אנרגיית פני שטח

אנרגיית פני שטח

עיקרי הדברים

• אנרגיית פני שטח קובעת אם נוזל מרטיב או מתגבב — היא המנבא השימושי ביותר להצלחת הדפסה והדבקה.
• המתח הפנימי של הנוזל חייב להיות נמוך מזה של המוצק, במרווח עבודה של כ-7–10 dyne/cm.
• פוליאולפינים נמצאים בסביבות 29–31 dyne/cm, מתחת כמעט לכל דיו ודבק, ולכן הם זקוקים לטיפול מקדים.
• הטיפול דועך. אנרגיית פני שטח היא מצב זמני ולא תכונה קבועה של החלק.

אנרגיית פני שטח

אנרגיית פני שטח היא האנרגיה העודפת שמחזיקות מולקולות על פני מוצק לעומת אלה שבתוכו, ובפלסטיק היא קובעת אם דיו, דבק או ציפוי מתפשטים על פני המשטח או מתכנסים לבועות. היא מדווחת באופן מקובל ביחידות dyne לסנטימטר (dyne/cm), השווה מספרית למיליניוטון למטר.

מולקולות בתוך מוצק מוקפות מכל צד וכוחות המשיכה שלהן מסופקים בכל כיוון. מולקולות על פני השטח אינן כאלה, ולכן הן נושאות יכולת קישור לא מסופקת. היכולת הלא מסופקת הזו היא מה שנוזל יכול לקיים איתו אינטראקציה, ומשטח שיש בו מעט ממנה — משטח בעל אנרגיה נמוכה — אינו נותן לנוזל דבר להיאחז בו.

הכלל השולט בהרטבה

כדי שנוזל ירטיב מוצק, המתח הפנימי של הנוזל חייב להיות נמוך מאנרגיית פני השטח של המוצק. כשהוא גבוה יותר, הנוזל ממזער את שטח המגע שלו ומתגבב. בפועל נדרש מרווח ולא שוויון בלבד:

אנרגיית פני שטח יעד ≈ מתח פנימי של הנוזל + 7 עד 10 dyne/cm

יחס יחיד זה מסביר את רוב כשלי ההידבקות בפלסטיק. דיו על בסיס מים בסביבות 35 dyne/cm המיושם על פוליפרופילן לא מטופל ב-29 dyne/cm אינו יכול להרטיב אותו, ושום כמות של זמן ייבוש, לחץ או ניסוח מחדש של הדיו לא תשנה את החשבון הזה. קודם צריך להעלות את המשטח.

ערכים טיפוסיים לפי פולימר

העלאת אנרגיית פני שטח

כל טיפול מקדים תעשייתי פועל באותה דרך בסיסית: חמצון של כמה שכבות מולקולריות עליונות כך שקבוצות קוטביות המכילות חמצן משתלות על שלד פחמימני לא קוטבי. השיטות נבדלות בגיאומטריה, בעלות ובעמידות ולא בעיקרון:

• פריקת קורונה — הסטנדרט לסרטים ורשתות במהירות גבוהה ובעלות נמוכה למטר רבוע.
• פלזמת להבה — מתאימה לחלקים יצוקים ומעוקלים בעלי מסה תרמית מספקת כדי לסבול אותה.
• פלזמה אטמוספרית — סלקטיבית, ניתנת להרכבה על רובוט ובעלת עומס תרמי נמוך, לחלקים תלת-ממדיים.
• פלזמת גז קר — תהליך אצווה בוואקום המגיע לגיאומטריה מוצלת, עם התוצאה העמידה ביותר והיכולת להתאים את כימיית פני השטח.
• Pyrosil — מפקידה שכבת סיליקט תגובתית ולא מפעילה את המשטח הקיים, ונותנת חלון שימוש ארוך בהרבה.

מדידה

מדדו על פני החלק או רוחב הרשת ולא בנקודה אחת. שונות בין הקצה למרכז נפוצה, קל להחמיץ אותה, והיא סיבה תכופה לכשל שנראה אקראי.

מדוע הטיפול אינו נמשך

אנרגיית פני שטח מוגברת היא מצב זמני. שני מנגנונים מושכים אותה חזרה מטה, ושניהם פועלים מרגע שהטיפול נפסק:

• סידור מחדש של שרשראות. הקבוצות הקוטביות המושתלות מחוברות לשרשראות פולימר ניידות, המסתובבות כדי לקבור אותן מתחת לפני השטח, שם נוח להן יותר אנרגטית. חום מאיץ זאת.
• נדידת תוספים. חומרי החלקה, תוספים נגד הדבקת שכבות, חומרי ריכוך ושאריות חומר שחרור מתבנית נודדים אל פני השטח ומכסים את השכבה המטופלת. בסרטי פוליאולפין זו בדרך כלל ההשפעה הגדולה יותר, וזו הסיבה ששינוי בניסוח יכול לקצר את חלון השימוש בלי ששום דבר במכשיר הטיפול השתנה.

ההשלכה המעשית היא שהמרווח בין הטיפול להדבקה שייך למפרט התהליך עם מקסימום מוצהר. חומר מטופל שהזדקן יש למדוד מחדש לפני השימוש ולא להניח שהוא תקין.

מונחים וקריאה קשורים

• כמה זמן נמשך טיפול פלזמה בפני השטח?
• בדיקת סרט דבק ASTM D3359
• זווית מגע
• כל שיטות הטיפול המקדים בפני השטח של פולימרים
• המדע שבפתרון בעיות הידבקות בפלסטיק
• כשלי הידבקות
• הדפסת הזרקת דיו והידבקות של פולימרים בעלי אנרגיית פני שטח נמוכה

יישום בייצור

The Sabreen Group מספקת ליווי הנדסי עצמאי בנושא מדידת אנרגיית פני שטח, בחירת טיפול מקדים ואיתור ופתרון תקלות הידבקות. אם אתם מגדירים תהליך, מאשרים חומר או מאתרים ופותרים תקלת ייצור, צוות שירותי ההנדסה שלנו יכול לעזור. צרו קשר כדי לדון ביישום שלכם.

שאלות נפוצות

איזו אנרגיית פני שטח פלסטיק צריך לפני הדפסה או הדבקה?

מספיק כדי לעלות על המתח הפנימי של הנוזל בכ-7 עד 10 dyne/cm. ברוב הדיו והדבקים פירוש הדבר 38–44 dyne/cm על פוליאולפינים ו-46–52 על סרט PET, אך הערך צריך לבוא מניסוי עם הכימיה בפועל ולא מיעד כללי. מפרט שמצטט מספר תקני בענף שאיש לא בדק מול הדיו האמיתי הוא מפרט שמחכה להיכשל.

מדוע פוליאולפינים זקוקים לטיפול מקדים ופלסטיקים אחרים לא?

משום שפוליפרופילן ופוליאתילן נמצאים בסביבות 29–31 dyne/cm, מתחת למעשה לכל דיו ודבק נפוצים, ולכן לא מתרחשת הרטבה כלל. פוליקרבונט, ABS ו-PET מתחילים בטווח 35–46, מעל נוזלים רבים או קרוב אליהם, ולכן לעיתים קרובות אפשר להדפיס או להדביק אותם כפי שיוצרו. אותה כימיה שהופכת פוליאולפינים לאינרטיים וזולים היא זו שהופכת אותם לבלתי ניתנים להדפסה.

האם קריאה של עט dyne אמינה מספיק לבקרת ייצור?

לבדיקה מהירה, כן; לכל דבר שצריך להגן עליו, לא. דיו העטים מתייבש ומזדקן, והקריאה סובייקטיבית. תמיסות מתח הרטבה לפי ASTM D2578 הן שיטת הייצור הסטנדרטית, ומדידת זווית מגע במכשיר גוניומטר נותנת את הערך הכמותי הנדרש לאימות או ליישוב מחלוקת עם לקוח. בכל שיטה, מדדו על פני הרוחב ולא בנקודה אחת.

מדוע ההידבקות נכשלת כשקריאת ה-dyne תקינה?

כמעט תמיד זיהום. טיפול מקדים מפעיל כל דבר שנמצא על פני השטח, ולכן שכבה של חומר שחרור, פריחת תוסף החלקה או שמן מדחס מופעלת במקום הפולימר, ועט dyne יקרא את המזהם המופעל בשמחה. העלאת רמת הטיפול אינה עוזרת. אתרו את המזהם עד למקורו, שהוא לעיתים קרובות תהליך במעלה הזרם ולא תחנת הטיפול.

כמה זמן נמשך טיפול בפני השטח?

שעות עד שבועות, בהתאם לפולימר, לחבילת התוספים שלו ולתנאי האחסון. שרשראות הפולימר מסתדרות מחדש כדי לקבור את הקבוצות הקוטביות המושתלות, וחומרי החלקה, חומרי ריכוך וחומר שחרור נודדים אל פני השטח ומכסים אותן. אלסטומרים ודרגות מרוככות דועכים מהר ביותר. קבעו מרווח מקסימלי בין טיפול להדבקה באופן אמפירי, הכניסו אותו למפרט התהליך ומדדו מחדש חומר שהזדקן ולא הניחו שהוא עדיין תקין.

---