טיפול מקדים בפני השטח / איכות פני השטח
זווית מגע ומתח פני שטח לשיפור מיטבי של ההידבקות
בדיקות פלזמה באתר הלקוח והדרכה במדעי פני השטח
חומרי פלסטיק קשים מטבעם להדבקה, לציפוי, ללמינציה, להדפסה ולעיטור, משום שהם חומרים הידרופוביים ולא קוטביים, אינרטיים כימית ובעלי יכולת הרטבה ירודה של פני השטח – כלומר אנרגיית פני שטח נמוכה. ההידבקות נקבעת על ידי אינטראקציות קוטביות ולא קוטביות בין המצעים ובין חומרי הציפוי. שיפור ההרטבה וההידבקות על פני השטח של פולימרים מחייב הגדלה של אנרגיית פני השטח ושל הרכיבים הקוטביים הפעילים. להשגת הידבקות מיטבית, הדבק (ציפוי, דיו או צבע) חייב להרטיב במלואם את פני השטח (המודבק) המיועדים להדבקה. טיפולים מקדימים בפלזמה בפאזת גז הם תהליכים חמצוניים, והם יעילים מאוד בפתרון בעיות הידבקות באמצעות הכנסת קבוצות פונקציונליות קוטביות כימיות.
The Sabreen Group מתמחה בהנדסת פני שטח ובטיפולים מקדימים בפלסטיק, בקומפוזיטים, בגומי ובמתכות, לצורך השגת תהליכי ייצור יציבים. שיטות התהליך והטכנולוגיות שלנו פותרות בעיות הדבקה ביישומי פלסטיק לפלסטיק, פלסטיק לגומי ופלסטיק למתכת. זכינו בפטנט אמריקאי מספר 5051586 על תהליך טיפול מקדים בפני השטח המשמש לייצור אלקטרוניקה צבאית ואווירונאוטית וכן טילים ופצצות חכמים. בדיקות ניתוח פני השטח במעבדה כוללות מיקרוסקופיית כוח אטומי, ESCA/XPS וזווית מגע.
הפתרונות החדשניים של SABREEN ליישומים כוללים:
- הדבקת פלסטיק, קומפוזיטים ומתכות
- ציפויי פלסטיק ומתכת
- הדפסת הזרקת דיו
- הדפסה על יריעות פולימריות
- ציפויים הידרופוביים / הידרופיליים
- התקנים מיקרופלואידיים
- ציפויים על פלסטיק, זכוכית ומתכות
- טפלון / PTFE
בזכות הניסיון והידע הרחבים שצברנו בתעשייה, The Sabreen Group פותרת במיומנות בעיות של טיפול מקדים בפני השטח ומיישמת פתרונות חסכוניים וידידותיים לסביבה. מומחי SABREEN בולטים בתחומי הטיפול המקדים בפני השטח, הכימיה הבין-פאזית, איכות פני השטח וטכניקות המדידה והניתוח.
מדוע נדרש טיפול מקדים בפני השטח?
לחומרי פלסטיק יש אנרגיית פני שטח נמוכה ותכונות הידבקות בין-פאזית נמוכות בעת הדבקה באמצעות דבקים, ציפויים, דיו וצבעים. טיפולים מקדימים בפלזמה משמשים לשיפור ההידבקות בין מצעי פלסטיק שקשה להדביק, וחמצון פני השטח (שינוי) בפלזמה בפאזת גז הוא שיטת השינוי הנפוצה ביותר, שהוכחה כיעילה מאוד, חסכונית ובטוחה לסביבה. בחירת השיטה המתאימה ליישום מסוים עשויה להיות מאתגרת, בין היתר בשל תפיסות שגויות ומינוח מבלבל. באמצעות הבנת המדע הבסיסי של זוויות מגע, הרטבת פני השטח והפעלה כימית, ניתן לפתור בהצלחה כמעט כל בעיית הדבקה, גם כאשר מדובר בחומרים פולימריים ואלסטומריים שקשה במיוחד להדביק.
מהו חמצון פני השטח (שינוי) בפלזמה בפאזת גז?
תהליכי טיפול מקדים של חמצון פני השטח בפאזת גז, בפריקה זוהרת, משמשים להפעלה כימית של פני השטח. תהליכים אלה מאופיינים ביכולתם לייצר פלזמת גז – גז ריאקטיבי במיוחד המורכב מאלקטרונים חופשיים, יונים חיוביים וסוגים נוספים. פלזמה מתוארת לעיתים קרובות כמצב הצבירה הרביעי של החומר. כאשר מסופקת אנרגיה, מוצקים נמסים לנוזלים, נוזלים מתאדים לגזים והגזים מיוננים לפלזמה.
איזה תהליך מתאים ביותר ליישום שלכם? לחצו על הכפתורים שלהלן כדי ללמוד על כל אחת משיטות הפלזמה.
פני שטח הידרופיליים
פני שטח הידרופוביים
הרטבה חלקית
זווית המגע היא הזווית, הנמדדת בדרך כלל דרך הנוזל, שבה נפגש ממשק נוזל-אדים עם ממשק מוצק. זווית המגע מכמתת את יכולת ההרטבה של פני שטח מוצקים על ידי נוזל, באמצעות משוואת Young.
בדיקת התנהגות הנוזל בזווית המגע הסטטית בלבד עלולה להוביל לפרשנות שגויה של תוצאות הממשק נוזל/מוצק ושל פתרון בעיות ההדבקה. הסיבה לכך היא שפעולות הייצור התעשייתי מתנהלות בפועל בתנאים דינמיים ולא סטטיים. לפיכך חשוב להבין את זווית המגע הדינמית (DCA). זוויות המגע מושפעות בדרך כלל הן משינויים בכימיה של פני השטח והן משינויים בטופוגרפיה שלהם.
זווית המגע המתקדמת רגישה במיוחד לרכיבים בעלי האנרגיה הנמוכה (הבלתי מטופלים) של פני המצע, ואילו הזווית הנסוגה רגישה יותר לקבוצות המחומצנות בעלות האנרגיה הגבוהה שהוכנסו בטיפולים המקדימים בפני השטח. לפיכך, הזווית הנסוגה היא המדידה המאפיינת ביותר את הרכיב ששונה בפני השטח בעקבות הטיפול המקדים, כפי שנמדד באמצעות תמיסות dyne. לכן חשוב למדוד הן את זווית המגע המתקדמת והן את זווית המגע הנסוגה בכל החומרים שפני השטח שלהם עברו שינוי.
כאשר טיפה נצמדת לפני שטח מוצקים ופני השטח מוטים, הטיפה מזנקת קדימה ומחליקה מטה. הזוויות הנוצרות נקראות בהתאמה הזווית המתקדמת (θa) והזווית הנסוגה (θr). התקן ASTM D724 מתאר שיטות למדידת זוויות מגע דינמיות באמצעות ציוד מתקדם (טנסיומטרים אופטיים וגוניומטרים), לניתוח זוויות מגע מתקדמות ונסוגות על בסיס ניתוח צורת הטיפה ומסתה.
זוויות מגע דינמיות θr ו-θa
הסיבות היסודיות לכך שקשה להדביק פלסטיקים רבים הן היותם חומרים הידרופוביים ולא קוטביים, אינרטיים כימית ובעלי יכולת הרטבה ירודה של פני השטח – כלומר אנרגיית פני שטח נמוכה. בעוד שתכונות הביצוע ההידרופוביות הללו (דחיית מים) אידיאליות עבור מתכנני חלקים המחפשים תכונות כאלה, הן מהוות מכשול עבור יצרנים הנדרשים להדביק חומרים אלה. הדבקה יציבה מחייבת בדרך כלל פני שטח הידרופיליים. כדי להשיג הידבקות מיטבית, הדבק (ציפוי, דיו או צבע) חייב להרטיב במלואם את פני השטח (המודבק) המיועדים להדבקה.
הרטבה מלאה משמעה שהנוזל זורם ומכסה את פני השטח כך ששטח המגע וכוחות המשיכה בין הדבק ובין פני השטח המודבקים מגיעים למרב. כדי שנוזל ירטיב ביעילות את פני השטח, אנרגיית פני השטח של הדבק חייבת להיות נמוכה מאנרגיית פני השטח של המשטח המיועד להדבקה או שווה לה. לחלופין, יש להעלות את אנרגיית פני השטח של המצע.
נניח טיפת נוזל בודדת המונחת במנוחה (שיווי משקל) על פני שטח מוצקים ושטוחים. הזווית הנוצרת בין פני השטח המוצקים ובין הקו המשיק לפני השטח העליונים בנקודת הקצה נקראת זווית המגע; זוהי הזווית (θ) הנמדדת דרך הנוזל, בין הקו המשיק בנקודת המגע ובין הקו האופקי של פני השטח המוצקים. צורת הבועה או הטיפה נובעת מהכוחות המולקולריים שבאמצעותם כל הנוזלים, על ידי כיווץ פני השטח, נוטים לעצב את הנפח הכלוא לצורה בעלת שטח הפנים הקטן ביותר. הכוחות הבין-מולקולריים המכווצים את פני השטח נקראים מתח פני שטח. מתח פני השטח, שהוא מדידה של אנרגיית פני השטח, מבוטא ביחידות dynes/cm (SI N/m).
ככל שאנרגיית פני השטח של המצע המוצק גבוהה יותר ביחס למתח פני השטח של הנוזל (מים, דיו הדפסה, דבקים וחומרי אנקפסולציה, ציפויים וכדומה), כך תשתפר יכולת ההרטבה שלו וזווית המגע תקטן (איור 1 בעמוד 2). ככלל, הידבקות מקובלת מושגת כאשר אנרגיית פני השטח של המצע גבוהה בכ-8 עד 10 dynes/cm ממתח פני השטח של הנוזל.
הרטבת פני השטח: השוואה בין פני שטח הידרופיליים להידרופוביים
ביישומים רבים ייתכן שדי בבחינת זווית המגע הסטטית בשיווי משקל באמצעות תמיסות dyne, בהתאם לנוהל בדיקה מתועד. ערכות יישום או עטים ותמיסות dyne מספקים מידע שימושי, אך אינם מדידה מדויקת של מתח פני השטח. מדידות מתח פני השטח עשויות להשתנות במידה ניכרת בין אדם לאדם (בהתאם לטכניקה) ובהתאם לפרשנות התנהגות הנוזל במרכז. עטים ותמיסות dyne ידועים כמדדים כיווניים להבדלים משמעותיים במתח פני השטח, והם מסוגלים לזהות במחיר חסכוני פני שטח טובים ופחות טובים להדבקה. תמיסות dyne בבקבוקים עשויות להיות עדיפות על עטים בשל בעיות זיהום הנובעות משימוש חוזר.
השיטה הטובה ביותר לבדיקת איכות פני השטח:
Surface Analyst™ 2001 הוא מכשיר דיגיטלי נייד למדידת זוויות מגע בקו הייצור, ללא שימוש בתמיסות dyne כימיות. השיטה אינה הרסנית, ולכן ניתן להמשיך ולעבד את החלק כרגיל – בשונה מבדיקה בתמיסות dyne שבה החלק נפסל. Surface Analyst™, שהומצא על ידי BTG Labs, תוכנן כדי להעמיד טכנולוגיית מדידה מדויקת של פני השטח לרשות טכנאי רצפת הייצור, בתהליכים שבהם מצב פני השטח קריטי – כגון הדבקה, צביעה, ציפוי, הדפסה וטיהור. באמצעות טכניקה מוגנת בפטנט הקרויה שיקוע בליסטי, המכשיר מניח על פני המצע טיפת מים מטוהרת במיוחד.
על סמך ידיעת הנפח והשטח של טיפת המים, המכשיר מחשב את זווית המגע של המים מול פני שטח נתונים. המכשיר מספק למשתמש משוב מיידי בדמות ערך מספרי כמותי או התראת עובר/נכשל. נתוני הבדיקה שמספק המכשיר מאפשרים למשתמשים לקבוע אם המצע הוכן כראוי לתהליכי הידבקות, כתחליף לתמיסות dyne ההרסניות. היחידה הניידת פועלת בכל כיוון ומתאימה לפני שטח חלקים או בעלי מרקם, כגון TPO עם מרקם גרעיני. ניתן להשתמש בנתונים אלה לשיפור מתמיד של התהליך, לזיהוי סטיות איכות שעשויות לבשר על בעיות מתקרבות או לאיתור הגורם הקריטי לכשלים במוצר.
מכשיר Surface Analyst של BTG Labs. התמונות באדיבות BTG LABS (513.469.1800).
קיימת נטייה חזקה בקרב יצרנים להתמקד בזוויות מגע או במדידות הרטבה אחרות בלבד, כמנבא היחיד לבעיות הדבקה ולצורך ביצוע בדיקות שגרתיות של פני השטח. הפונקציונליות הכימית של פני השטח חשובה לא פחות, שכן באמצעותה מופעלים פני שטח הידרופוביים והופכים לפני שטח הידרופיליים הניתנים להדבקה. תהליכי טיפול מקדים של חמצון פני השטח בפאזת גז, בפריקה זוהרת, משמשים להפעלה כימית של פני השטח. תהליכים אלה מאופיינים ביכולתם לייצר פלזמת גז – גז ריאקטיבי במיוחד המורכב מאלקטרונים חופשיים, יונים חיוביים וסוגים נוספים. פלזמה מתוארת לעיתים קרובות כמצב הצבירה הרביעי של החומר. כאשר מסופקת אנרגיה, מוצקים נמסים לנוזלים, נוזלים מתאדים לגזים והגזים מיוננים לפלזמה.
מבחינת הפיזיקה, המנגנונים שבהם נוצרים סוגי הפלזמה השונים אינם זהים, אך השפעתם על יכולת ההרטבה של פני השטח דומה. התגובה הכימית והפיזיקלית הבסיסית המתרחשת היא שאלקטרונים חופשיים, יונים, מצבים מטא-יציבים, רדיקלים וקרינת UV הנוצרים בפלזמה פוגעים בפני השטח באנרגיות המספיקות לשבירת הקשרים המולקולריים על פני רוב המצעים הפולימריים. כך נוצרים רדיקלים חופשיים ריאקטיביים מאוד על פני הפולימר, ואלה בתורם עשויים להתגבש, ליצור קישור צולב, או בנוכחות חמצן להגיב במהירות וליצור קבוצות פונקציונליות כימיות שונות על פני המצע. בין הקבוצות הפונקציונליות הקוטביות שעשויות להיווצר ולשפר את יכולת ההדבקה נמנות קרבוניל (C=O), קרבוקסיל (HOOC), הידרופרוקסיד (HOO-) והידרוקסיל (HO-). אפילו כמויות קטנות של קבוצות פונקציונליות ריאקטיביות המשולבות בפולימרים עשויות לתרום רבות לשיפור הפונקציונליות הכימית של פני השטח ויכולת ההרטבה. כמו כן, ניתן להשתמש בפריימרים ובממסים כימיים ובשיוף מכני (לרבות מרקם של תבנית הייצור) בנפרד או בשילוב עם טיפולים מקדימים.
מידת הטיפול המקדים או איכותו, לצורך השגת חוזק הידבקות יציב, מושפעת מניקיון פני הפלסטיק. פני השטח חייבים להיות נקיים כדי להשיג טיפול מקדים מיטבי והידבקות טובה בעקבותיו. מקורות הזיהום על פני המוצר המעכבים את הטיפול כוללים לכלוך, אבק, גריז ושמן. חומרים בעלי משקל מולקולרי נמוך, כגון סיליקונים, חומרי שחרור מתבנית וחומרים נוגדי החלקה, מזיקים במיוחד להדבקה. גם טוהר החומר הוא גורם חשוב. יתרה מזאת, תרכובות מסוימות, מסיסות או בלתי מסיסות, המשמשות בפיגמנטים ובצבענים עלולות לפגוע בהידבקות.
חיי המדף (התיישנות והידרדרות הטיפול) של פלסטיק מטופל תלויים בסוג השרף, בניסוח ובסביבה השוררת באזור האחסון. חיי המדף של מוצרים מטופלים מוגבלים בשל נוכחות חומרים מחומצנים בעלי משקל מולקולרי נמוך (LMWOM), כגון נוגדי חמצון, מרככים, חומרי החלקה וחומרים אנטי-סטטיים, צבענים ופיגמנטים, מייצבים וכדומה. חשיפת פני שטח מטופלים לטמפרטורות גבוהות מגבירה את ניידות השרשרת המולקולרית. ככל שניידות השרשרת גבוהה יותר, כך מתיישן הטיפול המקדים מהר יותר. פני שטח שטופלו בפלזמה מתיישנים בקצבים שונים ובמידה משתנה, בהתאם לגורמים בסביבה שמסביב. מאפייני ההתיישנות וחיי המדף באחסון חיוניים לתפעול תהליכי הייצור. לפני שטח מופעלים עשויים להיות חיי מדף של שעות, ימים, חודשים או יותר. מומלץ להדביק, לצפות, לצבוע או לעטר את המוצרים בהקדם האפשרי לאחר הטיפול המקדים.
יש להכיר בכך שכל שיטת טיפול מקדים בפני השטח מותאמת ליישום ספציפי, ועשויים להיות לה יתרונות ייחודיים ומגבלות אפשריות. לקבלת תוצאות יציבות, שקלו את הגורמים הבאים:
- פולימרים מגיבים באופן שונה לתהליכי חמצון. סוג המצע הפולימרי ודרישות הביצוע בשימוש הסופי הם קריטיים לקביעת שיטת הטיפול המקדים.
- האם המצע (המוצר המיועד לטיפול) מוליך? לדוגמה, גופי מחברים אלקטרוניים מפלסטיק שטרם הורכבו – ללא פיני מגע ממתכת – ניתנים לטיפול חשמלי, ואילו במחברים מורכבים עלולות להתרחש בעיות של קשת חשמלית.
- גיאומטריית החלק – פני שטח שטוחים קלים יותר לטיפול בהשוואה לשקעים עמוקים, שיפועים קיצוניים וצורות בלתי סדירות אחרות. קשה לבצע בדיקות הרטבה בשטחים קטנים ועל פני שטח בעלי מרקם עמוק.
- אוטומציה של שינוע חומרים: רצועות ושרשראות מוליכות עלולות לגרום לקשת חשמלית בפריקת קורונה חשמלית קלאסית ובמכשירי טיפול נקודתי. לחלופין, שקלו שימוש בלהבה, בפלזמת גז קר או בפלזמה אטמוספרית במתח נמוך.
- הימנעו מטיפול יתר. פני שטח שעברו חמצון מוגזם בפלזמה עלולים לפגוע בתהליכי ההרכבה שבהמשך, כגון איטום בחום וריתוך.
- לא כל ציוד לטיפול מקדים נוצר שווה. בחנו את איכות המערכות בפעולה. בתהליכי טיפול חשמליים, התבוננו באחידות פריקת הפלזמה; בטיפול בלהבה, שקלו את ההבדלים בין מבערי סרט למבערים עם פתחים קדוחים, וכן את רכיבי מערכת הבעירה; בפלזמת גז קר, בחנו את איכות בניית התא, את מדפי האלקטרודות ובעיקר את יצרן משאבת הוואקום.
חספוס פני השטח הוא מידת אי-האחידות של פני שטח מוצק, מתחת לסדר הגודל של צורתו או גליותו אך מעל לאי-הסדירות של מבני סריג הגביש.
מידת החספוס משפיעה על יכולת ההרטבה של המוצק. מאחר שחספוס כרוך בהגדלת שטח הפנים, הוא משפיע על יכולת ההרטבה של המוצק, על זווית המגע של הנוזל ועל ההידבקות.
נוהל זה מתאר שיטה לבדיקה ולמדידה של מתח ההרטבה של פני השטח (כלומר אנרגיית פני השטח) במצעי פלסטיק, באמצעות עטי סימון dyne.
יש לבצע בדיקות הרטבת פני שטח מיד לאחר הטיפול המקדים (פריקת קורונה, טיפול בלהבה, פלזמת גז RF). פני שטח מטופלים רגישים לזמן ומושפעים מתנאי סביבה כגון טמפרטורה ולחות. על המצעים להיות בעלי פני שטח נקיים לצורך הידבקות מיטבית. לכלוך, אבק, שמני ידיים ואצבעות, מוצרים מבוססי סיליקון ומזהמים אחרים מעכבים את ההידבקות ועלולים לגרום לתוצאות בדיקה שגויות.
1.0 חומרים וציוד
- עטי סימון dyne – הרמות הזמינות: 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 60
- המוצרים המיועדים לבדיקה
- כפפות פלסטיק
- מגבוני Chemwipes או מגבות נייר
- מדי טמפרטורה ולחות
- אזור עבודה נקי
2.0 שיטה
- רשמו את טמפרטורת הסביבה ואת הלחות.
- בחרו עט 60 dyne והסירו את המכסה.
- הניחו את המוצר המיועד לבדיקה על משטח שטוח ולחצו בחוזקה את קצה המריחה של עט הסימון על המוצר, עד שהתמיסה נמשכת אל הקצה.
- בנגיעה קלה, העבירו את העט פעם אחת לאורך פני השטח שעברו טיפול מקדים, כדי למרוח שכבת נוזל דקה.
- מומלץ לבצע העברות מקבילות. עודף תמיסה יוביל לקריאה שגויה.
- שימו לב לזמן שחולף עד שהנוזל מתפרק לטיפות. יש לצפות בהתנהגות הנוזל במרכזו.
- אם הנוזל אינו מתפרק לטיפות לאחר שתי (2) שניות, מניחים שאנרגיית פני השטח היא 60 dynes לכל הפחות. עברו לשלב 2.7. אם הנוזל מתפרק לטיפות בפחות משתי (2) שניות, חזרו על הבדיקה עם עט הסימון dyne ברמה הנמוכה הבאה. ייתכן שיידרשו התאמות בתהליך הטיפול המקדים.
- הבדיקה מסתיימת כאשר כל פני השטח משיגים את תוצאות ההרטבה הרצויות.
- השליכו כראוי את המוצרים שנבדקו.
בקשו הצעת מחיר ללא עלות
Scott Sabreen — נשיא ומהנדס ראשי, עם למעלה מ-30 שנות מומחיות. צרו קשר עוד היום כדי לדון ביישום שלכם ובפתרונות SABREEN, ללא עלות וללא התחייבות. הביאו אלינו את האתגרים הקשים ביותר שלכם.
טלפון: +1 972-820-6777
