Impressão a jato de tinta e adesão em polímeros de baixa energia de superfície

Impressão a jato de tinta e adesão em polímeros de baixa energia de superfície

Muito antes de a primeira gota de tinta ser jateada sobre um produto plástico, os projetistas tomam decisões-chave que determinam se a impressão será fácil ou difícil. A adesão é, essencialmente, um fenômeno superficial, pois depende das interações entre a tinta líquida e a superfície do substrato.

Os principais fatores que afetam a adesão são a seleção do polímero (incluindo corantes, cargas e aditivos), o processo de moldagem, as condições de superfície e o armazenamento e manuseio. A impressão a jato de tinta é altamente complexa e envolve muitas áreas interdisciplinares. Em primeiro lugar vem a compatibilidade entre a tinta e o substrato polimérico.

Este artigo examina a seleção de polímeros e o processamento primário para obter adesão robusta da tinta. Essa abordagem, pensada para a manufatura, traz informações valiosas e soluções comprovadas em campo que evitam falhas de adesão.

A impressão a jato de tinta é muito mais complexa e delicada que a impressão analógica. O jato de tinta em polímeros é intrinsecamente difícil, pois costuma haver diferenças químicas e físicas substanciais entre os plásticos — mesmo dentro da mesma família polimérica. Imprimir por jato de tinta em geometrias contornadas traz complicações adicionais, ao contrário da tampografia e da serigrafia, cujas formulações de tinta à base de solvente têm tensões superficiais naturalmente mais baixas e molham facilmente os substratos poliméricos.

Principais conclusões

• A adesão é decidida na fase de projeto, muito antes de a primeira gota ser jateada — pelas escolhas de polímero, corante, carga e aditivos.
• Os polímeros amorfos geralmente recebem melhor a impressão que os cristalinos, cuja estrutura ordenada resiste à molhabilidade.
• O náilon é hidrofóbico na superfície, mas hidrofílico no volume, absorvendo mais de 3% da sua massa em água — por isso a secagem é crítica.
• A textura do molde garante adesão sem custo. Um acabamento polido com diamante de grão 1200 supera um acabamento de diamante fino de grão 8000.
• Os silicones são o inimigo. Elimine silicones internos e externos e minimize os aditivos de processamento.

Perguntas frequentes

Quais polímeros são mais difíceis de imprimir a jato de tinta?

Acetais, poliamidas, poliolefinas, poliéster, PPS, PEEK, PEI, poliimida, PTFE e poliuretanos. Os projetistas escolhem esses materiais de baixa energia de superfície para substituição de metal, rigidez, resistência química e desempenho em temperaturas elevadas — as mesmas propriedades que dificultam a impressão.

Por que o náilon causa problemas de adesão tão persistentes?

O náilon é hidrofóbico, quimicamente inerte e de baixa energia de superfície na superfície, mas os grupos amida da cadeia atraem água, então ele se comporta de forma hidrofílica no volume, absorvendo mais de 3% da sua massa da atmosfera. Esse comportamento dividido, somado à própria umidade, cria problemas de adesão se a secagem da resina não for bem controlada.

Como o projeto do molde pode melhorar a adesão da tinta?

Adicionando textura. Picos e vales proporcionam ancoragem mecânica, e a textura moldada é preferível à abrasão manual, pois não custa nada em mão de obra nem em produtos químicos. O acabamento NTMA “40 — polido com diamante, grão 1200” costuma ter desempenho superior ao “10 — diamante fino, grão 8000”. Pinos de macho atacados quimicamente funcionam bem em furos rebaixados.

Quais solventes devem ser usados para limpar náilon e PPS antes da impressão?

Tolueno, xileno, acetona ou MEK. O álcool é um solvente fraco que remove a sujeira superficial, mas não os contaminantes de hidrocarbonetos. Use panos que não soltem fiapos e luvas sem talco, e evite excesso de solvente, que deixa camadas limite fracas e uma névoa que prejudicam a colagem.

Quais mudanças simples mais melhoram a adesão da tinta sem custo?

Eliminar silicones internos e externos e minimizar os aditivos de processamento; adicionar textura ao molde; secar corretamente a resina; manter as superfícies limpas; evitar excesso de solvente; embalar as peças moldadas firmemente em sacos sem polietileno ou de poliéster com dessecante; e imprimir o mais rápido possível após a moldagem.

Termoplásticos

O tipo de termoplástico escolhido para impressão afeta significativamente todo o processo de jato de tinta. Em um material termoplástico, as moléculas longas, em forma de cadeia, são mantidas unidas por forças de Van der Waals relativamente fracas. Os termoplásticos se dividem em duas subcategorias: amorfos e cristalinos (ver Figura 2). Em geral, os polímeros amorfos têm melhores propriedades de adesão que os cristalinos.

O termo “amorfo” significa não ter forma definida ou ter uma forma facilmente alterável. “Cristalino” indica que há um padrão regular e definido nos agregados moleculares. As resinas amorfas apresentam estruturas aleatórias, semelhantes a espaguete. Elas não amortecem muito a energia introduzida nos materiais. Quando o calor é aplicado, amolecem e não têm uma temperatura de fusão bem definida.

As resinas cristalinas têm padrões ordenados (ver Figura 3). Também possuem temperaturas de fusão bem definidas. Em um polímero, esses dois estados coexistem: seções adjacentes do polímero se empacotam em feixes cristalinos compactos, mantidos por forças de atração secundárias, enquanto outras seções das mesmas moléculas não conseguem se mover fisicamente para a rede cristalina e permanecem amorfas. A probabilidade de um segmento específico do polímero ser cristalino ou amorfo é, em grande parte, um evento aleatório, controlado pela dinâmica do processo de cristalização.

Os materiais semicristalinos têm estrutura molecular altamente ordenada, com pontos de fusão nítidos. Não amolecem gradualmente com o aumento da temperatura; em vez disso, permanecem sólidos até absorver uma certa quantidade de calor e então passam rapidamente a um líquido de baixa viscosidade. Os polímeros amorfos têm estrutura molecular ordenada aleatoriamente, sem ponto de fusão nítido. Em vez disso, amolecem gradualmente à medida que a temperatura sobe. Esses materiais mudam de viscosidade quando aquecidos, mas raramente escoam tão facilmente quanto os semicristalinos. Os polímeros amorfos perdem resistência rapidamente acima da temperatura de transição vítrea (Tg).

Compatibilidade entre tinta e substrato polimérico

Entre os polímeros mais difíceis de imprimir a jato de tinta estão: acetais (POM), poliamidas (náilon), poliolefinas, poliéster (PET), sulfeto de polifenileno (PPS), poliéter-éter-cetona (PEEK), poliéterimida (PEI), poliimida “Kapton” (PI), politetrafluoretileno (PTFE) e poliuretanos (PUR). Os projetistas escolhem esses materiais de baixa energia de superfície (LSE) por serem leves, substituírem metais e oferecerem rigidez e resistência, resistência química e propriedades físicas em temperaturas elevadas de serviço.

Para que a impressão a jato de tinta tenha sucesso, é preciso obter adesão de longo prazo à superfície do polímero. A adesão depende em grande parte de fenômenos de superfície, ou seja, a tinta em temperatura elevada deve ser jateada com facilidade pela cabeça de impressão e interagir adequadamente com o substrato. A tinta precisa conseguir um contato íntimo com a superfície do substrato polimérico. Esse contato íntimo é chamado de molhabilidade (molhar a superfície) e se refere à capacidade da tinta de se espalhar sobre a superfície. A maioria das superfícies poliméricas é naturalmente hidrofóbica e resiste a ser molhada. Caracteristicamente, esses plásticos têm superfícies quimicamente inertes, não porosas e de baixa energia de superfície, o que torna a adesão da impressão quase impossível. A energia de superfície é o excesso de energia que existe na superfície (em oposição ao volume) de um sólido. Esse excesso existe porque as moléculas da superfície não conseguem interagir com tantos vizinhos iguais quanto as moléculas do volume; por isso, têm excesso de energia de interação.

O processamento primário é crítico para obter as propriedades declaradas do material polimérico. Por exemplo, examine dois polímeros LSE difíceis de imprimir a jato de tinta — a poliamida (PA) e o sulfeto de polifenileno (PPS):

A poliamida, comumente conhecida como náilon, é um polímero semicristalino. Os dois tipos mais comuns são o Náilon 6 e o Náilon 6/6. Os polímeros de náilon são inerentemente difíceis de colar porque são hidrofóbicos, quimicamente inertes e têm baixa molhabilidade superficial (ou seja, baixa energia de superfície). Além disso, os náilons são higroscópicos e absorvem da atmosfera umidade acima de 3% da sua massa em água. A umidade, por si só, cria problemas de adesão. O procedimento correto de secagem das resinas de náilon é crítico para o processamento e o desempenho da peça. O mais importante é que o comportamento hidrofóbico do náilon é uma propriedade de superfície, e o comportamento hidrofílico é uma propriedade de volume. Por ser um polímero orgânico, o náilon tem energia de superfície relativamente baixa. Isso é consequência da química e da física de superfície dos polímeros e de outros orgânicos. No entanto, os grupos amida da cadeia do náilon atraem água e dão origem ao comportamento hidrofílico desse material quanto à absorção de água no volume. Assim, no volume, o náilon pode se comportar como um material hidrofílico, mas, na superfície, pode apresentar comportamento hidrofóbico.

O sulfeto de polifenileno (PPS) oferece a mais ampla resistência a corrosivos entre todos os plásticos de engenharia avançados. Os produtos de PPS não são higroscópicos e, portanto, não sofrem problemas de expansão dimensional como o náilon (poliamidas). Ainda assim, é importante usar resina seca na moldagem das peças. A umidade, por si só, é problemática. Níveis altos de umidade podem criar vazios, que podem prejudicar o desempenho da peça, afetar a adesão e alterar a estética. O tempo entre a secagem e o processamento deve ser o menor possível. O PPS deve ser seco em secadores de funil com desumidificação. Estufas de ar quente geralmente não são recomendadas. Para obter um estado totalmente cristalino, são necessárias temperaturas de molde de pelo menos 275 a 300°F. Quando o PPS é moldado abaixo de 275°F, as peças moldadas são amorfas ou semicristalinas e permanecem nesse estado até serem expostas a temperaturas de serviço mais altas (incluindo cura por calor). Se a temperatura de serviço exceder a temperatura de moldagem, as peças se tornarão mais cristalinas, resultando em alterações dimensionais e de propriedades. Por exemplo, a temperatura de deflexão térmica (HDT), a 264 psi (1,8 MPa), do PPS com 40% de fibra de vidro moldado em estado não cristalino é de apenas 350°F, mas sobe para >500°F (260°C) no estado cristalino. Além disso, a temperatura do molde tem efeito dramático sobre a aparência da superfície.

Para limpar adequadamente as superfícies de náilon e PPS e remover os LMWM (materiais de baixo peso molecular), use tolueno, xileno, acetona ou MEK. O álcool é um solvente fraco e remove apenas a sujeira superficial, não os contaminantes de hidrocarbonetos. A técnica correta deve ser usada sempre, incluindo panos que não soltem fiapos e luvas de proteção sem talco. O excesso de solvente cria camadas limite fracas de produtos químicos não removidos, deixando um acúmulo de névoa que inibe a colagem.2 Os processos de impressão devem ser realizados o mais rápido possível após as operações de moldagem, ou as peças devem ser embaladas firmemente em sacos sem polietileno, como os de poliéster. Aplicações de colagem de náilon e PPS costumam exigir pré-tratamento por plasma, como descarga elétrica corona, plasma atmosférico elétrico, plasma de ar elétrico, plasma de chama e plasma frio de RF de baixa pressão.

Superfícies de substrato limpas

Materiais de baixo peso molecular — como silicones, desmoldantes, agentes antiderrapantes e aditivos de processo — inibem a capacidade de a tinta escoar e de obter o contato íntimo essencial para a adesão. Certos agentes compostos solúveis ou insolúveis usados em pigmentos e corantes podem afetar negativamente a adesão. A composição química da superfície moldada, a textura e a porosidade afetam significativamente o escoamento e a adesão da tinta. O grau ou a qualidade do tratamento e da adesão são afetados pela limpeza da superfície do plástico. A superfície precisa estar limpa para obter o pré-tratamento ideal e a subsequente adesão da tinta. Contaminações superficiais — como desmoldante de silicone, sujeira, poeira, graxa, óleos e impressões digitais — inibem o tratamento. A pureza do material também é um fator importante.

A vida útil de prateleira dos plásticos tratados depende do tipo de resina, da formulação e do ambiente da área de armazenamento. A vida útil dos produtos tratados é limitada pela presença de materiais oxidados de baixo peso molecular (LMWOM), como antioxidantes, plastificantes, agentes deslizantes e antiestáticos, corantes e pigmentos, estabilizantes etc. A exposição das superfícies tratadas a temperaturas elevadas aumenta a mobilidade das cadeias moleculares — quanto maior a mobilidade das cadeias, mais rápido o envelhecimento do tratamento. A mobilidade das cadeias poliméricas nos materiais tratados faz os sítios de ligação criados pelo tratamento se afastarem da superfície. Esses componentes podem, eventualmente, migrar para a superfície do polímero.

Projeto do molde e textura da superfície

Os projetistas podem melhorar a adesão adicionando textura às superfícies do molde. A textura introduz picos e vales, proporcionando adesão por ancoragem mecânica. A textura pode ser obtida no próprio molde ou manualmente, usando uma esponja Scotch-Brite e limpeza com solvente. A textura moldada é preferida porque mantém as características da superfície sem custos adicionais de mão de obra ou produtos químicos.

Por exemplo, o acabamento NTMA da cavidade do molde “40 — polido com diamante, grão 1200” provavelmente melhorará a resistência da colagem em comparação com o acabamento “10 — diamante fino, grão 8000” (faixa de 0 a 3 mícrons). Consulte a Figura 4, Acabamento de superfície de molde SPI. Até superfícies levemente texturizadas são benéficas. Em aplicações com furos rebaixados, como conectores, pinos de macho atacados quimicamente no molde são altamente eficazes.

Em resumo, para obter adesão robusta da tinta e/ou colagem de polímeros de alta resistência, recomendam-se os seguintes itens. Nenhum deles acrescenta custo e, na verdade, todos oferecem economia.

• Sem silicones internos ou externos. Minimize os aditivos de processamento.
• Textura no molde.
• Seque adequadamente a resina antes da moldagem.
• As superfícies devem estar limpas.
• Evite usar excesso de solvente, que cria camadas limite fracas de produtos químicos não removidos.
• Embale as peças moldadas firmemente em sacos sem polietileno com dessecante ou use sacos de poliéster.
• Realize o processo de impressão o mais rápido possível após a moldagem.

Referências

• Innovations in Bonding to Low Surface Energy Surfaces, 3M Technical Guide
• Best Practices for Bonding Semi-Crystalline Thermoplastics, The Sabreen Group, January 2015

Scott R. Sabreen é fundador e presidente da The Sabreen Group, Inc., empresa de engenharia especializada em processos de transformação secundária de plásticos — segurança de produtos, marcação a laser, pré-tratamento de superfície, colagem, decoração e acabamento. Sabreen desenvolve tecnologias pioneiras e resolve problemas de fabricação há mais de 30 anos. Ele pode ser contatado pelo telefone 972.820.6777 ou pelo site www.Sabreen.com.

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