Energia superficiale

Energia superficiale

Punti chiave

• L'energia superficiale decide se un liquido bagna o forma perle: è il singolo indicatore più utile per prevedere il successo di stampa e incollaggio.
• Il liquido deve avere una tensione superficiale inferiore a quella del solido, con un margine operativo di circa 7–10 dyne/cm.
• Le poliolefine si collocano intorno a 29–31 dyne/cm, sotto quasi ogni inchiostro e adesivo, ed è per questo che richiedono un pretrattamento.
• Il trattamento decade. L'energia superficiale è uno stato temporaneo, non una proprietà permanente del pezzo.

Energia superficiale

L'energia superficiale è l'energia in eccesso delle molecole di una superficie solida rispetto a quelle interne, e sulle materie plastiche determina se un inchiostro, un adesivo o un rivestimento si spande sulla superficie o si raccoglie in perle. Si esprime convenzionalmente in dyne per centimetro (dyne/cm), numericamente uguali ai millinewton per metro.

Le molecole all'interno di un solido sono circondate da ogni lato e le loro forze attrattive sono soddisfatte in tutte le direzioni. Quelle in superficie no, quindi portano una capacità di legame insoddisfatta. È con questa capacità che un liquido può interagire, e una superficie che ne ha poca (una superficie a bassa energia) non offre al liquido nulla a cui aggrapparsi.

La regola che governa la bagnatura

Perché un liquido bagni un solido, la tensione superficiale del liquido deve essere inferiore all'energia superficiale del solido. Dove è superiore, il liquido minimizza l'area di contatto e forma perle. In pratica serve un margine e non la semplice uguaglianza:

Energia superficiale obiettivo ≈ tensione superficiale del liquido + da 7 a 10 dyne/cm

Questa singola relazione spiega la maggior parte dei difetti di adesione sulle materie plastiche. Un inchiostro a base acqua a circa 35 dyne/cm applicato su polipropilene non trattato a 29 dyne/cm non può bagnarlo, e nessun tempo di asciugatura, pressione o riformulazione dell'inchiostro cambia questa aritmetica. La superficie deve prima essere innalzata.

Valori tipici per polimero

Aumentare l'energia superficiale

Ogni pretrattamento industriale funziona con lo stesso principio di base: ossidare i primi strati molecolari in modo che gruppi polari contenenti ossigeno vengano innestati su una struttura idrocarburica apolare. I metodi differiscono per geometria, costo e durabilità e non per principio:

• Scarica corona: lo standard per film e nastri ad alta velocità e basso costo per metro quadrato.
• Plasma a fiamma: adatto a pezzi stampati e sagomati con massa termica sufficiente a tollerarlo.
• Plasma atmosferico: selettivo, montabile su robot e a basso carico termico, per pezzi tridimensionali.
• Plasma freddo: processo sotto vuoto a lotti che raggiunge le geometrie in ombra, con il risultato più durevole e la possibilità di adattare la chimica superficiale.
• Pyrosil: deposita uno strato reattivo di silicato anziché attivare la superficie esistente, offrendo una finestra utilizzabile molto più lunga.

Misurarla

Misuri lungo il pezzo o la larghezza del nastro e non in un solo punto. La variazione tra bordo e centro è comune, facile da non vedere e causa frequente di un cedimento che sembra casuale.

Perché il trattamento non dura

L'energia superficiale aumentata è uno stato temporaneo. Due meccanismi la riportano verso il basso ed entrambi partono dal momento in cui il trattamento si ferma:

• Riorientamento delle catene. I gruppi polari innestati sono legati a catene polimeriche mobili, che ruotano per seppellirli sotto la superficie dove sono energeticamente più a loro agio. Il calore accelera il fenomeno.
• Migrazione degli additivi. Agenti scivolanti, additivi antiblocco, plastificanti e residui di distaccante migrano in superficie e coprono lo strato trattato. Sul film di poliolefina è di solito l'effetto maggiore ed è il motivo per cui una modifica di formulazione può accorciare la finestra utilizzabile senza che nulla cambi sul trattatore.

La conseguenza pratica è che l'intervallo tra trattamento e incollaggio va inserito nella specifica di processo con un massimo dichiarato. Il materiale trattato invecchiato va rimisurato prima dell'uso e non dato per buono.

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Applicazione in produzione

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Domande frequenti

Quale energia superficiale serve a una plastica prima di stampa o incollaggio?

Abbastanza da superare la tensione superficiale del liquido di circa 7–10 dyne/cm. Per la maggior parte di inchiostri e adesivi significa 38–44 dyne/cm sulle poliolefine e 46–52 sul film PET, ma il valore deve derivare da una prova con la chimica effettiva e non da un obiettivo generico. Una specifica che cita un numero standard di settore che nessuno ha provato con l'inchiostro reale è una specifica destinata a fallire.

Perché le poliolefine hanno bisogno di pretrattamento e le altre plastiche no?

Perché polipropilene e polietilene si collocano intorno a 29–31 dyne/cm, sotto essenzialmente ogni inchiostro e adesivo comune, quindi non si verifica alcuna bagnatura. Policarbonato, ABS e PET partono nell'intervallo 35–46, sopra o vicino a molti liquidi, quindi spesso possono essere stampati o incollati così come stampati. La chimica che rende le poliolefine inerti ed economiche è la stessa che le rende non stampabili.

La lettura con penna dyne è abbastanza affidabile per il controllo di produzione?

Per un controllo rapido sì; per qualsiasi cosa debba essere difesa, no. Gli inchiostri delle penne si seccano e invecchiano e la lettura è soggettiva. Le soluzioni di tensione di bagnatura secondo ASTM D2578 sono il metodo di produzione standard, e la goniometria dell'angolo di contatto fornisce il valore quantitativo necessario per la validazione o per dirimere una contestazione con un cliente. Qualunque si usi, misuri lungo la larghezza e non in un solo punto.

Perché l'adesione fallisce quando la lettura in dyne è corretta?

Quasi sempre per contaminazione. Il pretrattamento attiva qualunque cosa sia sulla superficie, quindi uno strato di distaccante, di affioramento di additivo scivolante o di olio del compressore viene attivato al posto del polimero, e una penna dyne leggerà quel contaminante attivato senza problemi. Aumentare il livello di trattamento non aiuta. Risalga alla fonte del contaminante, che è spesso un processo a monte e non la stazione di trattamento.

Quanto dura il trattamento superficiale?

Da ore a settimane, a seconda del polimero, del suo pacchetto di additivi e delle condizioni di stoccaggio. Le catene polimeriche si riorientano per seppellire i gruppi polari innestati e agenti scivolanti, plastificanti e distaccante migrano in superficie e li coprono. Elastomeri e gradi plastificati decadono più in fretta. Stabilisca empiricamente un intervallo massimo tra trattamento e incollaggio, lo inserisca nella specifica di processo e rimisuri il materiale invecchiato anziché presumere che sia ancora buono.

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