Prétraitement de surface des plastiques

Prétraitements de surface / Qualité de surface

Angle de contact et tension superficielle pour optimiser l'adhérence

Tests plasma sur site et formation en science des surfaces

Les matériaux plastiques sont intrinsèquement difficiles à coller, revêtir, stratifier, imprimer et décorer, car ce sont des matériaux hydrophobes non polaires, chimiquement inertes et présentant une faible mouillabilité de surface, c'est-à-dire une faible énergie de surface. L'adhérence est déterminée par les interactions polaires et non polaires entre les substrats et/ou les matériaux de revêtement. Améliorer le mouillage et l'adhérence sur les surfaces polymères nécessite d'augmenter l'énergie de surface et les composants polaires interactifs. Pour une adhérence optimale, l'adhésif (revêtement, encre ou peinture) doit entièrement « mouiller » la surface (l'adhérent) à coller. Les prétraitements plasma en phase gazeuse sont des procédés « oxydatifs » et s'avèrent très efficaces pour résoudre les problèmes d'adhérence en introduisant des espèces fonctionnelles polaires chimiques.

The Sabreen Group est spécialisé dans l'ingénierie de surface et les prétraitements des plastiques, composites, caoutchoucs et métaux afin d'obtenir des procédés de fabrication robustes. Nos méthodes de procédé et nos technologies résolvent les problèmes de collage plastique-plastique, plastique-caoutchouc et plastique-métal. Nous avons obtenu le brevet américain 5051586 pour un procédé de prétraitement de surface utilisé dans la fabrication de l'électronique militaire/aérospatiale et des missiles/bombes intelligents. Les essais d'analyse de surface en laboratoire comprennent la microscopie à force atomique, l'ESCA/XPS et la mesure de l'angle de contact.

Les solutions innovantes de SABREEN pour vos applications incluent :

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

Grâce à sa vaste expérience et à son expertise du secteur, The Sabreen Group résout habilement les problèmes de prétraitement de surface et met en œuvre des solutions économiques et respectueuses de l'environnement. Les experts de SABREEN se distinguent dans les disciplines du prétraitement de surface, de la chimie interfaciale, de la qualité de surface et des techniques de mesure et d'analyse.

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 des 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 difficile, en partie en raison d'idées reçues et d'une terminologie confuse. En comprenant les principes scientifiques de base des angles de contact, du mouillage de surface et de l'activation chimique, pratiquement tout problème de collage peut être résolu avec succès, 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) ?

Les procédés de prétraitement par oxydation de surface en phase gazeuse, dits « 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. Lorsque de l'énergie est fournie, les solides fondent en liquides, les liquides se vaporisent en gaz, et les gaz s'ionisent en « plasmas ».

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

Plasma atmosphérique

Plasma à flamme

Rayonnement UV / ozone

Décharge corona électrique

Plasma à flamme Pyrosil

Fluoro-oxydation

Plasma à air (décharge électrique)

Plasma froid basse pression

Chimique et mécanique

Surface hydrophile

Surface hydrophobe

Mouillage partiel

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

Tester le comportement du fluide en se limitant à l'angle de contact statique peut conduire à une mauvaise interprétation des résultats de 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 affectés 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 reculée est plus sensible aux groupes oxydés à haute énergie introduits par les prétraitements de surface. Ainsi, l'angle de reculée est la mesure la plus caractéristique de la partie 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 reculée sur tous les matériaux à surface modifiée.

Lorsqu'une goutte est déposée sur une surface solide et que celle-ci est inclinée, la goutte s'élance vers l'avant et glisse vers le bas. Les angles ainsi formés sont respectivement appelés angle d'avancée (θa) et angle de reculée (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 reculée à partir de l'analyse de la forme et de la masse de la goutte.

Angles de contact dynamiques θr et θa

La principale raison pour laquelle de nombreux plastiques sont difficiles à coller est qu'il s'agit de matériaux hydrophobes non polaires, chimiquement inertes et présentant une faible mouillabilité de surface, c'est-à-dire une faible énergie de surface. Si ces propriétés hydrophobes (qui repoussent l'eau) sont idéales pour les concepteurs de pièces qui les recherchent, elles constituent un véritable obstacle pour les fabricants devant coller de tels matériaux. Un collage adhésif robuste nécessite généralement des surfaces « hydrophiles ». Pour obtenir une adhérence optimale, un adhésif (revêtement, encre ou peinture) doit entièrement « mouiller » la surface (l'adhérent) à coller.

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

Considérons une seule goutte 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 (θ), 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/goutte est due aux 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, conformément à une procédure de test 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 utilisée) 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 à des utilisations multiples.

Meilleure méthode pour l'inspection de la qualité de surface :

Le Surface Analyst™ 2001 est un appareil numérique portable permettant de mesurer les angles de contact directement en ligne de production, sans utiliser de solutions dyne chimiques. La méthode est non destructive ; la pièce peut donc être traitée normalement, contrairement au test aux solutions 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 adhésif, 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 ensuite l'angle de contact de l'eau sur une surface donnée. Il fournit à l'utilisateur un retour immédiat sous forme d'une valeur quantifiable ou d'une alerte Réussite/Échec. Les données d'inspection fournies par l'appareil permettent aux utilisateurs 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 n'importe quelle orientation et sur des surfaces lisses ou texturées, telles que les TPO grainés. Ces données peuvent être utilisées pour l'amélioration continue des procédés, l'identification des dérives de qualité pouvant signaler des problèmes imminents, ou pour cerner la cause critique de défaillances produit.

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

Les fabricants ont fortement tendance à se limiter aux angles de contact ou à d'autres mesures de mouillabilité comme seul indicateur prédictif des problèmes de collage et pour effectuer des tests de surface de routine. Or, la fonctionnalité chimique de surface est tout aussi importante, dans la mesure où elle permet d'activer des surfaces hydrophobes en surfaces hydrophiles collables. Les procédés de prétraitement par oxydation de surface en phase gazeuse, dits « à décharge luminescente », sont utilisés pour l'activation chimique de 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. Lorsque de l'énergie est fournie, les solides fondent en liquides, les liquides se vaporisent en gaz, et les gaz s'ionisent en « plasmas ».

En 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 qui se produit est que les électrons libres, les ions, les métastables, les radicaux et les UV générés dans le plasma peuvent frapper 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, à leur tour, peuvent 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 incluent 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 moule) peuvent être utilisés seuls ou en complément des prétraitements.

Le degré ou la qualité du prétraitement nécessaire à une adhérence robuste dépend de la propreté des surfaces plastiques. La surface doit être propre pour obtenir un prétraitement optimal et une adhérence adéquate par la suite. Les sources de contamination des surfaces des produits 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 antiadhérents sont particulièrement néfastes pour le collage. La pureté du matériau est également un facteur important. En outre, certains agents composés solubles ou insolubles utilisés dans les pigments et colorants 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, plastifiants, agents glissants et antistatiques, colorants et pigments, stabilisants, etc. L'exposition des surfaces traitées à des températures élevées augmente la mobilité des chaînes moléculaires. Plus la mobilité des chaînes est élevée, plus le vieillissement du prétraitement est rapide. Les surfaces traitées au plasma vieillissent à des rythmes et selon des degrés variables en fonction des facteurs liés à 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 tôt possible après le prétraitement.

Sachez que chaque méthode de prétraitement de surface est spécifique à l'application et peut présenter des avantages uniques ainsi que des limites potentielles. Pour 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 tests de mouillage sont difficiles à réaliser sur de petites zones et sur des surfaces fortement texturées.
• Automatisation de la manutention des matériaux : les convoyeurs et chaînes conducteurs peuvent provoquer des arcs électriques avec les systèmes classiques de décharge corona électrique et les traiteurs ponctuels. Envisagez plutôt d'utiliser la flamme, le plasma froid basse pression ou le plasma atmosphérique à faible potentiel.
• Évitez le surtraitement. Une oxydation plasma excessive 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 les brûleurs à fente et à orifices percés ainsi que des composants du système de combustion ; pour le plasma froid basse pression, 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 est le degré d'irrégularité de la surface d'un solide, à une échelle inférieure à celle de sa forme ou de son ondulation, mais supérieure à celle des irrégularités des structures cristallines.

Le degré de rugosité affecte la mouillabilité d'un solide. La rugosité allant de pair avec une surface agrandie, elle influe sur la mouillabilité d'un solide, l'angle de contact d'un liquide et l'adhérence.

Cette procédure décrit une méthode de test 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-marqueurs de test dyne.

Les tests 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 tests.

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 Chemwipes ou essuie-tout en papier
• Appareils de mesure de température et d'humidité
• Zone de travail propre

2.0 Méthode

• Relevez la température et l'humidité ambiantes.
• Sélectionnez le stylo dyne 60 et retirez le capuchon.
• Placez le produit à tester sur une surface plane et appuyez fermement la pointe applicatrice du stylo-marqueur sur le produit jusqu'à ce que la solution soit aspirée dans la pointe.
• D'un geste léger, passez 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.
• Notez le temps nécessaire pour que le liquide se fragmente en gouttelettes. Le comportement du liquide doit être observé au centre de celui-ci.
• Si le liquide ne se fragmente pas en gouttelettes après deux (2) secondes, l'énergie de surface est considérée comme étant d'au moins 60 dynes. Passez à l'étape 2.7. Si le liquide se fragmente en gouttelettes en moins de deux (2) secondes, répétez le test avec le stylo-marqueur dyne de niveau inférieur suivant. Des ajustements du procédé de prétraitement peuvent être nécessaires.
• Le test est terminé lorsque toutes les surfaces obtiennent les résultats de mouillage souhaités.
• Éliminez correctement les produits testés.

---