Polyvinyl chloride (PVC)

Polyvinyl chloride (PVC)

Điểm chính

• Clo quyết định bản chất của PVC. Hàm lượng clo 57% khối lượng mang lại khả năng chống cháy (LOI khoảng 45), bề mặt phân cực gần 39 dyne/cm, khả năng hàn cao tần và sinh ra HCl mỗi khi laser làm phân hủy vật liệu.
• PVC cứng và PVC mềm được gia công khác nhau. Chất hóa dẻo ở mức 20–50 phr đẩy Tg xuống dưới nhiệt độ phòng và thấm ra bề mặt, hòa tan mực và keo dán.
• PVC dễ khắc laser bằng cơ chế cacbon hóa, nhưng mỗi vết khắc và đường cắt đều sinh ra HCl, nên việc xử lý khói cần được đưa vào đặc tả.
• Tiệt trùng làm thay đổi vật liệu nền. Tia gamma làm PVC ngả vàng; hãy kiểm tra độ tương phản vết khắc và độ bền mối dán sau chu kỳ tiệt trùng.

Polyvinyl chloride (PVC)

Polyvinyl chloride (PVC) là nhựa nhiệt dẻo vô định hình được trùng hợp từ monomer vinyl chloride, chứa khoảng 57% khối lượng clo, được phối trộn ở dạng cứng (uPVC) cho ống, profile, thẻ và biển hiệu, hoặc ở dạng mềm với 20–50 phr chất hóa dẻo cho ống y tế, túi và vỏ cáp. Clo mang lại khả năng chống cháy, độ phân cực bề mặt và tổn hao điện môi, đồng thời là nguồn gốc của rủi ro gia công chính: polymer bị khử HCl từ khoảng 140°C, giải phóng hydro clorua.

PVC không bao giờ được gia công ở dạng nguyên chất: mọi hợp chất đều chứa chất ổn định nhiệt (canxi–kẽm, thiếc hữu cơ cho loại trong suốt, chì trong ống đời cũ), chất bôi trơn và bột màu, còn loại mềm thêm chất hóa dẻo. CPVC, được clo hóa thêm tới 63–69% khối lượng, nâng Tg và nhiệt độ sử dụng lên khoảng 30°C.

Các loại và đặc tính

Để so sánh, polyethylene và polypropylene ở mức 29–31 dyne/cm và chỉ sinh ra hydrocarbon dưới tác động của laser: PVC dễ thấm ướt và dễ khắc hơn, nhưng khó thoát khí hơn.

Chất hóa dẻo, chất ổn định và sự di chuyển

Phthalate (DEHP, DINP, DIDP) vẫn là chất hóa dẻo dùng với khối lượng lớn cho cáp và hàng hóa thông thường; các chất không phải phthalate (DINCH, DEHT, TOTM, citrate) đã thay thế DEHP trong hợp chất y tế và đồ chơi, nơi EU MDR 2017/745 yêu cầu ghi nhãn chất hóa dẻo CMR trên 0,1% khối lượng. Sự di chuyển giảm theo khối lượng phân tử: TOTM ở 547 g/mol di chuyển ít hơn nhiều so với DEHP ở 391 g/mol.

Sự di chuyển chi phối mọi công đoạn phía sau: chất hóa dẻo thấm ra bề mặt thành màng lỏng, làm giảm năng lượng bề mặt 4–8 dyne/cm và hòa tan vào mọi lớp mực hay keo phủ lên trên. Các loại canxi–kẽm và thiếc hữu cơ khắc cho vết sạch; hàm lượng titan dioxide quyết định vết khắc là vết nổi bọt sáng hay vết sẫm.

Khắc laser và cắt PVC

PVC được khắc bằng cơ chế cacbon hóa: nhiệt laser tách HCl khỏi mạch, để lại polyene liên hợp có màu sẫm. Laser sợi quang 1064 nm khắc các loại có bột màu và chất độn ở 20–80 kHz và 300–1.500 mm/s; UV 355 nm khắc các loại trong suốt, trắng và loại mềm mỏng với vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ nhất; CO2 10,6 µm khắc chìm và cho vết khắc mờ. Thông số có trong hướng dẫn sản xuất khắc laser PVC.

Sản phẩm phụ chính là vấn đề. Khử HCl hoàn toàn sinh ra 0,58 g HCl trên mỗi gram PVC; gặp hơi ẩm trong không khí, nó thành axit clohydric ăn mòn lớp phủ gương galvo và thấu kính f-theta cũng như cả cell. Khắc loại bỏ lượng microgram trên mỗi chi tiết, kiểm soát được bằng hút tại nguồn qua bộ lọc sơ cấp và tầng than hoạt tính tẩm kiềm; cắt loại bỏ lượng gram, làm bão hòa bộ lọc trong vài giờ và tạo ra hợp chất hữu cơ clo hóa ở vùng khói nguội hơn. Cân bằng khối lượng đó, cộng với các điều khoản loại trừ bảo hành, là lý do hầu hết xưởng từ chối cắt laser PVC (xem cắt laser so với khắc chìm). Ngưỡng phơi nhiễm là 2 ppm (ACGIH) và 5 ppm (OSHA).

In, dán keo, phủ và hàn

PVC cứng rất dễ trang trí. Mực dung môi cho in lụa, in tampon và in phun ăn sâu vào bề mặt; keo dung môi (hỗn hợp THF, cyclohexanone và MEK theo ASTM D2564) hàn ống thay vì chỉ dán; cyanoacrylate, polyurethane và acrylic dán được mà không cần xử lý. Lớp phủ cần lớp lót acrylic hoặc polyurethane tương thích vinyl; lớp lót gốc dung môi làm trương các chi tiết mềm mỏng.

PVC mềm đánh bại tất cả những điều đó bằng hiện tượng thấm ra bề mặt. Lau bằng isopropanol loại bỏ màng và xử lý corona hoặc plasma nâng năng lượng vượt 44 dyne/cm, nhưng sự di chuyển bắt đầu lại ngay lập tức và sự phục hồi tính kỵ nước hoàn tất trong vài giờ, nên cần in hoặc dán trong vòng 1–2 giờ. Hãy chỉ định mực và keo chịu được chất hóa dẻo (PSA acrylic xếp hạng cho vinyl, polyurethane) hoặc chất tăng bám dính dạng rào cản. Chất tách khuôn silicone là tạp chất bổ sung thường gặp.

Phương pháp hàn tùy theo loại vật liệu. PVC cứng: hàn dung môi, hàn khí nóng (300–350°C, đạt 60–80% độ bền vật liệu gốc) và hàn siêu âm trường gần. PVC mềm: hàn cao tần ở 27,12 MHz, nhờ lưỡng cực C–Cl, là tiêu chuẩn cho túi và bộ dây truyền máu. Hàn laser truyền qua dùng được với PVC cứng trong suốt phía trên một chi tiết hấp thụ ở 940–1064 nm, nhưng nhiệt độ nóng chảy 160–190°C nằm sát ngưỡng khử HCl mất kiểm soát.

Loại y tế, tiệt trùng và xử lý sự cố

Hợp chất y tế được thẩm định theo USP Class VI và ISO 10993-5 và -10, với chất chiết xuất theo ISO 10993-18. Ethylene oxide là chất tiệt trùng mặc định; việc thông khí phải đạt giới hạn tồn dư của ISO 10993-7. Tia gamma ở 25–40 kGy làm PVC ngả vàng bằng chính sự hình thành polyene mà laser gây ra; các loại ổn định bức xạ (canxi–kẽm với dầu đậu nành epoxy hóa) làm giảm hiện tượng này. Hơi nước ở 121°C vượt quá HDT của PVC cứng. Vết khắc cacbon hóa sống sót qua mọi chu kỳ; nền ngả vàng nên độ tương phản giảm.

Chỉ định và kiểm chứng các công đoạn thứ cấp với PVC

Ba yêu cầu cần có trong mọi đặc tả PVC, mỗi yêu cầu kèm một phép kiểm:

• Xử lý khói. Hút tại nguồn có tầng trung hòa axit và ống dẫn không mạ kẽm; kiểm chứng HCl tại vị trí người vận hành dưới 2 ppm bằng ống phát hiện hoặc cảm biến điện hóa.
• Hiện tượng thấm chất hóa dẻo. Đo mức dyne hoặc góc tiếp xúc khi nhận hàng, sau khi lau isopropanol và sau 24 giờ ở 50°C; chênh lệch trên 4 dyne/cm cho thấy hợp chất có hiện tượng thấm ra bề mặt. Bổ sung thử băng dính ASTM D3359 sau 7 ngày ở 50°C.
• Độ bền vết khắc và mối dán sau tiệt trùng. Chấm điểm mã DataMatrix theo ISO/IEC 29158 hoặc ISO 15415 trước và sau chu kỳ đã thẩm định và lão hóa ASTM F1980; giữ giá trị cắt chồng mí hoặc bóc tách theo cùng điều kiện xử lý.

Thuật ngữ và tài liệu liên quan

• Nhựa khắc laser được
• Phục hồi tính kỵ nước
• Khắc laser trên nhựa
• Các phương pháp tiền xử lý bề mặt
• Biểu đồ khắc laser trên nhựa

Ứng dụng vào sản xuất thực tế

The Sabreen Group cung cấp hỗ trợ kỹ thuật độc lập cho khắc laser PVC với hệ thống xử lý khói đạt chuẩn, in và dán các loại PVC có chất hóa dẻo, và thẩm định vết khắc cũng như mối dán PVC y tế qua tiệt trùng. Nếu quý khách đang chỉ định một quy trình, thẩm định vật liệu hoặc xử lý sự cố sản xuất, đội ngũ dịch vụ kỹ thuật của chúng tôi có thể hỗ trợ. Hãy liên hệ để trao đổi về ứng dụng của quý khách.

Câu hỏi thường gặp

Có thể khắc laser PVC an toàn không?

Có, với hệ thống hút khí được thiết kế riêng. Khắc chỉ loại bỏ lượng microgram trên mỗi chi tiết nên tải HCl nhỏ nhưng liên tục và ăn mòn. Hãy thu khí ngay tại điểm khắc, lọc qua bộ lọc bụi sơ cấp và tầng than hoạt tính tẩm kiềm, đồng thời giữ vị trí người vận hành dưới ngưỡng 2 ppm.

Vì sao các xưởng laser từ chối cắt PVC?

Cắt loại bỏ lượng gram trên mỗi chi tiết thay vì microgram, và mỗi gram PVC có thể giải phóng 0,58 g HCl. Lượng đó ăn mòn máy, làm bão hòa bộ lọc trong vài giờ và tạo ra hợp chất hữu cơ clo hóa ở vùng khói nguội hơn. Các nhà sản xuất laser loại trừ việc này khỏi bảo hành.

Vì sao mực bong khỏi PVC mềm sau nhiều tuần dù đã đạt thử nghiệm băng dính?

Do chất hóa dẻo di chuyển. Màng bề mặt đã được lau hoặc xử lý khi in nên lần thử đầu đạt, nhưng DEHP hoặc DINP tiếp tục khuếch tán từ bên trong và làm mềm mực. Hãy dùng mực chịu chất hóa dẻo, chỉ định TOTM hoặc DINCH, và thử lại các chi tiết đã lão hóa 7 ngày ở 50°C trước khi xuất xưởng.

Laser nào tốt nhất cho PVC: sợi quang, UV hay CO2?

Laser sợi quang 1064 nm cho các loại cứng có bột màu và chất độn, tạo vết cacbon hóa sẫm màu ở tốc độ cao. UV 355 nm cho các loại trong suốt, trắng và loại mềm mỏng, nơi vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ loại bỏ quầng vàng. CO2 cho màng vinyl và biển hiệu nơi chấp nhận vết khắc mờ.

Tiệt trùng bằng tia gamma có ảnh hưởng đến vết khắc laser trên PVC không?

Vết khắc vẫn còn; nền thì thay đổi. Tia gamma ở 25–40 kGy tạo ra cùng loại polyene mà quá trình cacbon hóa tạo ra, nên PVC chưa khắc cũng ngả vàng và độ tương phản giảm. Hãy chỉ định loại ổn định bức xạ, thẩm định liều hiệu quả thấp nhất, và chấm điểm mã DataMatrix theo ISO/IEC 29158 sau tiệt trùng, không phải trên chi tiết mới.

---