Wskaż Lidera Polskiej Chemii













Logo Chemical Online

Materiały powłokowe dla tworzyw sztucznych

08.01.2008 18:35:06

Mimo dostępności ogromnej ilości polimerów określanych wspólnym mianem „tworzyw sztucznych”, większość z nich ma zestaw wspólnych cech sprawiających trudności przy ich powlekaniu. Ten artykuł jest przeglądem niektórych zastosowań, problemów oraz wiecznie ulepszanego zakresu rozwiązań dotyczących zagadnienia powlekania plastików.

Nieszczęśliwym zbiegiem okoliczności w języku angielskim termin „plastics” (czyli tworzywa sztuczne) odnosi się zarówno do termoplastów jak i do polimerów termoutwardzalnych. Powierzchni tych drugich nie określają te same charakterystyki, co w przypadku termoplastów i dlatego ma ona doskonałe osiągi, jest odporna na uszkodzenia i mogłaby pełnić funkcję ozdobnego wykończenia. Stosownie do tego skupiono się tutaj niemal wyłącznie na określonych problemach oraz na zastosowaniach zakładających użycie farb w stosunku do podłoży termoplastycznych.

Rynek tworzyw sztucznych
Europa i Ameryka Północna, każde z osobna, składają się w przybliżeniu na 25% światowej produkcji oraz zużycia tworzyw sztucznych, a Azja (z wyłączeniem Japonii) na 30%. W ujęciu na jednego mieszkańca (w 2005 r.) przełożyło się to na 100 kg na osobę w Europie i Ameryce Północnej, 20 kg w Azji oraz 30 kg średnio na świecie. Te wartości nieustannie rosną na każdym terenie, a przewidywane na 2010 r. światowe zużycie na jednego mieszkańca ma wynieść 37 kg.
Dzięki tworzywom sztucznym łatwiej jest wytworzyć skomplikowane kształty, na przykład przednie reflektory w samochodzie, które, zanim zostały zoptymalizowane pod kątem sprawności i zwiększonej efektywności, miały zwyczajne okrągłe kształty. Te obecne wymagają powleczenia mającego chronić metalizowany reflektor z tworzywa przed rozwarstwieniem, a przednie osłony przed odpryskującymi kamieniami i uszkodzeniami powstającymi na myjniach samochodowych.
Poprzez zilustrowanie zakresu, w jakim wykorzystywane są tworzywa sztuczne, tabela 2 pokazuje ich główne zastosowania w konstrukcji współczesnych samochodów. Ta lista nie jest kompletna – w powszechnym użyciu jest około 40 rodzajów tworzyw, a słyszy się protesty ze strony producentów farb. Twierdzą oni, że koncerny samochodowe każdego roku wprowadzają co najmniej jedno nowe podłoże farb będące plastikiem, żądając nowych testów do badania trwałości powłok. Interesującym przykładem było wprowadzenie w 2006 r. przez BMW panelu nadwozia samochodowego wykonanego z Triax – mieszanki nylon/ABS z wypełnieniem mineralnym, który wytrzymywał temperaturę do 200°C i mógł być powlekany w trybie online wraz z resztą części karoserii.
Istnieje ogólny trend w kierunku coraz bardziej powszechnego wykorzystywania materiałów o niskiej energii powierzchniowej (PP, PE, TPO, itp.), ponieważ łączą one niskie koszty i dobre właściwości mechaniczne, możliwą do kontrolowania elastyczność i dużą trwałość. Niestety, te bardzo pożądane właściwości idą w parze z trudnościami z uzyskaniem przylegania powłoki, jak to omówiono poniżej. W licznych przypadkach TPO może zastąpić PVC. Ten ostatni jest pod coraz większą presją w związku z kwestią ochrony środowiska oraz z bezpieczeństwem wielu plastyfikatorów do PVC.
Po co tworzywom powłoki?
Większość tworzyw sztucznych jest wykorzystywana bez nadania im koloru lub w kolorach masowych. Mimo to, są używane w wiecznie rosnących ilościach w zastosowaniach, w których zastępują one inne materiały o przyciągającym wzrok wyglądzie lub muszą spełniać trudne wymagania funkcjonalne, a te najłatwiej zaspokoić poprzez powlekanie. Poniżej wymieniono kilka głównych przyczyn, przybliżających konieczność stosowania powłok na tworzywach sztucznych:
• W celu poprawienia właściwości barierowych materiałów, z których produkowane są opakowania.
• W celu wyrównania śladów po formowaniu i/lub wygładzenia defektów powierzchni.
• W celu zminimalizowania strat plastyfikatora poprzez jego migrację do powierzchni w przypadku określonych tworzyw.
• W celu poprawy odporności na niekorzystne czynniki atmosferyczne (lub światło słoneczne we wnętrzach pojazdów).
• W celu zwiększenia odporności na działanie środków czyszczących, smarów, rozpuszczalników, itp.
• W celu uzyskania efektu „delikatności w dotyku” wykończenia, nadania właściwości przeciwpoślizgowych, pozbycia się wrażenia zatłuszczenia w przypadku poliolefin czy inaczej – poprawienia właściwości dotykowych.
• W celu uzyskania „efektu premium” pozwalającego sprzedawać artykuły po wyższej cenie lub kupować je z powodu ich wyglądu.
• W celu obniżenia kosztów lub zastosowania tworzyw z recyklingu.
• W celu zapewnienia powierzchni właściwości przeciwbakteryjnych w przypadku telefonów komórkowych lub innych często dotykanych obiektów.
• W celu otrzymania specjalnego wykończenia dekoracyjnego (metalik, perłowe), którego nie można łatwo osiągnąć w procesie kolorowania masowego.

Ogólne rozważania o powlekaniu
Główne zagadnienia, które otwierają przed termoplastami odrębny rynek można podsumować jako:
• Otrzymywanie gładkiej powierzchni w procesie produkcyjnym
• Niska energia powierzchniowa
• Elastyczność
• Niska temperatura topnienia/mięknięcia wyklucza utwardzanie wysokotemperaturowe
• Podatność na atak rozpuszczalników (z kilkoma wyjątkami)
• Łatwo psująca się powierzchnia
Zazwyczaj niektóre formy podkładów są stosowane w celu zagwarantowania, że powierzchnia będzie gładko wykończona, oraz w celu poprawienia przylegania powłoki zewnętrznej. Dlatego, aby poprawić wiązanie, powszechną praktyką jest dodanie do podkładu specyficznego promotora przylegania lub naniesienie jego bardzo cienkiej warstwy, a także poddanie określonych tworzyw wstępnej obróbce.
Podobnie jak i w wielu innych obszarach zastosowań mamy tu do czynienia z ogólnym przesunięciem w kierunku systemów dyspersji w roztworach wodnych (ang. waterborne). Powszechnym stało się także wykorzystywanie podkładów dobieranych pod kolor, ponieważ umożliwia to zminimalizowanie liczby stosowanych powłok lub całkowitej grubości powłoki. Ograniczenie grubości powłok podstawowych (które są częstokroć znacznie miększe niż powłoka transparentna nanoszona na nią) może także pomóc w zwiększeniu odporności na uderzenia. Postępując na odwrót, a więc stosując powłoki dwuwarstwowe można osiągnąć większy zakres możliwych efektów optycznych.

Gdy zachodzi potrzeba uniknięcia wysokich temperatur utwardzania, to nikt nie może być zdziwiony, że to poliuretany są najczęściej wykorzystywanym systemem do powlekania spośród tworzyw. W tabeli 3 pokazano udziały w rynku europejskim głównych technologii uzyskiwania powłok.

Ten sektor rynku doświadczył dość gwałtownego rozwoju, z 120 tys. ton w 2003 r. do 144 tys. ton w 2006 r. Największym sektorem tego rynku jest branża motoryzacyjna – jej udział w całkowitym zużyciu szacuje się na ok. 40%.
Powszechnie stosowane są poliuretany dwuskładnikowe. Przyczyn takiego stanu rzeczy upatruje się w ich zdolności do osiągnięcia pełnego utwardzenia w niskich temperaturach oraz możliwości ich uplastycznienia do dowolnego stopnia, pożądanego dla konkretnego zastosowania.
Uzyskiwane w wodzie dyspersje poliuretanu (PUD) zapewniają nawet jeszcze większy wybór formulacji, od kiedy wiele z nich może być stosowanych w charakterze powłok tworzyw sztucznych, utrwalanych poprzez dodanie sieciujących materiałów izocyjanianowych i/lub poprzez mieszanie ich z dyspersjami akrylanowymi. Jednak, w przypadku powlekania z zastosowaniem dyspersji wodnych, z uwagi na wpływ emulgatorów i innych substancji o charakterze środków powierzchniowo-czynnych na przyleganie, kwestia ich doboru nabiera dużego znaczenia, z uwagi na ich wpływ na przyleganie. Korzystanie ze złożonych środków powierzchniowo-czynnych jak surfaktanty gemini lub star, stwarza możliwość wyeliminowania potencjalnie kłopotliwych środków przeciwpieniących, zwiększając jednocześnie przyleganie.
Formulacje dyspersji wodnych utwardzanych pod wpływem promieniowania UV, mogą być w celu poprawienia ich charakterystyk, mieszane z PUD lub wytwarzane jako zfunkcjonalizowane akrylanem PUD. Utwardzanie w obszarach zacienionych można wspomóc poprzez inkorporowanie dyspergujących w wodzie izocyjanianów lub PUD zmodyfikowanego kwasami tłuszczowymi. Te zabiegi stwarzają dodatkowo możliwość schnięcia na powietrzu.

Technologie gruntowania
i obróbki wstępnej
Skuteczne odtłuszczanie, stosowanie łagodnych środków chemicznych i/lub ścieranie powierzchni tworzywa w celu zwiększenia chropowatości i dostępnego pola powierzchni, może poprawić przyleganie. Należy jednak dopilnować, aby w trakcie takiej obróbki nie doprowadzić do rozkładu tworzywa.
Dobrze ustalone metody poprawiające przyleganie powłoki, w przypadku bardziej wymagających substratów, to między innymi jonizacja płomieniowa, wyładowanie koronowe, przetwarzanie plazmowe oraz naświetlanie promieniowaniem UV. Wszystkie wymienione oddziałują poprzez utlenianie powierzchni, w wyniku czego na powierzchni tworzą się centra polarne wiążące nanoszoną powłokę. Jako alternatywy przedstawiono ablację laserową oraz wtryskiwanie wody pod wysokim ciśnieniem.
Głównymi wadami tych odmiennych technologii są specjalne wymagania odnośnie wyposażenia, jak również fakt, że wskutek ich działania dochodzi do względnie gwałtownego rozpadu. To oznacza, że powlekanie należy zrealizować wkrótce potem.
Utwardzanie przy udziale promieniowania zapewnia kilka różnych rozwiązań kwestii szybkiego, dodatkowego powlekania zabezpieczającego. Jednym z nich jest „sprytne” gruntowanie (ang. „smart priming”). W tym procesie, na powierzchnię po wstępnej obróbce, z fazy gazowej, nanoszona jest bardzo cienka folia akrylowanego fotoinicjatora, która wiąże się z tą powierzchnią za pośrednictwem swoich grup funkcyjnych. Materiał chroniony przed dostępem światła pozostanie stabilny przez długi czas, a wrażliwe na promieniowanie UV powłoki akrylanowe lub warstwy przywierające będą się do niego wiązały wyjątkowo dobrze.
Możliwość przeprowadzenia utwardzania przez maskę lub nieutwardzoną powłokę wymywaną później za pomocą rozpuszczalnika jest kolejną zaletą wykorzystywaną w kilku zastosowaniach. Fotoinicjator pomaga chronić krawędzie utrwalanych obszarów przez podtrawieniem ich przez solwent.
Alternatywne podejście, opracowane przez SICPA, jest skuteczne nawet bez stosowania wstępnej obróbki. Do pierwszej warstwy powłoki wrażliwej na promieniowanie UV lub tuszu dodawany jest zaszczepiony izocyjanianem epoksyakrylan, który reaguje z grupami hydroksylowymi obecnymi na powierzchni tworzywa. Ogólnie rzecz biorąc, przywieranie poprawia się wraz z upływem czasu, w miarę postępu reakcji po utrwaleniu w wyniku działania promieniowania UV. Jednakże głównym ograniczeniem w stosowaniu tej metody jest gwałtowna reakcja chemiczna zachodząca pomiędzy izocyjanianem a zawierającymi grupy hydroksylowe żywicami, pigmentami, czy fotoinicjatorami. Prowadzi ona do zniszczenia dobrodziejstw tego systemu i przypuszczalnie czyni powlekanie bezcelowym.
Przeprowadzono badanie nad zagadnieniem osadzania się oparów substancji chemicznych z myślą o bezpośrednim nałożeniu sieciowanych powłok wrażliwych na promieniowanie UV. W komorze testowej umieszczono metakrylan glicydylu (GMA) oraz 2,2’-azobis(2-metylopropan) (ABMP) w charakterze fotoinicjatora i w procesie osadzania zastosowano promieniowanie UV. Nałożona w ten sposób warstwa składała się w głównej mierze z polimerów liniowych, nie będąc raczej w pełni usieciowaną powłoką. Dzięki temu ugrupowania epoksydowe zostały zachowane i mogły wejść w reakcję z naniesioną następnie powłoką.
Utarło się przekonanie, że przetwarzanie plazmowe jest odpowiednie tylko do nanoszenia bardzo cienkich powłok materiałów o niskim ciężarze cząsteczkowym. Jednakże firma Dow Corning opracowała proces plazmowego nanoszenia płynów pod ciśnieniem atmosferycznym (ang. Atmospheric Pressure Plasma Liquid Deposition, APPLD), który umożliwia nanoszenie bardzo cienkich warstw (w zakresie nano- i mikromertów) materiałów polimerowych z zimnej plazmy na powierzchnię tworzyw sztucznych w procesie ciągłym.
Kontrolowane właściwości powierzchni, takie jak biofunkcjonalność czy lipofobowość (wykorzystując fluoropolimery), mogą zostać osiągnięte bezpośrednio w tym procesie powlekania. Można także, przed przystąpieniem do konwencjonalnego powlekania, zastosować materiały sprzyjające przywieraniu, dobrane specjalnie pod chemię finalnej powłoki.

Promotory przylegania
Zastosowanie substancji sprzyjających przyleganiu w postaci warstewki o grubości poniżej 10 μm lub dodane ich do podkładu, to metody alternatywne lub uzupełniające, gwarantujące odpowiednie przywieranie powłoki, szczególnie do TPO. Ten materiał jest niezwykle popularny wśród północnoamerykańskich producentów branży motoryzacyjnej, a jego wkład w całkowitą ilość tworzyw wykorzystanych w konstrukcji pojazdu wynosi aż 20%.
Jednak jego niska cena, elastyczność i bezpieczeństwo są równoważone małą odpornością na zarysowanie powierzchni. Poza tym, jest ją bardzo trudno pomalować z uwagi na małą energię powierzchniową, jaką charakteryzuje się to tworzywo, a także ponieważ powstaje ona w procesie formowania z cienką zewnętrzną warstewką powierzchniową. Ta ostatnia składa się głównie z polipropylenu i miększej mieszaniny, która łatwo pęcznieje pod wpływem rozpuszczalników.
Najbardziej udanymi promotorami przylegania, w przypadku tego zastosowania, są chlorowane poliolefiny (CPO). Oddziałują one częściowo na drodze dyfundowania pod najbardziej zewnętrzną warstwę do bogatej w gumę masy znajdującej się poniżej, powodują jej puchnięcie i zaplątują się w elastomeryczne łańcuchy. Jednakże nadmierne pęcznienie stwarza ryzyko rozszczepienia się warstwy powierzchniowej i pozostałej masy materiału.
Niektórzy badacze stwierdzili, że wzmożone chlorowanie CPO redukuje jego krystaliczność i poprawia przyleganie powłok, zaś zmniejszenie stopnia chlorowania daje lepsze przyleganie do powierzchni TPO. Odkąd odporność powłok na uszkodzenia wymaga zarówno dobrego przylegania powłoki do substratu, jak i odpowiedniej odporności tworzywa na rozwarstwianie, te dwa cele mogą okazać się sprzeczne.

Od ponad dziesięciu lat dostępne są CPO zdyspergowane w roztworach wodnych, jednak konieczność dodania środków powierzchniowo-czynnych oraz bardziej ograniczona penetracja do warstw podpowierzchniowych może zredukować ich wydajność. Kompatybilność CPO z większością żywic pozostawia sporo do życzenia, jednak, odkąd celem formulacji podkładu sprzyjającego przyleganiu jest uzyskanie wysokiego poziomu CPO pozostających w bliskim kontakcie z powierzchnią, korzystną może się okazać pewna segregacja składników. Podniesienie temperatury wygrzewania układu powlekającego ułatwi przenikanie przez powierzchnię i dzięki temu zwiększy odporność powłoki na rozwarstwienie w trakcie pracy, tak na skutek penetracji rozpuszczalników jak i użycia siły fizycznej.
Poszukiwane są alternatywy dla CPO pod kątem substancji nie będących takim obciążeniem dla środowiska. Na przykład, Advantis 510W, produkowany przez firmę Eastman, został opracowany jako otrzymywany na drodze wodnej, pozbawiony chloru promotor przylegania, który można zastosować jako podkład lub domieszać go do wielu układów tworzyw. Bazuje on na poliolefinach zfunkcjonalizowanych kwasem maleinowym, a przedstawiciele produkującej go firmy zarzekają się, że ma on znacznie lepsze osiągi niż CPO w dyspersjach wodnych.
Promotory przylegania w postaci osobnej warstwy są nanoszone jako powłoka o grubości około 10 μm. Istnieje także możliwość dodania tworzyw przewodzących, tak aby następne powłoki móc zaaplikować jako spray elektrostatyczny.

Kwestie związane z utwardzaniem pod wypływem promieniowania
W sektorze tworzyw największy rynek dla powłok utwardzanych pod wpływem promieniowania stanowi ostatnia warstwa na materiałach podłogowych wykonanych z PVC, zazwyczaj utwardzana przy pomocy wiązki elektronowej (ang. electron beam, EB). Innym kluczowym rynkiem są obudowy telefonów komórkowych, gdzie pożądany jest szybki przerób dużej ilości produktów.
Podczas gdy mogłoby się wydawać, że systemy do utwardzania wolne od rozpuszczalników i wykorzystujące niską temperaturę są idealne do powlekania tworzyw sztucznych, to dostawcy powłok muszą uporać się z problemem, jakim jest słabe przyleganie. Jego przyczyną jest kombinacja kilku czynników, jak kurczenie się podczas utwardzania, brak rozpuszczalników oraz (w szczególności) nieelastyczna powłoka.
Monomery wykorzystywane do zredukowania lepkości formulacji utwardzanych pod wpływem promieniowania mogą się skurczyć w trakcie procesu o 5-25%, a bardzo gwałtowne utwardzanie zwiększa do maksimum naprężenia, będące tego następstwem. Jakiekolwiek nieutwardzone do końca materiały, pozostające na powierzchni kontaktu powłoka/substrat, będą dodatkowo osłabiać przyleganie (nie stanowi to aż tak dużego problemu w przypadku utwardzania metodą EB, które zapewnia doskonałą penetrację).
Niektóre monomery mogą pęcznieć na powierzchni tworzyw, takich jak PC, PS i PVC, będących bardziej wrażliwymi na działanie rozpuszczalników. Tworzy się wtedy wzajemnie przenikająca warstwa polimerowa, która poprawia przyleganie. Dlatego właśnie wybór monomerów ma krytyczne znaczenie, a ustalając formulację należy uwzględnić takie parametry jak kurczenie, masę cząsteczkową, napięcie powierzchniowe i rozpuszczalność, gdyż wszystkie one mają wpływ na przyleganie.
Wstępne wygrzanie substratu poprawia przenikanie. Jako przykład można tu przytoczyć konieczność rozgrzania PC do temperatury około 60°C, ponieważ w przeciwnym razie nie dojdzie do wzajemnego przenikania diakrylanu glikolu tripropylenowego.

Powlekanie wewnątrz formy
Powlekanie wewnątrz formy, kiedy to powłoka jest nanoszona na wewnętrzną powierzchnię formy zanim zostanie wtryśnięte tworzywo, jest dawno ustanowioną metodą dekorowania plastikowych komponentów. Zamiast powlekania na mokro można wykorzystać folie, co pozwala otrzymać efekt słojów drewna lub innych deseni wykończeniowych.
Zaproponowane wariacje wokół tej technologii to między innymi:
• Produkcja cienkich folii dekoracyjnych z zastosowaniem układu powłoka podstawowa/powłoka przezroczysta, ukształtowanie jej, później utrwalenie kompozycji pod wpływem promieniowania UV do postaci sztywnej, a w końcu wypełnienie pożądanym tworzywem i uformowanie. Takie postępowanie pozwala na uzyskanie wysokiej jakości wykończenia („klasa A” w terminologii branży motoryzacyjnej), nawet przy zastosowaniu efektownej powłoki.
• Produkcja komponentów strukturalnych i umieszczanie ich wewnątrz formy w taki sposób, by nie miały kontaktu z finalną powierzchnią, czyli formą, a następnie wtryśnięcie w uzyskaną przestrzeń zestawu składników utwardzalnych pod wpływem promieniowania UV. To jednak wymaga, aby jedna ze stron tego układu – forma lub komponent – była przepuszczalna dla promieniowania UV. Odkąd ciśnienia wtrysku mogą być znacznie niższe niż w przypadku termoplastów, ta kwestia nie stanowi już takiego problemu. Taki układ gwarantuje dobre ogólne przyleganie do komponentu, jak również umożliwia powlekanie bardzo złożonych kształtów bez problemów związanych z przepływem przez formę.

Poprawianie charakterystyk powlekania

Poprawianie kompatybilności
W celu usprawnienia przylegania powłok istnieje możliwość zmodyfikowania samego tworzywa na wiele różnych sposobów. Ogólnie rzecz biorąc, to pojęcie zakłada, że rodzaj nanoszonej powłoki musi być znany w chwili, gdy produkowany jest dany komponent. Na przykład, dodanie kilku procent materiału zawierającego reaktywne grupy epoksydowe usprawni przyleganie powłoki, która będzie mogła wejść w reakcję z epoksydami.

Wariacją tego zamysłu, szczególnie przydatną gdy ma się do czynienia z TPO, jest dodanie oligomerów utrwalanych pod wpływem promieniowania oraz inicjatorów, które są kompatybilne z TPO. Mogą one być utwardzane bez powlekania tworzywa w celu uzyskania twardszej powierzchni, a zastosowanie określonych materiałów w ten sposób (szczególnie polibutadienu zaszczepionego metakrylanem oraz nienasyconych poliolefin) zostało zastrzeżone patentem. W celu wykorzystania ulepszonego przylegania, te same materiały (a nawet specyficzne części tej samej wypraski) mogą być pokrywane powłoką zfunkcjonalizowaną akrylanem, utwardzalną pod wpływem promieniowania UV jeszcze przed zasadniczym utwardzaniem.

Zmniejszanie temperatur utwardzania
Pojedyncze PU ulegające sieciowaniu mają przewagę w postaci nieograniczonego dopuszczalnego okresu użytkowania, a także braku konieczności zapewnienia prawidłowego mieszania komponentów bezpośrednio przed użyciem. Zwyczajną metodą utwardzania tych materiałów jest dodanie blokowanych izocyjanianów. Z niektórych można otrzymać powłoki o doskonałych właściwościach, jednak tradycyjnie takie materiały jak maloniany, zawierające aktywną grupę metylenową, wywołują odblokowanie w temperaturach na tyle niskich, by mogły być bezpieczne dla większości tworzyw sztucznych. Te materiały powodują transestryfikację składnikiem mającym hydroksylową grupę funkcyjną, prowadząc do powstania wiązania estrowego, które obniża odporność powłok na hydrolizę.

Przeprowadzono badania nad wykorzystaniem materiałów odblokowujących w niższych temperaturach. Porównano eksperymentalne czynniki blokujące – diizopropyloaminę (DIPA) oraz tert-butylobenzyloaminę (BEPA) z substancją standardową – 3,5-dimetylopirazolem (DMP). Drugi z badanych związków nadawał się do zapewnienia optymalnego utwardzania w temperaturach 120-125°C, podczas gdy układy zawierające DMP wymagały co najmniej 135°C.

Odporność na zarysowania
– cecha złożona
Przeprowadzono badanie, w którym dwa różne układy typu powłoka podstawowa/powłoka przezroczysta z pojedynczych, uelastycznionych żywic melemino-formaldehydowych (MF), pochodzących od dwóch różnych dostawców, zostały ocenione względem wstępnie obrobionego TPO, zawierającego CPO w warstwie podkładu.

Cechą, która znajdowała się w centrum zainteresowania badaczy, była odporność na zarysowania. Wykończenia z MF są bardzo solidne, lecz nie mają zdolności do powrotnego odkształcenia się po uszkodzeniu lub mają tę cechę w niewielkim stopniu. Aspekt praktyczny zastosowania takiego rozwiązania w przypadku skomplikowanych kształtów, takich jak zderzaki samochodowe, jest taki, że różne obszary tego samego elementu mogą być poddane znacznym wariacjom w warunkach wygrzewania.

W tym teście ustanowiono, że wariacje w efektywnym czasie wygrzewania (na przykład 25 do 35 minut) będą miały niewielkie znaczenie dla cech powłoki, jednakże różnica temperatury wynosząca 30°F (17°C) miała poważny wpływ na współczynnik elastyczności i twardość. Po wstawieniu do testera warunków atmosferycznych przyspieszonego łukiem ksenonowym, te właściwości uległy znaczącej zmianie. Podsumowując te zmiany można zaobserwować, że ograniczeniu uległy efekty wariacji w warunkach wygrzewania, jednak różnice pomiędzy tymi dwoma układami powlekającymi stały się o wiele większe.

Jednakże przejście od tych zasadniczych cech do kwestii odporności na zarysowania odsłoniło bardziej zagmatwany obraz. Efekt wariacji w warunkach wygrzewania był ograniczony. Niezupełnie utwardzone (niższa temperatura) powłoki jednego układu zachowywały się lepiej niż te utwardzone w wyższych temperaturach, a także doszło do wyraźnej utraty osiągów obu układów w wyniku poddania ich procesom starzenia. Wydaje się, że u podstaw tych zmian po części leżą zmiany współczynnika ścierania, który w wyniku starzenia rósł w przypadku jednego systemu, lecz spadał w przypadku drugiego, przypuszczalnie jako skutek utraty lub migracji domieszek.

Przedłużanie okresu
eksploatacji powłok
Mimo iż pochłaniacze promieniowania UV (UV A) są wyjątkowo stabilne, to jednak w wyniku wystawienia ich na działanie światła powoli degradują. Ma to niewielkie znaczenie, gdy wykorzystuje się je do produkcji tworzyw masowych, lecz może spowodować nieoczekiwane defekty w przypadku powłok. W szczególności chodzi tu o wytwarzanie wolnych rodników powodujących rozkład UV A, co jest związane z normalnym działaniem układu polimerowego, jak i z chemią UV A. Istnieje także możliwość, że stabilne powłoki, takie jak silikony, powodują gwałtowniejszy rozkład niektórych UV A niż akryle utwardzane pod wpływem promieniowania UV.
Dalsze komplikacje przy nanoszeniu powłok na tworzywa sztuczne są związane z tym, że w trakcie eksploatacji powłok, UV A oraz HALS mogą migrować z górnej warstwy do substratu, jak również są tracone z powierzchni. Wykazano, że głębokość migracji może przekraczać 100 μm – czyli więcej niż wynosi grubość powłoki. Compoundy, które mogą zostać związane przez system powłok (na przykład te zawierające pierwszo- bądź drugorzędowe grupy hydroksylowe), są mniej podatne na wystąpienie tego problemu.

Zastosowania niszowe

Powłoki nieprzewodzące
Płatki glinu mają na ogół powleczoną powierzchnię. Lekko tłusta powierzchnia powłoki wykorzystywanej w produkcji może osłabiać przyleganie do tworzyw. Niektórzy producenci zamykają w kapsułkach płatki, wykorzystywane do powlekania w postaci zdyspergowanej w wodzie. Jest to sposób na uniknięcie wchodzenia metalu w reakcję z wodą oraz na potencjalne kłopoty z przyleganiem.
Podczas gdy przewodność płatków glinu może być przydatna do rozpraszania ładunków elektrostatycznych, są i takie zastosowania, w których ich występowanie jest pożądane, a tworzywo musi zachować bardzo wysoką wartość powierzchniowej rezystancji elektrycznej. Opracowano powlekane pigmenty (np. SilberCote), w których efekt barierowy na powłokach płatków jest wystarczająco duży, aby pozwolić na ich wykorzystanie nawet w takich zastosowaniach.
Powłoki optyczne
Odrębne rodzaje powłok w postaci cienkich folii są stosowane szczególnie jako powłoki optyczne, najczęściej na komponentach z tworzyw sztucznych. Pożądane właściwości mogą zostać połączone w postaci pojedynczej powłoki:
• Twarde powłoki – odporne na zarysowania i ścieranie, zazwyczaj utwardzane pod wpływem promieniowania UV.
• Powłoki antyrefleksyjne – ograniczenie zjawiska odbijania jest szczególnie ważne w konstruowaniu wieloelementowych obiektywów, wykorzystywanych do produkcji aparatów, gdzie duża ilość powierzchni może zaowocować znacznymi stratami światła i powstaniem odbić rozpraszających. Cechami o decydującym znaczeniu (oprócz trwałości) są tu współczynnik załamania i grubość folii. W celu osiągnięcia maksymalnej sprawności, powłokę antyrefleksyjną można nanieść w postaci wielu warstw o nieco odmiennych właściwościach.
• Powłoka przeciwmgielna zabezpiecza przed skraplaniem się wody dzięki temu, że zawiera komponenty hydrofilowe, zachowujące cieniutką warstewkę wilgoci na powierzchni.

Koszt zastosowania twardej powłoki jest zazwyczaj znacznie wyższy niż koszt wyprodukowania optycznego komponentu z tworzywa. Dlatego w ramach procesu przetwórczego zaproponowano zastosowanie druku atramentowego. Dzięki niemu można uniknąć konieczności maskowania, zminimalizować odpady generowane podczas powlekania, a także oszczędzić na rozpuszczalniku, ponieważ w drukowaniu zużywa się go mniej niż przy rozpylaniu, zachowując jednocześnie możliwość jednakowego powlekania elementów o załamanych kształtach.
Odpowiednio dobrane nanocząsteczki mają wartą odnotowania zdolność do podnoszenia odporności powłok na zarysowania, nie obniżając przy tym ich giętkości, połysku czy przejrzystości. Cząstki twardych materiałów, takich jak krzemionka czy tlenek glinu, których powierzchnia została potraktowana spoiwem w celu zwiększenia do maksimum ich kompatybilności, może w dużym stopniu poprawić odporność na zarysowania gdy zostaną dodane w ilości zaledwie 1-2%. Można zastosować nawet znacznie większe ich ilości bez utraty właściwości optycznych.
Efekt metalu
Metalizacja tworzyw sztucznych jest dobrze ustanowioną metodą produkcji tanich elementów, które wyglądają na kosztowne. Główna metoda nanoszenia (napylanie próżniowe) pozostawia na powierzchni jedynie cieniutką warstewkę o ograniczonej odporności na zużycie. Może być ona odpowiednia w przypadku butelki żelu pod prysznic, ale nie nadaje się do zastosowania we wnętrzach samochodów lub w przednich reflektorach.

Kolejnym ograniczeniem jest fakt, że najmniejsze nawet zadraśnięcie lub wgniecenie na wyprasce z tworzywa stanie się dużo widoczniejsze po metalizacji. Z tego powodu, a także w celu optymalizacji przylegania, elementy są wcześniej powlekane warstwą podkładową (UV lub podwójne PU) przed metalizacją oraz ochronną powłoką zewnętrzną.

Działająca na tym polu amerykańska firma D2 In-Line Solutions podjęła współpracę z Fusion UV celem udowodnienia koncepcji pojedynczego, szeregowego procesu wytwórczego, w którym elementy schodzące z linii formującej są poddawane wstępnej obróbce, następnie natryskuje się na nie wrażliwy na promieniowanie UV podkład. Jego rolą jest zapobieganie odgazowywaniu i wygładzenie niewielkich defektów. Dalej, w tym samym, liniowym procesie wytwórczym, ma miejsce utwardzenie, metalizowanie poprzez rozpylanie PVD, naniesienie powłoki zewnętrznej, ponowne przepuszczenie przez odcinek linii do utwardzania promieniowaniem UV i w końcu zapakowanie.

Tutaj widzimy przykład drogi, którą branża powłok nieustannie udoskonala pod kątem zwiększenia wydajności i osiągów. I nadal trzeba będzie to robić, ponieważ wciąż opracowywane są nowe substraty, będące zaawansowanym technicznie tworzywami. Także producenci coraz częściej sięgają po poliolefiny o niskiej energii powierzchniowej i poszerzają zakres ich wykorzystania. Recykling odpadów będących mieszanką tworzyw sztucznych zmierza w kierunku rynku towarów w najlepszym gatunku i tworzy dalsze zapotrzebowanie na powłoki o wysokich osiągach.


Na podstawie opracowania Special­Chem­4Coatings
drukuj ten artykuł drukuj ten artykuł  |   poleć artykuł znajomemu poleć artykuł znajomemu
Najświeższe informacje w kanale RSS Najświeższe informacje w kanale RSS (jak używać)