Wat is oppervlaktebehandeling?

Wat is oppervlaktebehandeling?

Oppervlakte-energie van vaste materialen en het belang van oppervlaktebehandeling voor polymeren. Het is vaak nodig om kunststof te verlijmen met metalen of andere kunststoffen, of gewoon op een kunststofoppervlak te printen.

Om dit met succes uit te voeren moet de vloeibare lijm of de inkt het oppervlak van het materiaal kunnen bevochtigen. En dat is waarom corona- en plasmabehandelingtechnologie nodig is.

De bevochtigbaarheid van een oppervlak hangt namelijk af van één specifieke eigenschap: de oppervlakte-energie, ook wel bekend als oppervlaktespanning.

Wilt u uw oppervlak testen? Lees hier meer over onze Dyne-test.

Oppervlakte-energie wordt, net als oppervlaktespanning, gemeten in mN/m. De oppervlakte-energie van het vaste substraat heeft direct invloed op hoe goed een vloeistof het oppervlak kan bevochtigen. De bevochtigbaarheid is op zijn beurt gemakkelijk aantoonbaar door middel van contacthoekmetingen. De contacthoek is de hoek tussen de raaklijn op het contactpunt en de horizontale lijn van het vaste oppervlak. Wanneer een vloeistofdruppel op een glad, horizontaal vast substraat wordt geplaatst, kan deze zich over het substraat verspreiden, en bij volledige bevochtiging benadert de contacthoek nul. Andersom geldt dat als de bevochtiging slechts gedeeltelijk is, de resulterende contacthoek een evenwicht bereikt tussen de 0 en 180 graden.

Meer weten over oppervlaktebehandeling van metalen? Klik dan hier.

Bevochtigbaarheid van een oppervlak

Figuur 1 (rechts) illustreert het verschil tussen goede en slechte bevochtigbaarheid.

Hoe hoger de oppervlakte-energie van het vaste substraat in verhouding tot de oppervlaktespanning van de vloeistof, hoe beter de bevochtigbaarheid, en hoe kleiner de contacthoek.

Voor een goede binding tussen een vloeistof en het oppervlak van een substraat moet de oppervlakte-energie van het substraat 2 á 10 mN/m hoger zijn dan de spanning van de vloeistof.

Video: VacuTEC | Vacuümplasmabehandelaar

Oppervlakte-energie vaste materialen

Figuur 2 (rechts) toont de absolute waarden van de oppervlakte-energie van vaste materialen en de oppervlaktespanning van veel kunststoffen, waaronder polyetheen en polypropeen, is vaak onvoldoende voor verlijming of bedrukking.

Deze materialen hebben zeer nuttige eigenschappen, zoals chemische inertie, een lage wrijvingscoëfficiënt, hoge mate van bestendigheid tegen slijtage, perforatie en scheuren, etc.

Door de slechte bevochtigbaarheid van deze polymeren stellen ontwerpers echter voor problemen als het gaat om het verbinden of decoreren van deze materialen. Met behulp van de behandeling kan de bevochtigbaarheid van het materiaal worden verbeterd door de oppervlakte-energie van het materiaal te verhogen en de hechtbaarheidseigenschappen positief beïnvloeden door hechtingspunten te creëren.

De meest geavanceerde en succesvolle oppervlaktebehandelingsmethoden zijn gebaseerd op het principe van hoogspanningsontlading in lucht. Lees hier meer over het principe: De basisprincipes van plasmabehandeling

Lees hier meer over de basisprincipes van corona-oppervlaktebehandeling.

Basisprincipes van hoogspanningsontlading in lucht en de toepassing voor oppervlaktebehandeling

Een hoogspanningsontlading in een luchtspleet zorgt ervoor dat vrije elektronen, die altijd in de lucht aanwezig zijn, versneld worden en het gas ioniseren. Bij een zeer sterke elektrische ontlading raken elektronen met hoge snelheid hun momentum niet kwijt wanneer ze op gasmoleculen botsen, en ontstaat een elektronenlawine.

Wanneer een plastic onderdeel in het ontladingspad wordt geplaatst, botsen de elektronen die de ontlading produceert op het oppervlak met 2 tot 3 keer zoveel energie als nodig is om de moleculaire verbindingen van de meeste substraten af te breken.

Hierdoor ontstaan zeer reactieve vrije radicalen.

Deze vrije radicalen kunnen in aanwezigheid van zuurstof snel reageren en verschillende chemische functionele groepen op het oppervlak vormen. De functionele groepen die uit deze oxidatiereactie voorkomen zijn het meest effectief in het verhogen van de oppervlakte-energie en het versterken van de chemische binding met de harsmatrix.

Voorbeelden van deze functionele groepen zijn carbonyl (-C=O-). carboxyl (HOOC-), hydroperoxide (HOO-) en hydroxyl (HO-). Behandeling met hoogspanningsontlading verandert alleen de eigenschappen van het oppervlak, dus het kernmateriaal blijft onaangetast Tantec driedimensionale elektrische oppervlaktebehandelingstechnologie (EST) is gebaseerd op hoogfrequente hoogspanningsontlading in lucht.

Driedimensionale objecten worden door een ontladingsgebied tussen twee elektroden geleid (Figuur 3 rechts). De ontlading wordt in de grote opening tussen de elektroden in stand gehouden door een hoog potentiaalverschil tussen de elektroden.

De toepassing van hoogspanning is maar één voorwaarde voor effectieve behandeling. Voor uniforme behandeling van snel bewegende onderdelen moet de energie op zeer effectieve wijze van de stroombron naar het ontladingsgebied worden verplaatst. Coronaontlading met frequenties van 15 to 25 kHz zorgt voor een zeer efficiënte energieoverdracht, waarbij elektronen in de opening tussen de elektroden oscilleren.

Er is aangetoond dat hoe hoger de frequentie is, hoe lager het vermogen om een bepaald behandelingsniveau te bereiken. Tantec’s EST-technologie zorgt voor uniforme behandeling van oppervlakken van driedimensionale objecten op hogesnelheidslijnen door een potentiaalverschil van maximaal 80 kV tussen de elektroden te handhaven met een frequentie tussen de 15 en 25 kHz. Onder deze omstandigheden kunnen objecten met doorsneden tot 100 mm (4 inch) binnen de lijn worden behandeld terwijl ze onafgebroken door een behandelkamer bewegen.

Hoe kan oppervlakte-energie worden verbeterd > vergelijking plasma en corona.

Een elektrisch oppervlaktebehandelingssysteem bestaat uit een hoogfrequentiegenerator, een hoogspanningstransformator en elektroden voor de behandeling. De generator produceert een uitgangsignaal dat automatisch wordt aangepast naar een frequentie tussen 15 en 25 kHz, afhankelijk van de belastingsimpedantie, waardoor het beschikbare vermogen voor de behandeling gemaximaliseerd wordt.

De hoogspanningstransformator versterkt het uitgangssignaal van de generator tot het niveau dat nodig is om een ontlading met de gewenste intensiteit te genereren. Het behandelstation maakt gebruik van twee elektrodes: een behandelingselektrode en een tegenelektrode (meestal op aardpotentiaal).

De elektroden zijn ontworpen voor elke toepassing. Tantec biedt een assortiment aan plasmabehandelaars voor plasma-oppervlaktebehandeling van verschillende materialen.

Bekijk onze lijst met producten op onze plasmaproductenpagina: Plasmabehandelingsapparatuur

Houdbaarheid van behandelde oppervlakken

De houdbaarheid van een behandeld oppervlak kan variëren van enkele uren tot meerdere jaren, afhankelijk van de soort kunststof, de samenstelling ervan, hoe het behandeld is en in welke mate het na behandeling aan hogere temperaturen wordt blootgesteld.

Materiaalzuiverheid is de belangrijkste factor. De houdbaarheid wordt beperkt door de aanwezigheid van componenten met een laag molecuulgewicht, zoals antiblockmiddel, vormsmeermiddel, antistatische middelen, etc.

Uiteindelijk verplaatsen deze componenten zich naar het oppervlak van schone polymeren. Het is daarom aan te raden om het materiaal snel na de behandeling te bedrukken of te verlijmen.

De hechting wordt echter permanent zodra het oppervlak heeft geïnterageerd met een coating, inkt, lijm of ander materiaal.

Toepassingen van Tantec Electrical Surface Treatment Technology (EST)

De volgende materialen zijn met succes behandeld met behulp van EST-technologie:

• Polyetheen (PE) * Plexiglas (PMMA)
• Polypropeen (PP) * Teflon (PTFE)
• Polystyreen (PS) * Polycarbonaat (PC)
• EPDM-rubber * Polyurethaan (PUR)
• ABS etc.

Enkele voorbeelden van specifieke toepassingen:

• Behandeling van oppervlakken van biomedische testapparatuur ter verbetering van de bevochtigbaarheid van oppervlakken voor confluente vloeistofstroom.
• Behandeling van spuitcilinders voorafgaand aan het printen.
• Behandeling van het binnenoppervlak van naaldnaven voorafgaand aan het verlijmen van een roestvrijstalen naald.
• Behandeling van elektronische kabelisolatie om de hechting van inkt en coatings te verbeteren.
• Behandeling van deksels van chemische containers voorafgaand aan het aanbrengen of bedrukken van pakkingmateriaal.
• Behandeling van plastic flessen voorafgaand aan het aanbrengen van zelfklevende etiketten.
• Behandeling van autoprofielen van EPDM-rubber voorafgaand aan het aanbrengen van een lijm ter bevestiging van vezels voor bevlokking of het versieren van stof.

Behandeling van elektronische kabelisolatie om de hechting van inkt en coatings te verbeteren.

Veelgestelde vragen over oppervlaktebehandeling