พลังงานพื้นผิว

พลังงานพื้นผิว

ประเด็นสำคัญ

• พลังงานพื้นผิวเป็นตัวตัดสินว่าของเหลวจะเปียกหรือจับตัวเป็นเม็ด และเป็นตัวทำนายที่มีประโยชน์ที่สุดเพียงอย่างเดียวของความสำเร็จในการพิมพ์และการยึดติด
• ของเหลวต้องมีแรงตึงผิวต่ำกว่าของแข็ง โดยมีระยะเผื่อในทางปฏิบัติประมาณ 7–10 dyne/cm
• พอลิโอเลฟินส์อยู่ที่ประมาณ 29–31 dyne/cm ต่ำกว่าหมึกและกาวเกือบทุกชนิด จึงเป็นเหตุที่ต้องปรับสภาพพื้นผิว
• ผลของการปรับสภาพเสื่อมลง พลังงานพื้นผิวเป็นสถานะชั่วคราว ไม่ใช่สมบัติถาวรของชิ้นงาน

พลังงานพื้นผิว

พลังงานพื้นผิวคือพลังงานส่วนเกินที่โมเลกุลบนผิวของแข็งมีเมื่อเทียบกับโมเลกุลในเนื้อวัสดุ และบนพลาสติกเป็นตัวกำหนดว่าหมึก กาว หรือสารเคลือบจะแผ่ไปทั่วพื้นผิวหรือรวมตัวเป็นเม็ด โดยทั่วไปรายงานเป็น dyne ต่อเซนติเมตร (dyne/cm) ซึ่งเท่ากับมิลลินิวตันต่อเมตรในเชิงตัวเลข

โมเลกุลภายในของแข็งถูกล้อมรอบทุกด้าน และแรงดึงดูดของโมเลกุลเหล่านั้นสมดุลในทุกทิศทาง แต่โมเลกุลที่ผิวไม่เป็นเช่นนั้น จึงมีความสามารถในการสร้างพันธะที่ยังไม่ถูกใช้ ความสามารถที่เหลือนี้คือสิ่งที่ของเหลวปฏิสัมพันธ์ด้วยได้ และพื้นผิวที่มีน้อย คือพื้นผิวพลังงานต่ำ ไม่ให้ของเหลวมีสิ่งใดยึดเกาะ

กฎที่ควบคุมการเปียก

เพื่อให้ของเหลวทำให้ของแข็งเปียก แรงตึงผิวของของเหลวต้องต่ำกว่าพลังงานพื้นผิวของของแข็ง เมื่อสูงกว่า ของเหลวจะลดพื้นที่สัมผัสให้น้อยที่สุดและรวมเป็นเม็ด ในทางปฏิบัติต้องมีระยะเผื่อ ไม่ใช่เพียงเท่ากัน

พลังงานพื้นผิวเป้าหมาย ≈ แรงตึงผิวของของเหลว + 7 ถึง 10 dyne/cm

ความสัมพันธ์เดียวนี้อธิบายความล้มเหลวของการยึดเกาะบนพลาสติกได้เกือบทั้งหมด หมึกน้ำที่ประมาณ 35 dyne/cm ที่ใช้กับพอลิโพรพิลีนที่ไม่ได้ปรับสภาพที่ 29 dyne/cm ไม่สามารถทำให้เปียกได้ และไม่ว่าเวลาอบแห้ง แรงกด หรือการปรับสูตรหมึกเท่าใดก็ไม่เปลี่ยนเลขคณิตนี้ ต้องยกพลังงานพื้นผิวให้สูงขึ้นก่อน

ค่าทั่วไปของพอลิเมอร์แต่ละชนิด

การเพิ่มพลังงานพื้นผิว

การปรับสภาพพื้นผิวในอุตสาหกรรมทุกวิธีทำงานตามเส้นทางพื้นฐานเดียวกัน คือออกซิไดซ์ชั้นโมเลกุลด้านบนไม่กี่ชั้น เพื่อต่อหมู่ที่มีออกซิเจนซึ่งมีขั้วเข้ากับโครงสร้างหลักไฮโดรคาร์บอนที่ไม่มีขั้ว วิธีการต่างกันที่รูปทรงที่ใช้ได้ ต้นทุน และความทนทาน ไม่ใช่ที่หลักการ

• การปรับสภาพด้วยโคโรนา เป็นมาตรฐานสำหรับฟิล์มและเว็บที่ความเร็วสูงและต้นทุนต่อตารางเมตรต่ำ
• เฟลมพลาสมา เหมาะกับชิ้นงานขึ้นรูปและชิ้นงานโค้งที่มีมวลความร้อนเพียงพอที่จะทนได้
• พลาสมาความดันบรรยากาศ เลือกพื้นที่ได้ ติดตั้งบนหุ่นยนต์ได้ และให้ภาระความร้อนต่ำ สำหรับชิ้นงานสามมิติ
• พลาสมาแก๊สเย็น กระบวนการสุญญากาศแบบแบตช์ที่เข้าถึงรูปทรงที่เป็นเงาได้ ให้ผลที่ทนทานที่สุด และปรับแต่งเคมีของพื้นผิวได้
• Pyrosil เคลือบชั้นซิลิเกตที่ว่องไวต่อปฏิกิริยา แทนการกระตุ้นพื้นผิวเดิม ให้ช่วงเวลาที่ใช้งานได้นานกว่ามาก

การวัด

วัดทั่วทั้งชิ้นงานหรือทั่วความกว้างของเว็บ ไม่ใช่ที่จุดเดียว ความแตกต่างจากขอบถึงกลางพบได้บ่อย มองข้ามได้ง่าย และเป็นสาเหตุที่พบบ่อยของความล้มเหลวที่ดูเหมือนสุ่ม

เหตุใดผลของการปรับสภาพจึงไม่คงอยู่

พลังงานพื้นผิวที่ยกสูงขึ้นเป็นสถานะชั่วคราว มีสองกลไกดึงกลับลง และทั้งสองทำงานตั้งแต่ขณะที่การปรับสภาพหยุด

• การจัดเรียงสายโซ่ใหม่ หมู่มีขั้วที่ต่อเข้าไปยึดกับสายโซ่พอลิเมอร์ที่เคลื่อนที่ได้ ซึ่งหมุนเพื่อฝังหมู่เหล่านั้นไว้ใต้ผิวที่มีสถานะพลังงานเหมาะสมกว่า ความอบอุ่นเร่งกระบวนการนี้
• การเคลื่อนย้ายของสารเติมแต่ง สารช่วยลื่น สารกันติดกัน (antiblock) สารพลาสติไซเซอร์ และสารช่วยถอดแบบที่ตกค้างเคลื่อนมายังผิวและปกคลุมชั้นที่ปรับสภาพแล้ว บนฟิล์มพอลิโอเลฟินส์ นี่มักเป็นผลที่ใหญ่กว่า และเป็นเหตุที่การเปลี่ยนสูตรอาจทำให้ช่วงเวลาที่ใช้ได้สั้นลงโดยไม่มีสิ่งใดที่เครื่องปรับสภาพเปลี่ยนไป

ผลในทางปฏิบัติคือ ช่วงเวลาระหว่างการปรับสภาพกับการยึดติดควรอยู่ในข้อกำหนดกระบวนการพร้อมค่าสูงสุดที่ระบุ วัสดุที่ปรับสภาพแล้วและผ่านไปนานควรวัดซ้ำก่อนใช้ ไม่ใช่สันนิษฐานว่ายังดี

ศัพท์ที่เกี่ยวข้องและแหล่งอ่านเพิ่มเติม

• การปรับสภาพพื้นผิวด้วยพลาสมาคงอยู่ได้นานเท่าใด
• การทดสอบเทป ASTM D3359
• มุมสัมผัส
• วิธีการปรับสภาพพื้นผิวพอลิเมอร์ทั้งหมด
• ศาสตร์แห่งการแก้ปัญหาการยึดเกาะของพลาสติก
• ปัญหาการยึดเกาะ
• การพิมพ์อิงก์เจ็ทและการยึดเกาะของพอลิเมอร์พลังงานพื้นผิวต่ำ

การประยุกต์ใช้ในการผลิต

The Sabreen Group ให้การสนับสนุนด้านวิศวกรรมอย่างเป็นอิสระสำหรับการวัดพลังงานพื้นผิว การเลือกวิธีปรับสภาพพื้นผิว และการแก้ปัญหาการยึดเกาะ หากกำลังกำหนดกระบวนการ รับรองวัสดุ หรือแก้ปัญหาในการผลิต ทีมบริการด้านวิศวกรรมของเรายินดีให้ความช่วยเหลือ ติดต่อเราเพื่อหารือเกี่ยวกับการใช้งาน

คำถามที่พบบ่อย

พลาสติกต้องมีพลังงานพื้นผิวเท่าใดก่อนพิมพ์หรือยึดติด

ให้สูงกว่าแรงตึงผิวของของเหลวประมาณ 7 ถึง 10 dyne/cm สำหรับหมึกและกาวส่วนใหญ่ หมายถึง 38–44 dyne/cm บนพอลิโอเลฟินส์ และ 46–52 บนฟิล์ม PET แต่ตัวเลขควรมาจากการทดลองกับเคมีที่ใช้จริง แทนเป้าหมายทั่วไป ข้อกำหนดที่อ้างตัวเลขมาตรฐานอุตสาหกรรมซึ่งไม่มีใครทดสอบกับหมึกจริงคือข้อกำหนดที่รอวันล้มเหลว

เหตุใดพอลิโอเลฟินส์ต้องปรับสภาพพื้นผิวขณะที่พลาสติกอื่นไม่ต้อง

เพราะพอลิโพรพิลีนและพอลิเอทิลีนอยู่ที่ประมาณ 29–31 dyne/cm ต่ำกว่าหมึกและกาวทั่วไปแทบทุกชนิด จึงไม่เกิดการเปียกเลย พอลิคาร์บอเนต ABS และ PET เริ่มต้นในช่วง 35–46 ซึ่งสูงกว่าหรือใกล้เคียงกับของเหลวจำนวนมาก จึงมักพิมพ์หรือยึดติดได้ตามสภาพที่ขึ้นรูป เคมีที่ทำให้พอลิโอเลฟินส์เฉื่อยและราคาถูกคือเคมีเดียวกับที่ทำให้พิมพ์ไม่ได้

ค่าจากปากกา dyne เชื่อถือได้พอสำหรับควบคุมการผลิตหรือไม่

สำหรับการตรวจสอบอย่างรวดเร็วได้ แต่สำหรับสิ่งที่ต้องปกป้องผลไม่ได้ หมึกในปากกาแห้งและเสื่อมสภาพ และการอ่านค่าเป็นอัตวิสัย สารละลายแรงตึงผิวเปียกตาม ASTM D2578 เป็นวิธีการผลิตมาตรฐาน และการวัดมุมสัมผัสด้วยโกนิโอมิเตอร์ให้ค่าเชิงปริมาณที่ต้องใช้สำหรับการตรวจสอบความถูกต้องหรือยุติข้อพิพาทกับลูกค้า ไม่ว่าใช้วิธีใด ให้วัดทั่วความกว้างแทนที่จุดเดียว

เหตุใดการยึดเกาะจึงล้มเหลวทั้งที่ค่า dyne ถูกต้อง

เกือบทุกครั้งเกิดจากการปนเปื้อน การปรับสภาพกระตุ้นสิ่งใดก็ตามที่อยู่บนผิว ชั้นของสารช่วยถอดแบบ การเยิ้มของสารช่วยลื่น หรือน้ำมันคอมเพรสเซอร์จึงถูกกระตุ้นแทนพอลิเมอร์ และปากกา dyne จะอ่านสารปนเปื้อนที่ถูกกระตุ้นนั้นได้อย่างง่ายดาย การเพิ่มระดับการปรับสภาพไม่ช่วย ควรสืบหาสารปนเปื้อนจนถึงแหล่งที่มา ซึ่งมักเป็นกระบวนการต้นทางแทนสถานีปรับสภาพ

ผลของการปรับสภาพพื้นผิวคงอยู่นานเท่าใด

ตั้งแต่หลายชั่วโมงถึงหลายสัปดาห์ ขึ้นกับพอลิเมอร์ ชุดสารเติมแต่ง และสภาวะการเก็บรักษา สายโซ่พอลิเมอร์จัดเรียงใหม่เพื่อฝังหมู่มีขั้วที่ต่อเข้าไป และสารช่วยลื่น สารพลาสติไซเซอร์ และสารช่วยถอดแบบเคลื่อนมายังผิวและปกคลุมหมู่เหล่านั้น อีลาสโตเมอร์และเกรดที่ผสมสารพลาสติไซเซอร์เสื่อมเร็วที่สุด ควรกำหนดช่วงเวลาสูงสุดระหว่างการปรับสภาพถึงการยึดติดจากการทดลอง ระบุไว้ในข้อกำหนดกระบวนการ และวัดวัสดุที่เก็บไว้นานซ้ำแทนการสันนิษฐานว่ายังดี

---