Tratamientos de modificación de superficie
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Tratamientos de modificación de superficie
Son necesarios cuando es necesario modificar las propiedades de superficie del objeto, es decir, cuando el objeto debe interactuar con el mundo externo principalmente a través de su superficie o para aplicaciones para las cuales se requieren propiedades superficiales (físicas, mecánicas, químicas) distintas al volumen. Los métodos físicos de modificación superficial de los polímeros se pueden dividir en 2 categorías:
Alteración química de la superficie
Dada la naturaleza no reactiva de las superficies poliméricas, el primer tipo de tratamiento requiere la generación de especies reactivas, como radicales, iones, moléculas en estados electrónicos excitados. Los tratamientos con llama, corona y plasma y los tratamientos con rayos UV, rayos X, láser, haz electrónico y haz de iones pertenecen a esta categoría.
Deposición de una capa delgada
Creación de una cubierta de superficie implica la deposición en la superficie del polímero de especies, átomos o moléculas fundamentales. A esta categoría pertenecen los tratamientos con plasma (pulverización catódica y PECVD) y los métodos físicos de deposición de vapor (activación térmica o por haz de electrones).
Alteración química de la superficie
Los tratamientos con llama, corona y plasma tienen el objetivo de aumentar las propiedades de adhesión entre el polímero y los tratamientos posteriores, como la pintura, impresión, laminación, aplicación de recubrimientos. Tratamientos con llamas es ampliamente utilizado para la modificación superficial de poliolefinas mediante la introducción de grupos funcionales que contienen oxígeno. La alta temperatura de la llama genera especies reactivas como radicales, iones y moléculas en estados excitados.
Tratamientos con llama
El aparato consiste en una o más llamas mantenidas a una cierta distancia del objeto a tratar y mover para cubrir toda la superficie a una velocidad controlada. Las variables del proceso son: composición de la llama, temperatura, distancia de la muestra, velocidad de exploración; Estos dos últimos son de importancia crítica en el control del daño superficial, que podría conducir a la pérdida de adhesión. La superficie tratada mostra un enriquecimientoen de especies que contienen oxígeno: carbonilos, carboxilos, hidroxilos, con el consiguiente aumento de la humectabilidad, tension superficial y adhesión. Los tratamientos con corona mejoran las propiedades humectantes del plástico, el papel y las superficies metalizadas, aumentando así la adhesión entre el sustrato tratado y la película de recubrimiento (tinta, adhesivo, pintura).
Tratamientos corona
Tratamientos corona se basan en el efecto corona, que consiste en la formación de campos electromagnéticos de alta energía cerca de alambres o puntos delgados, con la consiguiente ionización del aire circundante, incluso en condiciones de presión ambiental y temperaturas relativamente bajas. Por lo tanto, los tratamientos con corona son procesos eléctricos (normalmente funcionan a 10 kv) que utilizan aire ionizado para aumentar la tensión superficial de los materiales no porosos. En la región del espacio ionizado, de hecho, hay especies excitadas que actúan modificando la superficie del sustrato mediante la introducción de grupos funcionales que contienen oxígeno. Los casos de aplicación de esta técnica en materiales poliméricos, que han causado temperaturas de proceso excesivas que causarían deformaciones y delaminaciones, son raros.
Ventajas tratamientos corona en comparación con los tratamientos con llama
El calor de la llama puede distorsionar las superficies si la temperatura de la llama y la distancia desde el sustrato no están bien calibradas inicialmente y, en cualquier caso, se controlan continuamente durante el proceso. Los objetos 3D de forma compleja requieren diferentes manipulaciones con la consiguiente pérdida de tiempo. Se pueden emitir gases nocivos desde las superficies durante el proceso. El tratamientos de plasma en frío está compuesto por un gas parcialmente ionizado que contiene una densidad de volumen igual de especies cargadas positivas y negativas (iones y electrones respectivamente) y una densidad de volumen diferente de especies en el estado fundamental y especies en el estado excitado. Las colisiones inelásticas entre las moléculas de gas y e dan lugar a especies reactivas (átomos excitados, radicales libres, iones y electrones). De esta manera, la energía que obtienen del campo se utiliza para crear especies altamente reactivas sin aumentar significativamente los grupos funcionales que contienen oxígeno. El plasma frío requiere bajas presiones para mantenerse.
Tratamientos UV
Los fotones, en este caso aquellos caracterizados por longitudes de onda bajas, pueden considerarse especies reactivas capaces de modificar la superficie a la que afectan activando reacciones químicas. La fuente UV irradia el sustrato recubierto con una película fotosensible, la resistencia, que reacciona o se despolimeriza (resistencia positiva) o reticula (resistencia negativa) después de la exposición a la radiación UV. Además, se utiliza la exposición a la radiación UV en presencia de atmósferas ricas en oxígeno o ozono para aumentar la humectabilidad.
Tratamientos con láser
Los láseres son fuentes de fotones caracterizados por la energía y la coherencia espacial, con intensidades que pueden ser muy altas (MW). También pueden usarse para promover la despolimerización o los efectos de reticulación. Además, las intensidades altas pueden promover efectos de sinterización. El aparato es similar al descrito para los tratamientos UV, con la excepción de una direccionalidad más rigurosa. Los fenómenos de división inducidos por láser (ablación láser) se utilizan para procesos de microlitografía en los que entran en juego volúmenes muy pequeños de material eliminado. Tratamientos de rayos X y rayos γ Aunque no pueden considerarse adecuadamente como tratamientos de superficie debido a la alta energía de estos fotones, lo que da como resultado un alto valor del camino libre promedio (de 100 μm a unos pocos mm), todavía se usan para causar efectos de reticulación en recubrimientos poliméricos.
Tratamiento Sputtering
Consiste en la creación de iones que se aceleran en un objetivo produciendo átomos o grupos que posteriormente se depositan en un sustrato. Esta técnica se utiliza para la producción de recubrimientos inorgánicos en caso de que no sea posible la evaporación. En lo que respecta a los materiales poliméricos, un factor crítico es el logro de altas temperaturas durante el proceso, de hecho, la mayoría de los tratamientos de pulverización catódica se realizan en polímeros resistentes a altas temperaturas, como PET, PC y poliimidas.
Proceso de recubrimiento por inmersión
Dip-coating process
El sustrato se sumerge lentamente y se extrae de un recipiente que contiene la solución, a una velocidad lo más controlada y uniforme posible, para obtener una película homogénea. El proceso se puede dividir en 4 o 5 etapas, como se muestra en la figura: inmersión, deposición, extracción y evaporación y drenaje. El grosor de la película depende de numerosos factores, como la viscosidad de la solución, la velocidad de extracción, la tensión superficial entre el líquido y el vapor. Método útil para cubrir objetos complicados.
Proceso de recubrimiento por rodillo
Roll-coating process
Aplicación de un recubrimiento a un sustrato plano pasándolo entre rodillos. Recubrimiento directo con rodillo: el rodillo de aplicación gira en la misma dirección en la que se mueve el sustrato. Revestimiento de rodillo inverso: el rodillo de aplicación gira en la dirección opuesta a la del movimiento del sustrato. El espesor de la película está determinado por la distancia entre el rodillo dosificador y el rodillo de aplicación. Recubrimiento con rodillo de cuchilla: la solución depositada sobre el sustrato se pasa entre una cuchilla y el soporte. Utilizado para soluciones densas
Recubrimiento de varilla Meyer
Meyer Rod coating
Se deposita un exceso de solución sobre un sustrato y luego se nivela con un rodillo roscado adecuadamente. El hilo determina el grosor de la película. Proceso de recubrimiento por centrifugado Es la forma más efectiva de aplicar películas delgadas uniformes a sustratos planos. Se coloca un exceso de solución sobre el sustrato, que se pone en rotación rápida para que la solución se distribuya por el efecto de la fuerza centrífuga. Los parámetros del proceso son: cantidad de solución inicial, velocidad de rotación, aceleración y tiempo de aceleración, tiempo de rotación. El solvente usado es generalmente muy volátil. El grosor de la película está determinado por la naturaleza de la solución (viscosidad, volatilidad, tensión superficial) y por los parámetros de rotación.
Deposición de Vapor Químico Mejorado por Plasma
PECVD
Pueden tener lugar dos reacciones: descomposición de una combinación de reactivo (precursor) de 2 o más reactivos. Todos los procesos de Deposición de Vapor Químico requieren una reacción química en un sustrato calentado; La diferencia entre los diversos procesos radica en la forma en que se suministra la energía de activación; en el caso de PECVD, la energía suministrada por el plasma compensa la energía térmica que de otro modo se requeriría, limitando severamente el proceso.