Năng lượng bề mặt

Năng lượng bề mặt

Những điểm chính

• Năng lượng bề mặt quyết định chất lỏng thấm ướt hay vón hạt; đây là yếu tố dự báo hữu ích nhất cho thành công của việc in và dán.
• Sức căng bề mặt của chất lỏng phải thấp hơn của chất rắn, với biên độ làm việc khoảng 7–10 dyne/cm.
• Polyolefin nằm ở khoảng 29–31 dyne/cm, thấp hơn hầu như mọi loại mực và keo dán, đó là lý do chúng cần tiền xử lý.
• Hiệu quả xử lý suy giảm. Năng lượng bề mặt là trạng thái tạm thời, không phải thuộc tính vĩnh viễn của chi tiết.

Năng lượng bề mặt

Năng lượng bề mặt là năng lượng dư mà các phân tử ở bề mặt chất rắn nắm giữ so với các phân tử bên trong khối, và trên nhựa, nó quyết định mực, keo hay lớp phủ lan ra trên bề mặt hay co lại thành hạt. Đại lượng này thường được báo cáo bằng dyne trên centimet (dyne/cm), về số trị bằng millinewton trên mét.

Các phân tử bên trong chất rắn được bao quanh mọi phía và lực hút của chúng được thỏa mãn theo mọi hướng. Các phân tử ở bề mặt thì không, nên chúng mang khả năng liên kết chưa được thỏa mãn. Khả năng chưa thỏa mãn đó là thứ chất lỏng có thể tương tác với, và một bề mặt có rất ít khả năng đó, tức bề mặt năng lượng thấp, không cho chất lỏng điểm nào để bám vào.

Quy tắc chi phối sự thấm ướt

Để chất lỏng thấm ướt chất rắn, sức căng bề mặt của chất lỏng phải thấp hơn năng lượng bề mặt của chất rắn. Khi nó cao hơn, chất lỏng giảm tối thiểu diện tích tiếp xúc và vón thành hạt. Trên thực tế cần có biên độ chứ không chỉ bằng nhau:

Năng lượng bề mặt mục tiêu ≈ sức căng bề mặt của chất lỏng + 7 đến 10 dyne/cm

Mối quan hệ duy nhất này giải thích phần lớn lỗi bám dính trên nhựa. Mực gốc nước ở khoảng 35 dyne/cm áp lên polypropylene chưa xử lý ở 29 dyne/cm không thể thấm ướt nó, và không thời gian sấy, áp lực hay việc điều chỉnh công thức mực nào thay đổi được phép tính đó. Bề mặt phải được nâng lên trước.

Giá trị điển hình theo polymer

Nâng năng lượng bề mặt

Mọi phương pháp tiền xử lý công nghiệp đều hoạt động theo cùng một con đường cơ bản: oxy hóa vài lớp phân tử trên cùng để các nhóm phân cực chứa oxy được ghép vào khung hydrocarbon không phân cực. Các phương pháp khác nhau về hình học, chi phí và độ bền chứ không phải về nguyên lý:

• Xử lý phóng điện corona: tiêu chuẩn cho màng và cuộn vật liệu ở tốc độ cao với chi phí trên mỗi mét vuông thấp.
• Plasma ngọn lửa: phù hợp với chi tiết đúc và chi tiết cong có đủ khối lượng nhiệt để chịu được.
• Plasma khí quyển: có chọn lọc, gắn được lên robot và tải nhiệt thấp, dành cho chi tiết ba chiều.
• Plasma khí lạnh: quy trình chân không theo mẻ tiếp cận được hình học bị che khuất, cho kết quả bền nhất và khả năng điều chỉnh hóa học bề mặt.
• Pyrosil: lắng đọng một lớp silicat phản ứng thay vì hoạt hóa bề mặt hiện có, cho khoảng thời gian sử dụng dài hơn nhiều.

Cách đo

Đo trên toàn bộ chi tiết hoặc bề rộng cuộn thay vì tại một điểm duy nhất. Sự khác biệt giữa mép và tâm là thường gặp, dễ bị bỏ sót, và là nguyên nhân thường xuyên của lỗi có vẻ ngẫu nhiên.

Vì sao hiệu quả xử lý không kéo dài

Năng lượng bề mặt được nâng lên là trạng thái tạm thời. Hai cơ chế kéo nó xuống trở lại, và cả hai chạy từ lúc việc xử lý dừng lại:

• Định hướng lại chuỗi. Các nhóm phân cực được ghép gắn vào các chuỗi polymer linh động, các chuỗi này xoay để chôn chúng xuống dưới bề mặt, nơi chúng thoải mái hơn về mặt năng lượng. Nhiệt độ ấm làm tăng tốc quá trình này.
• Di trú phụ gia. Chất trượt, phụ gia chống dính, chất hóa dẻo và chất chống dính khuôn tồn dư di trú lên bề mặt và phủ lên lớp đã xử lý. Trên màng polyolefin đây thường là hiệu ứng lớn hơn, và là lý do một thay đổi công thức có thể rút ngắn khoảng thời gian sử dụng mà không có gì thay đổi trên thiết bị xử lý.

Hệ quả thực tế là khoảng thời gian giữa xử lý và dán thuộc về quy cách quy trình với mức tối đa được nêu rõ. Nguyên liệu đã xử lý bị lão hóa cần được đo lại trước khi sử dụng, không nên mặc định là còn tốt.

Thuật ngữ và tài liệu liên quan

• Xử lý bề mặt bằng plasma kéo dài bao lâu?
• Phép thử băng dính ASTM D3359
• Góc tiếp xúc
• Tất cả các phương pháp tiền xử lý bề mặt polymer
• Khoa học giải quyết các vấn đề bám dính trên nhựa
• Lỗi bám dính
• In phun và độ bám dính của polymer có năng lượng bề mặt thấp

Ứng dụng trong sản xuất

The Sabreen Group cung cấp hỗ trợ kỹ thuật độc lập về đo năng lượng bề mặt, lựa chọn phương pháp tiền xử lý và xử lý sự cố bám dính. Nếu quý khách đang quy định một quy trình, đánh giá một vật liệu hoặc xử lý sự cố sản xuất, đội ngũ dịch vụ kỹ thuật của chúng tôi có thể hỗ trợ. Liên hệ với chúng tôi để trao đổi về ứng dụng của quý khách.

Câu hỏi thường gặp

Nhựa cần năng lượng bề mặt bao nhiêu trước khi in hoặc dán?

Đủ để vượt sức căng bề mặt của chất lỏng khoảng 7 đến 10 dyne/cm. Với hầu hết mực và keo, điều đó nghĩa là 38–44 dyne/cm trên polyolefin và 46–52 trên màng PET, nhưng con số nên đến từ thử nghiệm với hóa học thực tế chứ không phải mục tiêu chung chung. Quy cách trích dẫn một con số chuẩn ngành mà không ai thử với loại mực thực là quy cách đang chờ để hỏng.

Vì sao polyolefin cần tiền xử lý trong khi các loại nhựa khác thì không?

Vì polypropylene và polyethylene nằm ở khoảng 29–31 dyne/cm, thấp hơn về cơ bản mọi loại mực và keo thông dụng, nên hoàn toàn không xảy ra thấm ướt. Polycarbonate, ABS và PET bắt đầu ở khoảng 35–46, cao hơn hoặc gần bằng nhiều chất lỏng, nên thường có thể in hoặc dán ngay khi vừa đúc. Chính hóa học khiến polyolefin trơ và rẻ cũng là hóa học khiến chúng không in được.

Kết quả đọc bút dyne có đủ tin cậy để kiểm soát sản xuất không?

Để kiểm tra nhanh thì có; với bất cứ điều gì cần bảo vệ được thì không. Mực bút bị khô và lão hóa, và việc đọc mang tính chủ quan. Dung dịch sức căng thấm ướt theo ASTM D2578 là phương pháp sản xuất tiêu chuẩn, và đo góc tiếp xúc bằng goniometer cho giá trị định lượng cần thiết để xác nhận hiệu lực hoặc giải quyết tranh chấp với khách hàng. Dù dùng phương pháp nào, hãy đo trên toàn bộ bề rộng thay vì tại một điểm.

Vì sao độ bám dính hỏng khi chỉ số dyne đúng?

Hầu như luôn do nhiễm bẩn. Tiền xử lý hoạt hóa bất cứ thứ gì có trên bề mặt, nên lớp chất chống dính khuôn, phụ gia trượt di trú hoặc dầu máy nén được hoạt hóa thay cho polymer, và bút dyne sẽ đọc chất nhiễm bẩn đã hoạt hóa đó rất dễ dàng. Tăng mức xử lý không giúp ích. Hãy truy nguồn chất nhiễm bẩn, thường là một quy trình ở công đoạn trước chứ không phải trạm xử lý.

Hiệu quả xử lý bề mặt kéo dài bao lâu?

Từ vài giờ đến vài tuần, tùy polymer, gói phụ gia và điều kiện bảo quản. Các chuỗi polymer định hướng lại để chôn các nhóm phân cực được ghép, còn chất trượt, chất hóa dẻo và chất chống dính khuôn di trú lên bề mặt và phủ lên chúng. Chất đàn hồi và loại hóa dẻo suy giảm nhanh nhất. Hãy xác lập khoảng thời gian tối đa từ xử lý đến dán bằng thực nghiệm, đưa vào quy cách quy trình, và đo lại nguyên liệu đã lão hóa thay vì mặc định còn tốt.

---