הכנת פלסטיק לצביעה

הכנת פלסטיק לצביעה

התהליכים המשמשים ליישום רוב הצבעים הנוזליים על פלסטיק אינם שונים בהרבה מאלה המשמשים לצביעת מתכות, אף שצביעה באבקה עדיין נדירה למדי על פלסטיק. בנוסף, שיטות צביעה מסוימות הנפוצות במתכות, כגון שקיעה כימית (אוטופורטית) וציפוי בשקיעה אלקטרוליטית, אינן אפשריות בפלסטיק. אך כל הטכניקות האחרות, כגון מריחה במברשת, טבילה, ציפוי בזרימה, ציפוי במסך, לרבות כל הווריאציות של ריסוס ואטומיזציה סיבובית, משמשות לציפוי מתכות ופלסטיק כאחד. עם כניסת הריפוי בקרינת UV והריפוי בטמפרטורה נמוכה של צבעי אבקה נבחרים, מתבצע כיום יישום אבקה על פלסטיקים מסוימים העמידים במידה מסוימת בחום, אף שטכנולוגיה זו עדיין בחיתוליה.

יכולת הצביעה של כל המתכות הנפוצות בייצור דומה למדי. הדבר אפשרי בין היתר משום שערכי אנרגיות פני השטח, המוליכות החשמלית, המוליכות התרמית והעמידות בחום של מתכות קרובים מאוד זה לזה. זה בהחלט אינו נכון לפלסטיק. באופן כללי, הערכים של תכונות אלה בפלסטיק נמוכים בהרבה מאלה של מתכות, והערכים בין סוגי הפלסטיק השונים נבדלים באופן קיצוני. גם בתוך משפחת פלסטיק נתונה, יכולות הצביעה יכולות להיות שונות באופן מפתיע, בשל הבדלים במשקלים המולקולריים של הפלסטיק ובשל שילוב תוספים שונים בייצור השרפים השונים. הרכב הפלסטיק הבסיסי יכול להיות שרף יחיד או תערובת של שני שרפים שונים או יותר. בהרכב השרף עשויים להיות מנוסחים מגוון מילויים, מדללים ומרככים. תוספים מוספים לעיתים קרובות לשרפים כדי להפיק תכונות פיזיקליות וכימיות רצויות; פיגמנטים מוכנסים כדי לשנות ברק או להקנות צבע. האופי הכימי והכמויות של תוספים אלה עשויים לשנות באופן משמעותי את יכולת הצביעה של אותו ניסוח. גם חלקים המיוצרים מאותו ניסוח שרף אינם בהכרח שווים ביכולת הצביעה שלהם. גם תהליך היציקה, ההזרקה או הגיבוש האחר ששימש לייצור החלק יכול למלא תפקיד חשוב ביכולת הצביעה של החלק, בשל מאמצים שנוצרו בחלק בשרף והצלבה.

האופי הכימי של השרף קובע במידה רבה את אנרגיית פני השטח של הפלסטיק. באופן כללי, משטח בעל אנרגיית פני שטח גבוהה יותר "מורטב" בקלות רבה יותר על ידי צבע ולכן "ניתן לצביעה" יותר, כלומר הידבקות הציפוי תהיה טובה יותר. צוין שהידבקות צבע למתכות עולה לעיתים קרובות על ההידבקות לפלסטיק, משום שלמתכות בדרך כלל אנרגיות פני שטח גבוהות משמעותית מאלה של פלסטיק. הקוטביות הנמוכה של המולקולות בפלסטיק כגון פוליאתילן ופוליפרופילן היא הגורם לאנרגיית פני השטח הנמוכה (וליכולת הצביעה הירודה) של פלסטיקים אלה. הגדלת אנרגיית פני השטח, ובכך את הידבקות הצבע, היא אחת המטרות העיקריות של טיפול מקדים בפלסטיק.

עיקרי הדברים

• רוב שיטות הצביעה הנוזלית עוברות ממתכת לפלסטיק, אך שקיעה כימית וציפוי בשקיעה אלקטרוליטית אינם אפשריים בפלסטיק.
• סטטיות היא בעיה ייחודית לפלסטיק. פלסטיק הוא מבודד, ולכן הוא צובר מטען ומושך אבק מהאוויר לפני הצביעה.
• חומרי שחרור מבוססי שעווה הם אויבי הצבע. חומרי שחרור מסיסי מים עדיפים בהרבה ונשטפים בחומר ניקוי מימי רגיל.
• משטחים חלקים דורשים חספוס, כימי או מכני, כדי ליצור את אתרי העיגון שהצבע זקוק להם.
• בדיקות הזדקנות מואצות מנבאות ביצועים בשטח: חום יבש, חום לח וקבוצת ביקורת, ולאחר מכן בדיקת קילוף לפי ASTM D3330.

שאלות נפוצות

אילו מזהמים יש להסיר לפני צביעת פלסטיק?

טביעות אצבע, אבק, סיבים ושאריות חומר שחרור מתבנית. ניקוי בחומר ניקוי מסיר בדרך כלל את המלחים והשמנים שמפקידות ידיים חשופות, ואפשר להימנע לחלוטין מזיהום בטביעות אצבע אם המפעילים עונדים כפפות נטולות סיבים מתהליך הגיבוש ועד יישום הצבע.

מדוע חלקי פלסטיק מושכים אבק לפני הצביעה?

משום שרוב סוגי הפלסטיק הם מבודדים או מוליכים חשמליים גרועים, ולכן הם צוברים מטענים סטטיים המושכים ומחזיקים חלקיקים מהאוויר. בקרת סטטיות היא שלב שקווי גימור של מתכות פשוט אינם זקוקים לו.

אילו חומרי שחרור מתבנית מתאימים לצביעה?

חומרי שחרור מסיסי מים, שמסירים בקלות בניקוי בחומר ניקוי מימי רגיל. חומרי שחרור מסוג שעווה אפשר לעיתים להסיר בממס, אך אינם מומלצים לחלקים שיצבעו, ושימוש בממסים מרתיע בכל מקרה משיקולי VOC, אש ובריאות.

איך גורמים לצבע להידבק למשטח פלסטיק חלק?

מחספסים אותו. לפלסטיק אנרגיית פני שטח נמוכה ופרופיל משטח נמוך, ומשטחים חלקים מספקים הידבקות ירודה. הדרך הרגילה היא חריטה כימית ליצירת חספוס מיקרוסקופי ואתרי עיגון, ובאופן אידיאלי באמצעות הממסים הקיימים בצבע המיושם.

איך יש לבדוק הידבקות צבע לטווח ארוך?

בדיקות הזדקנות מואצות. תכנון אפשרי אחד הוא שלוש קבוצות: חמישה ימים ב-158°F יבש, חמישה ימים ב-90°F ו-90% לחות, וקבוצת ביקורת בתנאי סביבה. יש לבדוק בעין מיד לאחר מכן ביחס לקבוצת הביקורת, ולאחר מכן לבצע בדיקת קילוף לפי ASTM D3330 לאחר שהדגימות התייצבו, לרוב ב-180°.

ניקוי מצעי פלסטיק

כמו בכל משטח אחר שיש לצבוע, על הפלסטיק להיות נקי במידה סבירה מכל לכלוך או חומר זר. לכלוך נפוץ על פריטי פלסטיק המיועדים לציפוי כולל טביעות אצבע, אבק, סיבים ושאריות חומר שחרור מתבנית. בדרך כלל ניקוי בחומר ניקוי מסיר באופן משביע רצון מלחים ושמנים שהופקדו על הפלסטיק בנגיעה בידיים חשופות. אפשר להימנע לחלוטין מלכלוך טביעות אצבע אם העובדים המטפלים בחלקים משלב הגיבוש ועד שלב יישום הצבע עונדים כפפות נטולות סיבים.

רוב סוגי הפלסטיק הם מבודדים או מוליכים חשמליים לא יעילים. כתוצאה מכך יש להם נטייה לצבור מטענים סטטיים המושכים ומחזיקים בעקשנות חלקיקי סיבים ואבק. ניגוב במטלית איסוף עלול שלא להסיר את כל המזהמים הללו. שיטה מצוינת להסרת סיבים ולכלוך שנמשכו סטטית היא שימוש בנשיפת אוויר מנטרלת סטטיות. המנטרל צריך ליצור מטענים חיוביים ושליליים; רוב היחידות משתמשות במקור פליטה רדיואקטיבי חלש במקור אוויר הנשיפה. אוויר הכניסה מסונן ואוויר טעון ביונים נושב על פני החלק, כך שיונים חיוביים ושליליים מנטרלים את כל המטענים הסטטיים. יש לבצע את נטרול הסטטיות מיד לפני הצביעה, כך שהחלקים יהיו נקיים ככל האפשר בכניסה לתהליך הציפוי. עיכובים בין נטרול הסטטיות לצביעה יאפשרו למטענים להיווצר מחדש, וכתוצאה מכך החלקים יצברו שוב חלקיקים על פני השטח.

התקנת פעולות צביעת הפלסטיק בתוך "חדר נקי" מאפשרת לשלוט בקלות רבה יותר בלכלוך כגון אבק וסיבים. אספקת האוויר צריכה להיות מסוננת ולהישמר על כ-50% לחות יחסית. בכל עת יש לאפשר כניסה לחדר זה רק לאנשים מורשים הלובשים סרבלים נטולי סיבים, רשתות שיער ומכסי נעליים.

חומרי שחרור מתבנית ומרככים

קיימים חומרי שחרור מסוימים הניתנים לצביעה, אך חומרי שחרור רבים אחרים פוגעים בהידבקות הצבע. ייתכן שיידרשו טכניקות שונות להסרת חומרים אלה, ששימשו להקל על הפרדת חלקי הפלסטיק מהתבניות. חומרי שחרור מסוג שעווה אפשר לעיתים להסיר בניקוי בממס, אך סוג זה אינו מומלץ לחלקים שיצבעו. השימוש בממסים מרתיע כמעט אוטומטית בשל מגבלות פליטת VOC וסכנות אש ובריאות אפשריות בממסים רבים. חומרי שחרור מסיסי מים עדיפים בהרבה. הסרתם ממשטח הפלסטיק מתבצעת בקלות בתמיסות חומר ניקוי מימיות רגילות.

אפשר גם לערבב חומרי שחרור מתבנית בניסוחי פלסטיק; אלה מכונים חומרי שחרור "פנימיים". יש להימנע מחומרי שחרור פנימיים ככל האפשר. יכולת הצביעה עשויה להיפגע מיד או שלא, ובדיקות הידבקות של בקרת איכות עשויות להראות הידבקות ראשונית מצוינת. עם זאת, במקרים מסוימים חומרי שחרור פנימיים עברו לאט אל פני החלק וגרמו לכשל בהידבקות הצבע חודשים לאחר צביעת החלק.

אפשר להוסיף מרככים לשרפי יציקה כדי להגביר את חוזק ההולם, אך לעיתים קרובות הם עלולים להפחית את הידבקות הצבע בדיוק כמו חומרי שחרור. מרככים מסוימים עוברים לאט אל פני השטח ומרככים את הממשק בין הפלסטיק לצבע, וכתוצאה מכך אובדת ההידבקות. גם במקרה זה בדיקות הידבקות ראשוניות של הצבע עשויות להיות משביעות רצון לחלוטין, אך הרמה או הפרדה של סרט הצבע ממשטח הפלסטיק מתרחשות מאוחר יותר. הדבר עלול להוביל לכשלים יקרים בשטח ולתביעות אחריות מאוחר יותר, זמן רב לאחר שהחלק הוכנס לשירות.

השגת הידבקות צבע איתנה

רוב משטחי הפלסטיק אינם רק בעלי אנרגיית פני שטח נמוכה אלא גם בעלי פרופיל משטח נמוך מטבעם. משטחים חלקים נוטים לספק הידבקות צבע ירודה, אלא אם המשטח מחוספס תחילה באמצעים כימיים או מכניים. ציפויי המרה על מתכות תורמים להידבקות הצבע בין היתר בזכות המשטח המחוספס מיקרוסקופית של השכבה האנאורגנית שנוצרת על המתכת. הדרך הנפוצה ביותר להתגבר על חלקות משטח הפלסטיק היא חריטת המשטח בחומר כימי ליצירת חספוס מיקרוסקופי ואתרי עיגון שיספקו הידבקות לצבע. אם אפשר, החריטה מתבצעת על ידי הממסים הקיימים בצבע המיושם כדי למנוע שלב עיבוד נפרד. בחירת ממס הצבע קריטית למדי משום שממסים שונים חורטים פלסטיק בקצבים שונים. יש להימנע גם מחריטת יתר וגם מחריטת חסר. חריטה לא מספקת לא תספק הידבקות תקינה; חריטת יתר עלולה לפגוע בפלסטיק. היא עלולה לעוות את החלק, לחשוף חלקיקי מילויים ומדללים ואולי אף ליצור אזורים שבהם חומרים שבפלסטיק עלולים לדמם אל הציפוי. פלסטיקים מסוימים, כגון פוליקרבונט או פוליסטירן, ייסדקו או יסבלו מסדיקה שטחית מוגזמת מהתקפת ממסים שהם רגישים להם במיוחד. אם בפלסטיק יש אזורים שנמצאים תחת מאמץ גבוה מתהליך היציקה, ממסים יכולים ליצור באזורים אלה סדקים גלויים עקב שחרור מאמצים. לכן נדרשת מידה של זהירות בחריטה בממס.

כאשר מעצבים צורות חלקים מסוימות, יש אזורים שבהם זרימת ההזרקה המהירה של הפלסטיק מפיקה חימום חיכוך משמעותי של החלק בתוך התבנית. באזורים אלה נוצר קרום מוצלב מאוד (מזוגג) העמיד בפני חריטה בממס. ההידבקות של הצבע תהיה ירודה באזורים אלה, אלא אם ננקטים צעדים להסרת קרום הפלסטיק הקשה מדי. אפשר להסיר את הזיגוג באזורים אלה במידה מספקת כדי לאפשר הידבקות צבע משביעת רצון באמצעות שיוף בתוף עם חומר שוחק מתון, או באמצעות התזת המשטח בחומר גרגירי אגרסיבי במידה קלה. טיפול קצר בטבילה בממס חם או באדי ממס יעיל גם הוא בחלק מהחלקים. אולם יצירת חספוס מיקרוסקופי באמצעות ממסים יעילה בדרך כלל רק אם הפלסטיק עצמו קוטבי במידה מסוימת לפחות.

כאשר הסרת זיגוג או חריטה בממס אינן יעילות או שאינן רצויות מסיבה אחרת, ייתכן שיהיה צורך להשתמש בתגובה כימית כדי ליצור על המשטח קבוצות מחומצנות קוטביות. הדבר נכון במיוחד למשטחי פלסטיק לא קוטביים לחלוטין. פוליפרופילן ופוליאתילן הם שתי דוגמאות לפלסטיקים בעלי קוטביות נמוכה המטופלים בחמצון. שרפים אלה ופלסטיקים דומים בעלי קוטביות נמוכה עשויים להיחשף לזמן קצר ללהבה גלויה ממבער גז. הדבר יוזם תגובה כימית מחמצנת (בעירה ראשונית) אשר, אף שאינה מספיקה כדי להיראות לעין, יוצרת על המשטח קוטביות מספקת להידבקות צבע מצוינת. העברת חלקי פלסטיק דרך פריקת קורונה חשמלית היוצרת אוזון שימשה גם היא כדי לגרום לחמצון המשטח. הקורונה מפיקה אטומי חמצן מעוררים היוצרים אוזון, אשר בתורו תוקף את הפלסטיק בחמצון ויוצר קבוצות קוטביות כגון קבוצות הידרוקסיל, קרבוניל וחומצה קרבוקסילית.

אפשר גם לחמצן את פני השטח של פלסטיקים בעלי קוטביות נמוכה באמצעות כימיקלים רגישי אור, המכונים פוטו-סנסיטיזרים, ולאחר מכן חשיפה לאור אולטרה-סגול. אור ה-UV "שובר" את המולקולות של תרכובות רגישות לאור ויוצר רדיקלים חופשיים. רדיקלים חופשיים הם מינים תגובתיים ביותר, שבתהליך זה מתחברים עם החמצן הקיים באוויר. רדיקלים חופשיים של חמצן מגיבים בתורם עם הפלסטיק וגורמים ליצירת קבוצות קוטביות על פני השטח.

אפשר להשתמש בטכנולוגיית פלזמת גז קר לטיפול מקדים בפלסטיק ולחמצון המשטח כדי לשפר באופן דרמטי את תכונות המשטח להידבקות צבע. כאשר גז נאלץ לבלוע די אנרגיה, הוא מיונן, או הופך ל"פלזמה". גנרטור תדר רדיו מספק את העירור. ריתוך קשת ותאורת פלואורסצנט הם שתי דוגמאות לתופעה שבה "זוהר" נגרם על ידי יונים מעוררים החוזרים למצב האנרגיה היציב שלהם. במסגרת גבולות הבטיחות של המערכת, בתהליך זה אפשר להשתמש בכל גז יחיד או בתערובת גזים. נעשה שימוש בחמצן, חנקן, הליום, ארגון, אוויר ואמוניה למטרה זו.

התניית פלזמה מאפשרת גם היא לצבוע פלסטיק בהידבקות טובה. כור הפלזמה הוא בדרך כלל כלי ואקום המצויד בפתח הניתן לאיטום הדוק לטעינה ולפריקה של חלקים. אפשר להבחין בפריקת זוהר כאשר הכור פועל. טיפול בפלזמת גז גם חורט מיקרוסקופית וגם מפעיל את המשטח. טיפול קצר יוצר משטח קוטבי בעל אנרגיית פני שטח גבוהה על פלסטיק שהוא אחרת בעל קוטביות נמוכה או לא קוטבי, ומאפשר לו להיות "מורטב" במלואו ובאחידות על ידי צבע. תהליכי פלזמה אינם משנים בדרך כלל את מראה המשטח, ולכן אפשר לטפל בחומרים מבלי לגרום לשינוי צבע. אפשר להשיג הידבקות מצוינת עם אותו צבע המשמש למתכות. זהו יתרון חשוב עבור יצרנים מסוימים, משום שאפשר לצבוע בו-זמנית יחידה מורכבת המכילה גם פלסטיק וגם מתכת באמצעות אותו ציפוי.

פחות יעיל הוא שימוש בחומרי חמצון כימיים בצבע עצמו כדי לחמצן את משטח הפלסטיק במידה מספקת ליצירת הידבקות צבע טובה יותר. ספקטרוסקופיית אינפרא-אדום בהחזרה אימתה שטיפולים אלה מפיקים על משטח הפלסטיק את אותן קבוצות מחומצנות (הידרוקסיל, קרבוניל וחומצה קרבוקסילית) כמו תהליכי החמצון האחרים, רק בכמות קטנה יותר. רק במקרים מוגבלים חומרי חמצון בצבע עצמו יגרמו לקוטביות מספקת להידבקות צבע עמידה.

טיפולים מקדימים במשטח מרחיבים את חלונות העיבוד. לדוגמה, לפוליאולפינים "שלא טופלו" אנרגיות פני שטח בטווח 29-31 dyne/cm. בתהליכי צביעה, משטחים אלה דורשים רמות טיפול בטווח 38-60 dyne/cm, בהתאם לסוג כימיית הציפוי, למשל על בסיס ממס, על בסיס מים או UV. כל שיטת טיפול מקדים ספציפית ליישום, ולה יתרונות אפשריים, מגבלות והשלכות עלות. בנסיבות מסוימות, תהליכי חמצון בפאזה גזית עלולים לפגוע בפעולות ייצור בהמשך, כגון איטום בחום. הערכה מקיפה לפני היישום בייצור היא קריטית.

בדיקות הידבקות

נעשה שימוש בשיטות רבות למדידת הידבקות צבע ותכונות קשיות שריטה. בדיקת הזדקנות מואצת היא טכניקה שיכולה לסייע בחיזוי ביצועי מוצר לטווח ארוך. תכנון הניסוי הבא הוא דוגמה אחת:

• קבוצה 1: חמישה (5) ימים, 158°F, יבש ללא לחות
• קבוצה 2: חמישה (5) ימים, 90°F, 90% לחות
• קבוצה 3: קבוצת ביקורת, בתנאי סביבה

יש לבצע בדיקה חזותית מיד לאחר הבדיקות ולהשוות לקבוצת הביקורת. לאחר שהדגימות התייצבו, יש לבצע בדיקות קילוף בהתאם ל-ASTM D3330. ביישומים רבים נעשה שימוש תכוף ביותר בבדיקת קילוף ב-180°. למטרות השוואה מוצע גם קילוף ב-90°. בדיקה זו עשויה לתת מושג מדויק יותר על ביצועי ההידבקות, אף שהערכים עשויים להיות נמוכים מאלה שנרשמו בקילוף ב-180°. הארכת בדיקת קבוצה 1 מ-5 ימים ל-10 ימים לא תנבא ביצועים כפולים בשטח משום שהיחס אינו פונקציה ליניארית; עם זאת, היא תצביע על תוצאות איתנות יותר.

Scott R. Sabreen הוא מייסד ונשיא The Sabreen Group Inc. (TSG). TSG היא חברת טכנולוגיה המתמחה בהנדסת פעולות ייצור משניות של פלסטיק: טיפולים מקדימים בפני השטח, הדבקה, עיטור וגימור וסימון בלייזר. Dr. Norman R. Roobol (770-487-9133 או [email protected]) הוא יועץ לצביעה תעשייתית בעל ניסיון של למעלה מ-35 שנה, ומחברם של כמה ספרים. למידע נוסף התקשרו ל-888-SABREEN או בקרו באתר www.sabreen.com.

---