Przegląd metod obróbki powierzchni tworzyw

Powierzchnie tworzyw sztucznych często poddawane są obróbce, tak by uzyskać odpowiednia przyczepność pokrywających je farb czy powłok. Problemy z przyczepnością dotyczą zazwyczaj materiałów z niską energia powierzchniową - podłoże tworzywowe jest niespolaryzowane, co znacząco utrudnia adhezję. 

W świecie przemysłowym obróbka powierzchni tworzyw sztucznych nie jest rzadkością. Powierzchnie tworzyw obrabia się w celu poprawy zwilżalności, co prowadzi do prawidłowej przyczepności farb, atramentów, powłok itp.

Problem przyczepności występuje powszechnie w przypadku materiałów, na powierzchniach których występuje niska energia. Każdy z nas pracując w branży tworzywowej nie raz spotkał się z określeniem „energia powierzchniowa”. Nie raz również zadawał sobie pytania typu „Jak zapobiec odpadaniu lakieru z zabezpieczanej powierzchni?” albo „Czy te tworzywa sztuczne muszą być tak trudne w klejeniu?”. Wielu klientów boryka się z takimi problemami, chcąc wyprodukować tworzywa, na których dobrze będą trzymały się farby, nadruki z folii, albo takie, które będą dobrze się ze sobą kleić. Wymienione przeze mnie kwestie wiążą się ze zjawiskiem adhezji.

Powierzchnia tworzyw sztucznych nie jest spolaryzowana, przez co bardzo słabo przylegają do niej różnego rodzaju powłoki. PE i PP to obecnie najtańsze surowce, wymagają jednak dodatkowej obróbki w celu polepszenia adhezji farb, lakierów, powłok, klejów, itp. Nawet PC lub ABS, zwłaszcza uniepalnione, sprawiają w ostatnich latach coraz więcej kłopotów z adhezją. Zawarte w nich środki pomocnicze wydzielane są na powierzchni tworzywa i muszą zostać usunięte. Jak tego dokonać opiszę później, zacznijmy jednak od wyjaśnienia pojęcia samej aktywacji powierzchni.

Aktywacja powierzchni, napięcie powierzchniowe, energia powierzchni

Aktywacja powierzchni to z definicji zwiększanie aktywności chemicznej powierzchni, tj. zdolności powierzchni do reagowania z otaczającym ośrodkiem, np. tlenem z atmosfery. Proces aktywowania podnosi jego energię powierzchniową, która to jest miarą określającą adhezję na powierzchni malowanej lub powlekanej. Napięcie powierzchniowe i porównywalna energia powierzchni materiału określają moc wiązania istniejącego między powłoką, a samym materiałem. Jeśli ciało stałe wykazuje wysoki poziom energii powierzchniowej w porównaniu do napięcia powierzchniowego cieczy, występować będzie zwiększone przyciąganie molekularne, które zapewni większe zbliżenie do siebie kleju i atramentu lub farby itp., co przełoży się na doskonałą wytrzymałość wiązania. Podobnie, jeśli napięcie powierzchniowe ciała stałego jest niższe niż napięcie powierzchniowe cieczy, siły przyciągania osłabią się, powodując odpychanie powłoki.

Tworzywa sztuczne generalnie posiadają niską energię powierzchniową, na poziomie poniżej 28 - 40 mN/m. Ponieważ jednak wymagają one łączenia, klejenia, malowania, oczekuje się od nich wysokiej energii powierzchniowej. Z badań wynika, że powierzchnie osiągające energię na poziomie 38 - 40 mN/m zapewniają wystarczającą adhezję. Przykładami mogą być m.in. polietylen o wysokiej gęstości, polipropylen czy EPDM. Ich energia powierzchniowa mieści się w zakresie 29 - 36 dyn/cm lub mN/m (miliniuton na metr). Uzyskanie odpowiedniego poziomu przyczepności na materiałach o niskiej energii powierzchniowej, tj. na polipropylenie, polietylenie itp., może czasami być niezwykle trudne z uwagi na ich gładkość.

Zwilżalność tworzyw sztucznych można szybko i łatwo ocenić za pomocą kropli wody naniesionej na powierzchnię. Jeśli tworzy się punktowa kropla wody, powierzchnia jest niskoenergetyczna. Z drugiej strony, jeśli kropla wody się rozpłynie, powierzchnia jest wysokoenergetyczna. Aby dokładniej przyjrzeć się zwilżalności, stosuje się tusze testowe i mierzy się kąt zwilżania kropli (metody pomiarowe zgodne z DIN 53 364 lub ASTM D 2578-84).

Napięcie powierzchniowe jest więc miarą energii związanej z istnieniem sił międzycząsteczkowych. Powoduje ono, że ciecz w kontakcie z podłożem dąży do zawarcia swojej objętości w bryle o najmniejszej powierzchni styku z tym podłożem. W tabelach zaprezentowano wartości energii powierzchniowych dla różnych tworzyw oraz napięcie powierzchniowe najpopularniejszych "cieczy".

Jak wynika z tabeli 1., przyczyną problemów związanych z brakiem przyczepności farb i klejów jest więc niska energia powierzchniowa wyrobów z poliolefin, a rozwiązaniem jest fizyczna zmiana własności tej powierzchni związana ze wzrostem energii powierzchniowej. W celu uzyskania dobrej przyczepności powierzchni, konieczne jest zmodyfikowanie jej właściwości poprzez zerwanie wiązań molekularnych. W ten sposób zwiększa się napięcie powierzchniowe, a w konsekwencji stopień przyczepności, nie naruszając właściwości tworzywa.

Tabela 1. Energia powierzchniowa podłoża (mN/m)

Tabela 2. Napięcie powierzchniowe przykładowych "cieczy"