Publications of Relyon Plasma GmbH
Tintas de prueba

La energía superficial 

Determinación mediante tintas de prueba y medición del ángulo de contacto. Mejora mediante tratamiento con plasma.

La humectabilidad es de gran importancia para todo tipo de tratamientos superficiales como la impresión, el barnizado y el encolado. Describe el comportamiento de los líquidos sobre superficies sólidas, que depende de la tensión superficial del líquido y de la energía superficial del sólido. Ambas cantidades se miden típicamente en Millijulios por metro cuadrado (mJ/m2), o Millinewton por metro (mN/m). Por ejemplo, la energía superficial del agua a 25°C (77°F) es de 72 mN/m. Si una gota de agua colocada sobre una superficie no se contrae sino que forma una película, esta superficie tiene una energía de al menos 72 mN/m.

Basándose en este principio, las denominadas tintas de prueba pueden utilizarse como un método rápido para estimar las energías superficiales de los sólidos. Se pueden adquirir tintas de prueba de una amplia gama (normalmente de 18 a 76 mN/m) a diferentes fabricantes:

Después de aplicar la tinta de prueba de un cierto valor sobre una superficie se observa si se contrae en pocos segundos. Si es así, la energía superficial del sustrato es menor que el valor nominal de las tintas de prueba. En este caso se aplicarían tintas de prueba con valores más bajos hasta que una de las tintas de prueba muestre una humectación ideal en la superficie, es decir, no se contraiga en los primeros segundos. El valor de esta tinta de prueba corresponde a la energía superficial del sustrato.

Una determinación más precisa de la energía de la superficie se puede lograr mediante la medición del ángulo de contacto. Si se conoce la tensión superficial de un líquido de prueba, se puede utilizar para determinar la energía superficial de un sólido colocando una gota del líquido en la superficie. El ángulo de contacto ϴ puede medirse entre la superficie y el lado de la gota. Si ϴ es grande, es decir, la gota tiene una forma muy redonda (véase la fig. 3 arriba a la izquierda), esto significa que la humectabilidad es baja y, por lo tanto, el sustrato tiene una energía superficial baja. Si la gota es plana en la superficie, es decir, ϴ es pequeña (ver fig. 3 arriba a la derecha) entonces la energía superficial del sustrato es alta. Los denominados Drop Shape Analysers (por ejemplo, https://www.kruss-scientific.com/) son un medio para cuantificar estos parámetros de forma fácil y fiable. Utilizan dos líquidos de ensayo (por ejemplo, agua y diiodometano) que, dosificados en gotas, se colocan sobre un sustrato para calcular su energía superficial midiendo con precisión el ángulo de contacto.

Ejemplos de aplicación: Aumento de la energía superficial

Los sustratos con bajas energías superficiales son un reto para procesos como la adhesión, el barnizado o la impresión, ya que el medio respectivo, por ejemplo los adhesivos o barnices, muestran una humectación deficiente en la superficie, lo que disminuye la calidad del proceso. Al aumentar la energía de la superficie del material del sustrato, ya sea un polímero, metal, vidrio, cerámica o textil, se puede mejorar la humectación, lo que conduce a una mayor calidad del proceso de seguimiento. Relyon Plasma ofrece dos tecnologías diferentes para la mejora de las energías superficiales de diversos materiales: Tecnología de Arco Atmosférico Pulsado (PAA®) y Tecnología de Descarga Directa Piezoeléctrica (PDD®). Ambos están bien establecidos en el pretratamiento de superficies para procesos como la impresión, el barnizado y la adherencia y se presentarán a continuación utilizando ejemplos reales de aplicación.

Tratamiento del sulfuro de polifenileno (PPS) con Plasmabrush® PB3 (PAA Technolgy®)

Los polímeros tienden a tener bajas energías superficiales, lo que puede causar problemas a la hora de pegar, barnizar o imprimir.

Los polímeros tienden a tener bajas energías superficiales, lo que puede causar problemas a la hora de pegar, barnizar o imprimir.

Después del tratamiento con plasma se logra una humectación completa con una tinta de prueba de 60 mN/m

Fig. 2: Después del tratamiento con plasma se logra una humectación completa con una tinta de prueba de 60 mN/m

La energía superficial de los componentes de sulfuro de polifenileno (PPS) sin tratar es inferior a 40 mN/m, como se muestra en la fig. 1 a través de la contracción de la tinta de prueba respectiva, lo que conduce a la formación de gotas en la superficie. Con la ayuda del analizador de forma de gota Kruss DSA 10, se pueden medir los ángulos de contacto de los dos líquidos de ensayo agua y diiodometano (CH2I2) para determinar la energía de la superficie alrededor de 36 mN/m (ver fig. 3). Después del tratamiento con plasma con Plasmabrush® PB3, la energía superficial aumenta hasta un valor de 62 mN/m. Aplicando tintas de prueba, se puede confirmar que la energía de la superficie excede ahora los 60 mN/m, ya que la tinta de prueba respectiva no se contrae, sino que forma una película cerrada en la superficie, como se ve en la fig. 2. El tratamiento con plasma mejora significativamente las condiciones previas para un proceso de seguimiento eficaz, como el encolado, y garantiza la reproducibilidad a través de parámetros de proceso bien definidos.

Determinación de la energía superficial de un componente de sulfuro de polifenileno (PPS) antes y después del tratamiento con plasma

Fig. 3: Determinación de la energía superficial de un componente de sulfuro de polifenileno (PPS) antes y después del tratamiento con plasma

Tratamiento del acero para muelles con Plasmabrush® PB3 (PAA Technolgy®)

La energía superficial del componente de acero para muelles sin tratar se determina, mediante mediciones del ángulo de contacto, en aproximadamente 42 mN/m (véase la fig. 4). Estas no son condiciones ideales para procesos como el encolado. Las superficies metálicas limpias suelen tener energías superficiales de unos pocos miles de mN/m. Los óxidos y los residuos orgánicos como los lubricantes y agentes desmoldeantes utilizados en el proceso de fabricación pueden reducir drásticamente la energía de la superficie. Un pretratamiento rápido y en línea con el plasma atmosférico del Plasmabrush® PB3 puede aumentar la energía de la superficie en este caso hasta aprox. 66 mN/m (ver fig. 4), un valor más que suficiente para procesos típicos de encolado. Un conjunto de parámetros adaptados al proceso garantiza la reproducibilidad de estos resultados.

Determinación de la energía superficial de las piezas de acero antes y después del tratamiento con plasma

Fig. 4: Determinación de la energía superficial de las piezas de acero antes y después del tratamiento con plasma

La aplicación de tintas de prueba puede ayudar a verificar la mejora de la energía superficial inducida por el plasma y mostrar la diferencia entre la superficie tratada y la no tratada: En la fig. 5 se aplicó una tinta de prueba con un valor de 66 mN/m sobre la superficie, humedeciendo perfectamente la zona tratada con plasma y contrayendo gotas sobre la zona no tratada.

Tinta de prueba con un valor de 66 mN/m aplicada sobre una superficie de acero parcialmente tratada con plasma

Fig. 5: Tinta de prueba con un valor de 66 mN/m aplicada sobre una superficie de acero parcialmente tratada con plasma

Tratamiento de ePTFE con Piezobrush® PZ2 (Tecnología PDD®)

La llamada cinta de teflón o ePTFE es conocida por su capacidad de repeler líquidos. Esto se manifiesta en la muy baja energía superficial del material en este ejemplo de aplicación médica, que se ha determinado que es de alrededor de 8 mN/m (ver fig. 6). Valores bajos como estos están fuera del rango de las tintas de prueba típicas, lo que hace que la medición del ángulo de contacto sea el método significativamente más concluyente. Para aplicaciones médicas puede ser deseable un aumento de la energía superficial del ePTFE. El tratamiento de la superficie con el Piezobrush® PZ2 inyectando argón a través de su boquilla multigas puede llevar a un notable aumento de la energía superficial de hasta 30 mN/m.

Determinación de la energía superficial del ePTFE antes y después del tratamiento con plasma

Fig. 6: Determinación de la energía superficial del ePTFE antes y después del tratamiento con plasma

Conclusión

La energía de la superficie es un parámetro importante para los sustratos que deben tratarse en procesos como el pegado, el barnizado o la impresión. Es esencial para la humectabilidad de una superficie y se aproxima fácilmente con la ayuda de tintas de prueba o se determina con precisión mediante mediciones del ángulo de contacto. Si los soportes no se humedecen suficientemente con colas, barnices, etc., la calidad de la unión se verá afectada. A través de un pretratamiento de la superficie con plasma atmosférico, la energía de la superficie puede aumentarse de forma efectiva y reproducible: Relyon Plasma ofrece soluciones adecuadas tanto para procesos estándar como para aplicaciones individuales.

Bibliografía

Pocius, Alphonsus V. (2002). Adherencia y tecnología de adhesivos: Una introducción. Munich: Hanser.

Berg, John C. (1993). Wettabilidad. Nueva York: Marcel Dekker, Inc.

Keyword Search

Relyon Plasma News

Relyon Plasma Publications

Contacto
close slider