Hardcoat per policarbonato e acrilico: abrasione, agenti chimici, esposizione agli agenti atmosferici

Hardcoat per policarbonato e acrilico: abrasione, agenti chimici, esposizione agli agenti atmosferici

Punti chiave

• Policarbonato e acrilico richiedono protezione: entrambi hanno ottime proprietà ottiche ma sono teneri e il policarbonato è inoltre vulnerabile alla criccatura da solventi (stress cracking) e al degrado da raggi ultravioletti.
• Nessuna chimica di hardcoat vince ovunque: siliconi polimerizzati a caldo, acrilati polimerizzati a UV, sistemi primer più finitura e strati depositati da plasma bilanciano diversamente resistenza all'abrasione, flessibilità, condizioni di polimerizzazione e durata agli agenti atmosferici.
• L'adesione si costruisce prima dell'applicazione del rivestimento: tensioni di stampaggio, contaminazione superficiale, umidità e scelta del primer decidono se un hardcoat resiste all'immersione in acqua e a anni di luce solare.
• Qualifichi su componenti reali con esposizioni realistiche: le prove di abrasione, chimiche e di invecchiamento significano poco se non sono eseguite su componenti rappresentativi della produzione e giudicate in base al mantenimento delle proprietà dopo l'esposizione.

Policarbonato (PC) e polimetilmetacrilato (PMMA, o acrilico) hanno sostituito il vetro in molti prodotti perché sono leggeri, stampabili e, nel caso del policarbonato, estremamente resistenti all'urto. Lenti per fari, occhiali, vetrature, coperture di display e alloggiamenti di dispositivi medicali dipendono da questi materiali. Il compromesso riguarda la durabilità superficiale. Se non protetti, entrambi i materiali si graffiano molto più facilmente del vetro e il policarbonato in particolare può criccarsi a contatto con il solvente sbagliato e ingiallire sotto una prolungata esposizione solare.

Gli hardcoat sono rivestimenti sottili e altamente reticolati applicati per colmare questo divario. Quando falliscono, il risultato è opacità, cricche, distacco o ingiallimento visibili a ogni cliente. Questo articolo passa in rassegna le principali chimiche, l'applicazione, l'adesione e le prove, con particolare attenzione alla specifica e alla qualifica di un componente in PC o acrilico rivestito.

Perché policarbonato e acrilico richiedono hardcoat

Entrambi i polimeri hanno superfici tenere rispetto agli abrasivi che incontrano in esercizio: sabbia stradale su un faro, polvere strofinata su un display, panni di pulizia su un monitor medicale. I graffi fini accumulati diffondono la luce e si manifestano come opacità (haze) che riduce contrasto ed emissione luminosa.

Il policarbonato aggiunge due ulteriori vulnerabilità. Primo, è soggetto a criccatura da stress ambientale: molti chetoni, esteri, solventi aromatici e alcuni detergenti e carburanti causano cricche e microfratture dove sono presenti tensioni da stampaggio o da assemblaggio. Secondo, il policarbonato assorbe la luce ultravioletta e si degrada in superficie, ingiallendo e infragilendosi nel tempo all'esterno. L'acrilico ha una stabilità UV intrinseca molto migliore, ma è anch'esso sensibile ai graffi, può criccarsi sotto esposizione a solventi se sollecitato e la sua più bassa temperatura di transizione vetrosa limita le temperature di polimerizzazione tollerabili.

Un hardcoat svolge quindi spesso più compiti insieme: resistere all'abrasione, fungere da barriera chimica e trasportare assorbitori UV, il tutto senza degradare trasmissione, opacità o distorsione.

Principali chimiche di hardcoat e relativi compromessi

La nostra guida alla scelta tra rivestimenti liquidi, in polvere e a polimerizzazione UV tratta la scelta in senso più ampio; seguono le famiglie più usate su PC e PMMA.

Hardcoat siliconici (silossanici) polimerizzati a caldo

Sono in genere sistemi sol-gel a solvente che combinano resine organosilossaniche con silice colloidale, polimerizzati ad alta temperatura in una rete reticolata simile al vetro. Offrono una resistenza all'abrasione molto buona e sono consolidati su vetrature e lenti per fari. I loro limiti sono tempo e temperatura di polimerizzazione (vincolati alla resistenza al calore del substrato), film relativamente fragili che possono microcriccarsi se applicati troppo spessi o flessi, e una limitata capacità di trattenere assorbitori UV organici, motivo per cui sul policarbonato sono spesso abbinati a un primer.

Hardcoat acrilati polimerizzati a UV

Impiegano monomeri e oligomeri acrilici multifunzionali, spesso con cariche su scala nanometrica, polimerizzati in pochi secondi sotto lampade UV. La bassa temperatura di processo si adatta sia al PMMA sia al PC e la produttività è elevata. I compromessi comprendono tensioni da ritiro di polimerizzazione, inibizione da ossigeno superficiale e una tensione intrinseca tra gli assorbitori UV aggiunti per la resistenza agli agenti atmosferici e i fotoiniziatori che richiedono luce UV per polimerizzare il film. Le formulazioni contenenti solventi aggressivi o monomeri reattivi devono essere vagliate con attenzione rispetto alla criccatura da stress del policarbonato.

Sistemi primer più finitura

Molte applicazioni esterne in policarbonato usano un sistema a due strati: un primer a base acrilica che aderisce al substrato e contiene un'elevata quantità di assorbitore UV, seguito da una finitura silossanica che fornisce resistenza all'abrasione. Il costo è una fase aggiuntiva di applicazione e polimerizzazione, oltre a una seconda interfaccia che deve restare aderente.

Rivestimenti depositati da plasma e sotto vuoto

La deposizione chimica da fase vapore assistita da plasma a partire da precursori organosilicici può produrre strati molto duri, simili alla silice. Sono usati su vetrature di pregio, spesso sopra un rivestimento applicato a umido, e gli stack antiriflesso oftalmici sono depositati sotto vuoto su un hardcoat. Offrono un'eccellente resistenza all'abrasione con piccoli spessori, ma richiedono apparecchiature sottovuoto a lotti e la differenza di rigidità rispetto alla plastica li rende soggetti a criccatura per cicli termici o urti.

Metodi di applicazione e cause dei difetti

Gli hardcoat sono applicati a spessori di pochi micrometri fino a decine di micrometri, quindi anche piccole variazioni contano. Se troppo sottili, la resistenza all'abrasione cala; se troppo spessi, i rivestimenti fragili si criccano o mostrano distorsione ottica. I metodi più comuni comprendono:

• Immersione (dip coating): riveste entrambe le facce in una volta; lo spessore dipende da velocità di estrazione e viscosità, con un gradiente dall'alto al basso e linee di scolo o gocce sul bordo inferiore.
• Rivestimento a flusso (flow coating): il rivestimento viene versato su un componente fissato e lasciato scolare; comune per lenti e vetrature, con analoghi problemi di gradiente.
• Spruzzatura: adatta a forme complesse e a rivestimenti su un solo lato, ma vulnerabile a buccia d'arancia, overspray e inclusioni di particolato.
• Rivestimento a rotazione (spin coating): offre un'eccellente uniformità su componenti tondi e relativamente piani come lenti oftalmiche e dischi, con l'accumulo sui bordi come principale criticità.

Con tutti i metodi le cause ricorrenti dei difetti sono le stesse: particolato in sospensione, contaminazione superficiale che causa crateri e occhi di pesce (fish-eyes), umidità e raffreddamento evaporativo che causano l'opacizzazione (blush), evaporazione incontrollata del solvente e polimerizzazione incompleta o eccessiva. Le differenze di indice di rifrazione tra rivestimento e substrato possono inoltre produrre frange di interferenza visibili quando lo spessore varia, motivo per cui l'uniformità di spessore è un requisito ottico oltre che di durabilità.

Adesione, primer e preparazione della superficie

Il distacco compare spesso solo dopo immersione in acqua, umidità o esposizione all'esterno, molto tempo dopo che le prime prove con nastro sono state superate. I fondamenti di una buona adesione sono:

• Superfici pulite. Distaccanti, residui di manipolazione, impronte e polvere attratta dall'elettricità statica ostacolano la bagnatura; le linee di rivestimento usano di norma lavaggi acquosi controllati, acqua di risciacquo ad alta purezza e soffiatura con aria ionizzata.
• Energia superficiale controllata. I rivestimenti liquidi devono bagnare uniformemente la superficie. Le misure dell'angolo di contatto offrono un controllo pratico di pulizia e pretrattamento.
• Un pretrattamento superficiale appropriato. Plasma, UV/ozono e metodi simili possono rimuovere la contaminazione organica e aumentare la funzionalità superficiale. La scelta del pretrattamento dipende da geometria del componente, produttività e dal rischio che il trattamento alteri le proprietà ottiche.
• Basse tensioni di stampaggio e componenti asciutti. Le concentrazioni di tensione vicino a punti di iniezione, borchie e linee di giunzione sono il punto in cui inizia l'attacco da solvente, e il policarbonato assorbe umidità che può influire su polimerizzazione del rivestimento e qualità dell'interfaccia. Condizioni di stampaggio, ricottura dove appropriata ed essiccazione prima del rivestimento sono tutte importanti.
• Un primer abbinato al sistema. Dove la sola finitura non può aderire in modo affidabile o fornire una protezione UV sufficiente, spessore e polimerizzazione del primer devono essere controllati con lo stesso rigore della finitura.

Come si valutano le prestazioni di abrasione, chimiche e agli agenti atmosferici

Programmi di prova e limiti di accettazione sono normalmente fissati dal cliente o dalla norma di settore di riferimento; i metodi in sé sono ben consolidati. Il nostro documento della biblioteca sulla misura della durabilità all'abrasione dei rivestimenti ne discute diversi in maggior dettaglio.

Resistenza all'abrasione e ai graffi

Per le materie plastiche trasparenti l'approccio più comune è l'abrasione rotativa, in cui mole abrasive di tipo specificato scorrono sotto un carico specificato per un numero definito di cicli, seguita dalla misura dell'aumento di opacità (haze) nella traccia di usura (ASTM D1044 con opacità misurata secondo ASTM D1003). La sfregatura con lana d'acciaio con carico e numero di passate definiti è molto usata per superfici di display e beni di consumo, mentre metodi a sabbia oscillante come ASTM F735 sono usati per lenti oftalmiche e altre. Poiché ogni metodo rappresenta un meccanismo di usura diverso, un rivestimento che risulta primo in una prova può non esserlo in un'altra.

Adesione

La prova con nastro su reticolo (cross-hatch) secondo ASTM D3359 è il controllo abituale, ma per gli hardcoat il suo valore sta soprattutto nel ripeterla dopo il condizionamento: immersione in acqua riscaldata per un periodo definito, esposizione a umidità, cicli termici e invecchiamento. Un hardcoat che supera inizialmente la prova e fallisce dopo l'immersione in acqua segnala un problema di interfaccia.

Resistenza chimica

Le prove a goccia o per immersione usano i fluidi che il prodotto incontrerà: carburanti, liquido lavavetri, rimuovi-insetti e detergenti per le lenti automotive; creme solari, cosmetici e sebo cutaneo per gli occhiali; disinfettanti ospedalieri per display e alloggiamenti medicali. Per il policarbonato, la prova sotto deformazione applicata rivela le criccature da stress che i provini non sollecitati possono nascondere.

Esposizione agli agenti atmosferici

L'esposizione accelerata in camere ad arco allo xeno (ad esempio ASTM G155, o SAE J2527 per componenti esterni automotive) e in cabine UV fluorescenti a condensazione (ASTM G154) è usata per confrontare i sistemi, mentre l'esposizione all'aperto in climi caldi e soleggiati fornisce il riferimento reale. La valutazione dopo l'esposizione tiene normalmente traccia di opacità, ingiallimento, trasmissione, microcriccature e, in modo cruciale, adesione. I risultati accelerati vanno letti soprattutto in modo comparativo.

Modalità di guasto più comuni

La diagnosi dei guasti degli hardcoat segue la stessa logica usata per il distacco di vernice e inchiostro dalle materie plastiche: individuare prima il piano di rottura, poi risalire alla causa.

• Microcriccature: reti di cricche fini in rivestimenti fragili, causate da spessore eccessivo, sovrapolimerizzazione, cicli termici, flessione o esposizione agli agenti atmosferici.
• Distacco dopo esposizione agli agenti atmosferici: con il consumo degli assorbitori UV nel tempo, la luce raggiunge la superficie del policarbonato, la degrada e indebolisce l'interfaccia; l'umidità accelera poi la perdita di adesione. Il rivestimento spesso si stacca con un sottile strato di substrato degradato attaccato.
• Ingiallimento: dovuto alla fotodegradazione del substrato sotto un rivestimento poco protettivo, alla chimica del rivestimento stesso o alla sovrapolimerizzazione.
• Criccatura da stress da rivestimenti a solvente: cricche in corrispondenza di punti di iniezione, borchie o elementi di aggancio dove i solventi del rivestimento hanno incontrato elevate tensioni di stampaggio.
• Opacizzazione (blush), opacità e inclusioni: difetti di processo legati a umidità, bilanciamento del solvente, pulizia e polimerizzazione.

Come specificare e qualificare un hardcoat

Una specifica solida parte dall'ambiente di servizio e non da un catalogo di rivestimenti. Passaggi utili comprendono:

• Definire i meccanismi di usura, gli agenti chimici, le temperature e l'esposizione UV che il componente incontrerà e le proprietà ottiche da preservare.
• Selezionare metodi di prova rappresentativi di tali condizioni, con dettagli di condizionamento e misura scritti in modo che i risultati siano riproducibili.
• Fissare i criteri di accettazione in termini di prestazioni mantenute dopo l'esposizione, non solo di valori iniziali.
• Qualificare su componenti rappresentativi della produzione, includendo geometria nel caso peggiore, zone di iniezione ed estremi di spessore, anziché solo su piastrine piane.
• Definire i controlli di processo per pulizia, pretrattamento, spessore del film e polimerizzazione, e richiedere la notifica di qualsiasi cambio di grado del substrato, del rivestimento o del processo.

The Sabreen Group offre supporto ingegneristico indipendente per i rivestimenti industriali, inclusi hardcoat resistenti all'abrasione e di protezione UV.

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The Sabreen Group offre supporto ingegneristico indipendente per la scelta degli hardcoat, la preparazione della superficie, la risoluzione dei problemi di adesione e le prove di qualifica su componenti in policarbonato e acrilico. Il nostro team dei servizi di ingegneria collabora con i produttori nello sviluppo dei processi, nella qualifica dei materiali e nella risoluzione dei problemi di produzione. Ci contatti per discutere la Sua applicazione.

Domande frequenti

Perché il policarbonato richiede un hardcoat se è così resistente all'urto?

Resistenza all'urto e durezza superficiale sono proprietà diverse. Il policarbonato assorbe bene l'energia d'urto, ma la sua superficie si graffia facilmente ed è sensibile ad alcuni solventi e al degrado da raggi ultravioletti. Un hardcoat protegge la superficie mentre il polimero di massa fornisce la tenacità.

È meglio un hardcoat silossanico o uno polimerizzato a UV?

Nessuno dei due è migliore in assoluto. I siliconi polimerizzati a caldo sono noti per la forte resistenza all'abrasione e sono consolidati in vetrature e illuminazione per esterni, ma richiedono polimerizzazioni più lunghe e più calde. Gli acrilati polimerizzati a UV polimerizzano rapidamente a bassa temperatura e sono adatti a linee ad alto volume, ma la formulazione deve gestire ritiro, profondità di polimerizzazione e protezione agli agenti atmosferici.

Perché un hardcoat supera inizialmente la prova di adesione e poi si stacca dopo l'esposizione agli agenti atmosferici?

Le prime prove con nastro non sollecitano l'interfaccia come fanno umidità e UV. Man mano che gli assorbitori UV si esauriscono, la luce degrada la superficie del substrato immediatamente sotto il rivestimento e l'acqua indebolisce il legame interfacciale. Ripetere le prove di adesione dopo immersione in acqua ed esposizione agli agenti atmosferici evidenzia questo rischio prima della produzione.

Come si misura la resistenza all'abrasione di un hardcoat trasparente?

Il metodo più comune è l'abrasione rotativa con mole, carico e numero di cicli specificati, seguita dalla misura dell'aumento di opacità nella traccia abrasa. Si usano anche prove con lana d'acciaio e con sabbia oscillante; ciascuna simula un meccanismo di usura diverso, quindi la prova deve corrispondere alle condizioni di esercizio.

Gli hardcoat a solvente possono criccare i componenti in policarbonato?

Sì. Alcuni solventi dei rivestimenti possono causare criccatura da stress ambientale dove le tensioni da stampaggio o da assemblaggio sono elevate, come vicino a punti di iniezione, borchie ed elementi a scatto. Vagliare i rivestimenti su provini sollecitati e controllare le tensioni di stampaggio riducono entrambi il rischio.

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