सतह ऊर्जा (Surface Energy)
मुख्य बिंदु
- सतह ऊर्जा तय करती है कि द्रव सतह को गीला करेगा या मनके बनाएगा — यह प्रिंटिंग और बंधन की सफलता का सबसे उपयोगी एकल पूर्वानुमान है।
- द्रव का पृष्ठ तनाव ठोस से कम होना चाहिए, लगभग 7–10 dyne/cm के कार्यशील अंतर से।
- पॉलीओलेफ़िन लगभग 29–31 dyne/cm पर होते हैं, जो लगभग हर इंक और चिपकाने वाले पदार्थ से नीचे है, इसीलिए उन्हें पूर्व-उपचार चाहिए।
- उपचार क्षीण होता है। सतह ऊर्जा एक अस्थायी अवस्था है, पुर्ज़े का स्थायी गुण नहीं।
सतह ऊर्जा
सतह ऊर्जा वह अतिरिक्त ऊर्जा है जो ठोस की सतह के अणुओं में, भीतर के अणुओं की तुलना में, होती है, और प्लास्टिक पर यह तय करती है कि इंक, चिपकाने वाला पदार्थ या कोटिंग सतह पर फैलेगी या मनके बनाकर सिमट जाएगी। इसे परंपरा से dyne प्रति सेंटीमीटर (dyne/cm) में बताया जाता है, जो संख्यात्मक रूप से मिलीन्यूटन प्रति मीटर के बराबर है।
ठोस के भीतर के अणु चारों ओर से घिरे होते हैं और उनके आकर्षण बल हर दिशा में संतुष्ट रहते हैं। सतह के अणुओं के साथ ऐसा नहीं होता, इसलिए उनमें असंतुष्ट बंधन क्षमता होती है। उसी असंतुष्ट क्षमता से द्रव अंतःक्रिया कर सकता है, और जिस सतह में यह बहुत कम हो — कम ऊर्जा वाली सतह — वह द्रव को पकड़ने के लिए कुछ नहीं देती।
गीलापन तय करने वाला नियम
द्रव के ठोस को गीला करने के लिए, द्रव का पृष्ठ तनाव ठोस की सतह ऊर्जा से कम होना चाहिए। जहाँ यह अधिक होता है, द्रव अपना संपर्क क्षेत्र न्यूनतम करता है और मनके बना लेता है। व्यवहार में केवल बराबरी नहीं, एक अंतर चाहिए:
लक्ष्य सतह ऊर्जा ≈ द्रव का पृष्ठ तनाव + 7 से 10 dyne/cm
यही एक संबंध प्लास्टिक पर अधिकांश आसंजन विफलताओं की व्याख्या करता है। बिना उपचारित पॉलीप्रोपिलीन पर, जो 29 dyne/cm पर है, लगभग 35 dyne/cm की जल-आधारित इंक उसे गीला नहीं कर सकती, और सुखाने का कोई भी समय, दबाव या इंक का पुनर्निर्माण इस गणित को नहीं बदलता। पहले सतह को ऊँचा उठाना होगा।
पॉलिमर के अनुसार विशिष्ट मान
| सामग्री | बिना उपचार की सतह ऊर्जा | निहितार्थ |
|---|---|---|
| PTFE और फ़्लोरोपॉलिमर | लगभग 18–20 dyne/cm | आम उपयोग में सबसे कम; जान-बूझकर नॉन-स्टिक और बंधन के लिए बहुत कठिन |
| सिलिकॉन | लगभग 24 dyne/cm | संदूषक भी है — हवा में मौजूद सिलिकॉन जिस पर बैठता है उसकी ऊर्जा घटा देता है |
| पॉलीप्रोपिलीन | लगभग 29 dyne/cm | हर आम इंक और चिपकाने वाले पदार्थ से नीचे; पूर्व-उपचार प्रभावी रूप से अनिवार्य |
| पॉलीएथिलीन | लगभग 31 dyne/cm | पॉलीप्रोपिलीन जैसा; स्लिप एडिटिव सेवा में इसे और घटा देते हैं |
| ABS | लगभग 35–42 dyne/cm | मध्यम; पूर्व-उपचार अक्सर ऊर्जा बढ़ाने से अधिक एकरूपता और सफ़ाई के लिए होता है |
| पॉलीकार्बोनेट | लगभग 42–46 dyne/cm | आम तौर पर मोल्डेड अवस्था में प्रिंट और बंधन योग्य |
| PET | लगभग 41–44 dyne/cm | फ़िल्म का आम तौर पर फिर भी 46–52 तक उपचार होता है, ताकि इंक का भरोसेमंद जुड़ाव हो |
| नायलॉन | लगभग 40–46 dyne/cm | जल-अवशोषी, इसलिए रीडिंग परिवेश की आर्द्रता के साथ बदलती है |
| साफ़ काँच और धातुएँ | कई सौ dyne/cm | आसानी से गीली होती हैं — इसीलिए उनकी आसंजन समस्या ऊर्जा नहीं, संदूषण है |
सतह ऊर्जा बढ़ाना
हर औद्योगिक पूर्व-उपचार मूलतः एक ही रास्ते से काम करता है: ऊपरी कुछ आणविक परतों का ऑक्सीकरण, ताकि अध्रुवीय हाइड्रोकार्बन रीढ़ पर ध्रुवीय ऑक्सीजन-युक्त समूह जुड़ जाएँ। विधियाँ सिद्धांत में नहीं, ज्यामिति, लागत और टिकाऊपन में भिन्न हैं:
- कोरोना डिस्चार्ज — उच्च गति और प्रति वर्ग मीटर कम लागत पर फ़िल्म और वेब के लिए मानक।
- फ्लेम प्लाज़्मा — ऐसे मोल्डेड और घुमावदार पुर्ज़ों के लिए उपयुक्त जिनमें इसे सहने लायक पर्याप्त ऊष्मीय द्रव्यमान हो।
- वायुमंडलीय प्लाज़्मा — त्रि-आयामी पुर्ज़ों के लिए चयनात्मक, रोबोट पर लगने योग्य और कम ऊष्मीय भार वाला।
- कोल्ड गैस प्लाज़्मा — छायादार ज्यामिति तक पहुँचने वाली बैच वैक्यूम प्रक्रिया, सबसे टिकाऊ परिणाम और सतह रसायन को अनुकूलित करने की क्षमता के साथ।
- Pyrosil — मौजूदा सतह को सक्रिय करने के बजाय अभिक्रियाशील सिलिकेट परत जमा करता है, जिससे उपयोग योग्य अवधि कहीं लंबी मिलती है।
इसे मापना
| विधि | यह क्या देती है | इसका उपयोग कहाँ करें |
|---|---|---|
| dyne पेन | एक मान के विरुद्ध पास/फ़ेल | शॉप-फ़्लोर की त्वरित जाँच। सुविधाजनक, पर इंक सूख जाती है और पेन एज होते हैं, इसलिए परिणाम खिसकते हैं। |
| वेटिंग टेंशन घोल (ASTM D2578) | सीमाबद्ध dyne मान | मानक उत्पादन जाँच। पेन से अधिक भरोसेमंद; फिर भी यह व्यक्तिपरक पढ़ाई है कि फ़िल्म दो सेकंड टिकती है या नहीं। |
| संपर्क कोण गोनियोमेट्री | मात्रात्मक कोण, और कई द्रवों के साथ ध्रुवीय व परिक्षेपी घटक | प्रोसेस वैलिडेशन, अर्हता और समस्या निवारण। जब संख्या का बचाव करना हो तब उपयोग की जाने वाली विधि। |
| वाटर ब्रेक टेस्ट | सतत गीलेपन की उपस्थिति या अनुपस्थिति | भारी संदूषण की त्वरित गुणात्मक जाँच। यह कोई मान नहीं देता। |
किसी एक बिंदु पर नहीं, पुर्ज़े या वेब की चौड़ाई भर में मापें। किनारे से केंद्र तक का अंतर आम है, आसानी से छूट जाता है, और अक्सर उस विफलता का कारण होता है जो यादृच्छिक लगती है।
उपचार टिकता क्यों नहीं
बढ़ी हुई सतह ऊर्जा एक अस्थायी अवस्था है। दो तंत्र इसे वापस नीचे खींचते हैं, और दोनों उपचार रुकने के क्षण से ही चलने लगते हैं:
- शृंखला का पुनर्विन्यास। जुड़े हुए ध्रुवीय समूह गतिशील पॉलिमर शृंखलाओं से जुड़े होते हैं, जो घूमकर उन्हें सतह के नीचे दबा देती हैं जहाँ वे ऊर्जा की दृष्टि से अधिक सहज होते हैं। गर्मी इसे तेज़ करती है।
- एडिटिव का माइग्रेशन। स्लिप एजेंट, एंटीब्लॉक एडिटिव, प्लास्टिसाइज़र और शेष मोल्ड रिलीज़ सतह पर आकर उपचारित परत को ढँक देते हैं। पॉलीओलेफ़िन फ़िल्म पर यह आम तौर पर बड़ा प्रभाव है, और इसीलिए फ़ॉर्मूलेशन में बदलाव ट्रीटर पर कुछ बदले बिना उपयोग योग्य अवधि घटा सकता है।
व्यावहारिक परिणाम यह है कि उपचार और बंधन के बीच का अंतराल प्रोसेस विनिर्देश में एक बताई गई अधिकतम सीमा के साथ आना चाहिए। एज हो चुके उपचारित स्टॉक को उपयोग से पहले दोबारा मापना चाहिए, ठीक मान नहीं लेना चाहिए।
संबंधित शब्द और अध्ययन सामग्री
- प्लाज़्मा सतह उपचार कितने समय तक टिकता है?
- ASTM D3359 टेप परीक्षण
- संपर्क कोण
- सभी पॉलिमर सतह पूर्व-उपचार विधियाँ
- प्लास्टिक आसंजन समस्याओं को सुलझाने का विज्ञान
- आसंजन विफलताएँ
- कम सतह ऊर्जा वाले पॉलिमर पर इंकजेट प्रिंटिंग और आसंजन
इसे उत्पादन में लागू करना
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अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न
प्रिंटिंग या बंधन से पहले प्लास्टिक को कितनी सतह ऊर्जा चाहिए?
इतनी कि वह द्रव के पृष्ठ तनाव से लगभग 7 से 10 dyne/cm अधिक हो। अधिकांश इंक और चिपकाने वाले पदार्थों के लिए इसका अर्थ है पॉलीओलेफ़िन पर 38–44 dyne/cm और PET फ़िल्म पर 46–52, पर यह आँकड़ा सामान्य लक्ष्य से नहीं, वास्तविक रसायन के साथ परीक्षण से आना चाहिए। जिस विनिर्देश में उद्योग-मानक संख्या दी गई हो और जिसे वास्तविक इंक पर किसी ने परखा न हो, वह विफल होने की प्रतीक्षा में बैठा विनिर्देश है।
पॉलीओलेफ़िन को पूर्व-उपचार क्यों चाहिए जबकि अन्य प्लास्टिक को नहीं?
क्योंकि पॉलीप्रोपिलीन और पॉलीएथिलीन लगभग 29–31 dyne/cm पर होते हैं, जो लगभग हर आम इंक और चिपकाने वाले पदार्थ से नीचे है, इसलिए बिल्कुल गीलापन नहीं होता। पॉलीकार्बोनेट, ABS और PET 35–46 की सीमा से शुरू होते हैं, जो कई द्रवों के ऊपर या निकट है, इसलिए उन्हें अक्सर मोल्डेड अवस्था में ही प्रिंट या बंधित किया जा सकता है। जो रसायन पॉलीओलेफ़िन को निष्क्रिय और सस्ता बनाता है, वही उन्हें प्रिंट के अयोग्य भी बनाता है।
क्या उत्पादन नियंत्रण के लिए dyne पेन की रीडिंग पर्याप्त भरोसेमंद है?
त्वरित जाँच के लिए हाँ; जिसका बचाव करना हो उसके लिए नहीं। पेन की इंक सूख जाती है और एज होती है, और रीडिंग व्यक्तिपरक है। ASTM D2578 के अनुसार वेटिंग टेंशन घोल मानक उत्पादन विधि हैं, और संपर्क कोण गोनियोमेट्री वैलिडेशन या ग्राहक के साथ विवाद निपटाने के लिए आवश्यक मात्रात्मक मान देती है। जो भी उपयोग करें, एक बिंदु पर नहीं, चौड़ाई भर में मापें।
dyne रीडिंग सही होने पर भी आसंजन विफल क्यों होता है?
लगभग हमेशा संदूषण के कारण। पूर्व-उपचार सतह पर जो भी है उसे सक्रिय करता है, इसलिए मोल्ड रिलीज़ की परत, स्लिप एडिटिव ब्लूम या कंप्रेसर तेल पॉलिमर की जगह सक्रिय हो जाता है, और dyne पेन उस सक्रिय संदूषक को सहजता से पढ़ लेता है। उपचार का स्तर बढ़ाना मदद नहीं करता। संदूषक को उसके स्रोत तक खोजें, जो अक्सर उपचार स्टेशन नहीं, पूर्व की कोई प्रक्रिया होती है।
सतह का उपचार कितने समय तक टिकता है?
घंटों से हफ़्तों तक, पॉलिमर, उसके एडिटिव पैकेज और भंडारण की स्थितियों पर निर्भर। पॉलिमर शृंखलाएँ जुड़े हुए ध्रुवीय समूहों को दबाने के लिए पुनर्विन्यस्त होती हैं, और स्लिप एजेंट, प्लास्टिसाइज़र व मोल्ड रिलीज़ सतह पर आकर उन्हें ढँक देते हैं। इलास्टोमर और प्लास्टिसाइज़्ड ग्रेड सबसे तेज़ क्षीण होते हैं। उपचार-से-बंधन की अधिकतम अवधि प्रयोग से तय करें, उसे प्रोसेस विनिर्देश में रखें, और एज हो चुके स्टॉक को ठीक मान लेने के बजाय दोबारा मापें।
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