Tối ưu hóa xử lý ngọn lửa của bề mặt polyme

Đo góc tiếp xúc di động trên vật liệu composite gia cường sợi thủy tinh dùng cho nội thất ô tô

Các vật liệu composite nền polymer ngày càng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô nhằm giảm khối lượng xe. Thông thường, bề mặt của các vật liệu này cần được xử lý để đạt được độ bám dính và khả năng phủ lớp ổn định.

Lấy ví dụ là các chi tiết ốp nội thất ô tô,

Một khách hàng của chúng tôi đã ghi nhận tỷ lệ sản phẩm bị loại bỏ ở mức không chấp nhận được sau khi dán một lớp màng trang trí – lớp màng này có xu hướng bong ra tại một số vị trí nhất định. Các phép thử bằng mực kiểm tra không cho thấy sự khác biệt cục bộ nào. Trong vòng vài giờ, nhiều thông số của quá trình xử lý bằng ngọn lửa tại hiện trường đã được thay đổi, đồng thời năng lượng bề mặt tự do (SFE) được xác định tại các vị trí khác nhau.

Giá trị SFE được tính toán dựa trên các phép đo góc tiếp xúc trên bề mặt đã xử lý với sự hỗ trợ của thiết bị phân tích bề mặbài viết này cho thấy cách quá trình xử lý bề mặt bằng ngọn lửa có thể được theo dõi chính xác thông qua các phép đo góc tiếp xúc di động.t di động Mobile Surface Analyzer – MSA. Kết quả cho thấy một phía của các chi tiết gia công bị hoạt hóa bề mặt không đủ, nguyên nhân được cho là do khoảng cách giữa ngọn lửa và bề mặt composite lớn hơn so với yêu cầu.

Bối cảnh thí nghiệm

Vật liệu polymer và composite trong ngành công nghiệp ô tô

Các vật liệu composite mới dựa trên polymer ngày càng được sử dụng rộng rãi trong ngành ô tô như một giải pháp thay thế cho các vật liệu truyền thống như thép, nhôm và kính. Nguyên nhân chính là khả năng giảm khối lượng một cách đáng kể, từ đó kéo theo việc giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và phát thải CO₂.

Để đáp ứng các tiêu chuẩn cao về chất lượng và an toàn trong ngành ô tô, những vật liệu này phải có khả năng được phủ lớp và liên kết bền vững. Tuy nhiên, trên thực tế thường phát sinh các vấn đề như liên kết keo không ổn định hoặc hiện tượng bong tróc sơn và màng phủ.

Năng lượng bề mặt tự do và vai trò của nó đối với hành vi bám dính

Nguyên nhân của các vấn đề trên thường xuất phát từ năng lượng bề mặt tự do (SFE) vốn thấp của các vật liệu polymer, làm cản trở sự lan trải của các lớp phủ lỏng cũng như sự hình thành liên kết hóa–lý giữa chất rắn và chất lỏng. Do đó, bề mặt polymer cần được biến tính trước nhằm làm tăng SFE. Theo cách này, các hiệu ứng vật lý quyết định hành vi bám dính của lớp phủ và keo dán (ví dụ như hệ số lan trải, công bám dính, sức căng bề mặt liên pha) sẽ được tối ưu hóa.

Các kỹ thuật hiện có để biến tính bề mặt polymer bao gồm xử lý bằng ngọn lửa, plasma, corona hoặc xử lý hóa học. Sự thay đổi SFE sau xử lý có thể được định lượng thông qua các phép đo góc tiếp xúc với ít nhất hai chất lỏng, sử dụng mô hình Owens, Wendt, Rabel và Kaelble (OWRK) [1].

Xử lý bằng ngọn lửa đối với polypropylene gia cường sợi thủy tinh

Một nhà cung cấp các chi tiết polypropylene gia cường sợi thủy tinh (GFR-PP) cho nội thất ô tô đã liên hệ với chúng tôi và phản ánh các vấn đề về độ bám dính của màng trang trí trên các tấm ốp bảng điều khiển. Trước khi dán màng, các tấm ốp này được xử lý bề mặt bằng ngọn lửa.

Theo kết quả xác định SFE bằng mực thử nghiệm, hiệu quả xử lý bề mặt dường như là đạt yêu cầu. Tuy nhiên, trên thực tế, màng trang trí vẫn bị bong ra tại một số vị trí với tỷ lệ không chấp nhận được trên các chi tiết đã được hoạt hóa. Bằng mực thử nghiệm, không thể phát hiện được bất kỳ sự khác biệt nào giữa các khu vực có vấn đề này và các vùng khác đã được xử lý bằng ngọn lửa.

Đo góc tiếp xúc như một phương pháp kiểm tra đáng tin cậy

Giải pháp của chúng tôi trước các thử nghiệm không hiệu quả bằng mực thử là tiến hành đo góc tiếp xúc. Trong khi mực thử không cung cấp thông tin về các thành phần phân cực và phân tán của SFE, thì các phép đo góc tiếp xúc cho phép phân tách các thành phần này, từ đó tính toán được các tham số vật lý cụ thể như năng lượng bám dính hoặc sức căng liên pha.

Nhờ vậy, các tham số này có thể được tối ưu hóa một cách có mục tiêu, giúp đạt được độ bám dính tối đa giữa keo hoặc lớp phủ với bề mặt. So sánh giữa phương pháp mực thử và đo góc tiếp xúc đã được trình bày trong một báo cáo ứng dụng [2] và được mô tả chi tiết hơn trong tài liệu [3].

Phần tiến hành thí nghiệm

Các phép đo góc tiếp xúc được tiến hành trực tiếp tại cơ sở của khách hàng, trong khu vực sản xuất, bằng thiết bị phân tích bề mặt di động hoàn toàn tự động Mobile Surface Analyzer – MSA.

Các phép đo này không phá hủy mẫu. Với MSA, không cần phải cắt các chi tiết lớn, không phẳng hoặc vận chuyển mẫu về phòng thí nghiệm.

Trong quá trình đo, hai chất lỏng thử (nước – đại diện cho thành phần phân cực và diiodomethane – đại diện cho thành phần không phân cực, phân tán) được nhỏ lên bề mặt chi tiết composite, sau đó hình dạng giọt được phân tích.

Các phép đo trên polypropylene chưa xử lý và đã xử lý bằng ngọn lửa được minh họa bằng ví dụ trong Hình 2.

Các giá trị SFE được tính toán theo mô hình OWRK, sử dụng các tham số được liệt kê trong Bảng 1.

Bảng 1: Sức căng bề mặt (σ) với các thành phần phân cực (p) và phân tán (d) của các chất lỏng thử nghiệm được sử dụng.

Việc sàng lọc các thông số xử lý bằng ngọn lửa được thực hiện dựa trên các phép đo góc tiếp xúc. Cụ thể, trong mỗi trường hợp có ba tấm ốp bảng điều khiển được xử lý với cùng một bộ thông số (lưu lượng khí, tỷ lệ khí/không khí, v.v.). Sau đó, SFE cùng với các thành phần phân cực và phân tán được xác định tại tám vị trí khác nhau trên mỗi mẫu (Hình 3).

Tiếp theo, ba mẫu khác được xử lý bằng ngọn lửa và đo dưới các điều kiện khác.

Tổng cộng, 24 chi tiết đã được xử lý bằng ngọn lửa dưới tám điều kiện khác nhau, và hơn 380 phép đo góc tiếp xúc đã được thực hiện bằng thiết bị di động và được đánh giá trực tiếp tại hiện trường chỉ trong khoảng hai giờ.

Hình 3: Biểu diễn sơ đồ của một mẫu tấm ốp bảng táp-lô. Trong mỗi trường hợp, các phép đo được thực hiện tại tám vị trí, được đánh dấu tương ứng trong hình.

Kết quả thí nghiệm

Các giá trị SFE cùng với các thành phần phân cực và phân tán được xác định dựa trên các phép đo góc tiếp xúc cho cả tám vùng được khảo sát được thể hiện minh họa trong Hình 4 đối với mẫu số 11.

Hình 4: Giá trị năng lượng bề mặt tự do (SFE) cùng với các thành phần phân cực và phân tán của mẫu số 11.

Trong khi các vùng 1–4 có các giá trị SFE tương đối cao và đồng thời, đặc biệt là, có tỷ phần phân cực cao do quá trình xử lý bằng ngọn lửa, thì các giá trị tại các vùng 5–8 lại thấp hơn đáng kể. Theo đó, phía bên trái của mẫu được hoạt hóa tốt và cung cấp sự tương tác đầy đủ để hình thành liên kết ổn định trong quá trình phủ tiếp theo. Ngược lại, phía bên phải với các vị trí 5–8 chỉ cho thấy sự thay đổi nhỏ về giá trị SFE so với bề mặt chưa xử lý (xem Hình 2).

Chỉ cần nhìn vào tổng quan đầy đủ các giá trị SFE đã tính toán cho tất cả các mẫu và các vùng đo cũng có thể củng cố nhận định này (Hình 5). Một phía của các chi tiết được xử lý bằng ngọn lửa (các vị trí 5–8) rõ ràng đã bị hoạt hóa không đủ một cách có hệ thống.

Hình 5: Năng lượng bề mặt tự do (SFE) tại cả tám vị trí được khảo sát trên toàn bộ 24 mẫu được nghiên cứu.

Phát hiện này giải thích hợp lý cho quan sát của khách hàng rằng màng trang trí được phủ sau đó gặp vấn đề về độ bám dính, đặc biệt là tại khu vực này. Một giải pháp cho việc biến tính không đầy đủ ở phía bên phải của mẫu là điều chỉnh khoảng cách giữa ngọn lửa và mẫu tại khu vực này.

Hơn nữa, điểm tối ưu cho các thông số xử lý bằng ngọn lửa đã được điều chỉnh có thể được xác định nhanh chóng bằng cách xem xét các giá trị SFE của các chi tiết được xử lý theo những điều kiện khác nhau. Trong mỗi trường hợp, ba mẫu được xử lý bằng ngọn lửa dưới cùng một điều kiện. Các mẫu số 10 đến 12 cho thấy mức tăng SFE lớn nhất, đặc biệt là các thành phần phân cực, do đó các thông số được sử dụng ở đây đại diện cho điều kiện xử lý tối ưu, cho phép đạt được độ bám dính tốt trong các công đoạn tiếp theo.

Tổng kết thí nghiệm

Việc xử lý bề mặt các vật liệu composite polymer là không thể thiếu để đảm bảo khả năng phủ ổn định. Tuy nhiên, các loại mực thử hoặc các phép đo chỉ sử dụng một chất lỏng thử không thể cung cấp thông tin về tính phân cực của bề mặt, đồng thời kết quả lại phụ thuộc nhiều vào người thao tác. Ngược lại, các phép đo năng lượng tự do bề mặt (SFE) bằng thiết bị MSA di động cho phép đánh giá định lượng, đáng tin cậy mức độ biến tính bề mặt.

Điều này đã được chứng minh thông qua ví dụ xử lý bằng ngọn lửa đối với các tấm che bảng điều khiển được làm từ polypropylene gia cường sợi thủy tinh. Các phép đo góc tiếp xúc di động cho thấy sự hoạt hóa không đồng đều trên bề mặt. Việc khảo sát tám bộ thông số xử lý bằng ngọn lửa khác nhau đã cho phép tối ưu hóa nhanh chóng các thông số công nghệ. Chỉ với hai giờ đo không phá hủy trực tiếp tại hiện trường, tỷ lệ sản phẩm bị loại đã được giảm một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Để tìm hiểu về các thiết bị đo góc tiếp xúc để kiểm tra bề mặt vật liệu sau khi được xử lý bằng ngọn lửa, vui lòng liên hệ với chúng tôi để nhận thêm thông tin và được hỗ trợ tư vấn trực tiếp.

 Tài liệu tham khảo:

• [1] D. K. Owens, R. C. Wendt, “Estimation of the Surface Free Energy of Polymers”, J Appl Polym Sci 13, 1741 (1969).
• [2] T. Willers, M. Jin, AR 272 – “Why test inks cannot tell the full truth about surface free energy” (2014).
• [3] K. L. Mittal, “Advances in contact angle, wettability and adhesion”, Vol. 2, Wiley-Scrivener, ISBN 978-1119116981 (2015).
• Optimizing flame treatment of polymer surfaces by Kruss Scientific