Preparazione delle materie plastiche alla verniciatura

Preparazione delle materie plastiche alla verniciatura

I processi utilizzati per applicare la maggior parte delle vernici liquide sulle materie plastiche non sono molto diversi da quelli impiegati per verniciare i metalli, sebbene la verniciatura a polvere sia ancora piuttosto insolita sulle plastiche. Inoltre, alcuni metodi di verniciatura specifici largamente utilizzati sui metalli, come la deposizione chimica (autoforetica) e il rivestimento per elettrodeposizione, non sono possibili con le materie plastiche. Ma tutte le altre tecniche, come pennello, immersione, colatura, velo (curtain coating), incluse tutte le varianti di spruzzatura e atomizzazione rotativa, sono utilizzate per rivestire sia metalli sia plastiche. Con l'avvento della polimerizzazione a radiazione UV e della polimerizzazione a bassa temperatura di alcune vernici in polvere, l'applicazione di polveri su alcune plastiche moderatamente resistenti al calore è ora una realtà, sebbene questa tecnologia sia ancora agli inizi.

La verniciabilità di tutti i metalli comunemente utilizzati nella produzione è piuttosto simile. Ciò è possibile in parte perché i valori di energia superficiale, conducibilità elettrica, conducibilità termica e resistenza al calore dei metalli sono tutti molto vicini tra loro. Non è affatto così per le materie plastiche. In generale, i valori di questi attributi nelle plastiche sono molto inferiori a quelli dei metalli e, inoltre, i valori tra le varie plastiche presentano variazioni estreme. Anche all'interno di una data famiglia di plastiche, la verniciabilità può essere sorprendentemente dissimile per le differenze di peso molecolare delle plastiche e per l'incorporazione di additivi diversi nella produzione delle varie resine. La composizione di base della plastica può consistere in una sola resina o in una miscela di due o più resine diverse. In una composizione di resina possono essere formulati vari riempitivi, estensori e plastificanti. Gli additivi vengono spesso aggiunti alle resine per ottenere proprietà fisiche e chimiche desiderabili; i pigmenti vengono introdotti per modificare la brillantezza o fornire colore. La natura chimica e le quantità di questi additivi possono modificare in modo significativo la verniciabilità di quella particolare formulazione. Anche i pezzi fabbricati con la stessa formulazione di resina non hanno necessariamente la stessa verniciabilità. Anche il processo di stampaggio, estrusione o altra formatura utilizzato per produrre il pezzo può svolgere un ruolo importante nella verniciabilità, a causa delle tensioni indotte nel pezzo e della reticolazione della resina.

La natura chimica della resina determina in larga misura l'energia superficiale della plastica. In generale, una superficie con energia superficiale più elevata viene «bagnata» più facilmente dalla vernice ed è quindi più «verniciabile», il che significa che l'adesione del rivestimento sarà migliore. È stato osservato che l'adesione della vernice ai metalli è spesso superiore a quella sulle plastiche perché i metalli hanno in genere energie superficiali sensibilmente più alte. La bassa polarità delle molecole in plastiche come polietilene e polipropilene è la causa della bassa energia superficiale (e della scarsa verniciabilità) di queste plastiche. Aumentare l'energia superficiale, e quindi l'adesione della vernice, è uno degli scopi principali del pretrattamento delle materie plastiche.

Punti chiave

• La maggior parte dei metodi di verniciatura liquida deriva dai metalli, ma la deposizione chimica e il rivestimento per elettrodeposizione non sono possibili sulle plastiche.
• L'elettricità statica è un problema specifico delle plastiche. Le plastiche sono isolanti, quindi accumulano carica e attirano la polvere presente nell'aria prima della verniciatura.
• I distaccanti a base di cera sono il nemico della vernice. I distaccanti idrosolubili sono di gran lunga preferibili e si lavano via con un comune detergente acquoso.
• Le superfici lisce vanno irruvidite, per via chimica o meccanica, per creare i siti di ancoraggio di cui la vernice ha bisogno.
• I test di invecchiamento accelerato prevedono le prestazioni in campo: calore secco, calore umido e un gruppo di controllo, poi test di pelatura secondo ASTM D3330.

Domande frequenti

Quali contaminanti vanno rimossi prima di verniciare la plastica?

Impronte digitali, polvere, pelucchi e residui di distaccante. La pulizia con detergente in genere rimuove i sali e gli oli depositati dalle mani nude, e la contaminazione da impronte digitali è del tutto evitabile se gli operatori indossano guanti privi di pelucchi dal processo di formatura fino all'applicazione della vernice.

Perché i pezzi in plastica attirano la polvere prima della verniciatura?

Perché la maggior parte delle plastiche è isolante o scarsa conduttrice elettrica, quindi accumula cariche statiche che attirano e trattengono le particelle presenti nell'aria. Il controllo dell'elettricità statica è una fase di cui le linee di finitura dei metalli semplicemente non hanno bisogno.

Quali distaccanti sono compatibili con la verniciatura?

I distaccanti idrosolubili, che si rimuovono facilmente con una normale pulizia con detergente acquoso. I distaccanti a base di cera si possono talvolta rimuovere con solvente, ma non sono raccomandati per i pezzi da verniciare, e l'uso di solventi è comunque sconsigliato per motivi di COV, incendio e salute.

Come si fa aderire la vernice a una superficie plastica liscia?

La si irruvidisce. Le plastiche hanno bassa energia superficiale e basso profilo superficiale, e le superfici lisce offrono scarsa adesione. La via usuale è l'attacco chimico per generare micro-rugosità e siti di ancoraggio, idealmente effettuato dai solventi già presenti nella vernice applicata.

Come va testata l'adesione della vernice nel lungo periodo?

Con test di invecchiamento accelerato. Uno schema praticabile prevede tre gruppi: cinque giorni a 158 °F a secco, cinque giorni a 90 °F e 90% di umidità e un controllo ambiente. Si ispeziona visivamente rispetto al controllo subito dopo, poi si esegue il test di pelatura secondo ASTM D3330 una volta che i campioni si sono stabilizzati, più spesso a 180°.

Pulizia dei substrati plastici

Come per qualsiasi altra superficie da verniciare, le plastiche devono essere ragionevolmente prive di sporco o materiali estranei. Lo sporco comune sugli articoli in plastica da rivestire comprende impronte digitali, polvere, pelucchi e residui di distaccante. In genere la pulizia con detergente rimuove in modo soddisfacente i sali e gli oli depositati sulla plastica dal contatto con le mani nude. Lo sporco da impronte digitali può essere evitato del tutto se gli addetti che manipolano i pezzi dalla fase di formatura a quella di applicazione della vernice indossano guanti privi di pelucchi.

La maggior parte delle plastiche è isolante o scarsa conduttrice elettrica. Di conseguenza tendono ad accumulare cariche statiche che attirano e trattengono tenacemente particelle di pelucchi e polvere. La pulizia con un panno catturapolvere può non rimuovere tutti questi contaminanti. Un ottimo metodo per rimuovere pelucchi e sporco attratti dall'elettricità statica è l'uso di un soffiaggio d'aria con deionizzatore. Il deionizzatore deve generare cariche sia positive sia negative; la maggior parte delle unità utilizza una debole sorgente di emissione radioattiva nella fonte dell'aria di soffiaggio. L'aria in ingresso viene filtrata e l'aria carica di ioni viene soffiata sul pezzo in modo che gli ioni positivi e negativi neutralizzino tutte le cariche statiche. La deionizzazione deve essere eseguita immediatamente prima della verniciatura, in modo che i pezzi entrino nel processo di rivestimento il più puliti possibile. I ritardi tra deionizzazione e verniciatura consentono alle cariche di riformarsi e, di conseguenza, i pezzi accumuleranno di nuovo particelle sulla superficie.

Installando le operazioni di verniciatura della plastica all'interno di una «camera bianca», lo sporco come polvere e pelucchi è controllato più facilmente. L'aria di alimentazione deve essere filtrata e mantenuta a circa il 50% di umidità relativa. In questo locale dovrebbero poter accedere in ogni momento solo persone autorizzate che indossino tute, retine per capelli e copriscarpe privi di pelucchi.

Distaccanti e plastificanti

Sono disponibili alcuni distaccanti verniciabili, ma molti altri influiscono negativamente sull'adesione della vernice. Possono essere necessarie varie tecniche per rimuovere questi agenti utilizzati per agevolare il distacco dei pezzi in plastica dagli stampi. I distaccanti a base di cera si possono talvolta rimuovere con la pulizia a solvente, ma questo tipo di distaccante non è raccomandato per i pezzi da verniciare. L'uso di solventi è quasi automaticamente sconsigliato per le restrizioni sulle emissioni di COV e per i potenziali pericoli di incendio e per la salute di molti solventi. Sono nettamente preferiti i distaccanti idrosolubili. La loro rimozione dalla superficie plastica si ottiene facilmente con normali soluzioni detergenti acquose.

Gli agenti distaccanti possono anche essere miscelati nelle formulazioni delle plastiche; si parla in tal caso di agenti distaccanti «interni». I distaccanti interni vanno evitati ogni volta che è possibile. La verniciabilità può o non può risultare compromessa subito e i test di adesione del controllo qualità possono mostrare un'eccellente adesione iniziale. In alcuni casi, tuttavia, i distaccanti interni sono migrati lentamente sulla superficie del pezzo e hanno causato il cedimento dell'adesione della vernice mesi dopo la verniciatura del pezzo.

I plastificanti possono essere aggiunti alle resine di stampaggio per aumentare la resistenza all'urto, ma spesso possono ridurre l'adesione della vernice proprio come i distaccanti. Alcuni plastificanti migrano lentamente in superficie e ammorbidiscono l'interfaccia tra plastica e vernice, con conseguente perdita di adesione. Anche in questo caso i test iniziali di adesione della vernice possono essere del tutto soddisfacenti, ma in seguito si verificano il sollevamento o il distacco del film di vernice dalla superficie plastica. Ciò può comportare costosi guasti in campo e richieste di responsabilità in seguito, molto tempo dopo la messa in servizio del pezzo.

Ottenere un'adesione robusta della vernice

La maggior parte delle superfici plastiche non ha solo una bassa energia superficiale, ma anche un basso profilo superficiale intrinseco. Le superfici lisce tendono a dare una scarsa adesione della vernice, a meno che la superficie non venga prima irruvidita per via chimica o meccanica. I rivestimenti di conversione sui metalli contribuiscono all'adesione della vernice in parte grazie alla superficie micro-rugosa dello strato inorganico prodotto sul metallo. Il modo più comune per superare la levigatezza delle plastiche è incidere la superficie con un agente chimico per generare micro-rugosità e siti di ancoraggio che garantiscano l'adesione alla vernice. Se possibile, l'attacco viene effettuato dai solventi presenti nella vernice applicata, per evitare una fase di lavorazione separata. La scelta del solvente della vernice è piuttosto critica perché solventi diversi attaccano le plastiche a velocità diverse. Occorre evitare sia l'attacco eccessivo sia quello insufficiente. Un attacco insufficiente non garantisce un'adesione adeguata; un attacco eccessivo può danneggiare la plastica. Può deformare il pezzo, esporre particelle di cariche ed estensori e magari persino creare zone in cui i materiali contenuti nella plastica possono migrare nel rivestimento. Alcune plastiche, come policarbonato o polistirene, si fessurano o si cavillano eccessivamente in superficie per l'attacco dei solventi a cui sono particolarmente sensibili. Se le plastiche presentano zone fortemente sollecitate dal processo di stampaggio, i solventi possono formare cricche visibili in queste zone per il rilascio delle tensioni. È quindi necessaria una certa cautela nell'attacco con solventi.

Quando si stampano alcune forme di pezzi, esistono zone in cui il rapido flusso di iniezione della plastica produce un notevole riscaldamento per attrito del pezzo all'interno dello stampo. In tali zone si forma una pelle altamente reticolata (vetrificata) resistente all'attacco dei solventi. L'adesione della vernice sarà scarsa in queste zone, a meno che non si adottino misure per rimuovere la pelle di plastica eccessivamente dura. Queste zone possono essere sgrassate dalla vetrificazione quanto basta per consentire un'adesione soddisfacente della vernice mediante tamburatura con un mezzo moderatamente abrasivo oppure sabbiatura della superficie con un materiale abrasivo poco aggressivo. Per alcuni pezzi è efficace anche un breve trattamento di immersione in solvente caldo o in vapori di solvente. Ma creare micro-rugosità con i solventi è in genere efficace solo se la plastica stessa è almeno in parte di natura polare.

Quando la rimozione della vetrificazione o l'attacco con solventi non sono efficaci o sono altrimenti indesiderabili, può essere necessario ricorrere a una reazione chimica per creare gruppi ossidati polari sulla superficie. Ciò vale soprattutto per le superfici plastiche estremamente non polari. Polipropilene e polietilene sono due esempi di plastiche a bassa polarità trattate per ossidazione. Queste resine e plastiche simili a bassa polarità possono essere esposte brevemente a una fiamma libera di un bruciatore a gas. Ciò avvia una reazione chimica ossidativa (combustione incipiente) che, sebbene non sia sufficiente da essere visibile, forma sulla superficie una polarità sufficiente a garantire un'eccellente adesione della vernice. Anche il passaggio dei pezzi in plastica attraverso una scarica corona elettrica che genera ozono è stato utilizzato per provocare l'ossidazione superficiale. La scarica corona produce atomi di ossigeno eccitati che formano ozono, il quale a sua volta attacca ossidativamente la plastica producendo gruppi polari come frazioni ossidriliche, carboniliche e di acido carbossilico.

Le plastiche a bassa polarità possono anche essere ossidate in superficie utilizzando sostanze chimiche sensibili alla luce, dette fotosensibilizzatori, seguite da esposizione a luce ultravioletta. La luce UV «spezza» le molecole dei composti fotosensibili formando radicali liberi. I radicali liberi sono specie estremamente reattive che in questo processo si combinano con l'ossigeno presente nell'aria. I radicali liberi di ossigeno a loro volta reagiscono con la plastica producendo gruppi polari sulla superficie.

La tecnologia del plasma freddo di gas può essere impiegata per pretrattare le plastiche e ossidare la superficie, migliorando in modo netto le proprietà superficiali per l'adesione della vernice. Quando a un gas viene fatta assorbire energia sufficiente, si ionizza, ovvero diventa un «plasma». L'eccitazione è fornita da un generatore a radiofrequenza. La saldatura ad arco e l'illuminazione fluorescente sono entrambi esempi di un fenomeno in cui un «bagliore» è causato da ioni eccitati che ricadono nel loro stato energetico stabile. Entro i limiti di sicurezza del sistema, questo processo può utilizzare qualsiasi singolo gas o miscela di gas. A questo scopo sono stati utilizzati ossigeno, azoto, elio, argon, aria e ammoniaca.

Il condizionamento al plasma consente di verniciare le plastiche con una buona adesione. Il reattore al plasma è tipicamente un recipiente sottovuoto dotato di un portello ermetico per il carico e lo scarico dei pezzi. Durante il funzionamento del reattore si osserva una scarica a bagliore. Il trattamento al plasma di gas incide microscopicamente e attiva la superficie. Un breve trattamento crea una superficie polare con alta energia superficiale su una plastica altrimenti a bassa polarità o non polare, consentendo alla vernice di «bagnarla» in modo completo e uniforme. I processi al plasma di norma non modificano l'aspetto della superficie, quindi i materiali possono essere trattati senza causare scolorimenti. Si può ottenere un'eccellente adesione con la stessa vernice utilizzata sui metalli. Ciò può essere una caratteristica importante per alcuni produttori, perché un'unità assemblata che contiene sia plastica sia metallo può essere verniciata contemporaneamente con lo stesso rivestimento.

Meno efficace è l'impiego di agenti ossidanti chimici nella vernice stessa per ossidare la superficie plastica quanto basta a generare una migliore adesione della vernice. La spettroscopia infrarossa a riflettanza ha verificato che questi trattamenti producono sulla superficie plastica gli stessi gruppi ossigenati (ossidrilici, carbonilici e di acido carbossilico) degli altri processi ossidativi, solo in quantità minore. Solo in casi limitati gli ossidanti presenti nella vernice stessa determinano una polarità sufficiente per un'adesione durevole della vernice.

I pretrattamenti superficiali ampliano le finestre di processo. Ad esempio, le poliolefine «non trattate» hanno energie superficiali nell'intervallo di 29-31 dyne/cm. Per i processi di verniciatura queste superfici richiedono livelli di trattamento nell'intervallo di 38-60 dyne/cm, a seconda del tipo di chimica del rivestimento, ad esempio a solvente, a base acqua o UV. Ogni metodo di pretrattamento è specifico per l'applicazione e ha potenziali vantaggi, limiti e implicazioni di costo. In determinate circostanze, i processi di ossidazione in fase gassosa possono influire negativamente sulle operazioni di produzione a valle, come la termosaldatura. Una valutazione approfondita prima dell'implementazione in produzione è fondamentale.

Test di adesione

Per misurare l'adesione della vernice e la durezza alla graffiatura si utilizzano numerosi metodi. Il test di invecchiamento accelerato è una tecnica che può aiutare a prevedere le prestazioni del prodotto nel lungo periodo. Il seguente schema sperimentale ne è un esempio:

• Gruppo 1: cinque (5) giorni, 158 °F, a secco, senza umidità
• Gruppo 2: cinque (5) giorni, 90 °F, 90% di umidità
• Gruppo 3: gruppo di controllo, condizioni ambiente

Subito dopo il test si deve eseguire un'ispezione visiva e confrontarla con il gruppo di controllo. Una volta stabilizzati i campioni, si devono eseguire test di pelatura conformemente ad ASTM D3330. In molte applicazioni il test di pelatura a 180° è il più utilizzato. A scopo comparativo si suggerisce anche una pelatura a 90°. Questo test può dare un'idea più realistica delle prestazioni di adesione, sebbene i valori possano essere inferiori a quelli registrati con la pelatura a 180°. Estendere il test del Gruppo 1 da 5 a 10 giorni non prevederebbe prestazioni in campo doppie, perché la relazione non è una funzione lineare; tuttavia indicherebbe risultati più robusti.

Scott R. Sabreen è fondatore e presidente di The Sabreen Group Inc. (TSG). TSG è un'azienda tecnologica specializzata nell'ingegneria delle operazioni di trasformazione secondaria delle materie plastiche: pretrattamenti superficiali, incollaggio, decorazione e finitura e marcatura laser. Il dott. Norman R. Roobol (770-487-9133 o [email protected]) è un consulente di verniciatura industriale con oltre 35 anni di esperienza e autore di diversi libri. Per maggiori informazioni telefoni al numero 888-SABREEN o visiti: www.sabreen.com.

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