Plastik yüzey ön işlemleri

Yüzey ön işlemleri / yüzey kalitesi

Yapışmayı optimize etmek için temas açısı ve yüzey gerilimi

Yerinde plazma testi ve yüzey bilimi eğitimi

Plastik malzemeleri yapıştırmak, kaplamak, lamine etmek, basmak ve dekore etmek doğaları gereği zordur; çünkü hidrofobik, polar olmayan, kimyasal olarak inert malzemelerdir ve yüzey ıslanabilirlikleri zayıftır — yani yüzey enerjileri düşüktür. Yapışma; altlıklar ve/veya kaplama malzemeleri arasındaki polar ve apolar etkileşimlerle belirlenir. Polimer yüzeylerde ıslanmayı ve yapışmayı iyileştirmek, yüzey enerjisini ve etkileşen polar bileşenleri artırmayı gerektirir. En iyi yapışma için yapıştırıcı (kaplama, mürekkep veya boya) yapıştırılacak yüzeyi tamamen "ıslatmalıdır". Gaz fazı plazma ön işlemleri "oksitleyici" proseslerdir ve kimyasal polar fonksiyonel türler kazandırarak yapışma sorunlarını çözmede son derece etkilidir.

The Sabreen Group; sağlam üretim prosesleri için plastiklerin, kompozitlerin, kauçukların ve metallerin yüzey mühendisliği ve ön işlemlerinde uzmanlaşmıştır. Proses yöntemlerimiz ve teknolojilerimiz; plastik-plastik, plastik-kauçuk ve plastik-metal uygulamalarının yapıştırma sorunlarını çözer. Askeri/havacılık elektroniği ile akıllı füze/bombaların üretiminde kullanılan yüzey ön işlem prosesi için 5051586 numaralı ABD patentiyle ödüllendirildik. Laboratuvar yüzey analizi testleri; atomik kuvvet mikroskobu, ESCA/XPS ve temas açısını kapsar.

SABREEN'in yenilikçi çözümlerinin uygulamaları:

• Plastik, kompozit ve metallerin yapıştırılması
• Plastik ve metal kaplamalar
• Mürekkep püskürtmeli baskı
• Polimer filmlere baskı
• Hidrofobik / hidrofilik kaplamalar
• Mikroakışkan cihazlar
• Plastik, cam, metal kaplamaları
• Teflon / PTFE

The Sabreen Group, engin sektör deneyimi ve bilgisiyle yüzey ön işlem sorunlarını ustalıkla çözer ve maliyet etkin, çevre dostu çözümler uygular. SABREEN uzmanları; yüzey ön işlemleri, arayüzey kimyası, yüzey kalitesi ve analiz ölçüm teknikleri disiplinlerinde seçkindir.

Yüzey ön işlemi neden gereklidir?

Plastik malzemeler; yapıştırıcılar, kaplamalar, mürekkepler ve boyalarla birleştirilirken düşük yüzey enerjisine ve düşük arayüzey yapışma özelliklerine sahiptir. Plazma yüzey ön işlemleri, zor yapışan plastik altlıklarda yapışmayı geliştirmek için kullanılır; "gaz fazı" plazma yüzey (modifikasyon) oksidasyonu en yaygın yöntemdir ve son derece etkili, ekonomik ve çevreye zararsız olduğu kanıtlanmıştır. Belirli bir uygulama için hangi yöntemin seçileceği, kısmen yanlış kanılar ve kafa karıştırıcı terminoloji yüzünden zor olabilir. Temas açıları, yüzey ıslatma ve kimyasal aktivasyonun temel bilimini anlayarak, en zor yapışan polimer ve elastomer malzemelerde bile neredeyse her yapıştırma sorunu başarıyla çözülebilir.

"Gaz fazı" plazma yüzey (modifikasyon) oksidasyonu nedir?

Gaz fazı, "ışıltılı deşarj" yüzey oksidasyonu ön işlem prosesleri kimyasal yüzey aktivasyonu için kullanılır. Bu prosesler; serbest elektronlar, pozitif iyonlar ve diğer türlerden oluşan son derece reaktif bir gaz olan "gaz plazması" üretme yetenekleriyle tanımlanır. Plazma çoğu zaman maddenin dördüncü hali olarak tanımlanır: enerji verildikçe katılar eriyip sıvı olur, sıvılar buharlaşıp gaza dönüşür ve gazlar iyonlaşarak "plazmaya" dönüşür.

Uygulamanız için hangi proses en iyisi? Her plazma yöntemini öğrenmek için aşağıdaki düğmelere tıklayın.

Atmosferik plazma

Alev plazması

UV radyasyonu ozon

Elektriksel korona deşarjı

Pyrosil alev plazması

Florooksidasyon

Elektriksel hava plazması

Soğuk gaz plazması

Kimyasal ve mekanik

Hidrofilik yüzey

Hidrofobik yüzey

Kısmi ıslatma

Temas açısı; sıvı-buhar arayüzeyinin katı arayüzeyle buluştuğu yerde, genellikle sıvı içinden ölçülen açıdır. Temas açısı, Young denklemi aracılığıyla bir katı yüzeyin bir sıvıyla ıslanabilirliğini nicelleştirir.

Akışkan davranışını yalnızca statik temas açısıyla test etmek, sıvı/katı arayüzey sonuçlarının yanlış yorumlanmasına ve yapıştırma sorunlarının çözümünün gecikmesine yol açabilir. Çünkü endüstriyel üretim operasyonları gerçekte statik değil dinamik koşullardır. Bu yüzden dinamik temas açısını (DCA) anlamak önemlidir. Temas açıları genellikle hem yüzey kimyasındaki hem de yüzey topografyasındaki değişimlerden etkilenir.

İlerleyen temas açısı, altlık yüzeyinin düşük enerjili (değiştirilmemiş) bileşenlerine en duyarlı olandır; gerileyen açı ise ön işlemlerle kazandırılan yüksek enerjili, okside gruplara daha duyarlıdır. Bu nedenle gerileyen açı, dyne çözeltileriyle ölçüldüğünde, ön işlem sonrası yüzeyin değiştirilmiş bileşenini en iyi tanımlayan ölçümdür. Dolayısıyla yüzeyi değiştirilmiş tüm malzemelerde hem ilerleyen hem gerileyen temas açıları ölçülmelidir.

Bir damla katı yüzeye tutunmuşken yüzey eğildiğinde damla öne atılır ve aşağı kayar. Oluşan açılara sırasıyla ilerleyen açı ve gerileyen açı denir. ASTM D724; damla şekli analizi ve kütlesine dayanarak ilerleyen ve gerileyen temas açılarını incelemek üzere gelişmiş ekipmanla (optik tansiyometreler ve gonyometreler) DCA ölçme yöntemlerini tanımlar.

Dinamik temas açıları: gerileyen ve ilerleyen

Birçok plastiğin zor yapışmasının temel nedeni; hidrofobik, polar olmayan, kimyasal olarak inert ve zayıf yüzey ıslanabilirliğine — yani düşük yüzey enerjisine — sahip olmalarıdır. Bu hidrofobik (su itici) performans özellikleri, bunları arayan parça tasarımcıları için idealken, bu malzemeleri yapıştırmak zorunda olan üreticilerin baş belasıdır. Sağlam yapıştırma genellikle "hidrofilik" yüzeyler gerektirir. En iyi yapışmanın gerçekleşmesi için yapıştırıcı (kaplama, mürekkep veya boya) yapıştırılacak yüzeyi tamamen "ıslatmalıdır".

"Islatma", sıvının akıp yüzeyi kaplayarak yapıştırıcı ile yapışma yüzeyi arasındaki temas alanını ve çekim kuvvetlerini en üst düzeye çıkarması demektir. Bir sıvının yüzeyi etkili biçimde ıslatabilmesi için yapıştırıcının yüzey enerjisi, yapıştırılacak yüzeyinkine eşit veya ondan düşük olmalıdır. Alternatif olarak altlığın yüzey enerjisi yükseltilmelidir.

Düz bir katı yüzeyde duran (dengedeki) tek bir sıvı damlası düşünün. Katı yüzey ile uç noktadaki üst yüzey teğetinin oluşturduğu açıya temas açısı denir; bu, temas noktasındaki teğet ile katı yüzeyin yatay çizgisi arasında, sıvı içinden ölçülen açıdır. Kabarcık/damla şekli, tüm sıvıların yüzeyi büzerek içerdikleri hacmi en küçük yüzey alanlı biçime sokma eğiliminden kaynaklanır. Yüzeyi büzen moleküller arası kuvvetlere "yüzey gerilimi" denir. Yüzey enerjisinin bir ölçüsü olan yüzey gerilimi dyn/cm (SI: N/m) ile ifade edilir.

Katı altlığın yüzey enerjisi, sıvının (su, baskı mürekkepleri, yapıştırıcılar/kapsülleme, kaplamalar vb.) yüzey gerilimine göre ne kadar yüksekse "ıslanabilirlik" o kadar iyi ve temas açısı o kadar küçük olur (sayfa 2'deki Şekil 1). Kural olarak, altlığın yüzey enerjisi sıvının yüzey geriliminden yaklaşık 8-10 dyn/cm yüksek olduğunda kabul edilebilir yapışma sağlanır.

Hidrofilik ve hidrofobik yüzeylerde "yüzey ıslatma"

Birçok uygulamada, belgelenmiş bir test prosedürüne göre dyne çözeltileriyle yalnızca statik denge temas açısını incelemek yeterli olabilir. Uygulama kitleri veya "dyne kalemleri/çözeltileri" yararlı bilgiler verir ama hassas yüzey gerilimi ölçümleri değildir. Yüzey gerilimi ölçümleri kişiye (tekniğe) ve sıvının "orta" davranışının yorumuna göre epey değişebilir. Dyne kalemleri/çözeltileri, yüzey gerilimindeki önemli farkların yön göstericileri olarak bilinir ve ekonomik fiyatla "iyi" ile "kötü" yapışabilir yüzeyleri ayırt edebilir. Şişelenmiş dyne çözeltileri, çok kez kullanımda oluşan kirlenme sorunları nedeniyle kalemlere tercih edilebilir.

Yüzey kalitesini denetlemenin en iyi yöntemi:

Surface Analyst™ 2001; kimyasal dyne çözeltileri kullanmadan üretim hattında temas açılarını ölçen elde taşınır dijital bir cihazdır. Yöntem tahribatsızdır; parça normal şekilde işlenmeye devam edebilir — parçanın hurdaya ayrıldığı dyne testinin aksine. BTG Labs'ın icadı Surface Analyst™; yapıştırma, boyama, kaplama, baskı ve dekontaminasyon gibi yüzey durumunun kritik olduğu operasyonlarda hassas yüzey ölçüm teknolojisini saha teknisyenlerinin eline vermek için tasarlandı. Cihaz, "balistik biriktirme" adlı patentli teknikle altlık yüzeyine yüksek saflıkta bir su damlası bırakır.

Cihaz, su damlasının hacmini ve alanını bilerek suyun o yüzeydeki temas açısını hesaplar. Kullanıcıya ölçülebilir bir sayı veya Geçti/Kaldı uyarısıyla anında geri bildirim verir. Cihazın sağladığı denetim verileri; altlığın yapışma prosesleri için doğru hazırlanıp hazırlanmadığını belirlemeye olanak tanır ve tahrip edici dyne çözeltilerinin yerini alır. Elde taşınır ünite her yönelimde çalışır; düz veya dokulu yüzeylerde, örneğin grenli TPO'larda kullanılabilir. Bu veriler; sürekli proses iyileştirme, yaklaşan sorunların habercisi olabilecek kalite kaymalarını saptama veya ürün arızalarının kritik nedenini bulma amacıyla kullanılabilir.

BTG Labs Surface Analyst. Fotoğraflar BTG LABS'ın (513.469.1800) izniyle.

Üreticiler; yapıştırma sorunlarının tek öngörücüsü ve rutin yüzey testi olarak yalnızca temas açılarına veya diğer ıslanabilirlik ölçümlerine odaklanma eğilimindedir. Oysa kimyasal yüzey işlevselliği de eşit derecede önemlidir; hidrofobik yüzeyler, yapışabilir hidrofilik yüzeylere aktive edilir. Gaz fazı, "ışıltılı deşarj" yüzey oksidasyonu ön işlem prosesleri kimyasal yüzey aktivasyonu için kullanılır. Bu prosesler; serbest elektronlar, pozitif iyonlar ve diğer türlerden oluşan son derece reaktif "gaz plazması" üretme yetenekleriyle tanımlanır. Plazma çoğu zaman maddenin dördüncü hali olarak tanımlanır: enerji verildikçe katılar sıvıya erir, sıvılar gaza buharlaşır ve gazlar "plazmaya" iyonlaşır.

Fizikte bu plazmaların üretilme mekanizmaları farklıdır; ancak yüzey ıslanabilirliğine etkileri benzerdir. Gerçekleşen temel kimyasal ve fiziksel reaksiyon şudur: plazmada üretilen serbest elektronlar, iyonlar, yarı kararlı türler, radikaller ve UV; çoğu polimer altlığın yüzeyindeki moleküler bağları koparmaya yetecek enerjilerle yüzeye çarpar. Bu, polimer yüzeyinde çok reaktif serbest radikaller yaratır; bunlar oluşabilir, çapraz bağlanabilir veya oksijen varlığında hızla tepkimeye girerek altlık yüzeyinde çeşitli kimyasal fonksiyonel gruplar oluşturabilir. Yapışabilirliği artırabilen polar fonksiyonel gruplar; karbonil (C=O), karboksil (HOOC), hidroperoksit (HOO-) ve hidroksil (HO-) gruplarıdır. Polimerlere katılan az miktarda reaktif fonksiyonel grup bile yüzeyin kimyasal işlevselliğini ve ıslanabilirliğini iyileştirmede son derece yararlıdır. Ayrıca kimyasal astarlar/solventler ve mekanik aşındırma (kalıp dokusu dahil) tek başına veya ön işlemlerle birlikte kullanılabilir.

Sağlam yapışma mukavemeti için ön işlemin derecesi veya kalitesi, plastik yüzeylerin temizliğinden etkilenir. En iyi ön işlem ve ardından gelen yapışma için yüzey temiz olmalıdır. İşlemi engelleyen ürün yüzeyi kirlilik kaynakları kir, toz, gres ve yağdır. Silikonlar, kalıp ayırıcılar ve kayma önleyiciler gibi düşük moleküler ağırlıklı maddeler yapıştırma için özellikle zararlıdır. Malzeme saflığı da önemli bir etkendir. Ayrıca pigment ve boya renklendiricilerinde kullanılan bazı çözünür veya çözünmez bileşik ajanlar yapışmayı olumsuz etkileyebilir.

İşlenmiş plastiklerin raf ömrü (işlem yaşlanması); reçine türüne, formülasyona ve depolama alanının ortamına bağlıdır. Raf ömrünü; antioksidanlar, plastikleştiriciler, kaydırıcı ve antistatik ajanlar, renklendiriciler ve pigmentler, stabilizatörler gibi düşük moleküler ağırlıklı oksitlenmiş maddelerin (LMWOM) varlığı sınırlar. İşlenmiş yüzeylerin yüksek sıcaklıklara maruz kalması moleküler zincir hareketliliğini artırır. Hareketlilik ne kadar yüksekse, ön işlemin yaşlanması o kadar hızlıdır. Plazmayla işlenmiş yüzeyler, çevre koşullarına bağlı olarak farklı hızlarda ve ölçülerde yaşlanır. Yaşlanma özellikleri ve depolama raf ömürleri, üretim operasyonları için hayati önemdedir. Aktive edilmiş yüzeylerin raf ömrü saatler, günler, aylar veya daha uzun olabilir. Ürünleri ön işlemden sonra en kısa sürede yapıştırmak, kaplamak, boyamak veya dekore etmek önerilir.

Her yüzey ön işlem yönteminin uygulamaya özgü olduğunu, benzersiz avantajlar ve olası kısıtlar taşıyabileceğini unutmayın. Sağlam sonuçlar için şu etkenleri göz önünde bulundurun:

• Polimerler oksidasyon proseslerine farklı tepki verir. Polimer altlığın türü ve nihai kullanım performans gereksinimleri, ön işlem yönteminin seçiminde belirleyicidir.
• Altlık (işlenecek ürün) iletken mi? Örneğin metal temas pimleri olmayan, monte edilmemiş plastik elektronik konektör gövdeleri elektriksel olarak işlenebilirken monte edilmiş konektörlerde elektrik arkı sorunları görülebilir.
• Parça geometrisi — düz yüzeyler; derin girintilere, aşırı konikliklere ve diğer şekil düzensizliklerine göre daha kolay işlenir. Islatma testlerini küçük alanlarda ve yoğun dokulu yüzeylerde yürütmek zordur.
• Malzeme taşıma otomasyonu: İletken bantlar ve zincirler, klasik korona deşarjı ve nokta işlem cihazlarıyla ark yapabilir. Alternatif olarak alev, soğuk gaz plazması veya düşük potansiyelli atmosferik plazma kullanmayı düşünün.
• Aşırı işlemden kaçının. Plazmayla aşırı okside olmuş yüzeyler; ısıl yapıştırma/kaynak gibi sonraki montaj proseslerini olumsuz etkileyebilir.
• Tüm ön işlem ekipmanları eşit değildir. Kurulu sistemlerin kalitesini çalışırken inceleyin. Elektriksel proseslerde plazma deşarjının homojenliğini gözlemleyin; alev işleminde şerit ve delikli brülörler arasındaki farkları ve yanma sistemi bileşenlerini değerlendirin; soğuk gaz plazmasında hazne yapısının, elektrot raflarının ve özellikle vakum pompası üreticisinin kalitesini inceleyin.

Yüzey pürüzlülüğü; bir katının yüzeyindeki düzensizliğin, şekil veya dalgalanma ölçeğinin altında ama kristal kafes yapısındaki düzensizliğin üstünde kalan derecesidir.

Pürüzlülük derecesi katının ıslanabilirliğini etkiler. Pürüzlülük büyüyen yüzey alanıyla el ele gittiğinden; katının ıslanabilirliğini, sıvının temas açısını ve yapışmayı etkiler.

Bu prosedür, dyne test kalemleri kullanarak plastik altlıkların yüzey ıslatma gerilimini (yani yüzey enerjisini) test etme ve ölçme yöntemini tanımlar.

Yüzey ıslatma testleri, ön işlemden (korona deşarjı, alev işlemi, RF gaz plazması) hemen sonra yapılmalıdır. İşlenmiş yüzeyler zamana duyarlıdır ve sıcaklık ile nem gibi çevre koşullarından etkilenir. En iyi yapışma için altlıkların yüzeyleri temiz olmalıdır. Kir, toz, el/parmak yağları, silikon esaslı ürünler ve diğer kirleticiler yapışmayı engeller ve hatalı test sonuçlarına yol açabilir.

1.0 Malzemeler / ekipman

• Dyne kalemler — mevcut düzeyler: 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 60
• Test edilecek ürünler
• Plastik eldivenler
• Kimyasal mendiller (Chemwipes) veya kâğıt havlular
• Sıcaklık ve nem ölçerler
• Temiz çalışma alanı

2.0 Yöntem

• Ortam sıcaklığını ve nemini kaydedin.
• 60 dyne kalemi seçin ve kapağını çıkarın.
• Test edilecek ürünü düz bir yüzeye koyun ve kalem ucunu, çözelti uca çekilene dek ürüne sıkıca bastırın.
• Hafif bir dokunuşla kalemi, ince bir sıvı tabakası uygulamak için ön işlenmiş yüzeyin boyunca bir kez çekin.
• Paralel geçişler önerilir. Aşırı çözelti hatalı okumaya yol açar.
• Sıvının damlacıklara ayrılma süresini not edin. Sıvı davranışı, sıvının orta kısmında gözlemlenmelidir.
• Sıvı iki (2) saniye sonra damlacıklara ayrılmıyorsa yüzey enerjisinin en az 60 dyne olduğu varsayılır; 2.7 adımına geçin. Sıvı iki (2) saniyeden kısa sürede damlalara ayrılıyorsa testi bir alt düzeydeki dyne kalemiyle yineleyin. Ön işlem prosesinde ayar gerekebilir.
• Tüm yüzeyler istenen ıslatma sonuçlarına ulaştığında test tamamlanır.
• Test edilen ürünleri uygun şekilde imha edin.

---

Sıkça sorulan sorular

Plastikler baskı, yapıştırma veya kaplama öncesinde neden yüzey ön işlemine ihtiyaç duyar?

Çoğu ticari plastiğin — özellikle poliolefinlerin — yüzey enerjisi, üzerlerine uygulanan mürekkep, yapıştırıcı ve kaplamalarınkinin çok altındadır. Bir sıvı yalnızca kendi yüzey geriliminden yüksek enerjiye sahip bir yüzeyi ıslatır; ön işlem olmadan mürekkep yayılmak yerine boncuklanır ve yapışma ara yüzeyde kopar. Ön işlem, yüzeyde oksijen içeren polar gruplar oluşturarak yüzey enerjisini yükseltir ve ıslatma ile kimyasal bağlanmayı mümkün kılan da budur.

Bir yüzeyin yeterince işlem görüp görmediği nasıl ölçülür?

Pratikte kullanılan iki yöntem temas açısı ölçümü ve dyne çözeltisiyle ıslatma testleridir. Dyne testinde yüzey gerilimi bilinen çözeltiler uygulanır ve filmin iki saniye boyunca sürekli kalıp kalmadığı ya da damlacıklara çekilip çekilmediği okunur; hâlâ ıslatan en yüksek çözelti yüzey enerjisini verir. Temas açısı ölçümü bunun daha hassas laboratuvar karşılığıdır. Hedef değeri evrensel bir sayı değil, kullanılan mürekkep veya yapıştırıcı belirler.

Belirli bir parça için hangi ön işlem süreci kullanılmalı?

Bu; polimere, geometriye, üretim formatına ve işlemin bir sonraki operasyona kadar ne kadar süre etkili kalması gerektiğine bağlıdır. Alev plazması ve korona deşarjı, erişilebilir yüzeylerin sürekli hat üstü işlenmesine uygundur; düşük basınçlı soğuk gaz plazması karmaşık geometrileri parti hâlinde işler ve işlem sonrası en uzun raf ömrünü sağlar; floro-oksidasyon ise uzak ve kapalı bölgelere ulaşır ve etkisi çoğu kez kalıcıdır. Bunlar arasında seçim yapmak mühendislik kararıdır ve bu uygulama alanına en sık bu karar için başvurulur.

Yüzey işleminin etkisi zamanla kaybolur mu?

Evet. İşlemle oluşan polar gruplar yüzeyden içeri doğru yeniden yönlendiği için işlenmiş yüzeyler zamanla etkisini yitirir; buna hidrofobik geri kazanım denir. Hız; polimere, sürece ve depolama koşullarına bağlıdır ve bu yüzden işlenmiş parçalar süresiz stoklanmak yerine tanımlı bir zaman aralığında kullanılır. Floro-oksidasyon istisnadır: kimyası gaz fazı süreçlerinden daha derine işlediği için etkisi uzun ömürlü ve çoğu kez kalıcıdır.

Ön işlem, solvent temizliğinin yerini alabilir mi?

Bazen. Düşük basınçlı soğuk gaz plazması hidrokarbonları uzaklaştırır ve ayrı bir solvent temizleme adımını ortadan kaldırabilir. Atmosferik süreçler tüm poliaromatik hidrokarbonları uzaklaştırmaz; bu nedenle onlarda işlem öncesi solvent temizliği hâlâ gerekli olabilir. Özellikle silikonlar ve kayganlaştırıcı katkılar atmosferik ön işlemlerin çoğundan sağ çıkar.