Плазменная обработка для подготовки пластмасс и композитов к нанесению УФ-отверждаемых порошковых покрытий

Определение адгезии — это первое количественное испытание, позволяющее оценить эксплуатационные характеристики материала покрытия, независимо от типа подложки − металл, дерево, пластмасса, композиционные материалы, бумага, стекло или конструкционные материалы. Говоря простым языком, это можно выразить как “прилипает ли покрытие к подложке” и, если да, то “какой показатель адгезии?”

Адгезию можно измерить для всех видов покрытий: жидких, порошковых, лаков и красок.

Система или механизм отверждения покрытия не зависит от адгезии. Вне зависимости от типа отверждения − окружающий воздух, тепловая энергия или энергия излучения (УФ или электронный пучок) − покрытие должно “прилипать” к подложке. Покрытие, нанесенное и отвержденное должным образом, необязательно будет прилипать к подложке. Правильная подготовка подложки перед нанесением покрытия — вот самый важный и определяющий фактор в достижении необходимой адгезии для любого покрытия и любой подложки.

Для подготовки поверхности требуется понимание физических свойств подложки, информация о конечном назначении изделия с покрытием, после чего следует определение, выбор и использование подходящих материалов для предварительной обработки. Правильный выбор материалов и процессов предварительной обработки, совместимых с материалами покрытия, гарантирует получение необходимой адгезии после нанесения и отверждения покрытия.

Процессы подготовки или предварительной обработки черных металлов известны давно; широко используются такие материалы, как фосфат железа, фосфат цинка и цирконий, которые совместимы со многими жидкими и порошковыми покрытиями. Для наиболее распространенных промышленных металлических и деревянных подложек существует широкий ассортимент материалов и процессов предварительной обработки, соответствующих материалам покрытий, которые хорошо выполняют свою функцию и широко представлены на рынке.

Новые, впечатляющие возможности для рынка покрытий привносит разработка и использование пластмасс и композиционных материалов для замены металлов, что обеспечивает снижение веса, экономию топлива, повышение прочности изделий и других конструктивных характеристик. Адгезия покрытия зависит от подготовки и/или предварительной обработки поверхности перед нанесением покрытия. Для данного исследования было выбрано УФ-отверждаемое порошковое покрытие, поскольку для его плавления требуется минимальный нагрев (обычно не более 130 °C), время плавления порошка составляет 1-2 минуты, после чего следует почти мгновенное УФ-отверждение. Такой нагрев не нарушает целостность подложки. В настоящей статье представлены результаты исследования по использованию плазмы в качестве модификатора поверхности пластмассовых и композитных подложек для повышения поверхностной энергии и адгезии УФ-отверждаемого порошкового покрытия.

ИЗМЕРЕНИЕ АДГЕЗИИ

В стандарте ASTM D33591 описывается общепринятый метод измерения и оценки адгезии покрытия к подложке. С помощью ножа или режущего инструмента на покрытие наносят решетчатые надрезы с определенным расстоянием между ними (рисунок 1). Липкую ленту приклеивают поверх надрезов, затем резко отрывают от подложки. Адгезию оценивают по количеству краски, удаленной вместе с лентой с подложки (рисунок 2). Уровень 5B — это оптимальный показатель адгезии, 4B — удовлетворительный, все остальные, более низкие уровни считаются неприемлемыми и не соответствующими требованиям. В данном исследовании применяется этот метод классификации.

Рисунок 1. Приклеивание и удаление липкой ленты при проведении испытания на определение адгезии.

Рисунок 2. Классификация адгезии согласно стандарту ASTM D3359.

ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА

Плазму часто называют четвертым агрегатным состоянием вещества; первые три — твердое, жидкое и газообразное (рисунок 3). Тепловая энергия, ее подвод или отвод, характеризует переходное состояние изменения природы вещества.

Рисунок 3. Состояния вещества.2

Плазма — это газ, который обладает способностью проводить электрический ток. Именно электрическая энергия в сочетании с плазмообразующим газом изменяет и модифицирует поверхность обрабатываемой подложки и влияет на адгезию покрытия к подложке.

Плазма взаимодействует с поверхностью как физически, так и химически. Как правило, для низкоэнергетических поверхностей (большинство пластмасс и композиционных материалов) характерна гидрофобность и низкая степень смачиваемости. Смачиваемость связана с взаимодействием между жидкой и твердой фазой и характеризует способность материала растекаться по твердой поверхности. Плазменная обработка преобразует низкоэнергетическую поверхность в высокоэнергетическую и делает ее более гидрофильной и смачиваемой. Адгезия покрытия напрямую зависит от смачиваемости; чем более смачиваемая поверхность, тем лучше адгезия.

Плазма состоит из 6 компонентов: электроны, ионы, свободные радикалы, побочные продукты, фотоны и нейтральные частицы. Два основных компонента — это ионы, которые стимулируют физические изменения на поверхности материала, и свободные радикалы, которые стимулируют химические изменения на поверхности материала. Ионы и свободные радикалы взаимодействуют друг с другом посредством работы высокочастотного (ВЧ) генератора плазменной установки и генератора газа, обычно кислород, аргон или воздух (рисунок 4).

Рисунок 4. Вакуумно-плазменная установка.3

Электрический заряд и газовые взаимодействия контролируются временем обработки, радиочастотной мощностью и вакуумметрическим давлением. Регулируя эти параметры, можно выполнить надлежащую обработку подложки определенного химического состава. Плазменная обработка выполняется с целью физической очистки и травления поверхности материала, а также чтобы обеспечить образование химически активных центров связывания для прикрепления покрытий. Это приводит к получению гидрофильной, смачиваемой поверхности, обеспечивающей хорошую адгезию покрытия.

Один из видов плазменной обработки – это плазма атмосферного давления. В этой технологии в качестве дозатора плазмы используется распылитель; плазма прицельно направляется на поверхность и воздействует на область, соответствующую по размеру полю разряда. А отличие от традиционных систем обработки атмосферной плазмой, плазменные установки с вакуумной камерой обеспечивают полную обработку всех поверхностей пространственных объектов одновременно. Вакуумно-плазменная технология имеет несколько явных преимуществ по сравнению с обработкой атмосферной плазмой.

Поскольку плазма не ограничена зоной прямой видимости, она может воздействовать на все поверхности: условия окружающей среды и/или смена оператора не влияют на результат обработки; процесс зависит только от времени и вакуумметрического давления, что позволяет обрабатывать несколько деталей одновременно.

Для данного исследования была выбрана вакуумно-плазменная технология. Для обработки деталей с использованием этой технологии изделия размещали в камере обработки, воздух откачивали для создания вакуума, выбранный газ подавали в установку, РЧ-энергия, подаваемая через электроды, создавала плазму, которая воздействовала в равной степени на все поверхности детали.

Затем проводили испытание на определение поверхностной энергии обработанного материала. В набор для испытаний входят различные составы с известным градуированным поверхностным натяжением, как правило, 30-70 дин/см. Начиная с раствора с наименьшим значением, образцы наносят на испытываемую поверхность и отмечают время, через которое раствор на подложке распадается на капли. Таким образом испытывают все растворы по очереди, чтобы определить раствор, который распадается на капли примерно через 2 секунды после нанесения; его известное значение будет соответствовать поверхностной энергии подложки. Чем выше значение, тем выше поверхностная энергия подложки.

УФ-ОТВЕРЖДАЕМЫЕ ПОРОШКОВЫЕ ПОКРЫТИЯ

Основные типы систем отверждения: сушка атмосферным воздухом, тепловая энергия, энергия УФ-излучения и энергия электронного пучка. УФ-отверждение существенно отличается от воздушной сушки и теплового отверждения.

Степень отверждения характеризуется количеством сшитых олигомерных цепей или полностью прореагировавших двойных связей, остающихся в матрице покрытия после воздействия системы отверждения.

УФ-излучение используется для отверждения покрытий уже более 30 лет. УФ-отверждаемые жидкие материалы, т.е. пигментированные краски, прозрачные отделочные покрытия, пигментированные чернила и прозрачные лаки, широко представлены на рынке УФ-отверждаемых лакокрасочных материалов. Более 20 лет компании успешно применяют УФ-отверждаемые порошковые покрытия. УФ-отверждаемые порошковые покрытия могут заменить жидкие покрытия на основе растворителей, термореактивные порошковые покрытия и представляют собой отделочный материал, применимый для многих новых материалов и изделий.

В качестве источника энергии УФ-отверждения используют высокомощные УФ-лампы. Дуговые УФ-лампы и лампы среднего давления занимают лидирующее положение на рынке. За последние пять лет производители внедрили светодиодные УФ-лампы с более высокой выходной мощностью. Светодиодные УФ-лампы потребляют значительно меньше энергии, чем дуговые и УФ-лампы среднего давления, не испускают ИК-излучение, обладают более продолжительным сроком службы и обеспечивают снижение эксплуатационных затрат.

Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) — это надежный и точный метод оценки отверждения систем покрытий. При проведении испытаний для оценки отверждения специалисты часто используют метилэтилкетон или другие растворители. Исследования показали, что испытания с использованием растворителей являются субъективными и могут давать ложноотрицательные или ложноположительные результаты.

УФ-отверждаемые жидкие и порошковые покрытия — это фотополимеризуемые материалы с помощью химического фотоинициатора, который мгновенно реагирует на энергию УФ-излучения, запуская реакцию сшивания (рисунок 5). При УФ-отверждении порошкового покрытия стадии отверждения предшествует стадия отдельная стадия плавления, которая обычно занимает 1 — 2 минуты. УФ-отверждение происходит почти мгновенно. При нанесении УФ-отверждаемых покрытий необходимо найти оптимальное сочетание рабочих параметров системы покрытий, скорости процесса и материала покрытия со спектральным диапазоном и выходной энергией УФ-лампы. Если спектральное излучение лампы не соответствует диапазону поглощения фотоинициатора, или если система ламп недостаточно мощная, покрытие может отверждаться не полностью.

Рисунок 5. Фотополимеризация

УФ-отверждаемые порошковые покрытия обладают множеством эксплуатационных преимуществ: более низкое энергопотребление, небольшая занимаемая площадь системы нанесения и высокая производительность. Кроме того, УФ-отверждаемые порошковые покрытия обеспечивают преимущества с точки зрения безопасности, здоровья и законодательных норм. Будучи 100% твердыми материалами, они не содержат растворителей и воды, поэтому для их изготовления и использования не требуются специальные разрешения. На рисунке 6 представлено сравнение характеристик УФ-отверждаемых порошковых покрытий и термореактивных порошковых и жидких покрытий.

Рисунок 6. Поэтапный анализ продолжительности цикла.

Каждая полоса на графике демонстрирует суммарное количество времени, необходимого для нанесения и отверждения материала.

УФ-отверждаемые порошковые покрытия и термоотверждаемые порошковые покрытия похожи. Разница заключается в использовании смолы, специально разработанной для отверждения под воздействием УФ-излучения, и использовании фотоинициатора в качестве катализатора отверждения. В состав смолы обычно входят: полиэфиры, эпоксидные смолы, гибридные системы и уретаны. Добавки и пигменты (наряду с фотоинициатором) добавляются в смолу и дополняют состав. Характерная разница между термоотверждаемыми и УФ-отверждаемыми порошковыми покрытиями заключается в разделении фазы плавление-отверждение на короткую фазу расплавления и последующую почти мгновенную фазу УФ-отверждения (рисунок 7).

Рисунок 7. Расплавление, растекание и отверждение.

ТЕХНОЛОГИЯ УФ-ОТВЕРЖДЕНИЯ

На рисунке 8 показан спектр излучения от УФ до ИК; УФ-С, УФ-Б и УФ-А — три диапазона длин волн УФ-излучения от 100 до 400 нм. Производители ламп назвали четвертый диапазон ВУФ (вакуумный), от 400 до 450 нм. Он имеет важное значение, поскольку энергия УФ-излучения в этом диапазоне отверждает толстые покрытия, такие как УФ-отверждаемые порошковые покрытия. Дуговые лампы и УФ-лампы среднего давления излучают световую энергию во всех четырех УФ-диапазонах и в видимой области спектра выше 400 нм.

Рисунок 8. Спектр излучения.

В зависимости от типа лампы интенсивность излучения и доза варьируются в разных ультрафиолетовых диапазонах. Фотоинициаторы поглощают ультрафиолетовый свет при различных длинах волн. Длины волн излучения ультрафиолетового света должны соответствовать длинам волн поглощения фотоинициатора для начала и полного завершения стадии отверждения в процессе нанесения покрытия.

Выходная мощность УФ-лампы определяется как интенсивность излучения (максимальная интенсивность). Мощность лампы (мВт/см2) измеряется на определенном расстоянии.

Еще одна характеристика — это доза (плотность энергии, мДж/см2), то есть количество энергии, достигающей поверхности отверждаемого объекта при его движении в световом поле лампы.

Чем выше доза, тем больше энергии УФ-излучения для отверждения покрытия. По мере изменения расстояния и скорости линии изменяется и доза энергии УФ-излучения, воздействующего на поверхность детали. Чем ближе источник УФ-излучения к детали, тем выше доза энергии для отверждения покрытия.

Необходимо понимать, как изменяются условия отверждения при изменении мощности лампы, расстояния и времени воздействия.

В таблице 1 приведены результаты измерения выходных характеристик УФ-излучения трех типов ламп: микроволновая, дуговая и светодиодная. Расстояние и скорость оставались постоянными и измерялись при разных длинах волн. Показания для светодиодной УФ-лампы 395 регистрировали при длине волны 395 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В таблице 2 приведены значения поверхностного натяжения (дин/см) для шести материалов без обработки и с последующими испытаниями в различных условиях обработки. Для плазменной обработки использовали установку Nordson/MARCH AP-1500. За исключением материала и технологического газа, другие условия оставались постоянными, а именно: a) расположение в установке, b) базовое давление в камере, измеряемое в торр, c) расход газа, измеряемый в см3/мин, d) мощность установки, измеряемая в Вт, и e) продолжительность плазменной обработки, измеряемая в секундах.

Испытания проводили на следующих материалах: пластмассы и углепластики. Точное название не сообщается в связи с условиями конфиденциальности. Контрольные испытания необработанных образцов свидетельствуют о низкой поверхностной энергии перед обработкой поверхностей. После плазменной обработки все материалы обладали более высокой поверхностной энергией и были подготовлены к нанесению УФ-отверждаемого порошкового покрытия.

В таблице 3 приведены результаты испытаний пяти материалов после плазменной обработки, выполненной в различных условиях, и нанесения УФ-отверждаемого порошкового покрытия. Толщину покрытия измеряли одновременно с адгезией. В таблице не приведены данные для шестого материала, поскольку он аналогичен другому материалу в данном исследовании.

Полученные результаты показывают, что плазменная обработка повышает смачиваемость поверхности пластмасс и композитов и улучшает адгезию УФ-отверждаемых порошковых покрытий.

Рисунок 9. Адгезия УФ-отверждаемого порошкового покрытия после плазменной обработки и без нее.

На рисунке 9 представлены фотографии, характеризующие адгезионные свойства покрытий на пластмассе и композиционном материале с выполнением плазменной обработки и без нее. Данные, представленные в таблице 3, и фотографии демонстрируют преимущества использования плазмы для обработки пластмасс и композиционных материалов с целью улучшения адгезии УФ-отверждаемых порошковых покрытий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Пластмассы и композиционные материалы трудно поддаются отделке из-за их низкой поверхностной энергии, поверхностных загрязнений и чувствительности к воздействию тепла.

Используя плазменную обработку, можно подготовить и очистить эти материалы перед нанесением покрытия. Повышение поверхностной энергии в результате плазменной обработки улучшает адгезию и обеспечивает эффективное нанесение покрытия. Результаты данного исследования показывают, что термочувствительные подложки, такие как пластмассы и композиты, с помощью плазменной обработки можно подготовить и успешно нанести УФ-отверждаемое порошковое покрытие без ухудшения характеристик и нарушения целостности подложки.

УФ-отверждаемые порошковые покрытия — 100% твердые материалы, не содержат растворителей и воды, прочные и обладают высокой адгезией при нанесении на правильно подготовленные и предварительно обработанные подложки.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. ASTM International, Барр Харбор драйв 100, Западный Коншохокен, штат Пенсильвания, 19428-2959.
  2. Фут, Д. Предварительное исследование усовершенствованного автоматизированного нанесения селективного конформного покрытия на электронные блоки с применением технологии плазменной обработки, компания Nordson/MARCH Corporation, Конкорд, штат Калифорния., материалы представлены на международной технической конференции SMTA International, 15 октября 2013 г.

Первоначальная статья и полученные данные были представлены на симпозиуме Waterborne Symposium 2019 в Новом Орлеане. Дополнительную информацию можно получить по эл. почте mfk@keylandpolymer.com  или по телефону (216) 741-7191.

Майкл Ф. Кноблаух и Кевин М. Отто; компания Keyland Polymer Material Sciences, LLC.; Кливленл, штат Огайо

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Первая грузовая платформа из термопластичного композиционного материала
Первая грузовая платформа из термопластичного композиционного материала
Рубленое углеродное волокно, полиамид и инновации меняют представление о грузовых платформах современных пикапов. CarbonPro, первая…
Пегги Малнати
31.08.2021
152
<strong>Модифицированный оксид графена</strong>
Модифицированный оксид графена
В новой работе в качестве наполнителя использовали диамин малеиновой кислоты (C4H6N2O2, MAD), модифицированный оксидом графена…
02.12.2022
95
McLaren и APL представляют новый бренд спортивной обуви
McLaren и APL представляют новый бренд спортивной обуви
Универсальная элитная обувь из композиционных материалов, вдохновленная суперкарами McLaren, отличается новыми очертаниями, промежуточной подошвой из…
02.09.2022
64
Совместная работа по определению использования углепластика в автомобильной промышленности
Совместная работа по определению использования углепластика в автомобильной промышленности
Ford и Magna начинают массовое производство передних подрамников шасси, изготовленных из рубленого волокна и листового…
Джинджер Гардинер
31.08.2020
450
3D-печать без третьего измерения
3D-печать без третьего измерения
Производство композитов в сущности является аддитивным процессом и всегда было связано с конструктивной эффективностью в…
Дэвид Хобер
17.05.2021
200
Производство панелей фюзеляжа из композиционных материалов нового поколения
Производство панелей фюзеляжа из композиционных материалов нового поколения
Демонстрационная панель размером 18 на 12 футов, представленная на Парижском авиасалоне, оснащена обшивкой с интегрированными…
Джефф Слоан
07.09.2021
236
Экологичные смартфоны из термопласта, армированного углеродным волокном
Экологичные смартфоны из термопласта, армированного углеродным волокном
Конструкция “монокок” от компании Carbon Mobile исключает раздельный корпус, крышку и раму, лучше защищает электронику…
Пегги Малнати
16.11.2022
33
Гибридизация как эффективное соединение, исследование электрохимической коррозии как необходимость. Часть 2.
Гибридизация как эффективное соединение, исследование электрохимической коррозии как необходимость. Часть 2.
Технология получения композиционных материалов позволяет создавать конструкции с высокой степенью интеграции, где количество компонентов и…
А. Виандиер, Д. Стефаниак, К. Хухне, М. Синапиус
22.01.2020
738
Гибридизация как эффективное соединение, исследование электрохимической коррозии как необходимость. Часть 1.
Гибридизация как эффективное соединение, исследование электрохимической коррозии как необходимость. Часть 1.
Технология получения композиционных материалов позволяет создавать конструкции с высокой степенью интеграции, где количество компонентов и…
А. Виандиер, Д. Стефаниак, К. Хухне, М. Синапиус
22.01.2020
532