พอลิไวนิลคลอไรด์ (PVC)

พอลิไวนิลคลอไรด์ (PVC)

ประเด็นสำคัญ

• คลอรีนเป็นตัวกำหนดคุณลักษณะของ PVC คลอรีน 57 wt% ให้ความต้านทานการติดไฟ (LOI ราว 45) พื้นผิวมีขั้วใกล้ 39 dyne/cm และเชื่อมด้วยคลื่นวิทยุได้ แต่ก็ปล่อย HCl ทุกครั้งที่เลเซอร์ทำให้พอลิเมอร์สลายตัว
• PVC แบบแข็งและแบบอ่อนแปรรูปต่างกัน พลาสติไซเซอร์ 20–50 phr ทำให้ Tg ต่ำกว่าอุณหภูมิห้องและซึมขึ้นสู่ผิว ละลายหมึกและกาว
• มาร์กด้วยเลเซอร์ได้ง่ายโดยการคาร์บอไนซ์ แต่ทุกรอยมาร์กและทุกการตัดจะเกิด HCl จึงต้องระบุการจัดการไอเสียไว้ในข้อกำหนด
• การฆ่าเชื้อเปลี่ยนสภาพวัสดุ รังสีแกมมาทำให้ PVC เหลือง ควรตรวจสอบความคมชัดของรอยมาร์กและแรงยึดติดหลังผ่านรอบการฆ่าเชื้อ

พอลิไวนิลคลอไรด์ (PVC)

พอลิไวนิลคลอไรด์ (PVC) เป็นเทอร์โมพลาสติกอสัณฐานที่พอลิเมอไรซ์จากไวนิลคลอไรด์โมโนเมอร์ มีคลอรีนราว 57 wt% ผสมเป็นสูตรแบบแข็ง (uPVC) สำหรับท่อ โปรไฟล์ บัตร และป้าย หรือเมื่อผสมพลาสติไซเซอร์ 20–50 phr จะเป็นแบบอ่อนสำหรับท่อทางการแพทย์ ถุง และปลอกหุ้มสายเคเบิล คลอรีนให้ความต้านทานการติดไฟ ความมีขั้วของพื้นผิว การสูญเสียไดอิเล็กทริก และอันตรายหลักในการแปรรูป คือพอลิเมอร์จะเสียไฮโดรเจนคลอไรด์ตั้งแต่ราว 140°C และปล่อยก๊าซไฮโดรเจนคลอไรด์

ไม่มีการแปรรูป PVC เพียวล้วน ทุกคอมพาวด์มีสารเสถียรต่อความร้อน (แคลเซียม-ซิงก์ ออร์แกโนทินสำหรับเกรดใส และตะกั่วในท่อรุ่นเก่า) สารหล่อลื่น และเม็ดสี ส่วนเกรดอ่อนเติมพลาสติไซเซอร์ CPVC ที่ผ่านการคลอรีนเพิ่มเป็น 63–69 wt% ทำให้ Tg และอุณหภูมิใช้งานสูงขึ้นราว 30°C

เกรดและคุณสมบัติ

เมื่อเปรียบเทียบกัน พอลิเอทิลีนและพอลิโพรพิลีนมีค่า 29–31 dyne/cm และปล่อยเพียงไฮโดรคาร์บอนภายใต้เลเซอร์ PVC จึงทำให้เปียกผิวและมาร์กได้ง่ายกว่า แต่ระบายไอเสียได้ยากกว่า

พลาสติไซเซอร์ สารเสถียร และการย้ายตัว

พาทาเลต (DEHP, DINP, DIDP) ยังเป็นพลาสติไซเซอร์ปริมาณมากสำหรับสายเคเบิลและสินค้าทั่วไป ส่วนชนิดที่ไม่ใช่พาทาเลต (DINCH, DEHT, TOTM, ซิเตรต) เข้าแทนที่ DEHP ในคอมพาวด์ทางการแพทย์และของเล่น ซึ่ง EU MDR 2017/745 กำหนดให้ติดฉลากพลาสติไซเซอร์ประเภท CMR ที่เกิน 0.1 wt% การย้ายตัวลดลงตามน้ำหนักโมเลกุล: TOTM ที่ 547 g/mol ย้ายตัวน้อยกว่า DEHP ที่ 391 g/mol มาก

การย้ายตัวเป็นตัวกำหนดทุกอย่างในขั้นตอนถัดไป พลาสติไซเซอร์ขึ้นสู่ผิวเป็นฟิล์มของเหลว ลดพลังงานพื้นผิวลง 4–8 dyne/cm และละลายเข้าไปในหมึกหรือกาวที่อยู่ด้านบน เกรดแคลเซียม-ซิงก์และออร์แกโนทินมาร์กได้สะอาด ส่วนปริมาณไทเทเนียมไดออกไซด์เป็นตัวกำหนดว่าจะได้รอยมาร์กสีอ่อนแบบฟูตัวหรือรอยสีเข้ม

การมาร์กและการตัด PVC ด้วยเลเซอร์

PVC มาร์กด้วยการคาร์บอไนซ์ ความร้อนจากเลเซอร์ดึง HCl ออกจากสายโซ่ ทิ้งพอลิอีนแบบคอนจูเกตที่ปรากฏเป็นสีเข้ม ไฟเบอร์เลเซอร์ที่ 1064 nm มาร์กเกรดที่ผสมสีและเติมสารเติมเต็มที่ 20–80 kHz และ 300–1,500 mm/s ส่วน UV ที่ 355 nm มาร์กเกรดใส สีขาว และเกรดอ่อนบางที่มีเขตรับผลกระทบจากความร้อนเล็กที่สุด ส่วน CO2 ที่ 10.6 µm แกะสลักได้และให้รอยมาร์กที่ดูหม่น พารามิเตอร์อยู่ในคู่มือการผลิตการมาร์ก PVC ด้วยเลเซอร์

ผลพลอยได้คือปัญหา การสลายตัวของไฮโดรเจนคลอไรด์เต็มที่ให้ HCl 0.58 g ต่อ PVC 1 g เมื่อรวมกับความชื้นในอากาศจะกลายเป็นกรดไฮโดรคลอริกที่กัดกร่อนสารเคลือบกระจกกัลวาโนและเลนส์ f-theta รวมถึงตัวเซลล์ การมาร์กกำจัดวัสดุไมโครกรัมต่อชิ้น จัดการได้ด้วยการดูดที่ต้นทางผ่านตัวกรองเบื้องต้นและชั้นถ่านกัมมันต์ชุบด่าง ส่วนการตัดกำจัดวัสดุเป็นกรัม ทำให้ตัวกรองอิ่มตัวภายในไม่กี่ชั่วโมง และเกิดสารอินทรีย์คลอรีนในกลุ่มควันที่เย็นกว่า มวลสมดุลนี้ รวมถึงการยกเว้นการรับประกัน เป็นเหตุผลที่โรงงานส่วนใหญ่ปฏิเสธการตัด PVC ด้วยเลเซอร์ (ดูการตัดด้วยเลเซอร์เทียบกับการแกะสลัก) ค่าเพดานการสัมผัสคือ 2 ppm (ACGIH) และ 5 ppm (OSHA)

การพิมพ์ การยึดติด การเคลือบ และการเชื่อม

PVC แบบแข็งตกแต่งได้ง่าย หมึกสกรีน แพด และอิงก์เจ็ทฐานตัวทำละลายกัดเข้าสู่ผิว ซีเมนต์ตัวทำละลาย (THF, ไซโคลเฮกซาโนน และส่วนผสม MEK ตาม ASTM D2564) เชื่อมท่อแทนที่จะเป็นกาว ไซยาโนอะคริเลต พอลิยูรีเทน และอะคริลิกยึดติดได้โดยไม่ต้องปรับสภาพ สารเคลือบต้องใช้ไพรเมอร์อะคริลิกหรือพอลิยูรีเทนที่เข้ากับไวนิล ไพรเมอร์ฐานตัวทำละลายทำให้ชิ้นงานอ่อนบางบวม

PVC แบบอ่อนทำให้ทั้งหมดนั้นไม่ได้ผลเพราะการซึมขึ้นผิว การเช็ดด้วยไอโซโพรพานอลช่วยกำจัดฟิล์ม และโคโรนาหรือพลาสมายกพลังงานให้เกิน 44 dyne/cm แต่การย้ายตัวเริ่มใหม่ทันที และการคืนสภาพไม่ชอบน้ำเสร็จสมบูรณ์ภายในไม่กี่ชั่วโมง จึงต้องพิมพ์หรือยึดติดภายใน 1–2 ชม. ควรระบุหมึกและกาวที่ทนพลาสติไซเซอร์ (กาวไวต่อแรงกดชนิดอะคริลิกสำหรับไวนิล พอลิยูรีเทน) หรือสารส่งเสริมการยึดเกาะชนิดมีชั้นกั้น สารปลดแม่พิมพ์ซิลิโคนเป็นสิ่งปนเปื้อนที่พบเพิ่มบ่อย

การเชื่อมขึ้นกับเกรด แบบแข็ง: ตัวทำละลาย ลมร้อน (300–350°C ได้ความแข็งแรง 60–80% ของวัสดุตั้งต้น) และการเชื่อมด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงแบบระยะใกล้ แบบอ่อน: การเชื่อมด้วยคลื่นวิทยุที่ 27.12 MHz ซึ่งขับเคลื่อนด้วยไดโพล C–Cl เป็นมาตรฐานสำหรับถุงและชุดสายถ่ายเลือด การเชื่อมแบบส่งผ่านด้วยเลเซอร์ใช้ได้กับ PVC แบบแข็งใสที่วางบนชิ้นส่วนดูดซับที่ 940–1064 nm แต่การหลอมรวมที่ 160–190°C อยู่ใกล้กับการสลายตัวของไฮโดรเจนคลอไรด์แบบควบคุมไม่ได้

เกรดทางการแพทย์ การฆ่าเชื้อ และการแก้ปัญหา

คอมพาวด์ทางการแพทย์ได้รับการรับรองตาม USP Class VI และ ISO 10993-5 และ -10 โดยสารสกัดตาม ISO 10993-18 เอทิลีนออกไซด์เป็นสารฆ่าเชื้อมาตรฐาน การระบายต้องเป็นไปตามขีดจำกัดสารตกค้างของ ISO 10993-7 รังสีแกมมาที่ 25–40 kGy ทำให้ PVC เหลืองจากการเกิดพอลิอีนแบบเดียวกับที่เลเซอร์ก่อให้เกิด เกรดที่เสถียรต่อรังสี (แคลเซียม-ซิงก์กับน้ำมันถั่วเหลืองอีพอกซิไดซ์) ช่วยลดผลนี้ ไอน้ำที่ 121°C สูงกว่า HDT ของแบบแข็ง รอยมาร์กที่คาร์บอไนซ์ทนได้ทุกรอบ แต่พื้นหลังเหลือง ความคมชัดจึงลดลง

การกำหนดและตรวจสอบกระบวนการขั้นรองของ PVC

ทุกข้อกำหนดของ PVC ควรมี 3 ข้อ โดยแต่ละข้อมีวิธีตรวจสอบ:

• การจัดการไอเสีย การดูดที่ต้นทางพร้อมชั้นสะเทินกรดและท่อที่ไม่ชุบสังกะสี ตรวจสอบ HCl ที่ตำแหน่งผู้ปฏิบัติงานให้ต่ำกว่า 2 ppm ด้วยหลอดตรวจจับหรือเซนเซอร์เคมีไฟฟ้า
• การซึมขึ้นผิวของพลาสติไซเซอร์ วัดระดับ dyne หรือมุมสัมผัสตามที่รับมา หลังเช็ดด้วยไอโซโพรพานอล และหลัง 24 ชม. ที่ 50°C ความต่างที่เกิน 4 dyne/cm บ่งชี้ว่าคอมพาวด์มีการซึมขึ้นผิว เพิ่มการทดสอบเทปตาม ASTM D3359 หลัง 7 วันที่ 50°C
• ความทนทานของรอยมาร์กและรอยยึดติดหลังการฆ่าเชื้อ ประเมินเกรดรหัส DataMatrix ตาม ISO/IEC 29158 หรือ ISO 15415 ก่อนและหลังรอบที่ผ่านการตรวจสอบความถูกต้อง และการเร่งอายุตาม ASTM F1980 และกำหนดค่าแรงเฉือนแบบซ้อนทับหรือแรงลอกภายใต้สภาวะเดียวกัน

ศัพท์และบทความที่เกี่ยวข้อง

• พลาสติกที่มาร์กด้วยเลเซอร์ได้
• การคืนสภาพไม่ชอบน้ำ
• การมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์
• วิธีการปรับสภาพพื้นผิว
• ตารางการมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์

การนำไปใช้ในการผลิต

The Sabreen Group ให้การสนับสนุนด้านวิศวกรรมแบบอิสระสำหรับการมาร์ก PVC ด้วยเลเซอร์พร้อมการจัดการไอเสียที่เป็นไปตามข้อกำหนด การพิมพ์และการยึดติดเกรดที่ผสมพลาสติไซเซอร์ และการรับรองรอยมาร์กและรอยยึดติดของ PVC ทางการแพทย์ตลอดกระบวนการฆ่าเชื้อ หากอยู่ระหว่างกำหนดกระบวนการ รับรองวัสดุ หรือแก้ปัญหาในสายการผลิต ทีมบริการด้านวิศวกรรมของเรายินดีช่วยเหลือ ติดต่อเราเพื่อหารือเกี่ยวกับการใช้งาน

คำถามที่พบบ่อย

มาร์ก PVC ด้วยเลเซอร์ได้อย่างปลอดภัยหรือไม่

ได้ หากมีระบบดูดไอเสียที่ออกแบบมาสำหรับงานนี้ การมาร์กกำจัดวัสดุไมโครกรัมต่อชิ้น ภาระ HCl จึงน้อยแต่ต่อเนื่องและกัดกร่อน ควรดูดที่จุดมาร์ก กรองผ่านตัวกรองอนุภาคเบื้องต้นและชั้นถ่านกัมมันต์ชุบด่าง และคุมตำแหน่งผู้ปฏิบัติงานให้ต่ำกว่าเพดาน 2 ppm

เหตุใดโรงงานเลเซอร์จึงปฏิเสธการตัด PVC

การตัดกำจัดวัสดุเป็นกรัมต่อชิ้นแทนที่จะเป็นไมโครกรัม และ PVC ทุก 1 กรัมอาจปล่อย HCl 0.58 กรัม ปริมาณนี้กัดกร่อนเครื่อง ทำให้ตัวกรองอิ่มตัวภายในไม่กี่ชั่วโมง และเกิดสารอินทรีย์คลอรีนในกลุ่มควันที่เย็นกว่า ผู้ผลิตเครื่องเลเซอร์ยกเว้นกรณีนี้จากการรับประกัน

เหตุใดหมึกจึงลอกออกจาก PVC แบบอ่อนหลังผ่านการทดสอบเทปไปแล้วหลายสัปดาห์

เพราะการย้ายตัวของพลาสติไซเซอร์ ฟิล์มบนผิวถูกเช็ดหรือถูกปรับสภาพออกไปตอนพิมพ์ การทดสอบครั้งแรกจึงผ่าน แต่ DEHP หรือ DINP ยังแพร่ออกมาจากเนื้อวัสดุอย่างต่อเนื่องและทำให้หมึกอ่อนตัว ควรใช้หมึกที่ทนพลาสติไซเซอร์ ระบุ TOTM หรือ DINCH และทดสอบซ้ำกับชิ้นงานที่เร่งอายุ 7 วันที่ 50°C ก่อนปล่อยผลิตภัณฑ์

เลเซอร์ชนิดใดเหมาะกับ PVC ที่สุด ระหว่างไฟเบอร์ UV และ CO2

ไฟเบอร์ที่ 1064 nm เหมาะกับเกรดแบบแข็งที่ผสมสีและเติมสารเติมเต็ม ให้รอยคาร์บอไนซ์สีเข้มด้วยความเร็วสูง UV ที่ 355 nm เหมาะกับเกรดใส สีขาว และเกรดอ่อนบาง ซึ่งเขตรับผลกระทบจากความร้อนที่เล็กช่วยกำจัดรัศมีสีเหลือง CO2 เหมาะกับฟิล์มไวนิลและป้ายที่ยอมรับรอยมาร์กแบบหม่นได้

การฆ่าเชื้อด้วยรังสีแกมมาส่งผลต่อรอยมาร์กด้วยเลเซอร์บน PVC หรือไม่

รอยมาร์กคงอยู่ แต่พื้นหลังเปลี่ยนไป รังสีแกมมาที่ 25–40 kGy ก่อให้เกิดพอลิอีนชนิดเดียวกับที่การคาร์บอไนซ์สร้างขึ้น PVC ที่ไม่ได้มาร์กจึงเหลืองและความคมชัดลดลง ควรระบุเกรดที่เสถียรต่อรังสี ตรวจสอบความถูกต้องของปริมาณรังสีต่ำสุดที่มีประสิทธิผล และประเมินเกรดรหัส DataMatrix ตาม ISO/IEC 29158 หลังการฆ่าเชื้อ ไม่ใช่กับชิ้นงานใหม่

---