Controllo dei risultati disuguali di energia superficiale causati dai liquidi di prova: il caso del PET trattato con UV/O3

May 20, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 6772 (2022) Citare questo articolo

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È stato segnalato che il trattamento con raggi ultravioletti/ozono (UV/O3) è un metodo efficace per modificare proprietà quali bagnabilità, adesione o adsorbimento delle superfici plastiche. Il cambiamento nella superficie viene misurato mediante l'analisi dell'angolo di contatto, che utilizza i liquidi e le loro tensioni superficiali (ST) per stimare l'energia superficiale (SE). Abbiamo riscontrato due pratiche diverse nella comunità scientifica: (1) la maggior parte dei ricercatori ha adottato il valore ST dei liquidi dalla letteratura, mentre (2) altri ricercatori hanno condotto misurazioni in tempo reale in laboratorio in condizioni ambientali prima della stima SE. Per quanto ne sappiamo, non esiste uno studio che confronti la differenza tra le due pratiche. È stato scoperto che uno studio mostra diversi metodi SE che generano valori SE diversi per lo stesso substrato. Tuttavia, non è stata raggiunta alcuna conclusione definitiva supportata dalle regole generali della termodinamica. In questo studio, abbiamo presentato (1) un test di significatività statistica che ha mostrato che la letteratura e i valori ST sperimentali sono significativamente diversi e abbiamo studiato (2) l'effetto di diverse coppie di liquidi sulla stima SE per il poli(etilene tereftalato) trattato con UV/O3. substrato (PET). Tecniche di modifica come il plasma a pressione atmosferica o la modifica chimica sono state studiate in precedenza per esaminare la bagnabilità del PET e l'SE. Il trattamento UV/O3 è stato studiato per migliorare l'adesione e modificarne le proprietà chimiche di adsorbimento. Al contrario, abbiamo studiato (3) l'effetto di UV/O3 sulla bagnabilità in diversi intervalli di tempo e abbiamo affrontato (4) come controllare l'ES disuguale sulla base di un metodo che è stato perfezionato su un rigoroso sistema termodinamico trifase. Va notato che questo metodo può essere generalizzato ad altri tipi di superfici solide per stimare valori SE termodinamicamente autoconsistenti. Questo lavoro fornisce anche (5) un calcolatore basato sul web che integra i risultati computazionali a disposizione dei lettori nella sezione sulla disponibilità dei dati.

I substrati in plastica sono materiali tradizionali per fabbricare un'ampia gamma di applicazioni, tra cui elettronica stampata e flessibile, dispositivi biomedici e imballaggi1,2,3. La relazione tra le caratteristiche superficiali della plastica e la ST delle dispersioni gioca un ruolo importante nel livellamento, nella formazione del film e nel comportamento di adesione di dispersioni come inchiostri, rivestimenti e adesivi. Le caratteristiche superficiali, come l'idrofilia, la morfologia, la bagnabilità e la ruvidità, influenzano l'omogeneità dei film di dispersione e quindi le proprietà finali delle applicazioni previste4,5. Il PET è diventato un substrato valido non solo per le applicazioni di imballaggio ma anche per l'elettronica stampata grazie alla sua resistenza e resilienza superiori, agli elevati punti di fusione, alla resistenza alla trazione, alla buona resistenza agli urti, all'eccezionale lavorabilità e al notevole vantaggio in termini di costi rispetto alle altre opzioni di plastica6,7,8. La stabilità dimensionale del PET può essere migliorata mediante un processo di stabilizzazione termica a temperature fino a 150 °C8. In termini di imballaggio, il PET presenta una trasparenza simile al vetro, un basso odore e permeabilità al gas-acqua ed è molto adatto per processi quali goffratura a caldo, laminazione, stampaggio e stampa. La durabilità più importante del PET rispetto ad altre plastiche è la sua inerzia chimica. Tuttavia, questa proprietà fa sì che il PET abbia una scarsa bagnabilità e richieda un trattamento superficiale prima della lavorazione in vari settori industriali1,7. Il metodo dell'angolo di contatto caratterizza l'effetto del trattamento superficiale e il comportamento di bagnatura/dewetting intrinseco o modificato dei materiali, che può avere un effetto profondo9. Il metodo ST e l'angolo di contatto quantificano il valore SE ed è utile, soprattutto se la dispersione è scarsa4. Il valore SE è la somma delle componenti polari e dispersive e mostra il comportamento di bagnabilità dei liquidi tra le due componenti affinità con una superficie. L'effetto del trattamento superficiale può essere misurato anche utilizzando penne e soluzioni Dyne nell'ambiente di produzione; tuttavia il processo è soggettivo e non rivela i valori delle componenti polari e disperse. Aumentare la componente polare dei substrati e monitorarla è particolarmente importante per ottenere un adeguato legame adesivo nei polimeri10.