Plasma – O agente promotor de adesão em polímeros e sua facilidade de inserção em processos produtivos

Artigo Técnico

A tecnologia de plasma já está bem estabelecida como promotora de adesão em peças poliméricas em países como Estados Unidos, Alemanha e França, entre outros. Aos poucos, essa nova tecnologia está ganhando espaço nas indústrias brasileiras.

Assim como sólido, líquido e gasoso, o plasma também é considerado um estado da matéria. Mais precisamente, é denominado o quarto estado da matéria ou um gás ionizado.

A justificativa para tal denominação é porque, para se gerar plasmas, é necessário fornecer energia para um determinado gás e este, se tiver energia suficiente, muda de estado. Para melhor compreensão, o mesmo fenômeno de mudança de estado ocorre ao fornecer energia a um bloco de gelo, pois este passa para o estado líquido.

Portanto, o plasma é um estado extremamente energético e é visto fisicamente em forma de uma tocha fria (30°C), gerada a partir de gases como, por exemplo, o ar comprimido – processo sem insumos, solventes e efluentes.

Quando essa tocha entra em contato com os materiais há uma quebra imediata na tensão superficial, permitindo a aplicação de adesivos, selantes ou tintas sem a necessidade de flambagem ou lixamento.

Com essa tecnologia, novos campos da engenharia de materiais são abertos, pois além de em alguns casos poder substituir o uso de primers, pode também permitir o uso de polímeros mais baratos, como o polipropileno, em aplicações em que somente o ABS obteria boa performance na adesão ou pintura.

INTRODUÇÃO

Existem diversos tipos e maneiras de gerar plasmas, desde os naturais, como as auroras boreais que podem ser vistas no céu do extremo Hemisfério Norte; de formas mais comerciais, como as conhecidas “TVs de plasma”, ou até mesmo as lâmpadas fluorescentes.

Porém, seu uso em processos industriais pode se dar mediante duas formas:

  • (a) vácuo, como na fabricação de componentes da indústria de microeletrônica e algumas técnicas de metalização;
  • (b) atmosférico, através de tochas quentes que chegam a temperaturas na ordem de 2500-3000°C e são utilizadas para fazer cortes em peças metálicas, ou ainda por meio de tochas frias (35°C) que permitem o pré tratamento de polímeros sem danificá-los. Esta última forma, dos plasmas frios, será a base deste artigo, cujos princípios e possíveis aplicações serão discutidos com maiores detalhes.

Como exposto anteriormente, o plasma é um gás ionizado, ou seja, ao fornecer energia para as moléculas ou átomos do gás, eles perdem um elétron, tornando-se radicais positivos. Tanto estes elétrons quanto os radicais possuem energias suficientes para desestabilizar outras ligações químicas quando encontrarem outras partículas.

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Figura 2 – Processo de ionização de uma molécula. Ao fornecer energia para o sistema, os elétrons ganham velocidade e são ejetados, dessa forma é formado um radical positivo.

 

A partir deste momento, uma série de reações em cascata ocorrem quando estes elétrons e radicais encontram os elementos do ar atmosférico. Dessas reações outra série de radicais são formados e recombinados, conforme exemplificado de forma simplificada na figura 3

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Figura 3 – Formação de radicais em cascata. Elementos como H2O, N2, CO2 e O2 disponívies no ar formam radicais e se recombinam

Dessa forma, essa “sopa química” ao encontrar uma superfície, de um plástico por exemplo, fornecerá energia para desequilibrar as moléculas mais superficiais (5 a 10 nm de profundidade) criando novos sitios de ligação química sem modificar as estruturas internas do material (propriedades mecânicas, elétricas e químicas).

Adesão aprimorada

Para um determinado material (tintas, resinas, adesivos, etc) obter um bom desempenho na adesão a uma superfície são necessárias no mínimo duas condições: (i) área de contato entre a superfície e o material que se deseja aderir e (ii) ligações químicas disponíveis para estabelecer as conexões necessárias.

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Figura 4: Superfície interagindo com o plasma. Os elementos reativos do plasma rompem as ligações da superfície, preparando-a para novas possibilidades de ligação química.

A relação dessas condições está intimamente ligada a uma regra básica inescapável: todo material tende ao seu menor estado de energia em busca de equilíbrio e alívio de tensões internas.

Em outras palavras, materiais que não apresentam boas propriedades de adesão contêm moléculas se acomodaram química e fisicamente e não possuem mais “interesse” em novas ligações.

Portanto, para perturbar este equilíbrio as ligações da superfície precisam ser quebradas para gerar a instabilidade e esta “querer” formar novas ligações para se estabilizar novamente.

Um método mecânico utilizado para romper as ligações da superfície é o lixamento. Entretanto este método gera alguns efeitos colaterais indesejáveis em um processo produtivo, por exemplo: suspensão de particulados, rugosidade, necessidade de recursos humanos e sua consequente insalubridade, necessidade de processo de limpeza posterior, entre outras.

Com a tecnologia de plasma, todos os radicais químicos formados, conforme figura 3, possuem energia suficiente para romper as ligações da superfície gerando a instabilidade necessária para promover a abertura de novos sítios químicos e obter a adesão. Porém, não apenas abre estas possibilidades de ligação química, mas também reveste a superfície de radicais polares o que implicará em uma molhabilidade superior entre a superfície e o material aderente.

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Figura 5: – Relação entre molhabilidade e área de contato. Superfície sem exposição ao plasma a relação área real é menor que área útil. Já para superfícies tratadas com o plasma a área real é próxima da área útil.

Esta característica de molhabilidade é o reflexo da quebra de tensão superficial residual do material. Com isso, o material aderente percorre mais intimamente as microestruturas (rugosidade) da superfície.

Este efeito pode ser facilmente percebido na figura 6  quando uma gota de tinta é posicionada sobre a face superior de uma fita adesiva do tipo ‘crepe’ que é revestida com um material anti-aderente.

Pode ser observado que o poder de atração da nova superfície após o plasma é tão intenso que a gota de tinta se espalha completamente, diferentemente, da superfície com baixo poder de atração.

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Figura 6: Quebra de tensão superficial. Sem a aplicação do plasma o escoamento de uma gota de tinta base água não é completo, porém após a exposição ao plasma, o espalhamento é completo.

 

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