A ciência da solução de problemas de adesão em plásticos: ângulos de contato – molhabilidade da superfície – ativação química

A ciência da solução de problemas de adesão em plásticos: ângulos de contato – molhabilidade da superfície – ativação química

Principais conclusões

• Colar não se resume a adesivos. A mesma ciência rege tintas, pinturas, revestimentos, encapsulantes, compostos de moldagem (potting) e metalização.
• Quatro propriedades tornam os plásticos difíceis de colar — são hidrofóbicos, têm baixa energia de superfície, são apolares e inertes e têm pouca funcionalidade química de superfície.
• O ângulo de contato estático sozinho engana. A produção é dinâmica, não estática, então os ângulos de contato dinâmicos importam mais.
• Os ângulos de avanço e de recuo medem coisas diferentes — o de avanço reflete a superfície não modificada; o de recuo reflete a superfície pré-tratada.
• A molhabilidade é apenas metade do problema. É preciso criar funcionalidade química na superfície, e não apenas elevar a energia de superfície.

Os problemas de união por adesão de polímeros são generalizados em toda a indústria de plásticos. Produtos bidimensionais e tridimensionais frequentemente envolvem a colagem de plástico com plástico, plástico com metal, plástico com compósito, optomecânica e mais. As aplicações de união por adesão não se limitam a adesivos (epóxis, uretanos, acrílicos, silicones etc.), mas incluem a adesão de tintas de impressão, tintas e revestimentos, encapsulantes, compostos de moldagem (potting), metalização e mais.

Os substratos plásticos são difíceis de colar porque são materiais hidrofóbicos (não molháveis naturalmente); têm baixa molhabilidade superficial (ou seja, baixa energia de superfície); são estruturas apolares e inertes; e têm pouca funcionalidade química de superfície. Este artigo aborda a ciência básica dos ângulos de contato, da molhabilidade da superfície e da ativação química para obter alta resistência de adesão na colagem.

Perguntas frequentes

O que é o ângulo de contato e por que ele importa?

É o ângulo formado entre a reta tangente no ponto em que uma gota de líquido encontra uma superfície sólida e a linha horizontal dessa superfície. Entendê-lo, e a interação física entre sólido e líquido que ele representa, é o que indica se a molhabilidade da superfície é adequada para a colagem.

Por que medir ângulos de contato dinâmicos em vez de estáticos?

Porque a produção industrial é dinâmica, não estática. Testar apenas o ângulo de contato estático pode levar a uma interpretação errada da interface líquido/sólido e do próprio problema de colagem.

Qual é a diferença entre os ângulos de contato de avanço e de recuo?

O ângulo de avanço é mais sensível aos componentes de baixa energia, não modificados, da superfície, enquanto o ângulo de recuo é mais sensível aos grupos oxidados de alta energia introduzidos pelo pré-tratamento. Isso faz do ângulo de recuo a medida mais significativa em uma superfície tratada.

Elevar a energia de superfície basta para resolver um problema de colagem?

Não. Há forte tendência de focar nas medições do ângulo de contato como único preditor, mas a funcionalidade química da superfície é igualmente importante — superfícies hidrofóbicas precisam ser convertidas ativamente em superfícies hidrofílicas coláveis por oxidação em fase gasosa.

Quais aplicações de colagem essa ciência abrange?

Muito mais que adesivos como epóxis, uretanos, acrílicos e silicones. Aplica-se igualmente a tintas de impressão, tintas e revestimentos, encapsulantes, compostos de moldagem (potting) e metalização, em montagens de plástico com plástico, plástico com metal, plástico com compósito e optomecânicas.

O ângulo de contato

Considere uma única gota de líquido sobre uma superfície sólida plana em repouso (estado de equilíbrio). Uma vista em corte é mostrada abaixo (Figura 1). O ângulo formado pela superfície sólida e pela reta tangente à superfície superior no ponto final é chamado de ângulo de contato. O ângulo de contato é o ângulo entre a reta tangente no ponto de contato e a linha horizontal da superfície sólida. Entender o ângulo de contato e suas propriedades físicas de interação entre sólidos e líquidos fornece informações valiosas para determinar as condições ideais de molhabilidade da superfície para a união por adesão.

O formato da bolha/gota se deve às forças moleculares pelas quais todos os líquidos, por contração da superfície, tendem a conduzir o volume contido a uma forma com a menor área superficial. As forças intermoleculares que contraem a superfície são chamadas de tensão superficial. A tensão superficial, uma medida da energia de superfície expressa em “dinas/cm” (ou mN/m no SI), é a propriedade (devida a forças moleculares) pela qual todos os líquidos, por contração da superfície, tendem a conduzir o volume contido a uma forma com a menor área superficial.

Quanto maior a energia de superfície do substrato sólido em relação à tensão superficial de um líquido (água, tintas de impressão, adesivos/encapsulamento, revestimentos etc.), melhor será sua “molhabilidade” e menor o ângulo de contato. Como regra geral, obtém-se adesão de colagem aceitável quando a energia de superfície de um substrato (medida em dinas/cm) é aproximadamente 8-10 dinas/cm maior que a tensão superficial do líquido (Figura 2).

O teste de molhabilidade da superfície envolve medir o ângulo de contato. Quando um líquido não molha completamente um substrato (ou seja, um produto polimérico), forma-se um ângulo de contato. O ângulo de contato é uma medida quantitativa da molhabilidade de um sólido por um líquido. É uma medida direta das interações que ocorrem entre as fases participantes (gás/líquido/sólido ou líquido/líquido/sólido). O formato da gota e a magnitude do ângulo de contato são controlados pelas três forças de interação da tensão interfacial de cada fase participante (gás, líquido e sólido).

Em muitas aplicações, pode ser necessário examinar apenas o ângulo de contato estático de equilíbrio usando soluções de dinas conforme um procedimento de teste documentado, como a ASTM D2578. Kits de aplicação ou “canetas/soluções de dinas” fornecem informações úteis, mas não são medições precisas da tensão superficial. As medições de tensão superficial podem variar consideravelmente conforme a pessoa (técnica) e a interpretação do comportamento do líquido “central”. As canetas/soluções de dinas são conhecidas como indicadores direcionais de diferenças significativas na tensão superficial e são capazes de identificar superfícies “boas” e “ruins” para colagem a preço econômico.

Ângulos de contato dinâmicos (DCA)

Testar o comportamento do fluido apenas com o ângulo de contato estático pode levar a uma interpretação errada dos resultados da interface líquido/sólido e da resolução dos problemas de colagem. Isso porque as operações de produção industrial são, de forma mais realista, condições dinâmicas, e não estáticas. Portanto, os ângulos de contato dinâmicos (DCA) são os mais importantes de se entender.

Em geral, considera-se que os ângulos de contato são afetados tanto por mudanças na química da superfície quanto por mudanças na topografia da superfície. O ângulo de contato de avanço é mais sensível aos componentes de baixa energia (não modificados) da superfície do substrato, enquanto o ângulo de recuo é mais sensível aos grupos oxidados de alta energia introduzidos pelos pré-tratamentos de superfície. Assim, o ângulo de recuo é, na verdade, a medida mais característica do componente modificado da superfície após os pré-tratamentos, como medido com soluções de dinas. Portanto, é importante medir tanto o ângulo de contato de avanço quanto o de recuo em todos os materiais com superfície modificada1 (Figura 3).

Quando uma gota está aderida a uma superfície sólida e a superfície sólida é inclinada, a gota avança para a frente e desliza para baixo. Os ângulos formados são chamados, respectivamente, de ângulo de avanço (θa) e ângulo de recuo (θr). A ASTM D724 descreve métodos para medir DCAs usando equipamentos avançados (tensiômetros ópticos e goniômetros) para analisar os ângulos de contato de avanço e de recuo com base na análise do formato da gota e na massa.

Ativação química da superfície

Há forte tendência de os fabricantes focarem apenas nas medições do ângulo de contato como único preditor de problemas de colagem e para a realização de testes de superfície de rotina. A funcionalidade química da superfície é igualmente importante, pois superfícies hidrofóbicas são ativadas em superfícies hidrofílicas coláveis. Processos de pré-tratamento em fase gasosa, de “descarga luminescente” (glow discharge) e de oxidação da superfície são usados para a ativação química da superfície.

Os métodos de processo de oxidação de superfície em fase gasosa incluem descarga corona elétrica, tratamento a chama, plasma frio e irradiação ultravioleta. Cada método é específico para a aplicação e tem vantagens exclusivas e possíveis limitações.

A reação química e física básica que ocorre com elétrons livres, íons, metaestáveis, radicais e UV gerados no plasma pode atingir uma superfície com energias suficientes para romper as ligações moleculares na superfície da maioria dos substratos poliméricos. Isso cria radicais livres muito reativos na superfície do polímero que, por sua vez, podem se formar, reticular ou, na presença de oxigênio, reagir rapidamente para formar diversos grupos funcionais químicos na superfície do substrato. Os grupos funcionais polares que podem se formar e melhorar a colabilidade incluem os grupos carbonila (C=O), carboxila (HOOC), hidroperóxido (HOO-) e hidroxila (HO-). Mesmo pequenas quantidades de grupos funcionais reativos incorporadas aos polímeros podem ser muito benéficas para melhorar a funcionalidade química e a molhabilidade da superfície. Além disso, primers/solventes químicos e abrasão mecânica (incluindo a textura do molde) podem ser utilizados isoladamente ou em conjunto com pré-tratamentos em fase gasosa.2

Os problemas de colagem de polímeros são generalizados e não se limitam a adesivos. Há implicações de custo significativas associadas à falha de colagem, incluindo mau desempenho do produto em campo, refugo/retrabalho, ineficiências de produção e aumento da inspeção de controle de qualidade. Ao entender a ciência básica dos ângulos de contato, da molhabilidade da superfície e da ativação química, praticamente qualquer problema de colagem pode ser resolvido com sucesso, mesmo com os materiais poliméricos e elastoméricos mais difíceis de colar.

Referências

• Mark Strobel, Christopher Lyons, 3M Company, 3M Center, 1995
• Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc., “Surface Wetting Pretreatment Methods,” Plastics Decorating Magazine, 2002
• Agradecimento: Enercon Industries Corporation – fotos

Scott R. Sabreen é fundador e presidente da The Sabreen Group, Inc. A The Sabreen Group é uma empresa global de consultoria em engenharia especializada em processos de transformação secundária de plásticos — pré-tratamento de superfície, união por adesão, decoração e acabamento, marcação a laser e segurança de produtos. Para mais informações, ligue para (888) SABREEN ou visite www.sabreen.com ou www.plasticslasermarking.com.

---