle d'un liquide (eau, encres d'impression, adhésifs/encapsulants, revêtements, etc.), meilleure sera sa « mouillabilité » et plus petit sera l'angle de contact (figure 1, page 2). En règle générale, une adhérence de collage acceptable est obtenue lorsque l'énergie de surface d'un substrat dépasse d'environ 8 à 10 dynes/cm la tension superficielle du liquide.

« Mouillage de surface » : surfaces hydrophiles et hydrophobes

Pour de nombreuses applications, il peut suffire d'examiner l'angle de contact statique à l'équilibre à l'aide de solutions dyne, selon une procédure d'essai documentée. Les kits d'application ou « stylos/solutions dyne » fournissent des informations utiles, mais ne constituent pas des mesures précises de la tension superficielle. Les mesures de tension superficielle peuvent varier considérablement selon l'opérateur (technique) et l'interprétation du comportement du liquide au « centre ». Les stylos/solutions dyne sont reconnus comme des indicateurs directionnels de différences significatives de tension superficielle et permettent d'identifier les surfaces collables « bonnes » ou « mauvaises » à un coût économique. Les solutions dyne en flacon peuvent être préférables aux stylos en raison des risques de contamination liés aux usages multiples.

Meilleure méthode pour contrôler la qualité de surface :

Le Surface Analyst™ 2001 est un appareil numérique portable permettant de mesurer les angles de contact en ligne de production sans recourir à des solutions dyne chimiques. La méthode est non destructive ; la pièce peut donc être traitée normalement, contrairement à l'essai par solution dyne qui implique de gratter la pièce. Inventé par BTG Labs, le Surface Analyst™ a été conçu pour mettre une technologie de mesure de surface de précision entre les mains des techniciens d'atelier, pour les opérations où l'état de surface est essentiel, telles que le collage par adhérence, la peinture, le revêtement, l'impression et la décontamination. Grâce à une technique brevetée appelée « dépôt balistique », l'appareil dépose une goutte d'eau hautement purifiée sur la surface du substrat.

En connaissant le volume et la surface d'une goutte d'eau, l'appareil calcule alors l'angle de contact de l'eau sur une surface donnée. Il fournit à l'utilisateur un retour immédiat sous la forme d'un chiffre quantifiable ou d'une alerte Conforme/Non conforme. Les données de contrôle fournies par l'appareil permettent de déterminer si le substrat a été correctement préparé pour les procédés d'adhérence, en remplacement des solutions dyne destructives. L'appareil portable fonctionne dans toutes les orientations et sur des surfaces lisses ou texturées, telles que les TPO grainés. Ces données peuvent être utilisées pour l'amélioration continue des procédés, en identifiant les dérives de qualité pouvant signaler des problèmes imminents ou en déterminant la cause critique des défaillances produit.

Surface Analyst de BTG Labs. Photos gracieusement fournies par BTG LABS (513.469.1800).

Les fabricants ont fortement tendance à se concentrer uniquement sur les angles de contact ou d'autres mesures de mouillabilité comme seul indicateur des problèmes de collage et pour les essais de surface de routine. La fonctionnalité chimique de la surface est tout aussi importante : elle permet d'activer des surfaces hydrophobes en surfaces hydrophiles collables. Les procédés de prétraitement par oxydation de surface en phase gazeuse à « décharge luminescente » sont utilisés pour l'activation chimique de la surface. Ces procédés se caractérisent par leur capacité à générer un « plasma gazeux », un gaz extrêmement réactif composé d'électrons libres, d'ions positifs et d'autres espèces. Les plasmas sont souvent décrits comme un quatrième état de la matière. Sous l'effet de l'apport d'énergie, les solides fondent en liquides, les liquides se vaporisent en gaz, et les gaz s'ionisent en « plasmas ».

Sur le plan de la physique, les mécanismes de génération de ces plasmas diffèrent, mais leurs effets sur la mouillabilité de surface sont similaires. La réaction chimique et physique de base se produit lorsque les électrons libres, ions, espèces métastables, radicaux et UV générés dans le plasma frappent une surface avec une énergie suffisante pour rompre les liaisons moléculaires à la surface de la plupart des substrats polymères. Cela crée des radicaux libres très réactifs à la surface du polymère qui peuvent alors se former, se réticuler ou, en présence d'oxygène, réagir rapidement pour former divers groupes fonctionnels chimiques à la surface du substrat. Les groupes fonctionnels polaires susceptibles de se former et d'améliorer la collabilité comprennent les groupes carbonyle (C=O), carboxyle (HOOC), hydroperoxyde (HOO-) et hydroxyle (HO-). Même de faibles quantités de groupes fonctionnels réactifs incorporés dans les polymères peuvent grandement améliorer la fonctionnalité chimique de surface et la mouillabilité. Par ailleurs, les primaires/solvants chimiques et l'abrasion mécanique (y compris la texture de l'outillage de moulage) peuvent être utilisés seuls ou en association avec les prétraitements.

Le degré ou la qualité du prétraitement nécessaire à une résistance d'adhérence robuste dépend de la propreté des surfaces plastiques. La surface doit être propre pour obtenir un prétraitement optimal et une adhérence ultérieure adéquate. Les sources de contamination des surfaces du produit qui nuisent au traitement comprennent la saleté, la poussière, la graisse et l'huile. Les matériaux de faible poids moléculaire tels que les silicones, les agents démoulants et les agents antidérapants sont particulièrement néfastes pour le collage. La pureté du matériau est également un facteur important. Par ailleurs, certains agents composés solubles ou insolubles utilisés dans les colorants pigmentaires et les teintures peuvent nuire à l'adhérence.

La durée de conservation (dégradation par vieillissement du traitement) des plastiques traités dépend du type de résine, de la formulation et de l'environnement ambiant de la zone de stockage. La durée de conservation des produits traités est limitée par la présence de matériaux oxydés de faible poids moléculaire (LMWOM) tels 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 prétraitement est rapide. Les surfaces traitées au plasma vieillissent à des rythmes et degrés variables selon les facteurs de l'environnement ambiant. Les caractéristiques de vieillissement et la durée de conservation en stockage sont essentielles aux opérations de fabrication. Les surfaces activées peuvent avoir une durée de conservation de quelques heures, jours, mois, voire plus. Il est recommandé de coller, revêtir, peindre ou décorer les produits le plus rapidement possible après le prétraitement.

Gardez à l'esprit que chaque méthode de prétraitement de surface est spécifique à l'application et peut présenter des avantages uniques ainsi que des limites potentielles. Pour obtenir des résultats robustes, tenez compte des facteurs suivants :

• Les polymères réagissent différemment aux procédés d'oxydation. Le type de substrat polymère et ses exigences de performance en utilisation finale sont déterminants dans le choix de la méthode de prétraitement.
• Le substrat (produit à traiter) est-il conducteur ? Par exemple, les corps de connecteurs électroniques en plastique non assemblés — sans broches de contact métalliques — peuvent être traités électriquement, tandis que les connecteurs assemblés peuvent présenter des problèmes d'arc électrique.
• Géométrie de la pièce — les surfaces planes sont plus faciles à traiter que les cavités profondes, les fortes conicités et autres irrégularités de forme. Les essais de mouillage sont difficiles à réaliser sur de petites zones et sur des surfaces fortement texturées.
• Automatisation de la manutention des matériaux : les courroies et chaînes conductrices peuvent provoquer des arcs électriques avec les traiteurs corona électriques classiques et les traiteurs ponctuels. Envisagez plutôt d'utiliser le plasma à flamme, le plasma froid ou le plasma atmosphérique à faible potentiel.
• Évitez le surtraitement. Un excès d'oxydation plasma des surfaces peut nuire aux procédés d'assemblage en aval, tels que le thermoscellage/soudage.
• Tous les équipements de prétraitement ne se valent pas. Examinez la qualité des systèmes construits en fonctionnement. Pour les procédés de traitement électrique, observez l'uniformité de la décharge plasma ; pour le traitement à la flamme, tenez compte des différences entre brûleurs à ruban et brûleurs à orifices percés ainsi que des composants du système de combustion ; pour le plasma froid, examinez la qualité de la construction de la chambre, des supports d'électrodes et, en particulier, le fabricant de la pompe à vide.

La rugosité de surface correspond au degré d'irrégularité de la surface d'un solide, à une échelle inférieure à celle de sa forme ou de ses ondulations mais supérieure à celle des irrégularités de la structure du réseau cristallin.

Le degré de rugosité influence la mouillabilité d'un solide. La rugosité étant liée à une augmentation de la surface, elle influence la mouillabilité d'un solide, l'angle de contact d'un liquide et l'adhérence.

Cette procédure décrit une méthode d'essai et de mesure de la tension de mouillage de surface (c'est-à-dire l'énergie de surface) des substrats plastiques à l'aide de stylos-tests dyne.

Les essais de mouillage de surface doivent être réalisés immédiatement après le prétraitement (décharge corona, traitement à la flamme, plasma gazeux RF). Les surfaces traitées sont sensibles au facteur temps et sont affectées par les conditions environnementales telles que la température et l'humidité. Les substrats doivent présenter des surfaces propres pour une adhérence optimale. La saleté, la poussière, les huiles des mains/doigts, les produits à base de silicone et autres contaminants nuisent à l'adhérence et peuvent fausser les résultats des essais.

1.0 Matériel / équipement

• Stylos-marqueurs dyne — niveaux disponibles : 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 60
• Produits à tester
• Gants en plastique
• Lingettes non pelucheuses ou essuie-tout
• Thermomètres et hygromètres
• Zone de travail propre

2.0 Méthode

• Relever la température et l'humidité ambiantes.
• Sélectionner le stylo dyne 60 et retirer le capuchon.
• Placer le produit à tester sur une surface plane et appuyer fermement la pointe applicatrice du stylo sur le produit jusqu'à ce que la solution soit aspirée dans la pointe.
• D'un geste léger, faire glisser le stylo une fois sur toute la longueur de la surface prétraitée afin d'appliquer une fine couche de liquide.
• Des passages parallèles sont recommandés. Un excès de solution entraînera une lecture erronée.
• Noter le temps nécessaire pour que le liquide se fractionne en gouttelettes. L'observation du comportement du liquide doit se faire au centre de celui-ci.
• Si le liquide ne se fractionne pas en gouttelettes après deux (2) secondes, l'énergie de surface est considérée comme étant d'au moins 60 dynes. Passer à l'étape 2.7. Si le liquide se fractionne en gouttelettes en moins de deux (2) secondes, répéter l'essai avec le stylo-marqueur dyne de niveau inférieur suivant. Des ajustements du procédé de prétraitement peuvent être nécessaires.
• L'essai est terminé lorsque toutes les surfaces atteignent les résultats de mouillage souhaités.
• Éliminer correctement les produits testés.

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