Strumenti di ingegneria

Calcolatore di energia superficiale e livello dyne

Verifichi se un inchiostro, un rivestimento o un adesivo bagnerà la Sua materia plastica, converta le letture dell'angolo di contatto in energia superficiale e consulti i livelli dyne tipici delle materie plastiche comuni.

Bagnerà la superficie? Substrato vs. inchiostro, rivestimento o adesivo

Un liquido bagna una superficie solo quando l'energia superficiale è superiore alla tensione superficiale del liquido. La regola pratica: si ottiene un'adesione accettabile quando la plastica è circa 8-10 dyn/cm al di sopra dell'inchiostro, del rivestimento o dell'adesivo. Scelga la Sua materia plastica, oppure inserisca un livello dyne misurato, e ciò che vi viene applicato.

1. La Sua materia plastica
oppure
Un valore misurato (penna dyne o angolo di contatto) è sempre migliore di uno tipico — i gradi trattati, caricati e riciclati differiscono molto.
2. Cosa viene applicato
oppure
I valori elencati sono tipici. La scheda tecnica (TDS) del Suo fornitore riporta la tensione superficiale reale: la usi quando è disponibile.

Risultato · dyn/cm

29Superficie: PP
32Liquido
-3Margine (obiettivo +10)
Non bagna

La tensione superficiale del liquido è superiore all'energia superficiale della plastica, quindi forma gocce invece di distendersi - e nessun tempo di asciugatura, pressione o riformulazione cambia questo calcolo. Pretratti prima la superficie.

Energia superficiale obiettivo per questo liquido: 42 dyn/cm o più, misurata al momento della stampa, del rivestimento o dell'incollaggio.

PP: Il PP non trattato si attesta intorno a 29-31 dyn/cm, al di sotto di quasi tutti gli inchiostri e adesivi, quindi il pretrattamento è di fatto obbligatorio. I valori obiettivo tipici sono 38-44 dyn/cm. I gradi con agenti slip possono perdere la maggior parte del trattamento entro 24 ore.

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Dall'angolo di contatto all'energia superficiale (Owens–Wendt)

Le soluzioni dyne dicono se la superficie supera o meno il test. Gli angoli di contatto dicono quanta energia superficiale c'è e quanta parte è polare, cioè la parte che il pretrattamento aggiunge. Acqua e diiodometano sono la coppia abituale: l'acqua fornisce il contributo polare, il diiodometano è sostanzialmente apolare. Questo calcolatore usa il modello Owens-Wendt-Rabel-Kaelble (OWRK); registri il modello insieme al risultato.

Liquido di prova 1 (Liquido polare)
Liquido di prova 2 (Liquido apolare)
Usi la media di almeno cinque gocce per liquido, misurate sulla stessa superficie.

Risultato · mN/m

35Totale
34.3Parte dispersiva
0.7Parte polare

Polarità: il 2% del totale è polare.

Le poliolefine non trattate sono quasi interamente dispersive, con una parte polare prossima a zero. Il trattamento al plasma, a fiamma e corona aggiunge gruppi polari alla superficie, ed è questo che aumenta la parte polare.

L'equazione e i dati dei liquidi usati da questo calcolatore
γL (1 + cos θ) / 2 = √(γSᵈ · γLᵈ) + √(γSᵖ · γLᵖ)

Scritta una volta per ciascun liquido, fornisce due equazioni in due incognite — la parte dispersiva (γSᵈ) e la parte polare (γSᵖ) dell'energia superficiale del solido. La loro somma è il totale. Valori dei liquidi (mN/m):

LiquidoTotaleDispersivaPolare
Acqua72.821.851
Diiodometano (ioduro di metilene)50.850.80
Formammide583919
Glicole etilenico482919
Glicerolo63.43726.4
1-bromonaftalene44.444.40

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Energia superficiale delle materie plastiche comuni

Energie superficiali tipiche delle materie plastiche non trattate, i pretrattamenti normalmente utilizzati e per quanto tempo un trattamento al plasma di ossigeno o d'aria resta tipicamente utilizzabile. Grado, cariche, additivi, distaccanti e stoccaggio modificano tutti questi valori: li consideri un punto di partenza per un piano di prove, non una specifica.

Energie superficiali dai dati pubblicati da Sabreen; † = valore tipico di letteratura dove Sabreen non ne pubblica. Il calcolatore usa l'estremo inferiore di ciascun intervallo. 1 dyn/cm = 1 mN/m.
Materia plastica Energia superficiale da non trattato dyn/cm = mN/m Stampabile / incollabile senza trattamento? Pretrattamento abituale Durata utile del trattamento dopo plasma d'aria / O₂
PTFE e fluoropolimeri 18-20 No Pyrosil® o plasma freddo a bassa pressione Da minuti a ore
Silicone circa 24 No Pyrosil® Da minuti a ore
Polipropilene (PP, OPP, BOPP) 29-31 No Fiamma (stampati), corona (film), plasma atmosferico Da ore a pochi giorni
TPO e TPE olefinici 29-31 No Plasma atmosferico o plasma a fiamma Rapido - incollare entro poche ore
Polietilene (LDPE, HDPE) 30-31 No Fiamma (stampati), corona (film), plasma atmosferico Da ore a pochi giorni
PBT circa 32 Trattare prima Plasma atmosferico o plasma freddo a bassa pressione Da giorni a settimane
PVC plastificato (flessibile) 33-38 Al limite Plasma, poi incollare o stampare senza attendere Rapido
Polistirene (PS) 33-38 Alcuni inchiostri Fiamma o plasma —
Acetale (POM) sotto 36 No Plasma freddo a bassa pressione —
ABS 35-42 Spesso Pulizia; fiamma o plasma elettrico per la costanza Da una a diverse settimane
Acrilico (PMMA) 38-41 † Spesso Pulizia; plasma elettrico (la fiamma può opacizzare le superfici ottiche) Da una a diverse settimane
PPS circa 38 No Plasma atmosferico o plasma freddo a bassa pressione; Pyrosil® per lunghi intervalli tra trattamento e incollaggio Da giorni a settimane
PVC rigido circa 39 Spesso Pulizia; plasma per applicazioni impegnative —
Nylon (PA 6, PA 66) 40-46 Spesso (pezzi asciutti) Corona, plasma d'aria o atmosferico, fiamma, plasma freddo a bassa pressione Da giorni a circa due settimane
Poliimmide circa 40 Alcuni sistemi Plasma —
PEEK 40-44 † Al limite Plasma freddo a bassa pressione o Pyrosil® Da giorni a settimane
Poliestere (PET) 41-44 Alcuni sistemi Corona (film), plasma Da una a diverse settimane
Polisolfone (PSU) circa 41 Spesso Pulizia; plasma —
Policarbonato (PC) 42-46 Spesso Pulizia; plasma elettrico (la fiamma può opacizzare le superfici ottiche) Da una a diverse settimane
PPO modificato circa 47 Spesso Pulizia; plasma —

Come misurare l'energia superficiale

Soluzioni e penne dyne (ASTM D2578)

Inizi con un livello dyne alto, 60, e lo stenda sulla superficie. Se il liquido non si rompe in goccioline entro due secondi, l'energia superficiale è almeno pari a quel valore. Se forma gocce prima, ripeta con il livello immediatamente inferiore finché una striscia non tiene. Non ripeta mai il test sullo stesso punto, registri temperatura e umidità, misuri in più punti del pezzo anziché in uno solo, ed esegua il test subito dopo il pretrattamento e di nuovo al punto di utilizzo. Le soluzioni si conservano 6-12 mesi; le penne si seccano e perdono precisione. Le soluzioni di prova contengono 2-etossietanolo e formammide, quindi vanno maneggiate con cautela: le lavoratrici in gravidanza non devono eseguire il test.

Angolo di contatto

Un goniometro misura l'angolo che una goccia di liquido forma con la superficie: è il metodo da usare quando un valore deve poter essere difeso. Usi un volume di goccia costante di pochi microlitri, misuri rapidamente ed effettui diverse letture. La sola acqua è una verifica rapida del trattamento:

Angolo di contatto con l'acquaSuperficieTipico di
Sotto 30°Ben bagnata, idrofilaUna superficie ben trattata
30-60°Moderatamente bagnataPoliolefina trattata o polimero polare non trattato
60-90°Scarsamente bagnataTermoplastico tecnico non trattato; al limite per l'incollaggio
90-120°Non bagnabile, idrofobaPoliolefina non trattata
Sopra 120°Fortemente idrofobaFluoropolimero, silicone - o una superficie contaminata da silicone

Una buona lettura non dice tutto

Il pretrattamento attiva qualunque cosa si trovi sulla superficie, contaminazione inclusa, e una soluzione dyne leggerà senza problemi un contaminante attivato. Se il livello dyne è buono e l'incollaggio cede comunque, cerchi una contaminazione prima di aumentare il livello di trattamento: la diagnostica dei difetti di adesione illustra il percorso passo per passo.

Il trattamento decade: misuri al punto di utilizzo

Il trattamento al plasma, a fiamma e corona non è permanente: le catene polimeriche si riorientano e gli additivi migrano in superficie. Su una poliolefina la maggior parte della perdita avviene nelle prime 24 ore, e lo stoccaggio a temperatura elevata la accelera. La tabella sopra riporta le finestre di utilizzo tipiche; per definire le Sue, misuri i pezzi trattati a 0, 1, 4 e 24 ore e a 3, 7, 14 e 28 giorni nelle reali condizioni di stoccaggio, quindi inserisca nella specifica di processo un tempo massimo tra trattamento e incollaggio. Veda quanto dura il trattamento al plasma.

Domande frequenti

Quale livello dyne serve per stampare o incollare la plastica?

Di norma si ottiene un'adesione accettabile quando l'energia superficiale della plastica è circa 8-10 dyn/cm superiore alla tensione superficiale dell'inchiostro, del rivestimento o dell'adesivo. Per la maggior parte degli inchiostri e adesivi sulle poliolefine ciò significa 38-44 dyn/cm; gli inchiostri UV a getto d'inchiostro richiedono tipicamente 42 o più, il film in PET viene trattato a 46-52 e gli incollaggi strutturali possono richiedere molto di più: nylon 50-54 dyn/cm, PPS con epossidico almeno 48-54. Confermi il valore con una prova usando la Sua chimica reale.

dyn/cm è uguale a mN/m?

Sì. 1 dyn/cm equivale a 1 mN/m. I livelli dyne (dyn/cm) sono l'unità tradizionale nella stampa e nella trasformazione; mN/m è l'unità SI usata nelle misure di angolo di contatto.

Qual è l'energia superficiale del polipropilene?

Il polipropilene non trattato è a circa 29-31 dyn/cm (mN/m), quasi interamente dispersiva. È al di sotto della tensione superficiale di quasi tutti gli inchiostri e adesivi, ed è per questo che il PP viene trattato a fiamma, corona o plasma prima della stampa o dell'incollaggio.

Le penne dyne sono precise quanto la misura dell'angolo di contatto?

No. Le soluzioni e le penne dyne sono verifiche di produzione rapide, ma si basano su una valutazione soggettiva della tenuta di un film per due secondi, e le penne invecchiano. La goniometria dell'angolo di contatto fornisce un valore difendibile e, con due liquidi, separa la parte polare e quella dispersiva dell'energia superficiale.

Quanto dura il trattamento al plasma o corona?

Da minuti a settimane, a seconda del polimero, dei suoi additivi e dello stoccaggio. Finestre di utilizzo tipiche dopo plasma di ossigeno o d'aria: siliconi e fluoropolimeri da minuti a ore; PP e PE da ore a pochi giorni; nylon da giorni a circa due settimane; ABS, PC, PET e PMMA da una a diverse settimane. Lo stoccaggio a temperatura elevata e gli additivi slip le accorciano. Il trattamento Pyrosil® resta tipicamente utilizzabile da settimane a mesi.

La superficie continua a non accettare inchiostro o adesivo?

Scott Sabreen risolve problemi di adesione sulle materie plastiche da oltre 30 anni. Descriva il componente, il materiale e il processo, e Le dirà dove cercare.

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