Hablemos de … ¿Cuánto tiempo dura el tratamiento con plasma?
La pregunta más frecuente sobre el tratamiento de la superficie del plasma es; ¿Cuánto dura el tratamiento con plasma? En este artículo «Hablemos de …», analizamos los principales factores que influyen en la vida útil de los tratamientos de superficie con plasma y explicamos cómo estos factores pueden afectar a diferentes materiales. El tratamiento de superficies con plasma es un método establecido y eficaz para mejorar las características de adhesión de una amplia gama de materiales. Incluso para los polímeros más desafiantes, como PET, PPS, PEEK, PTFE, acetales (POM), poliamidas y poliolefinas, el tratamiento con plasma es un proceso rápido y confiable para aumentar la energía superficial de un material, haciéndolo fácilmente humedecible
La humectabilidad se refiere a la capacidad de la tinta, la pintura o el adhesivo de extenderse sobre una superficie y formar un contacto íntimo y fuertes enlaces químicos con las moléculas de la superficie. La mayoría de los polímeros son naturalmente hidrófobos, lo que significa que los líquidos se adhieren a la superficie y no forman la gran cantidad de enlaces fuertes que son un requisito previo para una buena adhesión. Los metales, el vidrio y las cerámicas, por el contrario, son naturalmente hidrófilos; sin embargo, a menudo hay contaminación de la superficie debido a los procesos de mecanizado / producción que también impiden la adhesión a estos materiales. La contaminación de la superficie también puede estar presente en muchos polímeros de ingeniería en forma de p. Ej. agentes desmoldeantes, plastificantes, pigmentos y antioxidantes.
El tratamiento de superficie con plasma funciona mediante una acción doble; (i) eliminación de la contaminación de la superficie (limpieza) y (ii) aumento de la energía de la superficie mediante la unión de moléculas que contienen oxígeno (activación). La limpieza tiene lugar en todas las superficies, mientras que la activación tiende a aplicarse principalmente a los polímeros.
¿Qué causa la descomposición de los tratamientos con plasma?
En el caso de la limpieza con plasma, las piezas tenderán a permanecer en un estado limpio indefinidamente siempre que se almacenen en condiciones limpias y estén libres de contaminantes atmosféricos o de la transferencia de aceites y sales, p. Ej. tocar con la piel desnuda.
La situación es un poco más compleja en el caso de los polímeros. Los factores de limpieza anteriores aún se aplican, pero la activación de la superficie ahora es dominante para aumentar la energía de la superficie del material. La reducción de la eficacia del tratamiento con plasma a lo largo del tiempo, es decir, la reducción de la energía superficial, se conoce técnicamente como recuperación hidrófoba. Las propiedades generales de un material tratado con plasma permanecen sin cambios en comparación con la superficie y, con el tiempo, las moléculas del interior de la masa pueden migrar a la superficie a través de una reorientación impulsada termodinámicamente, lo que hace que los grupos polares que contienen oxígeno se reubiquen debajo de la superficie.
Esta recuperación es en gran medida una característica del material más que del tratamiento con plasma y discutiremos algunas razones para esto a continuación.
Tipo de material
Las características del material sometido a tratamiento con plasma son uno de los factores más importantes que afectan la tasa de recuperación hidrófoba. Algunos polímeros están empaquetados de forma más compacta y las moléculas del subsuelo tienen menos libertad de movimiento, lo que dificulta su capacidad de reubicarse en la superficie y, por lo tanto, ralentiza el proceso de recuperación. Por el contrario, los polímeros de menor densidad se pueden reorientar más fácilmente y las moléculas de superficie que contienen oxígeno, a su vez, migrarán hacia la masa. Los aditivos de bajo peso molecular tales como plastificantes y pigmentos, si están presentes, también migrarán de regreso a la superficie con el tiempo.
La Figura 1 demuestra esta diferencia al comparar la recuperación hidrófoba de polietileno de baja densidad (LDPE) y polietileno de alta densidad (HDPE). El LDPE se recupera a un estado de energía más bajo (mayor ángulo de contacto con el agua) que el HDPE, aunque ambos materiales retienen una energía de superficie más alta que los materiales sin tratar, incluso después de varias semanas.
Fig 1: Cambio en el ángulo de contacto con el agua (⁰) de polietileno de alta densidad (HDPE) y polietileno de baja densidad (LDPE) después del tratamiento con plasma.
Hay muchas otras propiedades intrínsecas de un polímero que pueden tener un efecto sobre la tasa de recuperación, como cristalinidad, polaridad, conductividad, etc.
La Figura 2 demuestra las diferencias entre tres polímeros diferentes después de someterse al mismo tratamiento con plasma y almacenarse en las mismas condiciones. Se puede ver que, no solo la tasa de recuperación es diferente, sino que algunos polímeros se tratan mucho más eficazmente que otros, quedando el poliestireno (PS) en un alto estado de activación incluso después de varias semanas.
Una vez más, también se puede ver que todos los materiales permanecen en un estado activado y nunca se recuperan completamente al nivel de estado de baja energía sin tratar.
Fig 2: Ángulo de contacto con el agua (⁰) de 3 polímeros diferentes después de someterse al mismo tratamiento con plasma.
Duración del tratamiento con plasma
Existe alguna evidencia de que un tiempo de exposición más largo al plasma puede resultar en un mayor número de enlaces superficiales y subsuperficiales del material que se rompen por la radiación UV del plasma, lo que conduce a un movimiento en cadena más fácil de moléculas en la mayor parte del material y, por lo tanto, a un proceso de recuperación más rápido. Algunas investigaciones incluso afirman que los tiempos de plasma de solo 5 segundos son suficientes. Sin embargo, tiempos tan breves no siempre son suficientes para eliminar la contaminación en el primer paso y, por lo tanto, es importante lograr un equilibrio.
La Figura 3 muestra el comportamiento de recuperación de energía superficial del PET tratado con plasma para diferentes tiempos de tratamiento con plasma. Aunque la tasa de recuperación es más rápida para un tratamiento con plasma más prolongado, este sigue siendo el tiempo de tratamiento más eficaz en general y da como resultado un ángulo de contacto más bajo (mayor energía de superficie) en general.
Condiciones de almacenaje
Las condiciones de almacenamiento de los materiales tratados con plasma pueden tener un gran efecto sobre el estado energético de la superficie. Las temperaturas más altas pueden conducir a una recuperación hidrófoba más rápida debido a la mayor facilidad de movilidad de las estructuras de cadena debajo de la superficie, por ejemplo.
La Figura 4 muestra el efecto de la temperatura de almacenamiento en un ángulo de contacto con el agua del PET tratado con plasma. Puede verse que las condiciones de almacenamiento a temperaturas más altas contribuyen a la rápida recuperación de la muestra. En este ejemplo, los resultados del ángulo de contacto del agua muestran que la energía superficial vuelve a casi el 90% de su valor anterior en menos de una hora
Fig. 4: Ángulo de contacto con el agua (⁰) del polímero PET a lo largo del tiempo cuando se almacena a diferentes temperaturas.
La contaminación del aire y la transferencia de aceite y sales por contacto con las manos desnudas también tienen un efecto perjudicial sobre la energía superficial.
Cubrir el material tratado con plasma evitará que se vuelva a contaminar, pero se debe tener cuidado de que el recubrimiento en sí no se transfiera o se contamine con sanguijuelas. La figura 5 compara dos muestras después del tratamiento con plasma; uno que se ha cubierto y otro que se ha dejado al descubierto. Las partes descubiertas muestran una enorme variación en el ángulo de contacto a lo largo del tiempo, probablemente debido a diferentes tipos y grados de contaminación en diferentes partes de la superficie, mientras que las muestras cubiertas muestran una recuperación esperada más estable en el tiempo.
Tipo de tratamiento con plasma
Otro factor que puede afectar la tasa de recuperación de un material tratado con plasma es la naturaleza del gas utilizado en el proceso de plasma. Diferentes gases pueden introducir diferentes grupos funcionales en la superficie, lo que a su vez conduce a características superficiales ligeramente diferentes.
La Figura 6 compara el ángulo de contacto con el agua medido del PET tratado con plasma para diferentes gases de proceso. La muestra de PET tratada con oxígeno retuvo el ángulo de contacto más bajo, aunque el aire mostró la mayor disminución inicial. Los procesos de plasma de aire a menudo son perfectamente adecuados para tratar materiales debido al contenido de oxígeno en el aire ambiente y también ofrecen un ahorro de costos en comparación con el uso de gas envasado.
Fig 6: Ángulo de contacto con el agua (⁰) del polímero PET cuando se trata con plasma con diferentes gases de proceso
Ejemplo de ángulos de contacto con el agua
Conclusiones
Cada material debe considerarse individualmente cuando se cuestiona cuánto tiempo durará un tratamiento de plasma específico, aunque en general, la mayoría de los polímeros retendrán una energía superficial más alta que el polímero sin tratar durante varias semanas.
En general, para obtener los mejores resultados, es mejor realizar los procesos de impresión / unión tan pronto como sea prácticamente posible después del tratamiento con plasma; sin embargo, si eso no es posible, entonces vale la pena considerar lo siguiente:
Cubriendo las piezas si es posible, usando papel de aluminio, no dejando la superficie tratada abierta al aire ambiente.
Utilice siempre guantes sin polvo para manipular piezas tratadas con plasma.
Almacenar las piezas tratadas con plasma en un área lo más fría posible, evitando las áreas cálidas.
Reduciendo los tiempos de tratamiento prolongados. El plasma de oxígeno es capaz de limpiar y activar completamente una superficie de polímero en unos pocos minutos.
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