המדע שבפתרון בעיות הידבקות בפלסטיק: זוויות מגע – הרטבת פני השטח – הפעלה כימית

המדע שבפתרון בעיות הידבקות בפלסטיק: זוויות מגע – הרטבת פני השטח – הפעלה כימית

נקודות עיקריות

• הדבקה אינה עוסקת רק בדבקים. אותו מדע חל על דיו, צבעים, ציפויים, חומרי אנקפסולציה, יציקה ומתכות.
• ארבע תכונות הופכות פלסטיק לקשה להדבקה — הידרופוביות, אנרגיית פני שטח נמוכה, היעדר קוטביות ואינרטיות, ופונקציונליות כימית ירודה של פני השטח.
• זווית מגע סטטית לבדה מטעה. הייצור הוא דינמי ולא סטטי, ולכן זוויות מגע דינמיות חשובות יותר.
• זווית מתקדמת וזווית נסוגה מודדות דברים שונים — הזווית המתקדמת משקפת את פני השטח שלא שונו, והנסוגה משקפת את פני השטח שעברו טיפול מקדים.
• הרטבה היא רק חצי מהבעיה. יש ליצור פונקציונליות כימית של פני השטח, ולא רק להעלות את אנרגיית פני השטח.

בעיות הדבקה והידבקות של פולימרים נפוצות בכל תעשיית הפלסטיק. מוצרים דו-ממדיים ותלת-ממדיים כוללים לעיתים קרובות הדבקה של פלסטיק לפלסטיק, פלסטיק למתכת, פלסטיק לחומר מרוכב, הדבקות אופטו-מכניות ועוד. יישומי הדבקה אינם מוגבלים לדבקים (אפוקסיים, אורתנים, אקריליים, סיליקונים וכו'), אלא כוללים הידבקות של דיו להדפסה, צבעים וציפויים, חומרי אנקפסולציה, תרכובות יציקה, מתכות ועוד.

מצעי פלסטיק קשים להדבקה משום שהם חומרים הידרופוביים (שאינם ניתנים להרטבה באופן טבעי); בעלי יכולת הרטבה ירודה של פני השטח (כלומר אנרגיות פני שטח נמוכות); מבנים לא קוטביים ואינרטיים; ובעלי פונקציונליות כימית ירודה של פני השטח. מאמר זה דן במדע הבסיסי של זוויות מגע, הרטבת פני השטח והפעלה כימית להשגת חוזק הידבקות גבוה.

שאלות נפוצות

מהי זווית מגע ומדוע היא חשובה?

הזווית שנוצרת בין הישר המשיק בנקודה שבה טיפת נוזל פוגשת משטח מוצק לבין הישר האופקי של אותו משטח. הבנתה, וכן של האינטראקציה הפיזיקלית בין מוצק לנוזל שהיא מייצגת, היא שמלמדת אם יכולת ההרטבה של פני השטח מספקת להדבקה.

מדוע למדוד זוויות מגע דינמיות ולא סטטיות?

משום שהייצור התעשייתי הוא דינמי ולא סטטי. בדיקה של זווית המגע הסטטית בלבד עלולה להוביל לפירוש שגוי של הממשק נוזל/מוצק ושל בעיית ההדבקה עצמה.

מה ההבדל בין זווית מגע מתקדמת לנסוגה?

הזווית המתקדמת רגישה ביותר לרכיבים בעלי האנרגיה הנמוכה, שלא שונו, של פני השטח, ואילו הזווית הנסוגה רגישה יותר לקבוצות המחומצנות בעלות האנרגיה הגבוהה שהוכנסו בטיפול מקדים. לכן הזווית הנסוגה היא המדידה המשמעותית יותר על משטח שעבר טיפול.

האם העלאת אנרגיית פני השטח מספיקה כדי לפתור בעיית הדבקה?

לא. יש נטייה חזקה להתמקד במדידות זווית מגע כמנבא יחיד, אך הפונקציונליות הכימית של פני השטח חשובה באותה מידה — יש להמיר באופן פעיל משטחים הידרופוביים למשטחים הידרופיליים הניתנים להדבקה באמצעות חימצון בפאזה גזית.

אילו יישומי הדבקה מכוסים במדע זה?

הרבה מעבר לדבקים כגון אפוקסיים, אורתנים, אקריליים וסיליקונים. הוא חל במידה שווה על דיו להדפסה, צבעים וציפויים, חומרי אנקפסולציה, תרכובות יציקה ומתכות, בהרכבות של פלסטיק לפלסטיק, פלסטיק למתכת, פלסטיק לחומר מרוכב והרכבות אופטו-מכניות.

זווית המגע

נבחן טיפת נוזל בודדת על משטח מוצק שטוח במנוחה (מצב שיווי משקל). מבט חתך מוצג להלן (איור 1). הזווית שנוצרת בין פני המוצק לבין הישר המשיק לפני השטח העליון בנקודת הקצה נקראת זווית המגע. זווית המגע היא הזווית בין הישר המשיק בנקודת המגע לבין הישר האופקי של פני המוצק. הבנת זווית המגע ותכונותיה הפיזיקליות של האינטראקציה בין מוצקים לנוזלים מספקת מידע רב ערך לקביעת תנאי ההרטבה האופטימליים של פני השטח להדבקה.

צורת הבועה/הטיפה נובעת מהכוחות המולקולריים שבהם כל הנוזלים, באמצעות התכווצות פני השטח, נוטים להביא את הנפח שהם מכילים לצורה בעלת שטח הפנים הקטן ביותר. הכוחות הבין-מולקולריים לכיווץ פני השטח נקראים מתח פנים. מתח פנים, מדד לאנרגיית פני שטח המבוטא ב"dyne/cm" (או mN/m ביחידות SI), הוא התכונה (הנובעת מכוחות מולקולריים) שבה כל הנוזלים, באמצעות התכווצות פני השטח, נוטים להביא את הנפח שהם מכילים לצורה בעלת שטח הפנים הקטן ביותר.

ככל שאנרגיית פני השטח של המצע המוצק גבוהה יותר ביחס למתח הפנים של נוזל (מים, דיו להדפסה, דבקים/אנקפסולציה, ציפויים וכו'), כך ה"הרטבות" שלו טובה יותר וזווית המגע קטנה יותר. ככלל, הידבקות מקובלת מושגת כשאנרגיית פני השטח של מצע (הנמדדת ב-dyne/cm) גבוהה בכ-8-10 dyne/cm ממתח הפנים של הנוזל (איור 2).

בדיקת הרטבת פני שטח כוללת מדידת זווית מגע. כאשר נוזל אינו מרטיב לחלוטין מצע (כלומר מוצר פולימרי), נוצרת זווית מגע. זווית המגע היא מדד כמותי להרטבת מוצק על ידי נוזל. היא מדד ישיר לאינטראקציות המתרחשות בין הפאזות המשתתפות (גז/נוזל/מוצק או נוזל/נוזל/מוצק). צורת הטיפה וגודל זווית המגע נשלטים על ידי שלושת כוחות האינטראקציה של מתח הפנים הבין-פאזי של כל פאזה משתתפת (גז, נוזל ומוצק).

ביישומים רבים ייתכן שדי לבחון את זווית המגע הסטטית בשיווי משקל באמצעות תמיסות dyne בהתאם לנוהל בדיקה מתועד כגון ASTM D2578. ערכות יישום או "עטי/תמיסות dyne" מספקים מידע שימושי, אך אינם מדידות מדויקות של מתח פנים. מדידות מתח פנים יכולות להשתנות במידה ניכרת בין אדם לאדם (טכניקה) ולפי הפירוש של התנהגות הנוזל ב"מרכז". ידוע שעטי/תמיסות dyne הם אינדיקטורים מכווני מגמה להבדלים משמעותיים במתח הפנים ומסוגלים לזהות משטחים "טובים" ו"רעים" להדבקה במחיר חסכוני.

זוויות מגע דינמיות (DCA)

בדיקת התנהגות הנוזל של זווית המגע הסטטית בלבד עלולה להוביל לפירוש שגוי של תוצאות ממשק נוזל/מוצק ולפתרון בעיות ההדבקה. הסיבה לכך היא שפעולות הייצור התעשייתי תנאים דינמיים ריאליסטיים יותר, ולא סטטיים. לכן חשוב ביותר להבין את זוויות המגע הדינמיות (DCA).

בדרך כלל נחשב שזוויות מגע מושפעות הן משינויים בכימיית פני השטח והן משינויים בטופוגרפיה של פני השטח. זווית המגע המתקדמת רגישה ביותר לרכיבים בעלי האנרגיה הנמוכה (שלא שונו) של פני המצע, ואילו הזווית הנסוגה רגישה יותר לקבוצות המחומצנות בעלות האנרגיה הגבוהה שהוכנסו בטיפולים מקדימים בפני השטח. לכן הזווית הנסוגה היא בפועל המדידה האופיינית ביותר לרכיב ששונה בפני השטח לאחר הטיפולים המקדימים, כפי שנמדדת בתמיסות dyne. לכן חשוב למדוד הן את זווית המגע המתקדמת והן את הנסוגה בכל החומרים ששונו בפני השטח1 (איור 3).

כאשר טיפה מחוברת למשטח מוצק והמשטח המוצק מוטה, הטיפה תזנק קדימה ותחליק מטה. הזוויות שנוצרות נקראות בהתאמה הזווית המתקדמת (θa) והזווית הנסוגה (θr). ASTM D724 מתאר שיטות למדידת DCA באמצעות ציוד מתקדם (טנסיומטרים אופטיים וגוניומטרים) לניתוח זוויות מגע מתקדמות ונסוגות על בסיס ניתוח צורת טיפה ומסה.

הפעלה כימית של פני השטח

קיימת נטייה חזקה אצל יצרנים להתמקד במדידות זווית מגע בלבד כמנבא יחיד לבעיות הדבקה ולביצוע בדיקות שגרתיות של פני השטח. הפונקציונליות הכימית של פני השטח חשובה באותה מידה, שבה משטחים הידרופוביים מופעלים והופכים למשטחים הידרופיליים הניתנים להדבקה. תהליכי טיפול מקדים בפאזה גזית, "פריקת זוהר" וחימצון פני שטח משמשים להפעלה כימית של פני השטח.

שיטות תהליך של חימצון פני שטח בפאזה גזית כוללות פריקת קורונה חשמלית, טיפול בלהבה, פלזמת גז קר והקרנת אולטרה-סגול. כל שיטה ייחודית ליישום מסוים ולה יתרונות ומגבלות אפשריות משלה.

התגובה הכימית והפיזיקלית הבסיסית המתרחשת היא שאלקטרונים חופשיים, יונים, מצבים מטא-יציבים, רדיקלים ו-UV הנוצרים בפלזמה יכולים להשפיע על משטח באנרגיות מספיקות כדי לשבור את הקשרים המולקולריים בפני השטח של רוב המצעים הפולימריים. הדבר יוצר רדיקלים חופשיים תגובתיים מאוד על פני הפולימר, ואלה יכולים בתורם ליצור קישורים צולבים או, בנוכחות חמצן, להגיב במהירות וליצור קבוצות פונקציונליות כימיות שונות על פני המצע. קבוצות פונקציונליות קוטביות שיכולות להיווצר ולשפר את יכולת ההדבקה כוללות קבוצות קרבוניל (C=O), קרבוקסיל (HOOC), הידרופרוקסיד (HOO-) והידרוקסיל (HO-). אפילו כמויות קטנות של קבוצות פונקציונליות תגובתיות המשולבות בפולימרים יכולות להועיל מאוד לשיפור הפונקציונליות הכימית והרטיבות של פני השטח. כמו כן ניתן להשתמש בפריימרים/ממסים כימיים ובשפשוף מכני (כולל מרקם כלי התבנית) לבד או בשילוב עם טיפולים מקדימים בפאזה גזית.2

בעיות הדבקה של פולימרים נפוצות ואינן מוגבלות לדבקים בלבד. יש השלכות עלות משמעותיות הקשורות לכשל בהדבקה, ובהן ביצועים ירודים של המוצר בשטח, פסולת/עבודה חוזרת, חוסר יעילות בייצור והגברת בדיקות בקרת האיכות. באמצעות הבנת המדע הבסיסי של זוויות מגע, הרטבת פני השטח והפעלה כימית, ניתן לפתור בהצלחה כמעט כל בעיית הדבקה, גם בעת שימוש בחומרים הפולימריים והאלסטומריים הקשים ביותר להדבקה.

מקורות

• Mark Strobel, Christopher Lyons, 3M Company, 3M Center, 1995
• Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc., “Surface Wetting Pretreatment Methods,” Plastics Decorating Magazine, 2002
• תודות: Enercon Industries Corporation – צילומים

Scott R. Sabreen הוא מייסד ונשיא The Sabreen Group, Inc. The Sabreen Group היא חברת ייעוץ הנדסי גלובלית המתמחה בתהליכי ייצור משניים של פלסטיק – טיפולים מקדימים בפני השטח, הדבקה והידבקות, עיטור וגימור, סימון בלייזר ואבטחת מוצרים. למידע נוסף התקשרו ל-(888) SABREEN או בקרו באתרים www.sabreen.com ו-www.plasticslasermarking.com.

---