Liquido, a polvere o polimerizzabile UV: come scegliere il processo di rivestimento per le materie plastiche

Liquido, a polvere o polimerizzabile UV: come scegliere il processo di rivestimento per le materie plastiche

Punti chiave

• I limiti di temperatura del substrato eliminano per prime alcune opzioni: i cicli di polimerizzazione delle polveri superano ciò che molti termoplastici tollerano.
• La polimerizzazione UV è rapida e a linea di vista; le geometrie in ombra richiedono un meccanismo diverso o una polimerizzazione supplementare.
• Il ritiro di polimerizzazione sollecita l'interfaccia, e i sistemi a polimerizzazione più rapida in genere la sollecitano di più.
• Emissioni e costi energetici vanno inclusi nel confronto, non solo il prezzo del rivestimento per pezzo.

La scelta di un processo di rivestimento per un componente in plastica viene di solito presentata come una scelta tra materiali di rivestimento. È più utile inquadrarla come una scelta tra meccanismi di polimerizzazione, perché è la polimerizzazione a imporre i vincoli: temperatura, geometria, velocità e la sollecitazione che il rivestimento trasmette al pezzo mentre indurisce.

La temperatura del substrato elimina per prime alcune opzioni

Prima di qualsiasi discussione sulle prestazioni, la tolleranza al calore del substrato restringe il campo.

La verniciatura a polvere convenzionale polimerizza a temperature molto superiori a quelle che i termoplastici di largo consumo sopportano. Polipropilene, ABS, polietilene e la maggior parte dei termoplastici ingegneristici si deformano molto prima che un ciclo standard per polveri sia concluso. Questo limita la polvere convenzionale sulle materie plastiche ai materiali ingegneristici ad alta temperatura, ai termoindurenti e ai compositi, e anche in questi casi il pezzo deve tollerare l'intera polimerizzazione senza variazioni dimensionali.

I sistemi a polvere a bassa temperatura e polimerizzabili UV ampliano notevolmente l'intervallo, polimerizzando a temperature che molti termoplastici possono accettare, e mantengono i vantaggi della polvere: emissioni molto basse e alto utilizzo del materiale. Restano sistemi specialistici, con una base di fornitori più ristretta e meno scelta di formulazioni rispetto ai sistemi liquidi.

I rivestimenti liquidi, a solvente, all'acqua o polimerizzati UV, in genere operano entro i limiti dei termoplastici, ed è per questo che dominano il rivestimento delle materie plastiche.

Il meccanismo di polimerizzazione determina la tolleranza alla geometria

La polimerizzazione termica, cioè evaporazione del solvente, reticolazione con il calore o polimerizzazione chimica a temperatura ambiente, raggiunge ovunque sia arrivato il rivestimento. La geometria non la vincola oltre la capacità di applicare il rivestimento in primo luogo.

La polimerizzazione ultravioletta è a linea di vista. Dove la luce non arriva, il rivestimento non polimerizza, e uno strato non polimerizzato sotto una superficie polimerizzata è il classico difetto UV: il pezzo appare asciutto, l'adesione è scarsa e il materiale residuo continua a modificarsi per giorni. Le geometrie complesse richiedono più posizioni delle lampade, la rotazione del pezzo o una formulazione a doppia polimerizzazione con un meccanismo secondario termico o a umidità che completa le zone in ombra.

È la ragione più comune per cui le prove di rivestimento UV riescono su campioni piatti e falliscono sui pezzi di produzione, ed è del tutto prevedibile dalla geometria del pezzo già in fase di valutazione.

Lo stress da ritiro è un vincolo reale

Ogni rivestimento si ritira mentre polimerizza o asciuga, e un film legato a un substrato trasmette tale ritiro come sollecitazione di trazione sia all'interfaccia sia alla superficie del substrato.

I sistemi UV sviluppano tale sollecitazione rapidamente perché polimerizzano in pochi secondi, il che li rende più inclini a provocare il sollevamento dei bordi in caso di adesione al limite. Su substrati soggetti a rottura per tensocorrosione (environmental stress cracking), in particolare policarbonato e acrilico, la combinazione di sollecitazione da ritiro e solvente o monomero residuo può innescare cricche superficiali (crazing) che compaiono giorni dopo il rivestimento.

I film più spessi si ritirano di più in valore assoluto, perciò l'interazione tra spessore del film richiesto e meccanismo di polimerizzazione va considerata esplicitamente, senza trattare lo spessore solo come una questione di copertura.

Il confronto pratico

Il liquido a solvente resta l'opzione più flessibile: ampia scelta di formulazioni, buona bagnabilità su substrati difficili, applicazione tollerante e un maturo supporto dei fornitori. I suoi costi sono il controllo delle emissioni, la gestione e lo stoccaggio dei solventi, l'energia di essiccazione e lo spazio per l'evaporazione e i forni, oltre al rischio di cricche da tensocorrosione che il solvente comporta sui substrati sensibili.

Il liquido all'acqua riduce sostanzialmente le emissioni e semplifica conformità e gestione. Le prestazioni sono paragonabili in molte applicazioni. È più sensibile a umidità e temperatura ambiente durante l'applicazione e l'evaporazione, e l'essiccazione è più lenta e più dispendiosa in termini di energia rispetto all'evaporazione del solvente.

Il liquido polimerizzabile UV è rapido, compatto e sostanzialmente privo di emissioni, con eccellenti durezza e resistenza chimica grazie a un film altamente reticolato. I suoi vincoli sono la polimerizzazione a linea di vista, lo stress da ritiro e i limiti di spessore del film imposti dall'attenuazione della luce negli strati pigmentati.

La polvere, dove il substrato lo consente, offre un utilizzo del materiale molto elevato, nessun solvente, film spessi in una sola mano ed eccellente durabilità. Il suo vincolo sulle materie plastiche è la temperatura, oltre alla necessità di una superficie conduttiva o di un processo adattato ai substrati non conduttivi.

Costi che non compaiono nel prezzo del rivestimento

I confronti fatti sul costo al litro o per pezzo producono di solito la risposta sbagliata, perché i costi di processo differiscono più di quelli dei materiali.

I sistemi a solvente comportano apparecchiature per il controllo delle emissioni, autorizzazioni, acquisto e smaltimento del solvente e l'energia per far funzionare i forni. I sistemi all'acqua comportano l'energia di essiccazione e il controllo del clima durante l'applicazione. I sistemi UV comportano la sostituzione delle lampade e il carico elettrico, ma poco altro. La polvere comporta l'energia del forno e un sistema di recupero che rimette in uso la maggior parte dell'overspray.

L'efficienza di trasferimento varia molto tra i metodi di applicazione e incide in modo rilevante sul consumo di materiale. I tassi di rilavorazione e di scarto differiscono per processo, e un sistema con una finestra di applicazione stretta genera più dell'uno e dell'altro. Spazio a terra e lavorazione in corso differiscono di un ordine di grandezza tra una linea UV che polimerizza in pochi secondi e una linea a solvente con tunnel di evaporazione e forno di cottura.

Una sequenza di selezione

L'ordine efficiente è questo: stabilire la tolleranza alla temperatura del substrato ed eliminare ciò che esclude; valutare la geometria per verificare la fattibilità della polimerizzazione a linea di vista; definire il requisito prestazionale in termini di esposizione reale in servizio; verificare produttività e tempo ciclo rispetto a ciascuna opzione rimasta; quindi confrontare il costo totale, comprese emissioni, energia, spazio e rilavorazioni previste.

Seguire tale sequenza di solito lascia una o due opzioni praticabili, a quel punto le prove su pezzi reali, comprese le geometrie difficili, nel materiale di produzione, decidono la questione. Le prove su piastre piane non risolvono nulla, e sono il motivo per cui le scelte di rivestimento vengono così spesso rimesse in discussione dopo l'installazione.

Il metodo di applicazione interagisce con la scelta della polimerizzazione

Il meccanismo di polimerizzazione restringe il campo; il metodo di applicazione determina se il sistema scelto può davvero essere depositato in modo uniforme sul pezzo.

La spruzzatura convenzionale e HVLP gestisce quasi ogni geometria e offre un'efficienza di trasferimento modesta, con un overspray da raccogliere. L'applicazione elettrostatica migliora sensibilmente l'efficienza di trasferimento ma richiede un percorso conduttivo, che sulle materie plastiche significa un primer conduttivo o un trattamento superficiale che renda il pezzo trattabile: una fase aggiuntiva da includere nel confronto. Il rivestimento a flusso e a velo è adatto a pezzi piani o semplici con alta produttività. L'immersione copre completamente le geometrie complesse ma offre uno scarso controllo della distribuzione dello spessore del film, con segni di sgocciolamento come problema ricorrente.

Ogni metodo ha una finestra di viscosità e di contenuto di solidi, che vincola la formulazione, la quale a sua volta interagisce con il meccanismo di polimerizzazione. Un sistema UV formulato per il rivestimento a velo non è direttamente utilizzabile in una cabina di spruzzatura elettrostatica. Definire il metodo di applicazione insieme al meccanismo di polimerizzazione, e non dopo, evita di scegliere un rivestimento che non può essere applicato nel modo richiesto dalla linea.

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Domande frequenti

Le materie plastiche possono essere verniciate a polvere?

Alcune sì. La verniciatura a polvere convenzionale richiede temperature di polimerizzazione superiori alla temperatura di deflessione al calore della maggior parte dei termoplastici di largo consumo, quindi è limitata alle materie plastiche ingegneristiche ad alta temperatura, ai termoindurenti e ai compositi. I sistemi a polvere a bassa temperatura e polimerizzabili UV ampliano l'intervallo ma restano una via specialistica e non predefinita.

Cosa limita i rivestimenti polimerizzabili UV?

La linea di vista. La polimerizzazione ultravioletta avviene dove arriva la luce, quindi incavi, sottosquadri e dettagli in ombra polimerizzano poco o per niente. Le geometrie complesse richiedono più posizioni delle lampade, la rotazione del pezzo o una formulazione a doppia polimerizzazione che si completa chimicamente nelle zone in ombra.

Perché il ritiro di polimerizzazione è importante?

Perché un rivestimento che si ritira mentre è legato a un substrato trasmette tale ritiro come sollecitazione all'interfaccia e alla superficie del substrato. I sistemi a polimerizzazione rapida, in particolare UV, sviluppano rapidamente la sollecitazione, che può causare il sollevamento dei bordi in caso di adesione al limite e cricche da tensione su substrati sensibili come il policarbonato.

Come si confrontano i sistemi all'acqua con quelli a solvente?

I sistemi all'acqua riducono sostanzialmente le emissioni di solvente e i relativi oneri di gestione e conformità, e le formulazioni moderne hanno prestazioni paragonabili in molte applicazioni. Sono più sensibili a umidità e temperatura ambiente durante l'applicazione e l'evaporazione, e l'essiccazione è in genere più lenta e più dispendiosa in energia.

Cosa dovrebbe guidare la scelta?

Innanzitutto la tolleranza del substrato alla temperatura, perché elimina subito alcune opzioni. Poi la geometria, perché determina se la polimerizzazione a linea di vista è praticabile. Poi il requisito prestazionale, la produttività e infine il costo totale, comprese controllo delle emissioni, energia e rilavorazioni, e non il solo prezzo del rivestimento.

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