การปรับสภาพพื้นผิวด้วย UV/โอโซนเพื่อปรับปรุงการยึดเกาะของพอลิเมอร์

การปรับสภาพพื้นผิวด้วย UV/โอโซนเพื่อปรับปรุงการยึดเกาะของพอลิเมอร์

หมายเหตุจากผู้เขียน: ปัญหาการพิมพ์และการยึดเกาะบนพอลิเมอร์และยางหลายชนิดพบได้ทั่วไปในอุตสาหกรรม สาเหตุส่วนหนึ่งมาจากพลังงานพื้นผิวที่ต่ำโดยธรรมชาติของพอลิเมอร์ รวมถึงปัจจัยอื่น ๆ กระบวนการออกซิเดชันพื้นผิวสามารถออกซิไดซ์พื้นผิวพอลิเมอร์ ทำให้เปียกผิวได้ง่ายขึ้น

การปรับสภาพด้วยรังสีอัลตราไวโอเลต (UV)/โอโซนเป็นกระบวนการออกซิเดชันด้วยแสงที่มีประสิทธิภาพสูงในการกำจัดสิ่งปนเปื้อนอินทรีย์ออกจากพื้นผิวพอลิเมอร์และปรับปรุงการยึดเกาะ กระบวนการนี้ดำเนินการที่สภาวะแวดล้อมปกติ ใช้งานง่าย และมีต้นทุนต่ำ บทความนี้กล่าวถึงการปรับสภาพด้วย UV/โอโซน กลไกทางเคมี และข้อดีในการใช้งาน

เทอร์โมพลาสติกเป็นวัสดุรองรับที่ไม่มีขั้ว ไม่ชอบน้ำโดยธรรมชาติ และมีพลังงานพื้นผิวต่ำ จึงโดยทั่วไปยึดเกาะกับวัสดุชนิดเดียวกันหรือต่างชนิดได้ไม่ดี สาเหตุหลักคือชั้นขอบเขตที่อ่อนแอซึ่งเกิดจากสิ่งเจือปนในระหว่างการพอลิเมอไรเซชัน สารโมเลกุลต่ำที่อยู่บนพื้นผิว สารเติมแต่ง เช่น สารต้านอนุมูลอิสระและสารลดแรงเสียดทาน สารช่วยกระบวนการภายนอก เช่น สารปลดแบบ และสิ่งปนเปื้อนหลังการผลิต

ประเด็นสำคัญ

• ความยาวคลื่นสองค่าทำหน้าที่หลัก 184.9 nm สร้างโอโซน ส่วน 253.7 nm แยกโอโซนออกเป็นออกซิเจนอะตอมที่ว่องไวสูง
• เป็นวิธีที่อ่อนโยนกว่าพลาสมาออกซิเจนแบบแก๊สเย็น เพราะไม่มีอนุภาคที่มีพลังงานจลน์สูงเกี่ยวข้อง
• UV/โอโซนเข้าถึงเนื้อวัสดุได้ลึกกว่าการปรับสภาพด้วยเปลวไฟ โคโรนา หรือพลาสมา
• ควรทำความสะอาดเบื้องต้นก่อน UVO กำจัดสิ่งปนเปื้อนอินทรีย์ได้ดี แต่ไม่ได้ผลกับสิ่งสกปรกอนินทรีย์ ฝุ่น และเกลือ
• สภาวะการจัดเก็บส่งผลต่ออายุการเก็บรักษา — การจัดเก็บแบบลดความชื้นหรือสุญญากาศช่วยยับยั้งการคืนสภาพไม่ชอบน้ำของ COC และ PC แต่ไม่ได้ผลกับ PMMA

คำถามที่พบบ่อย

การปรับสภาพด้วย UV/โอโซนทำงานอย่างไร

หลอดไอปรอทความดันต่ำให้ความยาวคลื่น 184.9 nm และ 253.7 nm โดย 184.9 nm ทำให้โมเลกุลออกซิเจนแตกตัวและสังเคราะห์โอโซน ส่วน 253.7 nm ทำให้โอโซนนั้นแตกตัวเป็นออกซิเจนอะตอมที่ถูกกระตุ้นและมีพลังงานสูง เมื่อเข้าสู่สภาวะคงตัว ความเข้มข้นของออกซิเจนอะตอมจะทำหน้าที่เป็นสารออกซิไดซ์ที่รุนแรง ดึงไฮโดรเจนออกจากสายโซ่พอลิเมอร์

พอลิเมอร์ชนิดใดตอบสนองต่อ UV/โอโซนได้ดี

ABS, COC, COP, EPDM, PDMS, PET, PMMA, พอลิโอเลฟิน, SBS, พอลิคาร์บอเนต, PVC และสไตรีน กระบวนการนี้เหมาะเป็นพิเศษสำหรับการเพิ่มการไหลของของเหลวแบบแคพิลลารีสูงสุดในอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกทางการแพทย์ และการกระตุ้นพื้นผิวเทอร์โมพลาสติกและยางในผลิตภัณฑ์รองเท้า

เพียงแสง UV อย่างเดียวเพียงพอหรือไม่ หรือต้องใช้โอโซนด้วย

ขึ้นอยู่กับชนิดของพอลิเมอร์ พอลิเมอร์บางชนิดแสดงให้เห็นว่าโฟโตออกซิเดชันเมื่อมีโอโซนมีประสิทธิภาพมากกว่าการใช้โอโซนหรือแสง UV เพียงอย่างเดียว ในขณะที่พอลิเมอร์ชนิดอื่นใช้แสง UV อย่างเดียวก็เพียงพอ พอลิเมอร์ทุกชนิดไม่ได้ตอบสนองเหมือนกัน จึงต้องมีการปรับให้เหมาะสมเสมอ

UV/โอโซนทำความสะอาดพื้นผิวได้ด้วยหรือไม่ นอกเหนือจากการกระตุ้น

โดยทั่วไปกำจัดสิ่งปนเปื้อนอินทรีย์ได้ดี แต่ไม่ได้ผลกับสิ่งปนเปื้อนอนินทรีย์ ควรทำความสะอาดวัสดุรองรับเบื้องต้นเพื่อกำจัดสิ่งสกปรก ฝุ่น และเกลือ ซึ่งไม่สามารถเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ระเหยได้ด้วยการออกซิไดซ์

พื้นผิวที่ผ่านการปรับสภาพด้วย UV/โอโซนคงสภาพได้นานเท่าใด

นานกว่าที่เคยคาดไว้ รายงานก่อนหน้านี้ระบุว่าความเสถียรต่อการเสื่อมสภาพสั้นกว่าการปรับสภาพด้วยออกซิเดชันวิธีอื่น แต่การศึกษาล่าสุดแสดงว่าคงสภาพได้หลายเดือน และสภาวะการจัดเก็บมีผลอย่างมาก การคืนสภาพไม่ชอบน้ำของ COC และ PC ยับยั้งได้ด้วยการจัดเก็บแบบลดความชื้นหรือสุญญากาศ ขณะที่ PMMA ไม่ได้รับอิทธิพลจากสภาวะการจัดเก็บอย่างมีนัยสำคัญ

การปรับปรุงพื้นผิวพอลิเมอร์ที่พบบ่อยที่สุดคือออกซิเดชัน แม้ปัจจัยต่าง ๆ เช่น ลักษณะพื้นผิวจะช่วยปรับปรุงการเปียกผิว แต่การใช้การปรับสภาพด้วยพลาสมาเพื่อส่งเสริมการยึดเกาะระหว่างวัสดุรองรับพลาสติกที่ยึดติดยากก็แก้ปัญหาการยึดติดได้หลายอย่าง การปรับสภาพด้วยพลาสมาประกอบด้วยโคโรนาไฟฟ้า พลาสมาความดันบรรยากาศ พลาสมาแก๊สเย็นระยะไกล เปลวไฟ และ UV/โอโซน

กระบวนการเหล่านี้มีลักษณะเฉพาะคือสามารถสร้าง “พลาสมาแก๊ส” ซึ่งเป็นแก๊สที่ว่องไวมาก ประกอบด้วยอิเล็กตรอนอิสระ ไอออนบวก และอนุภาคอื่น ๆ นอกจากนี้ยังเกิดการเติมหมู่ฟังก์ชันเคมีบนพื้นผิวด้วย โดยทั่วไป UV/โอโซนถือว่าอ่อนโยนกว่าพลาสมาออกซิเจนแบบแก๊สเย็น เนื่องจากไม่มีอนุภาคที่มีพลังงานจลน์สูง

การให้พอลิเมอร์สัมผัสกับรังสีอัลตราไวโอเลตและโอโซนเพื่อปรับปรุงพื้นผิวและการยึดเกาะนั้นมีการปฏิบัติมานานหลายทศวรรษ งานวิจัยและการใช้งานในอุตสาหกรรมใช้แสง UV ร่วมกับโอโซนบนพอลิเมอร์เฉพาะชนิดเพื่อให้การปรับสภาพได้ผลสูงสุด ได้แก่ แสง UV ในอากาศ (ก่อให้เกิดโอโซน) แสง UV ในอากาศ (ก่อให้เกิดโอโซน) เสริมด้วยโอโซนเพิ่มเติมในอากาศที่ป้อนเข้า และโอโซนอย่างเดียว ประสิทธิผลของการปรับสภาพขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของพอลิเมอร์ที่รับแสงและการตั้งค่ากระบวนการ การตรวจสอบระดับการดูดซับออกซิเจนช่วยระบุได้ว่าการปรับปรุงพื้นผิวเกิดขึ้นเร็วเพียงใด

การใช้งานการปรับสภาพด้วย UV/โอโซน

ข้อดีของระบบ UV/โอโซนสมัยใหม่ทำให้เป็นวิธีปรับสภาพที่นิยมสำหรับการใช้งานแบบ 3 มิติหลายประเภทที่ต้องการความสามารถในการเปียกผิวและการยึดติดด้วยแรงยึดเกาะที่แข็งแรง กระบวนการนี้เป็นระบบแห้ง ดำเนินการที่สภาวะแวดล้อมปกติ ใช้งานง่าย และมีต้นทุนต่ำ UV/โอโซนเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเพิ่มการไหลของของเหลวแบบแคพิลลารีสูงสุดในอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกทางการแพทย์ รวมถึงการกระตุ้นและเติมหมู่ฟังก์ชันบนพื้นผิวเทอร์โมพลาสติกและยางที่ใช้ในผลิตภัณฑ์รองเท้า พอลิเมอร์ที่ได้ประโยชน์จาก UV/โอโซน ได้แก่ ABS, COC, COP, EPDM, PDMS, PET, PMMA, พอลิโอเลฟิน, SBS, พอลิคาร์บอเนต, PVC และสไตรีน

การปรับสภาพด้วย UV/โอโซน

รังสี UV เป็นส่วนเล็ก ๆ ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ครอบคลุมช่วง 100 ถึง 400 nm การปรับสภาพด้วย UV/โอโซน หรือ “UVO” เป็นกระบวนการออกซิเดชันแบบโฟโตเซนซิไทซ์ ซึ่งโมเลกุลบนพื้นผิววัสดุรองรับหรือสิ่งปนเปื้อนอินทรีย์ถูกกระตุ้นและ/หรือแตกตัวจากการดูดกลืนรังสี UV ความยาวคลื่นสั้น รังสี UV (ความยาวคลื่น = 185 nm) กำจัดสิ่งปนเปื้อนออกจากพื้นผิวโดยทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในบรรยากาศเป็นออกซิเจนอะตอมและโอโซน ซึ่งเป็นสารออกซิไดซ์ที่รุนแรงทั้งคู่ โอโซนดูดกลืนรังสี UV 254 nm และแตกตัวเป็นออกซิเจนโมเลกุลและออกซิเจนอะตอม

เมื่อโมเลกุลพอลิเมอร์ได้รับรังสี UV โดยทั่วไปจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนอะตอมที่เกิดจากการแตกตัวของโมเลกุลออกซิเจนอย่างต่อเนื่องและการสร้างโมเลกุลโอโซน ผ่านกลไกดังต่อไปนี้

• หลอดกริดปล่อยประจุไอปรอทความดันต่ำให้ความยาวคลื่นสองค่า คือ 184.9 nm และ 253.7 nm
• UV 184.9 nm ทำให้โมเลกุลออกซิเจนแตกตัวและสังเคราะห์โอโซน O3 โดยโมเลกุลออกซิเจนเปลี่ยนเป็นออกซิเจนโมเลกุลสถานะกระตุ้น O2* เมื่อได้รับรังสี 184.9 nm
• UV 253.7 nm ทำให้โอโซนแตกตัวและให้ออกซิเจนที่ถูกกระตุ้น O* พลังงานสูง เมื่อมีไอน้ำจะเกิดหมู่ไฮดรอกซิลเรดิคัลด้วย วัสดุรองรับพอลิเมอร์ถูกออกซิไดซ์ด้วยออกซิเจนอะตอม ออกซิเจนโมเลกุล และโอโซนผ่านการดึงอะตอมไฮโดรเจนออกจากสายโซ่พอลิเมอร์ เกิดตำแหน่งคาร์บอนเรดิคัล และน่าจะพบหมู่ไฮดรอกซิลและคาร์บอกซิลบนพื้นผิวพอลิเมอร์หลังการปรับสภาพด้วยโอโซน

เนื่องจากโอโซนถูกสร้างและสลายตัวอย่างต่อเนื่อง จึงเกิดความเข้มข้นของออกซิเจนอะตอมในสภาวะคงตัว ซึ่งทำหน้าที่เป็นสารออกซิไดซ์ที่รุนแรง ออกซิเดชันทำให้พื้นผิวมีพลังงานสูงขึ้น จึงเพิ่มความชอบน้ำและปรับปรุงความสามารถในการเปียกผิว

การปรับสภาพด้วย UVO ได้รับอิทธิพลอย่างมากจากเวลาที่สัมผัส ความเข้มของ UV ระยะห่างจากแหล่งกำเนิด UV ความเข้มข้นของโอโซน อัตราการไหลของแก๊ส และอุณหภูมิ ผลเหล่านี้ขึ้นอยู่กับลักษณะการดูดกลืน UV ของระบบพอลิเมอร์เป็นอย่างมาก รวมถึงสารตัวเติมและสารเติมแต่ง พอลิเมอร์ทุกชนิดไม่ได้ตอบสนองต่อรังสี UV เหมือนกัน

จำเป็นต้องปรับพารามิเตอร์ของวัสดุและสภาวะกระบวนการให้เหมาะสมเสมอเพื่อให้ได้คุณสมบัติพื้นผิวตามต้องการ งานศึกษาบางชิ้นในพอลิเมอร์และกระบวนการเฉพาะแสดงว่าโฟโตออกซิเดชันเมื่อมีโอโซนมีประสิทธิภาพมากกว่าออกซิเดชันด้วยโอโซนหรือแสง UV เพียงอย่างเดียว ในขณะที่พอลิเมอร์อื่นใช้แสง UV อย่างเดียวก็เพียงพอ

การทำความสะอาดเบื้องต้น

การทำความสะอาดด้วย UVO โดยทั่วไปมีประสิทธิภาพในการกำจัดสิ่งปนเปื้อนอินทรีย์ แต่อาจไม่ได้ผลกับสิ่งปนเปื้อนอนินทรีย์ แนะนำให้ทำความสะอาดวัสดุรองรับพอลิเมอร์เบื้องต้นเพื่อกำจัดสิ่งสกปรก ฝุ่น และเกลือ ซึ่งไม่สามารถเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ระเหยได้ด้วยการออกซิไดซ์

ความเสถียรของพอลิเมอร์ที่ผ่านการปรับสภาพด้วย UVO

อายุการเก็บรักษา (การเสื่อมสภาพของการปรับสภาพ) ของพลาสติกที่ผ่านการปรับสภาพขึ้นอยู่กับชนิดของเรซิน สูตรส่วนผสม และสภาพแวดล้อมของพื้นที่จัดเก็บ อายุการเก็บรักษาของผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการปรับสภาพถูกจำกัดโดยวัสดุออกซิไดซ์โมเลกุลต่ำ (LMWOM) เช่น สารต้านอนุมูลอิสระ พลาสติไซเซอร์ สารลดแรงเสียดทานและสารป้องกันไฟฟ้าสถิต สารให้สีและเม็ดสี สารเสถียร เป็นต้น การให้พื้นผิวที่ผ่านการปรับสภาพสัมผัสอุณหภูมิสูงจะเพิ่มความคล่องตัวของสายโซ่โมเลกุล ยิ่งสายโซ่เคลื่อนที่ได้มาก การเสื่อมสภาพก็ยิ่งเร็ว พื้นผิวที่ผ่านการปรับสภาพเสื่อมด้วยอัตราและระดับที่แตกต่างกันตามปัจจัยของสภาพแวดล้อมโดยรอบ พื้นผิวที่ถูกกระตุ้นอาจมีอายุการเก็บรักษาเป็นชั่วโมง วัน เดือน หรือนานกว่านั้น ลักษณะการเสื่อมสภาพและอายุการเก็บรักษามีความสำคัญต่อการดำเนินงานในกระบวนการผลิต

การศึกษาและรายงานการใช้งานบางฉบับชี้ว่าพลาสติกที่ผ่านการปรับสภาพด้วย UVO อาจมีความเสถียรต่อการเสื่อมสภาพสั้นกว่าการปรับสภาพด้วยออกซิเดชันวิธีอื่น ซึ่งอาจจำกัดการใช้งานที่ต้องจัดเก็บระยะยาว การศึกษาใหม่แสดงว่าพลาสติกที่ผ่านการปรับสภาพด้วย UVO คงสภาพได้หลายเดือน และสภาวะการจัดเก็บมีผลอย่างมากต่อความเสถียรของพื้นผิว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การคืนสภาพไม่ชอบน้ำของ COC และ PC ที่ผ่านการปรับสภาพด้วย UVO สามารถยับยั้งได้ด้วยการจัดเก็บในสภาวะลดความชื้นหรือสุญญากาศ ขณะที่ความเสถียรของ PMMA ไม่ได้รับอิทธิพลจากสภาวะการจัดเก็บอย่างมีนัยสำคัญ ที่สำคัญกว่านั้น ผลการวัดเหล่านี้แสดงว่าอิทธิพลของสภาวะการจัดเก็บต่อการคืนสภาพไม่ชอบน้ำแตกต่างกันในพลาสติกแต่ละชนิด

บทสรุป

การปรับสภาพด้วย UV/โอโซนเป็นกระบวนการออกซิเดชันด้วยแสงที่มีประสิทธิภาพสูงในการกำจัดสิ่งปนเปื้อนอินทรีย์ออกจากพื้นผิวพอลิเมอร์และปรับปรุงการยึดเกาะ กระบวนการนี้ดำเนินการที่สภาวะแวดล้อมปกติ ใช้งานง่าย และมีต้นทุนต่ำ จำเป็นต้องปรับพารามิเตอร์ของวัสดุและสภาวะกระบวนการให้เหมาะสมเสมอเพื่อให้ได้คุณสมบัติพื้นผิวตามต้องการ ความสามารถในการเปียกผิวได้รับอิทธิพลอย่างมากจากเวลาที่สัมผัส ความเข้มของ UV ระยะห่างจากแหล่งกำเนิด UV และความเข้มข้นของโอโซน

พอลิเมอร์ทุกชนิดไม่ได้ตอบสนองต่อรังสี UV เหมือนกัน การศึกษาแสดงว่าสำหรับพอลิเมอร์บางชนิด โฟโตออกซิเดชันเมื่อมีโอโซนมีประสิทธิภาพมากกว่าออกซิเดชันด้วยโอโซนหรือแสง UV เพียงอย่างเดียว พอลิเมอร์และยางที่ผ่านการปรับสภาพด้วย UVO มักมีอายุการเก็บรักษายาวนาน อายุการเก็บรักษาของผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการปรับสภาพถูกจำกัดโดยวัสดุออกซิไดซ์โมเลกุลต่ำและสภาวะการจัดเก็บโดยรอบ การคืนสภาพไม่ชอบน้ำของพลาสติกบางชนิดสามารถยับยั้งเพิ่มเติมได้ด้วยการจัดเก็บในสภาวะลดความชื้นหรือสุญญากาศ อิทธิพลของสภาวะการจัดเก็บต่อการคืนสภาพไม่ชอบน้ำแตกต่างกันในพลาสติกแต่ละชนิด

เอกสารอ้างอิง

• Keller RW. In: Cheremisinoff NP, editor. Handbook of polymer science and technology. Oxidation and ozonation of rubber, Vol. II. New York: Marcel Dekker; 1989.
• Tung-Yi Lin et al. Stability of UV/ozone-treated thermoplastics under different storage conditions for microfluidic analytical devices. The Royal Society of Chemistry, 2017
• Man Lung Sham et al., Cleaning and Functionalization of Polymer Surfaces and Nanoscale Carbon Fillers by UV/Ozone Treatment: A Review, 2009
• Mark Strobel, Mary Jane Walzak, Josephine M. Hill, Amy Lin, Elizabeth Karbashewski & Christopher S. Lyons (2012) A comparison of gas-phase methods of modifying polymer surfaces, Journal of Adhesion Science and Technology, 9:3, 365-383, DOI: 10.1163/156856195X00554
• Scarlett Wang, How to UV Ozone Cleaning, 2014
• Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc. “Plasma Surface Pretreatments of Polymers for Improved Adhesion Bonding,” Plastics Decorating magazine, 2018

Scott R. Sabreen เป็นผู้ก่อตั้งและประธานของ The Sabreen Group, Inc. ซึ่งเป็นบริษัทที่ปรึกษาด้านวิศวกรรมที่เชี่ยวชาญกระบวนการผลิตพลาสติกขั้นที่สอง ได้แก่ การปรับสภาพพื้นผิว การยึดติดด้วยแรงยึดเกาะ การพิมพ์อิงก์เจ็ท การมาร์กด้วยเลเซอร์ สารเคลือบอุตสาหกรรม การตกแต่งและการเก็บงานผิว และความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ มีประสบการณ์พัฒนาเทคโนโลยีบุกเบิกและแก้ปัญหาการผลิตมามากกว่า 30 ปี ติดต่อได้ที่ 972.820.6777 หรือเยี่ยมชม www.sabreen.com

---