Pré-tratamento por Plasma

Tratamento por Plasma da Superfície de Plásticos

Pré-tratamento por Plasma Melhora a Adesão de Polímeros

Os pré-tratamentos de superfície por plasma, especificamente denominados oxidação de superfície por plasma em "fase gasosa por descarga luminescente", podem resolver dificuldades de colagem por adesão entre plásticos de baixa energia de superfície e adesivos, revestimentos, tintas de impressão, tintas e selantes. Esses métodos incluem corona elétrica, plasma atmosférico, plasma de ar soprado elétrico, plasma de chama, Pyrosil, plasma frio remoto e ozônio por radiação UV. Todos esses processos se caracterizam pela capacidade de gerar "plasma gasoso". Na física, os mecanismos pelos quais esses plasmas são gerados diferem, mas seus efeitos sobre a molhabilidade da superfície são semelhantes. Além do tratamento por plasma, existem outros métodos altamente eficazes, incluindo químico, fluoroxidação e mecânico.

colagem por adesão

Por Que os Plásticos São Difíceis de Colar?

Plásticos e compósitos são difíceis de colar porque suas superfícies são hidrofóbicas, apolares, quimicamente inertes e possuem baixa energia de superfície. A adesão ocorre por meio de múltiplos mecanismos que envolvem interligação mecânica, difusão molecular, interação eletrostática, molhamento, ligação química e a formação de uma camada limite fraca, todos ocorrendo simultaneamente. O grau de resistência da colagem obtido é determinado tanto pelas propriedades dos dois materiais quanto pelo processo de colagem/união. Para alcançar a adesão ideal, o adesivo (revestimento, tinta ou verniz) deve "molhar" completamente a superfície (aderente) a ser colada.

A colagem por adesão é um "processo" – não apenas uma máquina. Para entender as diferenças entre os métodos de pré-tratamento por plasma, é importante esclarecer qualquer terminologia ambígua às vezes usada por fornecedores para fins de marketing. O design do equipamento, a funcionalidade e a pureza do plasma variam significativamente entre fabricantes, o que tem impacto substancial na qualidade do tratamento, no desempenho do produto e na vida útil.

O SABREEN Group foi o primeiro a patentear o pré-tratamento por plasma corona de superfícies poliméricas tridimensionais para dispositivos eletrônicos militares (US505186, 1991). Os mais de 40 anos de experiência prática da SABREEN em colagem por adesão, adesivos, química de ciência de superfícies, pré-tratamentos de superfície, processos de colagem, modos de falha de adesão, testes analíticos, polímeros, operações de moldagem e integração de sistemas garantem excelência robusta no processo de colagem.

Especialistas em Colagem por Adesão e Pré-tratamento por Plasma

• Examinamos todos os processos – da moldagem à montagem
• Avaliamos múltiplos pré-tratamentos por plasma (equipamento no local)
• Medimos com precisão os fatores críticos do processo – padrão ASTM
• Ângulo de contato, energia de superfície
• Teste de lava-louças
• Adesão, coesão, modo de falha
• Cura e perfil de dosagem
• Abrasão Taber, risco/marca
• Espessura do revestimento úmido/seco
• Resistência química
• Envelhecimento acelerado por UV
• Identificação das causas-raiz críticas dos problemas, validação da solução

Implementação de Soluções de Processo Six Sigma

Pré-tratamentos por Plasma para Limpeza de Superfície e Ativação Química de Materiais

Pré-tratamentos de Superfície por Plasma de Polímeros para Melhorar a Colagem por Adesão

Modificação de Superfície por Plasma Frio de Gás

Modificação de Superfície por Plasma de Chama de Polímeros para Colagem por Adesão

Tratamento Pyrosil® para Melhorar a Adesão de Polímeros – Avanços Ampliam as Aplicações para Plásticos de Baixa Energia de Superfície

Pré-tratamento de Superfície por UV/Ozônio para Melhorar a Adesão de Polímeros

As aplicações de adesão incluem:

• Colagem de plásticos, compósitos e metais
• Revestimentos de plástico e metal
• Impressão a jato de tinta
• Impressão em filmes poliméricos
• Revestimentos hidrofóbicos / hidrofílicos
• Dispositivos microfluídicos
• Revestimentos de plástico, vidro e metais
• Teflon / PTFE

Os problemas de aplicação do processo incluem:

• Treinamento técnico
• Seleção do adesivo
• Textura
• Armazenamento de peças
• Peças contaminadas
• Primer químico
• Ausência de proteção para as mãos
• Temperatura e umidade
• Pré-tratamento inconsistente
• Mistura
• Viscosidade
• Espessura do filme úmido/seco
• Pressão de fixação
• Receita de cura
• Cura em forno
• CQ

Webinar em Destaque com Scott Sabreen

Neste webinar gravado, você terá uma melhor compreensão da ciência por trás do pré-tratamento de superfície de diferentes plásticos e aprenderá a determinar as melhores soluções para os seus desafios de adesão.

Tópicos abordados:

• Falha de adesão versus coesão
• Por que os pré-tratamentos são necessários para substratos plásticos de baixa energia
• Efeitos das operações de moldagem primária na adesão
• Como selecionar o melhor processo de pré-tratamento
• Diagnóstico, solução de problemas e soluções
• Métodos de "melhores práticas" para processos de fabricação
• Estudos de caso reais

Por Que o Pré-tratamento de Superfície É Necessário?

Os materiais plásticos possuem baixa energia de superfície e baixas propriedades de adesão interfacial ao colar adesivos, revestimentos, tintas de impressão e tintas. Os pré-tratamentos de superfície por plasma são usados para promover a adesão entre substratos plásticos de difícil colagem, e a oxidação de superfície por plasma em "fase gasosa" (modificação) é o método de modificação mais comum, comprovadamente altamente eficaz, econômico e seguro para o meio ambiente. A seleção do método a ser utilizado em determinada aplicação pode ser desafiadora. Ao compreender a ciência básica dos ângulos de contato, do molhamento de superfície e da ativação química, praticamente todos os problemas de colagem podem ser resolvidos, mesmo ao utilizar os materiais poliméricos e elastoméricos mais difíceis de colar.

O Que É a Oxidação de Superfície por Plasma em "Fase Gasosa" (Modificação)?

Plasma Atmosférico

Plasma de Chama

Ozônio por Radiação UV

Descarga Corona Elétrica

Plasma de Chama Pyrosil

Fluoroxidação

Plasma de Ar Elétrico

Plasma Frio de Gás

Químico e Mecânico

Qual processo de plasma é o melhor para a sua aplicação? Clique nos botões abaixo para saber mais sobre cada método.

Superfície Hidrofílica

Superfície Hidrofóbica

Molhamento Parcial

O ângulo de contato é o ângulo, geralmente medido através do líquido, no ponto em que uma interface líquido-vapor encontra uma interface sólida. O ângulo de contato quantifica a molhabilidade de uma superfície sólida por um líquido por meio da equação de Young.

Testar o comportamento do fluido considerando apenas o ângulo de contato estático pode levar a interpretações equivocadas dos resultados da interface líquido/sólido e da resolução dos problemas de colagem. Isso ocorre porque as operações de produção industrial são, na prática, mais dinâmicas do que estáticas. Assim, é importante compreender o ângulo de contato dinâmico (DCA). Os ângulos de contato geralmente 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 a medida mais característica do componente modificado da superfície após os pré-tratamentos, conforme medido com soluções dyne. Portanto, é importante medir tanto o ângulo de avanço quanto o de recuo em todos os materiais com superfície modificada.

Quando uma gota é depositada sobre uma superfície sólida e essa superfície é inclinada, a gota avança e desliza para baixo. Os ângulos formados são denominados, respectivamente, ângulo de avanço (θa) e ângulo de recuo (θr). A norma ASTM D724 descreve métodos para medir os DCAs usando equipamentos avançados (tensiômetros ópticos e goniômetros) para analisar os ângulos de avanço e recuo com base na análise da forma e massa da gota.

Ângulos de contato dinâmicos θr e θa

As razões subjacentes pelas quais muitos plásticos são difíceis de colar são o fato de serem materiais hidrofóbicos, apolares, quimicamente inertes e com baixa molhabilidade de superfície – ou seja, baixa energia de superfície. Embora essas propriedades hidrofóbicas (que repelem a água) sejam ideais para projetistas de peças que buscam tais características, elas são o pesadelo dos fabricantes que precisam colar esses materiais. A colagem por adesão robusta geralmente exige superfícies "hidrofílicas". Para que ocorra a adesão ideal, um adesivo (revestimento, tinta ou verniz) deve "molhar" completamente a superfície (aderente) a ser colada.

"Molhar" significa que o líquido flui e cobre uma superfície de modo a maximizar a área de contato e as forças de atração entre o adesivo e a superfície aderente. Para que um líquido molhe efetivamente uma superfície, a energia de superfície do adesivo deve ser igual ou inferior à energia de superfície do aderente a ser colado. Alternativamente, a energia de superfície do substrato deve ser aumentada.

Considere uma única gota de líquido sobre uma superfície sólida plana em repouso (equilíbrio). O ângulo formado pela superfície sólida e pela linha tangente à superfície superior no ponto final é chamado de ângulo de contato; é o ângulo através do líquido entre a linha tangente no ponto de contato e a linha horizontal da superfície sólida. A forma da bolha/gota deve-se às forças moleculares pelas quais todos os líquidos, por contração da superfície, tendem a formar o volume contido em uma forma com a menor área de superfície possível. As forças intermoleculares que contraem a superfície são chamadas de "tensão superficial". A tensão superficial, uma medida da energia de superfície, é expressa em dynes/cm (SI N/m).

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 será o ângulo de contato (Figura 1 na página 2). Como regra geral, uma adesão de colagem aceitável é obtida quando a energia de superfície de um substrato é aproximadamente 8 a 10 dynes/cm maior que a tensão superficial do líquido.

"Molhamento de superfície" em superfícies hidrofílicas versus hidrofóbicas

Para muitas aplicações, pode ser necessário examinar apenas o ângulo de contato de equilíbrio estático usando soluções dyne, de acordo com um procedimento de teste documentado. Kits de aplicação ou "canetas/soluções dyne" fornecem informações úteis, mas não são medições precisas da tensão superficial. As medições de tensão superficial podem variar consideravelmente conforme o indivíduo (técnica) e a interpretação do comportamento do líquido no "centro". As canetas/soluções dyne são conhecidas por indicar diferenças significativas na tensão superficial e são capazes de identificar superfícies "boas" e "ruins" para colagem a um custo econômico. Soluções dyne em frasco podem ser preferíveis às canetas devido a problemas de contaminação decorrentes de múltiplos usos.

Melhor método para inspecionar a qualidade da superfície:

O Surface Analyst™ 2001 é um dispositivo digital portátil para medir ângulos de contato em linha de produção sem o uso de soluções químicas dyne. O método é não destrutivo; assim, a peça pode ser processada normalmente – diferentemente do teste com solução dyne, no qual a peça é raspada. Inventado pela BTG Labs, o Surface Analyst™ foi projetado para colocar tecnologia de medição de superfície de precisão nas mãos de técnicos de chão de fábrica, em operações nas quais a condição da superfície é criticamente importante, como colagem por adesão, pintura, revestimento, impressão e descontaminação. Usando uma técnica patenteada chamada "deposição balística", o dispositivo deposita uma gota de água altamente purificada sobre a superfície do substrato.

Ao conhecer o volume e a área de uma gota de água, o dispositivo calcula o ângulo de contato da água em relação a uma determinada superfície. O dispositivo fornece feedback imediato ao usuário, com um número quantificável ou um alerta de aprovação/reprovação. Os dados de inspeção fornecidos pelo dispositivo permitem que os usuários determinem se o substrato foi adequadamente preparado para os processos de adesão, substituindo as soluções dyne destrutivas. A unidade portátil funciona em qualquer orientação e opera em superfícies lisas ou texturizadas, como TPOs granulados. Esses dados podem ser usados para a melhoria contínua do processo, identificando desvios de qualidade que possam sinalizar problemas iminentes ou para identificar a causa crítica de falhas do produto.

Surface Analyst da BTG Labs. Fotos cortesia da BTG LABS (513.469.1800).

Há uma forte tendência entre os fabricantes de se concentrarem apenas nos ângulos de contato ou em outras medições de molhabilidade como único indicador 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 e se tornam superfícies hidrofílicas coláveis. Os processos de pré-tratamento por oxidação de superfície em fase gasosa, por "descarga luminescente", são usados para a ativação química da superfície. Esses processos se caracterizam pela capacidade de gerar "plasma gasoso", um gás extremamente reativo composto por elétrons livres, íons positivos e outras espécies. Os plasmas costumam ser descritos como um quarto estado da matéria. À medida que a energia é fornecida, os sólidos se fundem em líquidos, os líquidos vaporizam-se em gases e os gases se ionizam em "plasmas".

Na física, os mecanismos pelos quais esses plasmas são gerados são diferentes, mas seus efeitos sobre a molhabilidade da superfície são semelhantes. A reação química e física básica que ocorre é que elétrons livres, íons, metaestáveis, radicais e UV gerados no plasma podem atingir uma superfície com energia suficiente para romper as ligações moleculares na superfície da maioria dos substratos poliméricos. Isso cria radicais livres altamente 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 carbonila (C=O), carboxila (HOOC), hidroperóxido (HOO-) e hidroxila (HO-). Mesmo pequenas quantidades de grupos funcionais reativos incorporados aos polímeros podem ser altamente 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 os pré-tratamentos.

O grau ou a qualidade do pré-tratamento para uma resistência de adesão robusta é afetado pela limpeza das superfícies plásticas. A superfície deve estar limpa para se alcançar um pré-tratamento ideal e a consequente adesão. As fontes de contaminação nas superfícies do produto que inibem o tratamento incluem sujeira, poeira, graxa e óleo. Materiais de baixo peso molecular, como silicones, agentes desmoldantes e antiderrapantes, são especialmente prejudiciais para a colagem. A pureza do material também é um fator importante. Além disso, certos agentes compostos solúveis ou insolúveis usados em pigmentos e corantes podem afetar negativamente a adesão.

A vida útil (degradação por envelhecimento do tratamento) dos plásticos tratados depende do tipo de resina, da formulação e do ambiente 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 é o envelhecimento do pré-tratamento. As superfícies tratadas por plasma envelhecem em ritmos e graus diferentes, conforme fatores do ambiente circundante. As características de envelhecimento e a vida útil de armazenamento são essenciais para as operações do processo de fabricação. As superfícies ativadas podem ter uma vida útil de horas, dias, meses ou mais. Recomenda-se colar, revestir, pintar ou decorar os produtos o quanto antes após o pré-tratamento.

Reconheça que cada método de pré-tratamento de superfície é específico para cada aplicação e pode apresentar vantagens exclusivas e limitações potenciais. Para obter resultados robustos, considere os seguintes fatores:

• Os polímeros reagem de forma diferente aos processos de oxidação. O tipo de substrato polimérico e seus requisitos de desempenho de uso final são fundamentais para determinar a seleção do método de pré-tratamento.
• O substrato (produto a ser tratado) é condutor? Por exemplo, corpos de conectores eletrônicos plásticos não montados – sem pinos de contato metálicos – podem ser tratados eletricamente, enquanto conectores montados podem apresentar problemas de arco elétrico.
• Geometria da peça – superfícies planas são tratadas com mais facilidade em comparação a rebaixos profundos, afunilamentos extremos e outras irregularidades de forma. Os testes de molhamento são difíceis de realizar em áreas pequenas e em superfícies fortemente texturizadas.
• Automação de manuseio de materiais: correias e correntes condutoras podem causar arco elétrico com os tratadores clássicos de descarga corona elétrica e tratadores pontuais. Alternativamente, considere o uso de plasma de chama, plasma frio de gás ou plasma atmosférico de baixo potencial.
• Evite o sobretratamento. Superfícies excessivamente oxidadas por plasma podem afetar negativamente processos de montagem subsequentes, como selagem/soldagem térmica.
• Nem todos os equipamentos de pré-tratamento são iguais. Examine a qualidade dos sistemas construídos em operação. Para processos de tratamento elétrico, observe a uniformidade da descarga de plasma; para o tratamento a chama, considere as diferenças entre queimadores de fita e de portas perfuradas, além dos componentes do sistema de combustão; para o plasma frio de gás, examine a qualidade da construção da câmara, das prateleiras de eletrodos e, principalmente, do fabricante da bomba de vácuo.

A rugosidade de superfície é o grau de irregularidade da superfície de um sólido, abaixo da escala de magnitude de sua forma ou ondulação, mas acima da irregularidade das estruturas da rede cristalina.

O grau de rugosidade afeta a molhabilidade de um sólido. Como a rugosidade está diretamente relacionada ao aumento da área de superfície, ela afeta a molhabilidade de um sólido, o ângulo de contato de um líquido e a adesão.

Este procedimento descreve um método para testar e medir a tensão de molhamento de superfície (ou seja, a energia de superfície) de substratos plásticos usando canetas marcadoras de teste dyne.

Os testes de molhamento de superfície devem ser realizados imediatamente após o pré-tratamento (descarga corona, tratamento a chama, plasma de gás por RF). As superfícies tratadas são sensíveis ao tempo e são afetadas por condições ambientais, como temperatura e umidade. Os substratos devem ter superfícies limpas para uma adesão ideal. Sujeira, poeira, óleos das mãos/dedos, produtos à base de silicone e outros contaminantes prejudicam a adesão e podem causar resultados de teste incorretos.

1.0 Materiais / Equipamentos

• Canetas marcadoras dyne – níveis disponíveis: 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 60
• Produtos a serem testados
• Luvas plásticas
• Toalhas Chemwipes ou toalhas de papel
• Medidores de temperatura e umidade
• Área de trabalho limpa

2.0 Método

• Registre a temperatura e a umidade ambiente.
• Selecione a caneta dyne 60 e remova a tampa.
• Coloque o produto a ser testado sobre uma superfície plana e pressione firmemente a ponta aplicadora da caneta marcadora contra o produto até que a solução seja puxada para dentro da ponta.
• Com um toque leve, passe a caneta ao longo da superfície pré-tratada uma vez para aplicar uma fina camada de líquido.
• Recomendam-se passadas paralelas. O excesso de solução resultará em leitura incorreta.
• Anote o tempo que o líquido leva para se romper em gotículas. A leitura do comportamento do líquido deve ser observada no centro do líquido.
• Se o líquido não se romper em gotículas após dois (2) segundos, considera-se que a energia de superfície é de no mínimo 60 dynes. Prossiga para a etapa 2.7. Se o líquido se romper em gotículas em menos de dois (2) segundos, repita o teste usando a próxima caneta marcadora dyne de valor inferior. Ajustes no processo de pré-tratamento podem ser necessários.
• O teste é concluído quando todas as superfícies alcançam os resultados de molhamento desejados.
• Descarte adequadamente os produtos testados.

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