Przemysłowe powlekanie ciekłe wyrobów z poliolefin – zastosowania wewnętrzne i zewnętrzne

Przemysłowe powlekanie ciekłe wyrobów z poliolefin – zastosowania wewnętrzne i zewnętrzne

Przemysłowe powlekanie tworzyw sztucznych to podstawowy proces zdobienia, wykańczania i masowej personalizacji. Powłoki ciekłe są bardzo wszechstronne i umożliwiają nieograniczone możliwości funkcjonalne i estetyczne. Powłoki zwiększają wartość wyrobów, są opłacalne i przyjazne środowisku. Procesy powlekania są wieloaspektowe i wymagają prawidłowego zaprojektowania. Należy rozumieć wpływ chemii farby i zgodności z polimerem. Jakość i czystość powierzchni są niezbędne dla przyczepności i jakości wolnej od wad. Artykuł jest pierwszym z serii poświęconej powłokom ciekłym do tworzyw sztucznych. W tym numerze omawiamy właściwości polimerów, rodzaje oddziaływań między powłokami a podłożami, zastosowania polipropylenu i technologie powlekania.

Określenia „powlekanie” i „malowanie” bywają używane zamiennie. Zasadniczo celem „malowania” jest estetyka, natomiast „powlekanie” służy uzyskaniu właściwości użytkowych przez nałożenie na podłoże funkcjonalnej warstwy materiału. Przykłady powłok użytkowych to wodoszczelność, samoczyszczenie, działanie przeciwdrobnoustrojowe, ochrona przed rdzą i korozją, ochrona UV/odporność na warunki atmosferyczne, elastyczność i sprężystość oraz trwałość koloru. Aby uzyskać przyczepność, części z tworzyw sztucznych muszą być wolne od ładunków statycznych, brudu, olejów, odcisków palców, pozostałości środków antyadhezyjnych itp. Utlenione materiały o niskiej masie cząsteczkowej (LMWOM), takie jak przeciwutleniacze, plastyfikatory, środki ślizgowe i antystatyczne, barwniki/pigmenty i stabilizatory, mogą zmieniać podatność części na malowanie i powodować delaminację oraz inne wady. Ze względu na hydrofobowy charakter polipropylenu (PP) i wielu polimerów konieczna jest plazmowa obróbka wstępna, a czasem także w połączeniu z chemicznymi promotorami przyczepności na bazie chlorowanych poliolefin.

Najważniejsze wnioski

• Farba i polimer oddziałują chemicznie, termicznie i mechanicznie – żadne z oddziaływań nie może pogarszać właściwości tworzywa.
• PP to „stal” przemysłu tworzyw sztucznych: wytrzymały, sztywny, krystaliczny, niepolarny i w 100% nadający się do recyklingu.
• Podatność na malowanie jest decyzją projektową. Gatunki różnią się nawet w obrębie jednej rodziny polimerów, dlatego wybór polimeru wyznacza górną granicę.
• Trzy rodziny powłok – lakiery jednoskładnikowe, dwuskładnikowe duroplasty i powłoki UV – dostępne są w chemiach wodorozcieńczalnych.
• PP z recyklingu to realny rynek powłok. Akumulatory samochodowe stają się wyrobami budowlanymi objętymi gwarancją 25 lat lub dłuższą.

Najczęściej zadawane pytania

Dlaczego polipropylen trudno malować?

PP jest hydrofobowy, niepolarny i chemicznie obojętny, co oznacza słabą zwilżalność powierzchni. Jest liniową żywicą węglowodorową z rodziny poliolefin i po polimeryzacji tworzy struktury łańcucha atakatyczne, izotaktyczne lub syndiotaktyczne w zależności od położenia grup metylowych – każda z nich wpływa na zachowanie tworzywa.

Co należy uwzględnić przy doborze farby do tworzywa?

Trzy rodzaje oddziaływań: chemiczne, termiczne i mechaniczne. Żadne z nich nie może pogarszać właściwości tworzywa. Komplikacją jest to, że istnieje wiele tworzyw i wiele gatunków w każdej rodzinie, o różnej podatności na malowanie, a znaczenie ma także przetwórstwo pierwotne.

Jakie technologie powlekania są dostępne do wykańczania tworzyw sztucznych?

Trzy główne kategorie. Lakiery jednoskładnikowe są łatwe w użyciu, mają niski koszt na metr kwadratowy i schną przez odparowanie rozpuszczalnika lub wody, zwykle w 30 minut lub krócej. Pozostałe to dwuskładnikowe duroplasty i powłoki UV. Wszystkie trzy dostępne są w chemiach wodorozcieńczalnych.

Czy polipropylen z recyklingu można skutecznie powlekać?

Tak, i jest to istotne zastosowanie. Akumulatory samochodowe z recyklingu stają się wyrobami do wnętrz i na zewnątrz budynków, niektóre objęte gwarancją producenta na ponad 25 lat, a powlekanie jest preferowanym procesem zdobienia w masowej personalizacji.

Kiedy lakiery jednoskładnikowe są właściwym wyborem?

Gdy najważniejsze są koszt na metr kwadratowy i łatwość użycia, a wymagania użytkowe są umiarkowane. Można je formułować pod kątem twardości i odporności na ścieranie lub uelastyczniać do miękkich tworzyw, a utwardzają się całkowicie przez odparowanie w temperaturze pokojowej lub przy niskim wypalaniu.

Zgodność farby z polimerem

Aby uzyskać niezawodne operacje i właściwości użytkowe w zastosowaniu końcowym, należy rozumieć wpływ chemii farby i zgodności z tworzywem. Dobór farby i tworzywa wiąże się z kilkoma oddziaływaniami, w tym chemicznymi, termicznymi i mechanicznymi2. Niedopuszczalne jest, aby jakikolwiek element pogarszał właściwości tworzywa. Konstruktorzy muszą wybrać optymalny polimer, równoważąc właściwości użytkowe i podatność na malowanie. Jedną ze złożoności jest to, że istnieje tak wiele różnych tworzyw i gatunków, nawet w obrębie tej samej rodziny polimerów, a każdy ma unikalne właściwości i stopień podatności na malowanie. Czynnikiem wpływającym jest przetwórstwo pierwotne, w tym czystość materiału, temperatura formy, wlew, odgazowanie, stopień krystaliczności itp.

Oddziaływania chemiczne – rozpuszczalniki farb i oddziaływania chemiczne mogą uszkodzić tworzywo. Często pożądane jest, aby rozpuszczalniki farb atakowały (trawiły) tworzywo, co w ograniczonym stopniu może poprawić łączenie adhezyjne. Rozpuszczalniki mogą jednak powodować spękania powierzchni, pękanie naprężeniowe środowiskowe, pęcznienie, mięknienie, rozpuszczanie podłoża polimerowego i wiele wad związanych z rozpuszczalnikami (np. wżery, pęcherze rozpuszczalnikowe i puste przestrzenie).

Oddziaływania termiczne – niektóre rodzaje farb wymagają utwardzania w podwyższonej temperaturze. Wyższe temperatury (w odniesieniu do modułów polimeru) mogą znosić naprężenia wewnętrzne wytworzone podczas formowania, powodując odkształcenia. Skurcz farby podczas utwardzania może wytwarzać naprężenia resztkowe. Skrajne temperatury mogą degradować polimer. Przy utwardzaniu w piecu wzrost temperatury powinien być stopniowy.

Oddziaływania mechaniczne – wytrzymałość i sztywność suchej farby muszą być zgodne z tworzywem, tak aby działały razem jako całość. Dobór systemu farby niedopasowanego do danego podłoża z tworzywa może prowadzić do przedwczesnej awarii, tj. „niedopasowania sprężystego”.

Polipropyleny

Polipropylen (PP) często nazywa się „stalą” przemysłu tworzyw sztucznych, ze względu na różne możliwości jego modyfikacji do konkretnych celów. PP to wytrzymałe, sztywne i krystaliczne, niepolarne tworzywo termoplastyczne wytwarzane z monomeru propenu (propylenu). W 100% nadaje się do recyklingu. PP jest trudny do łączenia, ponieważ jest hydrofobowy, niepolarny i chemicznie obojętny, tj. ma słabą zwilżalność powierzchni. PP jest liniową żywicą węglowodorową należącą do grupy poliolefin. Wzór chemiczny PP to (C3H6)n.

Po polimeryzacji PP może tworzyć trzy podstawowe struktury łańcucha w zależności od położenia grup metylowych:

• Atakatyczny (aPP) – nieregularne rozmieszczenie grup metylowych (CH3)
• Izotaktyczny (iPP) – grupy metylowe (CH3) rozmieszczone po jednej stronie łańcucha węglowego
• Syndiotaktyczny (sPP) – naprzemienne rozmieszczenie grup metylowych (CH3)

Istnieją dwa główne rodzaje PP: homopolimery i kopolimery. Kopolimery dzielą się dalej na kopolimery blokowe i statystyczne. Homopolimer PP to gatunek ogólnego przeznaczenia. Blokowy kopolimer PP ma jednostki komonomeru ułożone w bloki i zawiera od 5% do 15% etylenu. Statystyczny kopolimer PP ma jednostki komonomeru rozmieszczone nieregularnie lub losowo wzdłuż cząsteczki, zwykle 1–7% etylenu1. Temperatura topnienia PP mieści się w pewnym zakresie, co oznacza, że nastawę temperatury utwardzania w piecu należy ocenić na podstawie gatunku.

• Homopolimer: 160–165°C
• Kopolimer: 135–159°C

Środki antystatyczne. PP ma doskonałe właściwości izolacji elektrycznej i skłonność do zatrzymywania ładunków statycznych, które przyciągają brud do powierzchni. Dodatki antystatyczne mogą „wykwitać” na powierzchnię, rozpraszając ładunki elektryczne, lecz powodują delaminację farby. Ponadto po kilku miesiącach na powierzchni ciemnych kolorów może pojawić się biały nalot (wykwit).

Wpływ promieniowania Ultrafiolet (UV). PP jest silnie podatny na promieniowanie UV. Ekspozycja na bezpośrednie światło słoneczne powoduje utratę właściwości wytrzymałościowych, chyba że zastosowano inhibitor UV lub duży udział pigmentu w postaci sadzy. Nawet przy dużym dodatku inhibitora lub pigmentu oczekiwana trwałość eksploatacyjna w ostrych warunkach nasłonecznienia jest ograniczona.

Uwarunkowania projektowe polimeru dla PP i polimerów o niskiej energii powierzchniowej:

• Kopolimery PP mogą być łatwiejsze do klejenia/łączenia niż homopolimery.
• Nylony i poliwęglany są higroskopijne i muszą być suszone. PP nie jest higroskopijny, ale jeśli na powierzchni granulek żywicy jest wilgoć, powoduje ona te same problemy, co w mokrych materiałach higroskopijnych.
• Właściwości „objętościowe” nylonu są hydrofobowe, a „powierzchniowe” higroskopijne1.
• Nylon 6 pochłania wilgoć łatwiej niż nylon 66, przy czym wilgoć działa jak plastyfikator. Nylon 6 może być łatwiejszy do łączenia niż nylon 11 lub 12.
• Kopolimery acetalu POM (Celcon) mogą być łatwiejsze do łączenia niż homopolimery (Delrin).
• Polietyleny łatwiej się łączy. Należy upewnić się, że PP jest wymagany.

Zastosowania z polipropylenu z recyklingu (rPP)

PP jest w 100% nadający się do recyklingu i malowania. Zob. rys. 1. Akumulatory samochodowe są przetwarzane na wyroby do wnętrz i na zewnątrz budynków i domów. Niektóre z tych wyrobów są objęte gwarancją producenta na ponad 25 lat. Powlekanie jest najbardziej preferowanym procesem zdobienia w masowej personalizacji.

Technologie powlekania

Dla wykańczania tworzyw sztucznych w zastosowaniach OEM istnieje kilka opcji technologii powlekania, z których każda ma odmienne zalety w zależności od wymagań dotyczących właściwości, kosztów i zajmowanej powierzchni linii. Technologie te dzielą się na trzy główne kategorie:

Lakiery jednoskładnikowe: łatwe w użyciu, o niskim koszcie na metr kwadratowy, są powszechnie stosowane w zdobieniu tworzyw sztucznych. Powłoki te schną i utwardzają się całkowicie przez odparowanie rozpuszczalnika lub wody, zwykle w 30 minut lub krócej w temperaturze pokojowej lub przy niskim wypalaniu. Lakiery jednoskładnikowe można formułować pod kątem twardości i odporności na ścieranie lub, w przypadku miękkich tworzyw, jako elastyczne i ciągliwe. Możliwość schnięcia na powietrzu w temperaturze pokojowej zmniejsza wymagane nakłady inwestycyjne, choć niskie wypalanie w 100–120°F skraca czas cyklu. Lakiery jednoskładnikowe najlepiej nadają się do wyrobów gotowych przeznaczonych do zastosowań, w których ograniczone jest ryzyko narażenia na skraplającą się wilgoć, zanurzenie w wodzie i agresywne chemikalia. Produkty te są dostępne w recepturach rozpuszczalnikowych i wodorozcieńczalnych i można je nanosić natryskiem HVLP lub natryskiem powietrznym.

Dwuskładnikowe powłoki duroplastyczne: dwuskładnikowe duroplasty zapewniają wysokie właściwości i można je optymalizować pod kątem szerokiej gamy ekstremalnych zastosowań przemysłowych, zewnętrznych dóbr konsumpcyjnych i motoryzacji. W tym obszarze dominują epoksydy, poliuretany, a w mniejszym stopniu reaktywne modyfikatory M-cure. Powłoki poliuretanowe mają wysoki koszt na metr kwadratowy, ale zapewniają doskonałą odporność chemiczną oraz trwałość koloru i połysku na poziomie motoryzacyjnym podczas długotrwałej ekspozycji na bezpośrednie światło słoneczne. Epoksydy są tańsze niż uretany i wyróżniają się twardością powłoki, odpornością chemiczną i właściwościami bariery dla pary wodnej. Mają jednak słabą stabilność koloru i trwałość w bezpośrednim świetle słonecznym w zastosowaniach jako powłoka wierzchnia i są podatne na matowienie (blushing), dlatego zwykle stosuje się je jako podkłady. Ponadto wyroby powlekane epoksydami zwykle wymagają etykiety zgodnie z kalifornijską Proposition 65.

Dwuskładnikowe powłoki duroplastyczne wymagają zwykle długiego czasu utwardzania do manipulacji/pakowania, ponieważ większość twardości powłoki powstaje w wyniku chemicznego sieciowania (utwardzania). Ze względu na wrażliwość podłoży z tworzyw sztucznych na ciepło możliwość przyspieszania utwardzania dwuskładnikowych duroplastów przez dodawanie ciepła jest ograniczona. Sprzęt do mieszania wieloskładnikowego może umożliwić stosowanie szybciej utwardzających się receptur, gdy potrzebny jest krótszy czas cyklu. W zastosowaniach, w których koszt lub ograniczenia czasu utwardzania wykluczają dwuskładnikowe uretany, opcją do rozważenia jest M-cure, ponieważ krótsze czasy schnięcia można uzyskać w temperaturze otoczenia lub przy niskim wypalaniu bez sprzętu do mieszania wieloskładnikowego dzięki nowej technologii żywic M-cure, która umożliwiła uzyskanie znacznie dłuższego czasu życia mieszanki niż dotychczas. Dostępne są receptury duroplastyczne wodorozcieńczalne i rozpuszczalnikowe, zwykle nanoszone natryskiem HVLP lub natryskiem powietrznym.

Powłoki utwardzane UV: powłoki utwardzane UV zapewniają najlepsze połączenie krótkiego czasu schnięcia/utwardzania i właściwości spośród wszystkich technologii powlekania tworzyw sztucznych. Utwardzanie można zwykle uzyskać w zaledwie 3–10 sekund w zależności od receptury i geometrii części. Po utwardzeniu wyroby z tworzyw sztucznych zdobione powłokami utwardzanymi UV są od razu gotowe do pakowania. Powłoki utwardzane UV cechują się doskonałą twardością i odpornością chemiczną i można je formułować tak, aby zapewniały długotrwałą trwałość na zewnątrz, lub w wersjach ekonomicznych do lżejszych zastosowań. Powłoki utwardzane UV wymagają zwykle bezpośredniej widoczności lampy UV, aby uzyskać twardość powłoki, jednak wodorozcieńczalne powłoki UV są wyjątkowe, gdyż tworzą powłokę suchą w dotyku jeszcze przed utwardzeniem, dzięki czemu małe obszary cienia na skomplikowanych częściach nie powodują pozostawania nieutwardzonych, lepkich resztek w gotowych wyrobach. Najczęściej stosowanym źródłem UV do utwardzania są lampy rtęciowe, które mogą być zasilane mikrofalowo lub łukowo. Lampy łukowe są tańsze w zakupie, ale wymagają czasu nagrzewania i wytwarzają znaczną ilość ciepła. Lampy mikrofalowe są droższe niż łukowe, ale są gotowe do użycia w kilka sekund po włączeniu, wytwarzają mniej ciepła i mają dłuższą żywotność. Zarówno lampy mikrofalowe, jak i łukowe są dostępne z domieszką żelaza lub galu, co czyni je odpowiednimi do utwardzania barw pigmentowanych, i można je łączyć z reflektorami eliptycznymi (rozpraszającymi) lub parabolicznymi (skupiającymi) w zależności od wymaganej mocy szczytowej i geometrii części. Oprócz lamp rtęciowych pojawiły się lampy LED UV jako konkurencyjna technologia oferująca natychmiastowe włączanie i wyłączanie, bardzo niskie zużycie energii i wyjątkowo niskie wydzielanie ciepła; ze względu na ograniczenia geometrii ogniska najlepiej nadają się do części cylindrycznych o regularnych kształtach lub części płaskich. Ponadto, choć lampy LED doskonale sprawdzają się w utwardzaniu na wskroś silnie pigmentowanych lub grubowarstwowych powłok, ich użycie może wymagać dodatkowego naświetlenia rozproszoną lub małej mocy lampą rtęciową w celu pełnego utwardzenia powierzchni. Dostępne są receptury 100% części stałych, rozpuszczalnikowe i wodorozcieńczalne. Powłoki UV można natryskiwać techniką HVLP lub nanosić wałkiem na powierzchnie płaskie.

Przewodnik doboru powłok ciekłych

Podsumowanie

Procesy powlekania są wieloaspektowe i wymagają precyzyjnego zaprojektowania oraz kontroli jakości. Wpływ chemii farby i zgodności z tworzywem oraz jakość powierzchni są niezbędne dla właściwości wyrobu. Technologie lakierów jednoskładnikowych, dwuskładnikowych duroplastów i powłok UV są skuteczne w malowaniu i powlekaniu materiałów z polipropylenu i są dostępne w chemiach wodorozcieńczalnych.

Bibliografia

• Definitive Guide to Polypropylene, Omnexus SpecialChem, 2021
• Sabreen, S. and Roobol, N: Painting Plastics for Painting, Plastics Decorating Magazine 2003
• Sabreen, S. Inkjet Printing & Adhesion of Low Surface Energy Polymers, Plastics Decorating Magazine 2019

Scott R. Sabreen jest założycielem i prezesem The Sabreen Group, Inc., firmy doradztwa inżynieryjnego specjalizującej się we wtórnych procesach przetwórstwa tworzyw sztucznych – obróbce wstępnej powierzchni, łączeniu adhezyjnym, druku atramentowym, znakowaniu laserowym, powłokach przemysłowych, zdobieniu i wykańczaniu oraz bezpieczeństwie produktu. Sabreen opracowuje pionierskie technologie i rozwiązuje problemy produkcyjne od ponad 30 lat. Można się z nim skontaktować pod numerem 972.820.6777 lub odwiedzając stronę www.sabreen.com.

Dustin Kurath jest dyrektorem technicznym Northern Coatings and Chemical Co., producenta farb specjalizującego się w wysokowydajnych powłokach przemysłowych. Kurath od połowy pierwszej dekady XXI wieku zajmuje się badaniami nad wysokowydajnymi powłokami do zastosowań przemysłowych ogólnych i motoryzacyjnych, powłokami lotniczymi, powłokami opakowaniowymi i powłokami utwardzanymi promieniowaniem. Z Kurathem można się skontaktować pod numerem 906.352.5060 lub na stronie www.northern-coatings.com.

---