ציפוי נוזלי תעשייתי של מוצרי פוליאולפין – יישומי פנים וחוץ

ציפוי נוזלי תעשייתי של מוצרי פוליאולפין – יישומי פנים וחוץ

ציפוי תעשייתי של פלסטיק הוא תהליך יסוד לעיטור, לגימור ולהתאמה אישית בייצור המוני. ציפויים נוזליים הם רב-גוניים מאוד ומאפשרים אפשרויות תפקודיות ואסתטיות אינסופיות. ציפויים מוסיפים ערך, חסכוניים וידידותיים לסביבה. תהליכי ציפוי הם רב-היבטיים ודורשים הנדסה נכונה. יש להבין את השפעות כימיית הצבע והתאימות לפולימר. איכות המשטח וניקיונו חיוניים להידבקות ולאיכות נטולת פגמים. מאמר זה הוא הראשון בסדרה העוסקת בציפויים נוזליים לפלסטיק. בגיליון זה אנו בוחנים תכונות פולימר, סוגי האינטראקציות בין ציפויים למצעים, יישומי פוליפרופילן וטכנולוגיות ציפוי.

המונחים "ציפוי" ו"צביעה" מוחלפים לעיתים קרובות זה בזה. בדרך כלל מטרת ה"צביעה" היא אסתטיקה, ואילו "ציפוי" נועד לביצועים באמצעות יישום שכבת חומר תפקודי על המצע. דוגמאות לציפויי ביצועים כוללות איטום למים, ניקוי עצמי, אנטי-מיקרוביאליות, מניעת חלודה וקורוזיה, הגנה מפני UV ותנאי מזג אוויר, גמישות ואלסטיות, ושימור צבע. כדי להשיג הידבקות, חלקי פלסטיק חייבים להיות נקיים ממטענים סטטיים, לכלוך, שמנים, טביעות אצבע, שאריות חומר שחרור מתבנית וכדומה. חומרים מחומצנים בעלי משקל מולקולרי נמוך (LMWOM), כגון נוגדי חמצון, מרככים, חומרי החלקה ואנטי-סטטיים, צבענים/פיגמנטים ומייצבים, עלולים לשנות את יכולת הצביעה של חלק ולגרום לדלמינציה ולפגמים אחרים. בשל האופי ההידרופובי של פוליפרופילן (PP) ושל פולימרים רבים, נדרש טיפול מקדים בפלזמה, ולעיתים בשילוב מקדמי הידבקות כימיים מפוליאולפין מוכלר.

עיקרי הדברים

• צבע ופולימר מקיימים אינטראקציה כימית, תרמית ומכנית, ואף אחת מהן אינה רשאית לפגוע בתכונות הפלסטיק.
• PP הוא "הפלדה" של תעשיית הפלסטיק: קשיח, גבישי, לא קוטבי וניתן למחזור ב-100%.
• יכולת הצביעה היא החלטת תכנון. הדרגות שונות זו מזו גם בתוך אותה משפחת פולימרים, ולכן בחירת הפולימר קובעת את התקרה.
• שלוש משפחות ציפוי, לכות חד-רכיביות, תרמוסטים דו-רכיביים ו-UV, זמינות כולן בכימיות על בסיס מים.
• PP ממוחזר הוא שוק ציפוי אמיתי. סוללות רכב הופכות למוצרי בנייה בעלי אחריות של 25 שנה ויותר.

שאלות נפוצות

מדוע קשה לצבוע פוליפרופילן?

PP הידרופובי, לא קוטבי ואינרטי מבחינה כימית, כלומר בעל יכולת הרטבה ירודה של המשטח. זהו שרף פחמימני ליניארי ממשפחת הפוליאולפינים, ובעת הפילמור הוא יוצר מבני שרשרת אטקטיים, איזוטקטיים או סינדיוטקטיים בהתאם למיקום קבוצת המתיל, וכל אחד מהם משפיע על ההתנהגות.

מה יש לשקול כשמתאימים צבע לפלסטיק?

שלושה סוגי אינטראקציה: כימית, תרמית ומכנית. אף אחת מהן אינה רשאית לפגוע בתכונות הפלסטיק. המורכבות נובעת מהכמות הגדולה של סוגי הפלסטיק ושל הדרגות בכל משפחה, שלכל אחת מהן יכולת צביעה שונה, וגם העיבוד הראשוני משפיע.

אילו טכנולוגיות ציפוי זמינות לגימור פלסטיק?

שלוש קטגוריות עיקריות. לכות חד-רכיביות קלות לשימוש ובעלות נמוכה למטר רבוע, והן מתייבשות בהתאדות ממס או מים, בדרך כלל תוך 30 דקות או פחות. הקטגוריות האחרות הן תרמוסטים דו-רכיביים וציפויי UV. שלושתן זמינות בכימיות על בסיס מים.

האם אפשר לצפות בהצלחה פוליפרופילן ממוחזר?

כן, וזהו יישום משמעותי. סוללות רכב ממוחזרות הופכות למוצרי פנים וחוץ לבניינים, שחלקם מגובים באחריות יצרן של יותר מ-25 שנה, כשציפוי הוא תהליך העיטור המועדף להתאמה אישית בייצור המוני.

מתי לכות חד-רכיביות הן הבחירה הנכונה?

כאשר העלות למטר רבוע וקלות השימוש חשובות ביותר ודרישות הביצועים בינוניות. אפשר לנסח אותן לקשיות ולעמידות בשחיקה, או להפוך אותן לגמישות יותר לפלסטיק רך, והן מתקשות כליל בהתאדות בטמפרטורת החדר או בחימום נמוך.

תאימות צבע-פולימר

יש להבין את השפעות כימיית הצבע ותאימות הפלסטיק כדי להשיג תהליכים איתנים וביצועי שימוש סופי. לבחירת הצבע והפלסטיק כמה אינטראקציות, ובהן כימיות, תרמיות ומכניות2. לא יהיה מקובל שאחד המרכיבים יפגע בתכונות הפלסטיק. מהנדסי תכנון חייבים לבחור את הפולימר האופטימלי, איזון בין ביצועים ליכולת צביעה. מורכבות אחת היא שקיימים סוגי פלסטיק ודרגות רבים כל כך, גם בתוך אותה משפחת פולימרים, ולכל אחד תכונות ייחודיות ודרגת יכולת צביעה משלו. העיבוד הראשוני הוא גורם משפיע, ובכלל זה טוהר החומר, טמפרטורת התבנית, נקודות ההזרקה, שחרור גזים, מידת הגבישיות ועוד.

השפעות כימיות – ממסי הצבע ואינטראקציות כימיות עלולים לפגוע בפלסטיק. לעיתים קרובות רצוי שממסי הצבע יתקפו (יחרטו) את הפלסטיק, מה שבמידה מוגבלת יכול לשפר את ההידבקות. עם זאת, ממסים עלולים לגרום לסדיקה שטחית, להיסדקות עקב מאמץ סביבתי, לנפיחות, להתרככות, להמסה של מצע הפולימר ולפגמים רבים הקשורים לממסים (למשל חורי סיכה, פיצוצי ממס וחללים).

השפעות תרמיות – סוגי צבע מסוימים דורשים ריפוי בטמפרטורה גבוהה. טמפרטורות גבוהות (ביחס למודולי הפולימר) עלולות לשחרר מאמצים שנוצקו בחלק ולגרום להתעוותות. התכווצות הצבע בזמן הריפוי עלולה ליצור מאמצים שיוריים. טמפרטורות קיצוניות עלולות לפרק את הפולימר. בריפוי בתנור יש להעלות את הטמפרטורה בהדרגה.

השפעות מכניות – תכונות החוזק והקשיחות של הצבע היבש חייבות להתאים לפלסטיק ולפעול יחד כמקשה אחת. בחירת מערכת צבע שאינה מותאמת כראוי למצע פלסטיק נתון עלולה להוביל לכשל מוקדם, כלומר "אי-התאמה אלסטית".

פוליפרופילנים

פוליפרופילן (PP) מכונה לעיתים קרובות "הפלדה" של תעשיית הפלסטיק בשל הדרכים הרבות שבהן אפשר לשנות אותו למטרות מסוימות. PP הוא תרמופלסטי קשיח וגבישי, לא קוטבי, המיוצר ממונומר פרופן (או פרופילן). ניתן למחזור ב-100%. קשה להדביק PP משום שהוא הידרופובי, לא קוטבי ואינרטי מבחינה כימית, כלומר בעל יכולת הרטבה ירודה של המשטח. PP הוא שרף פחמימני ליניארי השייך לקבוצת הפוליאולפינים. הנוסחה הכימית של PP היא (C3H6)n.

בעת הפילמור, PP יכול ליצור שלושה מבני שרשרת בסיסיים בהתאם למיקום קבוצות המתיל:

• אטקטי (aPP) – סידור לא סדיר של קבוצות מתיל (CH3)
• איזוטקטי (iPP) – קבוצות מתיל (CH3) מסודרות בצד אחד של שרשרת הפחמן
• סינדיוטקטי (sPP) – סידור מתחלף של קבוצות מתיל (CH3)

ישנם שני סוגים עיקריים של PP: הומופולימרים וקופולימרים. הקופולימרים מתחלקים עוד לקופולימרי בלוק וקופולימרים אקראיים. PP הומופולימר הוא דרגה לשימוש כללי. ל-PP קופולימר בלוק יחידות קומונומר מסודרות בבלוקים, והוא מכיל בין 5% ל-15% אתילן. ב-PP קופולימר אקראי יחידות הקומונומר מסודרות בדפוסים לא סדירים או אקראיים לאורך המולקולה, בדרך כלל 1% עד 7% אתילן1. נקודת ההתכה של PP מתרחשת בטווח, ולכן יש להעריך את נקודת הטמפרטורה לריפוי בתנור בהתאם לדרגתו.

• הומופולימר: 160-165°C
• קופולימר: 135-159°C

אנטי-סטטי. ל-PP תכונות בידוד חשמלי מצוינות ונטייה לשמר מטענים סטטיים המושכים לכלוך אל פני השטח. תוספים אנטי-סטטיים יכולים "לצוף" אל פני השטח ולפזר מטענים חשמליים, אך גורמים לדלמינציה של הצבע. בנוסף, לאחר כמה חודשים עלול להופיע על פני צבעים כהים ציפוי לבן (הצפה).

השפעות קרינה: אולטרה-סגול (UV). PP מושפע מאוד מקרינת UV. חשיפה לאור שמש ישיר תגרום לאובדן תכונות החוזק, אלא אם נעשה שימוש במעכב UV או בטעינה גבוהה של פיגמנט פחמן שחור. גם עם תוספת גבוהה של מעכב או פיגמנט, תוחלת חיי השירות בתנאי שמש קשים מוגבלת.

שיקולי תכנון פולימר עבור PP ופולימרים בעלי אנרגיית פני שטח נמוכה:

• קופולימרים של PP יכולים להיות קלים יותר להידבקות/הדבקה מאשר הומופולימרים.
• ניילונים ופוליקרבונטים הם היגרוסקופיים וחייבים להיות מיובשים. PP אינו היגרוסקופי, אך אם על פני גרגירי השרף יש לחות, היא תגרום לאותן בעיות כמו בחומרים היגרוסקופיים רטובים.
• תכונות ה"נפח" של ניילון הן הידרופוביות, ותכונות ה"משטח" שלו הן היגרוסקופיות1.
• ניילון 6 סופג לחות בקלות רבה יותר מניילון 66, כאשר הלחות פועלת כמרכך. ניילון 6 יכול להיות קל יותר להדבקה מניילון 11 או 12.
• קופולימרים של אצטל POM (Celcon) יכולים להיות קלים יותר להדבקה מהומופולימרים (Delrin).
• פוליאתילנים קלים יותר להדבקה. יש לוודא שאכן נדרש PP.

יישומים מפוליפרופילן ממוחזר (rPP)

PP ניתן למחזור ב-100% וניתן לצביעה. ראו איור 1. סוללות רכב ממוחזרות הופכות למוצרי פנים וחוץ לבניינים ולבתים. חלק ממוצרים אלה מגובים באחריות יצרן של יותר מ-25 שנה. ציפוי הוא תהליך העיטור המועדף להתאמה אישית בייצור המוני.

טכנולוגיות ציפוי

קיימות כמה אפשרויות טכנולוגיות ציפוי לגימור פלסטיק ב-OEM, ולכל אחת יתרונות ייחודיים בהתאם לדרישות הביצועים, העלות ושטח הקו. הטכנולוגיות הללו מתחלקות לשלוש קטגוריות עיקריות:

לכות חד-רכיביות: לכות חד-רכיביות קלות לשימוש ובעלות נמוכה למטר רבוע, והן נפוצות בעיטור פלסטיק. ציפויים אלה מתייבשים ומתקשים כליל בהתאדות ממס או מים, ובדרך כלל מתייבשים תוך 30 דקות או פחות בטמפרטורת החדר או בתנאי חימום נמוך. אפשר לנסח לכות חד-רכיביות לקשיות ולעמידות בשחיקה, או לחלופין להפוך אותן לגמישות ורקיעות לפלסטיק רך. היכולת להתייבש באוויר בטמפרטורת החדר מפחיתה את דרישות ההשקעה ההונית, אף שחימום נמוך ב-100-120F מסייע לקצר את זמן המחזור. לכות חד-רכיביות מתאימות ביותר למוצרים מוגמרים המיועדים לשימוש שבו החשיפה האפשרית ללחות מתעבה, לטבילה במים ולכימיקלים קשים מוגבלת. מוצרים אלה זמינים בניסוחים על בסיס ממס ועל בסיס מים, ואפשר ליישמם בריסוס HVLP או בריסוס באטומיזציית אוויר.

ציפויי תרמוסט דו-רכיביים: תרמוסטים דו-רכיביים מציעים ביצועים גבוהים ואפשר לייעל אותם למגוון רחב של יישומים תעשייתיים קיצוניים, מוצרי צריכה לשימוש בחוץ ויישומי רכב. אפוקסידים, פוליאוריתנים ובמידה פחותה חומרים ממתנים תגובתיים מסוג M-cure שולטים בתחום זה. ציפויי פוליאוריתן יקרים למטר רבוע, אך מציעים עמידות כימית מצוינת ושימור צבע וברק ברמת רכב בחשיפה ממושכת לשמש ישירה. אפוקסידים זולים יותר מאוריתנים, ומצטיינים בקשיות הסרט, בעמידות כימית ובתכונות מחסום לאדי לחות. עם זאת, לאפוקסידים יציבות צבע ועמידות ירודות בחשיפה לשמש ישירה ביישומי שכבת גימור, והם רגישים להיווצרות עכירות (blushing), ולכן משמשים בדרך כלל כפריימרים. בנוסף, מוצרים מצופי אפוקסי דורשים בדרך כלל תווית Proposition 65 של קליפורניה.

בדרך כלל, ציפויי תרמוסט דו-רכיביים דורשים ריפוי ארוך עד לטיפול/אריזה, שכן רוב קשיות הסרט מתפתחת באמצעות הצלבה כימית (ריפוי). בשל הרגישות לחום של מצעי פלסטיק, היכולת להאיץ ריפוי של תרמוסטים דו-רכיביים באמצעות חימום מוגבלת. ציוד ערבוב רב-רכיבי יכול לאפשר שימוש בניסוחי ריפוי מהירים יותר כשנדרש זמן מחזור קצר. ליישומים שבהם אילוצי עלות או זמן ריפוי אינם מאפשרים שימוש באוריתנים דו-רכיביים, M-cure היא אפשרות שכדאי לשקול, שכן אפשר להשיג זמני ייבוש מהירים יותר בטמפרטורת הסביבה או בחימום נמוך ללא ציוד ערבוב רב-רכיבי, הודות לטכנולוגיית שרף M-cure חדשה שאפשרה לניסוחי M-cure להשיג חיי סיר עבודה ארוכים בהרבה מכפי שהיה אפשרי בעבר. ניסוחי תרמוסט על בסיס מים ועל בסיס ממס זמינים, ובדרך כלל מיושמים בריסוס HVLP או בריסוס באטומיזציית אוויר.

ציפויים מתרפאי UV: ציפויי 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, בהתאם לניסוח ולגיאומטריית החלק. לאחר הריפוי, מוצרי פלסטיק המעוטרים בציפויים מתרפאי UV מוכנים מיד לאריזה. ציפויי UV מצטיינים בקשיחות ובעמידות כימית, ואפשר לנסחם להשגת עמידות חיצונית לטווח ארוך או להוזילם ליישומים קלים יותר. ציפויי UV דורשים בדרך כלל חשיפה בקו ראייה ישיר למנורת ריפוי UV כדי להשיג קשיות סרט, אולם ציפויי UV על בסיס מים ייחודיים בכך שהם יוצרים סרט יבש למגע עוד לפני הריפוי, ולכן אזורי צל קטנים בחלקים מורכבים אינם גורמים להימצאות שאריות דביקות שלא התרפאו במוצרים המוגמרים. מנורות אדי כספית הן מקור ה-UV הנפוץ ביותר לריפוי, ואפשר שיופעלו במיקרוגל או בקשת. 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. גם מנורות מיקרוגל וגם מנורות קשת זמינות עם סימום בברזל או בגליום, מה שהופך אותן מתאימות לריפוי צבעים מפוגמנטים, ואפשר לשלבן עם מחזירי אור אליפטיים (הצפה) או פרבוליים (ממוקדים) בהתאם לדרישות הספק שיא ולגיאומטריית החלק. בנוסף למנורות כספית, מנורות UV LED התגלו כטכנולוגיה מתחרה המציעה הפעלה וכיבוי מיידיים עם צריכת אנרגיה נמוכה מאוד ופליטת חום נמוכה במיוחד, והן מתאימות ביותר לחלקים גליליים בעלי צורה סדירה או לחלקים שטוחים בשל מגבלות בגיאומטריית המוקד. בנוסף, אף שמנורות LED מצטיינות בריפוי עומק של סרטים מפוגמנטים מאוד או בעלי בנייה עבה, השימוש בהן עשוי לדרוש חשיפה לאחר הריפוי למנורת כספית מפוזרת או בהספק נמוך לצורך ריפוי משטח מלא. זמינים ניסוחים של 100% מוצקים, על בסיס ממס ועל בסיס מים. אפשר לרסס ציפויי UV ב-HVLP או ליישמם בציפוי גלילים על משטחים שטוחים.

מדריך לבחירת ציפוי נוזלי

סיכום

תהליכי ציפוי הם רב-היבטיים ודורשים הנדסה מדויקת ובקרות איכות. השפעות כימיית הצבע ותאימות הפלסטיק, ואיכות המשטח, חיוניות לביצועי המוצר. טכנולוגיות של לכה חד-רכיבית, תרמוסטים דו-רכיביים וציפוי UV יעילות לצביעה ולציפוי של חומרי פוליפרופילן, והן זמינות בכימיות על בסיס מים.

מקורות

• 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 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.

Dustin Kurath הוא המנהל הטכני של Northern Coatings and Chemical Co., יצרנית צבעים המתמחה בציפויים תעשייתיים בעלי ביצועים גבוהים. Kurath עוסק מאז אמצע שנות ה-2000 במחקר ציפויים בתחומי ציפויים תעשייתיים כלליים וציפויי רכב בעלי ביצועים גבוהים, ציפויי תעופה וחלל, ציפויי אריזות וציפויים מתרפאי קרינה. אפשר ליצור קשר עם Kurath בטלפון 906.352.5060 או דרך www.northern-coatings.com.

---