טכנולוגיות מתקדמות לעיטור פוליאתילן

טכנולוגיות מתקדמות לעיטור פוליאתילן

פוליאתילן (PE) הוא אחד הפולימרים הנפוצים ביותר, והוא מסווג לפי צפיפותו ודרגת ההסתעפות שלו. סוג ה-PE משפיע במידה ניכרת על הקלות או הקושי של פעולות עיבוד משניות. הסוגים הנפוצים ביותר הם LDPE, HDPE ופוליאתילן מוצולב. קשה להדביק ולעטר מוצרי PE בשל תכונות המשטח הכימיות, הפיזיקליות וההידרופוביות שלהם. מאמר זה דן בתהליכים משניים מתקדמים להשגת הדבקה, ציפוי, הדפסת הזרקת דיו וסימון בלייזר מעולים על PE.

הצעד הראשון להשגת פעולות משניות איתנות הוא הבנת ההבדלים בין סוגי ה-PE: מסועף, ליניארי ומוצולב. אף ש-PE אינו היגרוסקופי, הוא אינו ניתן להרטבה ובעל אנרגיית פני שטח חופשית נמוכה, שעשויה לרדת עוד בנוכחות חומרים מחומצנים בעלי משקל מולקולרי נמוך. פיגמנטים אנאורגניים של תערובת תחמוצות מתכת יכולים להשפיע על מידת הגבישיות ועל מהירות הגיבוש הקובעות את התכונות הסופיות של חלק הפלסטיק. פעולות היציקה הראשוניות וקצב הקירור קריטיים בקביעת ההידבקות הבין-פאזית בין פוליאולפינים.

עיקרי הדברים

• סוג ה-PE קובע את מידת הקושי. LDPE, HDPE ופוליאתילן מוצולב מתנהגים באופן שונה בכל פעולה משנית.
• HDPE קל בדרך כלל יותר להדבקה ולסימון בלייזר מאשר LDPE, בעיקר בשל הבדלים ביציבות התרמית.
• פלזמת להבה מעניקה לפוליאולפינים את חיי המדף הארוכים ביותר לאחר הטיפול, הודות לעומק הטיפול הרדוד שלה, 5 עד 10 ננומטר.
• Pyrosil אינו טיפול בלהבה. הוא מפקיע 5 עד 100 ננומטר של SiO2 באמצעות CVD בבעירה, והלהבה ורודה ולא כחולה.
• PE ללא תוספי לייזר מסומן באופן כמעט בלתי קריא, משום שאין לו בליעה ב-1060 עד 1070 ננומטר.

שאלות נפוצות

מדוע קשה כל כך לעטר פוליאתילן?

PE הידרופובי, לא קוטבי ואינרטי מבחינה כימית, עם אנרגיית פני שטח חופשית נמוכה, והאנרגיה הזו יורדת עוד בנוכחות חומר בעל משקל מולקולרי נמוך, כגון חומרי שחרור מתבנית, נוגדי חמצון, מרככים, חומרי החלקה ואנטי-סטטיים, צבענים ומייצבים העוברים אל פני השטח.

האם HDPE או LDPE קל יותר לעבודה?

בדרך כלל HDPE. שרשראות LDPE מסועפות, ואילו ל-HDPE מבנה גבישי יותר, וניתוח תרמי שפורסם מצא ש-LDPE יציב פחות תרמית מ-HDPE. הבדל זה מקל הן על הדבקת HDPE והן על סימונו בלייזר.

איזה טיפול מקדים מעניק את חיי המדף הארוכים ביותר בפוליאולפינים?

פלזמת להבה. מחקרים מראים שטיפול בלהבה בפוליאולפינים מפיק את חיי המדף הארוכים ביותר לאחר הטיפול, כתוצאה מעומק הטיפול הרדוד יחסית שלו, 5 עד 10 ננומטר מפני השטח.

האם אפשר לסמן פוליאתילן בלייזר ללא תוספים?

לא באופן שימושי. סימון PE ללא תוספים מפיק סימנים כמעט בלתי קריאים, כמו בתרמופלסטים רבים, משום שלפולימרים אין למעשה בליעה ב-1060 עד 1070 ננומטר. תוספים, מילויים, פיגמנטים וצבענים הם שמאפשרים שינוי צבע מקומי.

באיזו מהירות מתרפאים ציפויי UV על PE?

בדרך כלל תוך 3 עד 10 שניות בלבד. לאחר הריפוי, החלקים המעוטרים מוכנים מיד לאריזה, וציפויי UV מצטיינים בקשיחות ובעמידות כימית, עם ניסוחים הזמינים לעמידות חיצונית לטווח ארוך.

פוליאתילן

PE הוא תרמופלסטי גבישי משתנה ממשפחת הפוליאולפינים, והוא מסווג לפי צפיפותו ודרגת ההסתעפות שלו. שימושיו העיקריים כוללים אריזות, רכב, חשמל, מוצרי צריכה, סיבים וטקסטיל, וצינורות ואביזרים. התכונות המכניות של PE תלויות במידה ניכרת במשתנים כגון היקף וסוג ההסתעפות, מבנה הגביש והמשקל המולקולרי. PE מיוצר בפילמור תוספה או רדיקלי של מונומרים של אתילן (אולפין).

תכונה עיקרית של PE היא היכולת לשנותו בקלות בזמן העיבוד כדי לקבל מגוון צורות השונות זו מזו באורך שרשרת הפולימר, בצפיפות ובגבישיות. מאפיינים אלה מאפשרים להתאים מוצרי PE למגוון שימושים. להלן סוגי הפוליאתילן הנפוצים ביותר.

גרסאות מסועפות

• פוליאתילן בצפיפות נמוכה (LDPE)
• פוליאתילן ליניארי בצפיפות נמוכה (LLDPE)
• גרסאות ליניאריות

פוליאתילן בצפיפות גבוהה (HDPE)

• פוליאתילן במשקל מולקולרי גבוה במיוחד (UHMWPE)
• פוליאתילן מוצולב (PEX או XLPE)

PE זמין גם בסוגים נוספים, כגון, בין היתר: פוליאתילן בצפיפות בינונית (MDPE), פוליאתילן בצפיפות נמוכה במיוחד (ULDPE), פוליאתילן במשקל מולקולרי גבוה (HMWPE), פוליאתילן מטאלוצן (mPE) ופוליאתילן מוכלר (CPE).

ההבדלים בין HDPE ל-LDPE

סוג ה-PE שהמעצבים בוחרים קובע במידה רבה את הקלות או הקושי של פעולות עיבוד משניות. ל-LDPE ול-HDPE מאפיינים משותפים רבים, אך הרכביהם הפנימיים השונים מהותית מביאים להבדלים רבים. שרשראות הפולימר המרכיבות את שני החומרים מסועפות ב-LDPE, ואילו ב-HDPE לפולימרים מבנה גבישי יותר. HDPE רגיש יותר להיסדקות עקב מאמץ סביבתי. הבדלים בארגון הפולימר מובילים למאפיינים מובחנים בכל חומר. מחקר שפורסם ב-Journal of Applied Polymer Science שהעריך תכונות תרמיות מצא ש-LDPE יציב פחות תרמית מ-HDPE1. עבודה שביצעה The Sabreen Group תומכת במסקנה זו, לפיה HDPE יציב יותר תרמית מ-LDPE, ולעיתים קרובות קל יותר להדבקה ולסימון בלייזר².

הידבקות

הידבקות חזקה היא תנאי מוקדם לתהליכים משניים רבים. קשה להרטיב PE חצי גבישי בשל תכונותיו ההידרופוביות ואנרגיית פני השטח החופשית הנמוכה שלו, שעשויה לרדת עוד בנוכחות LMWOM כגון חומרי שחרור מתבנית, נוגדי חמצון, מרככים, חומרי החלקה ואנטי-סטטיים, צבענים ופיגמנטים ומייצבים. בנוסף להרכב הכימי של המשטח, המרקם, המסיות וכל זיהום LMWOM או מחסומים המצפים את משטח המצע ועולים אל פני השטח, או זיהומים מהטיפול בחלק, יכולים להשפיע על יכולת הנוזל לזרום ולהשיג מגע הדוק. ניקיון המשטח קריטי. בנוסף להידבקות כימית, חספוס משטח יכול להגביר הידבקות מכנית. בדרך כלל נדרש טיפול מקדים ברכיבי PE להדבקה. טיפול מקדים בפלזמה הוא שיטה מועדפת.

גם לאחר ניקוי מזיהומים, משטחי PE עשויים להתנגד להרטבה על ידי נוזל (דבק, ציפוי או דיו). הדבר נובע מתופעה המכונה אנרגיית פני שטח. אנרגיית פני שטח היא עודף האנרגיה הקיים על פני שטח של מוצק, בניגוד לנפח. עודף אנרגיה זה קיים משום שמולקולות על פני השטח אינן יכולות לקיים אינטראקציה עם מספר גדול של מולקולות שכנות דומות כפי שמולקולות בנפח יכולות. כתוצאה מכך יש להן עודף אנרגיית אינטראקציה.

טיפול מקדים בפלזמה

מה חדש? פלזמה אטמוספרית עם בקרת הספק משתנה של עד 500W ואזורי טיפול גדולים יותר, מתוצרת מובילת התעשייה 3DT LLC PlasmaDyne Pro. התקדמויות אלה מאפשרות בקרת הספק מדויקת של יינון פלזמה בטוהר גבוה במערכות משולבות בקו ואוטומטיות (רובוטיות).

חמצון של משטח (שינוי משטח) בפלזמה מסוג "פריקת זוהר" בפאזה גזית יעיל מאוד בפתרון בעיות הידבקות של משטחי פולימר לא קוטביים, אינרטיים מבחינה כימית והידרופוביים. התהליכים המוכרים כוללים פלזמה אטמוספרית חשמלית, פלזמת להבה, Pyrosil®, פריקת קורונה חשמלית, פלזמת אוויר חשמלית, גז קר בלחץ נמוך ב-RF, ו-UV/אוזון. כל התהליכים הללו מוסיפים פונקציונליות כימית בנוסף להגדלת אנרגיית פני השטח. ראו את המאמר הטכני המקוון "Plasma Surface Pretreatments of Polymers for Improved Adhesion Bonding", Plastics Decorating Magazine 2018.

מאמר זה בוחן שלושה תהליכי טיפול מקדים בפלזמה המתאימים היטב לטיפול משולב בקו או לטיפול משני ברכיבי PE ובכל הפוליאולפינים: 1) פלזמה אטמוספרית חשמלית, 2) פלזמת להבה, ו-3) Pyrosil®. תמונה 1. הבחירה באיזה תהליך מתאים ביותר לכל יישום תלויה בגורמים רבים, ובהם סוג הפולימר, עובי החלק והגיאומטריה.

פלזמה אטמוספרית

פלזמה אטמוספרית, או פלזמת יונים מנושבת חשמלית, משתמשת באלקטרודת חרטום המוזנת על ידי גנרטור חשמלי ושנאי מגביר, ובאוויר בלחץ גבוה, שבו נוצרת פלזמה עוצמתית בתוך ראש הטיפול וזורמת החוצה. יצירת האוזון זניחה. תהליך טיפול מקדים זה כמעט נטול פוטנציאל (לטיפול בחומרים מוליכים, כולל מתכות), והוא מסוגל להסיר לכלוך, פסולת ורוב הפחמימנים מהמצע. מחקרים חדשים מצביעים על כך שחריטה עדינה של המשטח יכולה ליצור טופוגרפיות חדשות להגברת ההדבקה המכנית.

טיפול בפלזמת להבה

טיפול בפלזמת להבה משתמש במינים תגובתיים מאוד הקיימים בבעירה של אוויר וגז פחמימני כדי ליצור את הפלזמה. אף שטיפול בלהבה הוא אקסותרמי, החום אינו יוצר את הפונקציונליות הכימית ואת ההרטבה המשופרת של המשטח. הלהבה מסירה לכלוך, פסולת ורוב הפחמימנים מהמצע. טיפול בלהבה יכול להקנות הרטבה, חמצון וחיי מדף גבוהים יותר מטיפולים מקדימים חשמליים בשל עומק הטיפול הרדוד יחסית מפני השטח, 5 עד 10 ננומטר. מחקרים מראים שפלזמת להבה בפוליאולפינים מפיקה את חיי המדף הארוכים ביותר לאחר הטיפול בשל עומק הטיפול הרדוד יחסית, יתרון עבור מוצרים. אוזון אינו נוצר. בעת רכישת מבערי טיפול בלהבה, מבערי סרט מספקים אחידות להבה גבוהה יותר עם וסתים מאוזנים לאפס. טיפול בלהבה בגז פרופאן אידיאלי לטיפול בחלקים עמידים מ-PE ומפוליאולפינים.

CCVD Pyrosil®

אין לבלבל עם פלזמת להבה: טיפול Pyrosil® הוא טכניקה לשינוי משטח המפקיעה שכבת סיליקון דו-חמצני (SiO2) אמורפית על משטח המצע באמצעות שקיעת אדים כימית בבעירה (CCVD). באמצעות פירוליזה בלהבה אפשר להשיג שכבה דקה (5 – 100 ננומטר) של תחמוצת סיליקון תגובתית מאוד והידרופובית על המצע. כתוצאה מכך נבנה משטח הידרופילי מוגדר בשל הצפיפות הגבוהה של קבוצות Si-OH על פני חלקיקי ה-SiO2 המופקדים ובשל חספוס בקנה מידה ננומטרי. ל-Pyrosil® (להבה בגוון ורדרד) ולפלזמת להבה מסורתית (להבה בגוון כחלחל) יש דמיון בתהליך, אך כימיית הלהבה ומנגנוני הפונקציונליות של המשטח שונים. ההבדל העיקרי הוא ש-Pyrosil® מפיק SiO2, ואילו טיפול בלהבה אינו מפיק.

הדפסת הזרקת דיו UV LED במעבר יחיד

מה חדש? מערכות הדפסת הזרקת דיו UV LED במעבר יחיד ל-PE/פוליאולפינים גמישים וקשיחים, הכוללות דיו בטוח מבחינת רעילות ומאושר לתאימות ביולוגית. תמונה 2.

היתרון המשמעותי של הדפסה בצבע מלא במעבר יחיד, בהשוואה לסריקה, הוא מהירות גבוהה יותר ותפוקה מוגברת. רבות מבעיות הבטיחות של דיו UV נפתרו. דיו UV LED חדש, Apollo FTX Ink Series†, הוכשר ביישומים ספציפיים כבטוח למבוגרים ולילדים, למגע עם עור אדם, לפי ASTM D 4236 (LHAMA – 16 CFR 1500.14), ונבדק לתאימות ביולוגית.

לתכונות הדיו הרטבה מצוינת, הידבקות והידבקות בין-מולקולרית בין דיו לבן (שכבת בסיס) לצבעי CMYK++. לדיו זה זרימה גבוהה ועקבית וזווית מגע ביציאה מהחרטום היוצרת פיצול סילון אחיד. הכימיה מותאמת במדויק לפרופילי ריפוי UV LED ספציפיים, מה שמבטיח תכונות ריפוי סופיות חזקות ואסתטיקה, ללא תת-ריפוי (דביק) או ריפוי יתר (שביר).

ציפוי וצביעה

מה חדש? ציפויים מתרפאי UV LED עם פיגמנטים בעלי אפקט דקורטיבי ועמידות לתנאי מזג אוויר על PE, כולל פלסטיק ממוחזר. תמונה 3.

ציפויים מתרפאי UV מציעים את השילוב הטוב ביותר של זמן ייבוש/ריפוי מהיר וביצועים מכל טכנולוגיית ציפוי לפלסטיק. בדרך כלל אפשר להשיג ריפוי בתוך 3 עד 10 שניות בלבד. לאחר הריפוי, מוצרי פלסטיק המעוטרים בציפויים מתרפאי UV מוכנים מיד לאריזה.

ציפויים מתרפאי UV מצטיינים בקשיחות ובעמידות כימית, ואפשר לנסחם להשגת עמידות חיצונית לטווח ארוך. מנורות אדי כספית הן מקור ה-UV הנפוץ ביותר לריפוי. מנורות קשת זולות יותר לרכישה, אך דורשות זמן חימום ומפיקות חום רב.

מנורות המופעלות במיקרוגל יקרות יותר ממנורות קשת, אך מוכנות לשימוש בתוך שניות מרגע ההפעלה, מפיקות פחות חום ואורך חיי הנורה שלהן ארוך יותר. מנורות UV LED התגלו כטכנולוגיה מתחרה המציעה הפעלה וכיבוי מיידיים עם צריכת אנרגיה נמוכה מאוד ופליטת חום נמוכה במיוחד. קל לרסס ציפויי UV באטומיזציה באמצעות HVLP, באופן ידני או רובוטי.

סימון בלייזר סיבי

מה חדש? תוספי לייזר לשימוש במגע עקיף עם מזון ותואמי FDA/רפואה, ולייזרי סיב MOPA מסוג Ytterbium.

תוספים כימיים חדשים מפיקים ניגודיות סימון מעולה (לבן אטום ושחור עמוק על PE) ואינם משפיעים על שקיפות הפולימר, על ההעברה הספקטרלית או על התכונות הפיזיקליות הבסיסיות. סימון PE בלייזר ללא תוספים מפיק סימנים כמעט בלתי קריאים, בדומה לתרמופלסטים רבים. מכיוון שלרוב הפולימרים אין תכונות בליעה ב-1060 עד 1070 ננומטר, מומחים משתמשים בתוספים, מילויים, פיגמנטים וצבענים המשפרים את בליעת אנרגיית הלייזר לשינויי צבע מקומיים. מחקרים בנושא PE מצביעים על כך שיציבות תרמית ותכונות פירוק בחום הן מנגנוני מסלול קריטיים. ראו איור 1. יתרה מזו, HDPE מפיק איכות גבוהה יותר בהשוואה ל-LDPE, ל-LLDPE ולפוליאולפינים באמצעות לייזרי NIR.

ניתוחים תרמוגרביומטריים (TGA) מטמפרטורת הסביבה ועד 1000°C של שתי דגימות HDPE המראים הבדלים בטמפרטורות הפירוק התרמי. HDPE B יסומן בקלות ובמהירות רבה יותר מ-HDPE A.

ריכוז הטעינה האופייני במשקל בחלק הסופי נע בדרך כלל בין 0.01% ל-3.0%. אפשר לערבב גרנולט ואבקה בחומר צבע מוכן מראש או במרוכז צבע. תוספי לייזר חוסכים בעלויות ומראים מהירות סימון גבוהה ב-20% ויותר בהשוואה לחומרים שלא עברו אופטימיזציה.

לייזרי סיב Ytterbium הם בין ההתקדמויות המשמעותיות ביותר בסימון פולימרים. לייזרי סיב Q-switched, בדרך כלל ברוחב פולס של 100 עד 120 ננו-שניות, משמשים בכמה יישומי סימון פולימרים, אך קצב חזרת הפולסים שלהם מוגבל לכ-80kHz בשל המגבלה הטבועה בטכנולוגיית ה-Q-switching. לייזרי סיב MOPA בהפעלה ישירה יכולים לפעול בקצבי חזרה של עד 500kHz ברוחבי פולס של ננו-שניות (20 עד 70 ננו-שניות ב-PE), מה שהופך את מוליך הגל של צורת הפולס הזמנית לאידיאלי לפולימרים משופרי לייזר. תמונה 4.

סיכום

טכנולוגיות מתקדמות מספקות פתרונות חדשים לעיטור וגימור של מוצרי פוליאתילן. התהליכים המשניים שנבחנו הם הדבקה, ציפוי, הדפסת הזרקת דיו וסימון בלייזר. סוג ה-PE משפיע במידה ניכרת על הקלות או הקושי בייצור. קשה להדביק ולעטר PE בשל תכונות הנפח וההידרופוביות של המשטח שלו. פעולות היציקה, כולל קצב הקירור, חשובות בקביעת ההידבקות הבין-פאזית. HDPE קל בדרך כלל יותר להדבקה ולסימון בלייזר מ-LDPE בשל הבדלים ביציבות התרמית. מערכות הדפסת הזרקת דיו UV LED במעבר יחיד ל-PE/פוליאולפינים גמישים וקשיחים, הכוללות דיו בטוח מבחינת רעילות ומאושר לתאימות ביולוגית, הן בין הטכנולוגיות החדשות המרגשות ביותר.

מקורות

• 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.

†סדרת הדיו Apollo FTX זמינה לרכישה. צרו קשר עם The Sabreen Group בטלפון 972.820.6777 או בדוא"ל [email protected]

Scott R. Sabreen הוא מייסד ונשיא The Sabreen Group, Inc., חברת ייעוץ הנדסי המתמחה בתהליכי ייצור משניים של פלסטיק: טיפולים מקדימים בפני השטח, הידבקות והדבקה, הדפסת הזרקת דיו, סימון בלייזר, ציפויים תעשייתיים, עיטור וגימור, ואבטחת מוצרים. Sabreen מפתח טכנולוגיות חלוציות ופותר בעיות ייצור למעלה מ-30 שנה. אפשר ליצור איתו קשר בטלפון 972.820.6777 או דרך האתר www.sabreen.com.

---