Elżbieta PIEKARSKA Instytut Materiałów Polimerowych i Barwników Oddział Zamiejscowy Farb i Tworzyw w Gliwicach Ul. Chorzowska 50 A, 44-100 Gliwice

WYBRANE ZAGADNIENIA BARWIENIA TWORZYW Barwa stała się naczelnym narzędziem reklamy i w wielu dziedzinach wypiera reklamę słowną. Dzięki reklamie otoczenie staje się coraz bardziej kolorowe a takie wrażenie powstaje na skutek barwienia przedmiotów powszechnego użytku, które nas otaczają. Również dzięki temu barwienie tworzyw uzyskuje coraz większe znaczenie. Barwa stała się naczelnym narzędziem reklamy i w wielu dziedzinach wypiera reklamę słowną. Dzięki reklamie otoczenie staje się coraz bardziej kolorowe a takie wrażenie powstaje na skutek barwienia przedmiotów powszechnego użytku, które nas otaczają. Również dzięki temu barwienie tworzyw uzyskuje coraz większe znaczenie. Zjawisko barwnego widzenia jest następstwem odbijania światła w zakresie widzialnym przez dostatecznie oświetlony przedmiot. Światło odbite wpada do oczu przez soczewki (źrenice), które skupiają światło na fotoczułej siatkówce na dnie oka. Siatkówka posiada dwa rodzaje preceptorów: pręciki czułe na natężenie oświetlenia, dostarczające informacje o jasności i ciemności i trzy rodzaje czopków czułych na światło czerwone, niebieskie i zielone. Pręciki pracują niezależnie od oświetlenia, natomiast czopki uaktywniają się przy dostatecznym oświetleniu. Pręciki i czopki przetwarzają światło odbite od obiektu i wysyłają informację (impuls elektro-magnetyczny) do nerwu wzrokowego połączonego z mózgiem, który je przetwarza na „barwne widzenie” obiektu. Barwa zależy więc od sposobu w jaki obiekt odbija i absorbuje światło padające, od rodzaju i natężenia tego światła i od cech indywidualnych obserwatorów. W zasadzie barwa jako niepowtarzalne, indywidualne doświadczenie człowieka nie może być mierzone, natomiast mierzone mogą być właściwości transmisyjno-refleksyjne materiału to znaczy, jaka ilość światła o danej spektralnej charakterystyce (długości fali) jest odbijana lub przepuszczana przez materiał w standardowych warunkach. Nowoczesna, instrumentalna kontrola barwy polega na pomiarze właściwości odbijająco- przepuszczalnych materiałów i przekształceniu otrzymanych wyników w tzw. dane barwometryczne to jest liczby (zazwyczaj trzy), które bezpośrednio wiążą wrażenie barwy średniego obserwatora w danym oświetleniu. W zasadzie barwa jako niepowtarzalne, indywidualne doświadczenie człowieka nie może być mierzone, natomiast mierzone mogą być właściwości transmisyjno-refleksyjne materiału to znaczy, jaka ilość światła o danej spektralnej charakterystyce (długości fali) jest odbijana lub przepuszczana przez materiał w standardowych warunkach. Nowoczesna, instrumentalna kontrola barwy polega na pomiarze właściwości odbijająco-przepuszczalnych materiałów i przekształceniu otrzymanych wyników w tzw. dane barwometryczne to jest liczby (zazwyczaj trzy), które bezpośrednio wiążą wrażenie barwy średniego obserwatora w danym oświetleniu. Konieczny jest sposób dokładnego opisu barwy, najlepiej liczbowy dostarczający najważniejszych informacji, które mogą być stosowane w codziennej pracy. Powszechnie barwę opisuje się trzema pojęciami w następujących terminach:

– – –

barwności lub odcienia jasności chromatyczności (intensywności, czystości lub nasycenia).

Posługując się tymi wielkościami można utworzyć bryłę barw przez ułożenie wszystkich odcieni o danej jasności na okręgu, powstaje wówczas koło barw. Najczystsze i nasycone barwy leżą na okręgu koła, mniej nasycone (o niższej chromatyczności) bliżej środka koła, który zajmują barwy achromatyczne. Najjaśniejsze barwy znajdują się na szczycie bryły, a najciemniejsze na jej dnie. Trzy cechy (atrybuty) barwy tworzą trójwymiarową przestrzeń, która może być skonstruowana na podstawie systematycznej wizualnej oceny barw. Zmiana odcienia odbywa się w sposób ciągły na okręgu koła w porządku spektralnym jak w tęczy, od czerwieni do fioletu. Chromatyczność wzrasta ciągle z długością promienia, a jasność ma krańcowe punkty biały i czarny. Konieczny jest sposób dokładnego opisu barwy, najlepiej liczbowy dostarczający najważniejszych informacji, które mogą być stosowane w codziennej pracy. Człowiek może rozróżnić około 10 milionów barw przy dobrym oświetleniu i braku defektów wzroku. Nadanie nazwy każdej z tych barw i opisanie ich cech jest nie-możliwe. Konieczny staje się system, przy pomocy którego można by opisać jedno-znacznie dowolną barwę. Tanim, umownym wzornikiem barw jest RAL przedstawiony przez Niemiecki Komitet ds. Warunków Dostaw i Zapewnienia Jakości, który zawiera 190 elementów i którym do dziś posługuje się wiele instytucji w Niemczech, a całkowicie zdominował przemysł farb w Europie. Każdy element barwny atlasu ma oznaczenie czterocyfrowe. Za wyjątkiem pierwszej cyfry opisującej pewne odcienie np. 1 - żółte, 2 - oranżowe, 3 - czerwone, 5 - niebieskie, 6 – zielone, 7 - szare, 8 - brązowe, 9 - białe, metaliczne (aluminiowe) / czarne, pozostałe mają charakter porządkowy. Barwy mogą różnie oddziaływać na człowieka i wywoływać różne ich odczuwanie i stany emocjonalne. Niektóre barwy wydają się ciepłe, inne zimne. Do barw ciepłych zalicza się czerwone, żółte, pomarańczowe, brązowe; do zimnych wszystkie odcienie niebieskie i szare. Takie postrzeganie barw wiąże się ze zjawiskiem Purkinie′go. O zmierzchu, kiedy najczęściej jest chłodno, wzrasta względna jasność barwy niebieskiej, natomiast w ciągu dnia, kiedy jest cieplej jaśniejsze i bardziej widoczne są kolory czerwone i żółte. W pomieszczeniach o barwach ciepłych odczuwa się też ciepłotę o 2 ÷ 3ºC większą od rzeczywistej. Barwa biała uważana jest też za zimną, ponadto wywołuje wrażenie pustki i przebywanie długo w białym pomieszczeniu jest męczące. Przedmioty o barwach intensywnych, ciepłych wydają się bliższe niż rzeczywistość. Wszystkie barwy jasne powodują wrażenie lekkości, natomiast barwy ciemne – ciężkości. Dlatego dużym, ciężkim skrzyniom i pakunkom przeznaczonym do transportu nadaje się zwykle barwy jasne. Wiadomości o barwnikach i pigmentach Barwienie tworzyw jest ważnym zabiegiem technologicznym, z uwagi na określone potrzeby odbiorcy. Szczególnie dotyczy to wyrobów opakowaniowych, gdzie barwa ma znaczenie marketingowe i określa przeznaczenie opakowania. Wybór określonego pigmentu zależy od wymagań stawianych danemu wyrobowi oraz życzeń odbiorcy w zakresie kolorystyki i jej trwałości. Przy typowaniu środków barwiących uwzględniane są ich właściwości fizjologiczne, trwałość barwy, koszt zastosowania. Środki stosowane do barwienia tworzyw to rozpuszczalne w tworzywach barwniki i nierozpuszczalne pigmenty.

2

Są to substancje, które wyróżniają się wysoką zdolnością selektywnej absorpcji światła i mogą trwale barwić inne przedmioty. Do środków barwiących zalicza się odpowiednio spreparowane pigmenty nieorganiczne i organiczne oraz barwniki rozpuszczalne w tworzywach sztucznych. Pigmenty nieorganiczne spełniają w szerokim zakresie wymagania co do odporności cieplnej i trwałości barwy w czasie użytkowania wyrobu natomiast pigmenty organiczne rozpuszczalne w tworzywach spełniają szereg wymagań kolorystycznych. Najogólniej rzecz ujmując, selekcji dokonuje się spośród dwóch typów kolorantów: –

pigmentów, które są nierozpuszczalne i zabarwiają tworzywo poprzez pozostawienie w nim bardzo drobnej, subtelnej zawiesiny cząstek, barwników rozpuszczalnych w polimerze, stosowanych wówczas, gdy wymagane są zabarwienia na kolory transparentne. Niżej, w tabeli 1. podano ważniejsze grupy związków chemicznych znajdujących zastosowanie do barwienia tworzyw. Tabela 1. nieorganiczne

Pigmenty 1

2 biel

żółcienie

czerwień

fiolet błękit zieleń

organiczne 3

dwutlenek tytanu tlenki i siarczki cynku żółcień kadmowa żółcień chromowa żółcień żelazowa żółcień niklowo tytanowa czerwienie kadmowe czerwień molibdenowa czerwień żelazowa fiolet manganowy ultramaryna błękit kobaltowy zieleń chromowa zieleń kobaltowa

–– –– pigmenty monoazowe pochodne antrochinonu pochodne izoindolinowe pigmenty dwuazowe pochodne kwasu perytenotetrakurbonylowe pochodne izoindotizowe fiolet dwuokzynowy pochodne tioindyge błękit ftalocyjanionowy pochodne antrochinonu zieleń ftalocyjananowa

brunat

brunat żelazowy

pigmenty dioksazyny

czerń

sadza czerń żelazowa czerń antymonowa

czerń anilinowa

Największy udział w barwieniu tworzyw ma biel tytanowa 70 %, najmniejszy barwniki około 2 %.

3

Udział środków barwnych w barwieniu tworzyw przedstawiono na poniższym wykresie (Rys. 1.) Barwienie tworzyw środkami barwnymi

barwniki 2%

sadza 14%

pigmenty nieorganiczne 9% pigmenty organicze 5%

biel tytanowa 70%

Rys. 1.

Wśród pigmentów nieorganicznych syntetycznych, jeśli chodzi o zużycie i szeroki zakres stosowania do różnych tworzyw sztucznych, bardzo ważną pozycję zajmują pigmenty białe. Wiele bowiem wyrobów z tworzyw sztucznych wytwarza się w kolorze białym (pigmentowanych bielą). Poza tym w praktyce przy barwieniu tworzyw sztucznych pigmentami organicznymi dla uzyskania efektów kryjących oprócz pigmentu barwnego stosuje się mniejszy lub większy dodatek bieli, które jednocześnie rozjaśniają barwę, dzięki czemu uwidocznia się również właściwa pigmentom organicznym żywość i piękno barwy. Rynek zainteresowany jest też coraz częściej pigmentami perłowymi , które dodawane do tworzyw w procesie barwienia nadają wyrobom gotowym efekt masy perłowej. Są to barwniki interferencyjne o wysokim współczynniku załamania światła oraz bardzo rozdrobnionej powierzchni . Te właściwości na skutek wielokrotnego odbicia efektu świetlnego powodują powstanie efektu masy perłowej. Do barwienia , malowania i drukowania stosuje się powszechnie też pigmenty metaliczne otrzymywane z aluminium, miedzi, cynku oraz ich stopów imitujących kolor srebra lub złota. Pigmenty metaliczne mogą występować w postaci preparacji pigmentowych proszkowych lub granulowanych. Otrzymuje się je przez rozdrobnienie pigmentu w stałym medium mieszalnym z barwionym polimerem jako nośnikiem . Zawierają od 20 do 70 pigmentu. Rzadko się zdarza, aby można było osiągnąć żądany odcień wybarwienia za pomocą jednego barwnika. Często stosuje się mieszaninę dwóch lub więcej barwników, przy czym uzyskane efekty zależą w dużej mierze od właściwości każdego z używanych składników. W dobieraniu i mieszaniu barwników należy przestrzegać następujących zasad:

4

W miarę możności należy dobierać barwniki z podobnych grup i asortymentów stosowanych do danego tworzywa w wymaganej temperaturze przerobu. Gwarantuje to odporność barwników na wpływy chemiczne tworzywa w określonych warunkach termicznych -

Barwniki powinny wykazywać w danym tworzywie zbliżoną odporność na światło, przy czym należy zwrócić uwagę, aby barwnik dodawany w mniejszej ilości, wykazywał w małym stężeniu zbliżoną odporność na światło w stosunku do barwnika podstawowego. Wiele bowiem barwników użytych w małych stężeniach wykazuje znacznie mniejszą odporność na światło niż w stężeniach większych, dających pełny kolor.

-

Należy zwracać uwagę, aby żądany kolor uzyskać za pomocą jak najmniejszej liczby poszczególnych barwników, gdyż przy mieszaniu barwników mamy do czynienia z substrakcją światła.

Przez zmieszanie kilku barwników jasność barwy maleje, ponieważ większa część padających promieni światła zostaje pochłonięta i barwa wypadkowa zbliża się do czerni. W praktyce kolorystycznej dominuje jeszcze tradycyjny sposób dobierania kolorów przez empiryczne mieszanie barwników, przy czym za barwy podstawowe, zwane również prostymi albo pierwszorzędowymi przyjęto: żółtą, czerwoną i błękitną. Przedstawiony schematycznie trójkąt barw uwzględnia możliwości otrzymywania różnych barw substrakcyjnych przez mieszanie dwóch lub więcej barwników i dzieli barwy na pierwszorzędowe albo proste (wspomniana już żółta, czerwona i niebieska), drugorzędowe (dwuskładnikowe) i trzeciorzędowe (trójskładnikowe). Przez zmieszanie barwnika żółtego, czerwonego i niebieskiego otrzymuje się czerń. mieszanie barwników o dwóch barwach prostych daje barwę drugorzędową żółcień

+ czerwień = oranż

czerwień + błękit

=

fiolet

żółcień

=

zieleń

+ błękit

Z kolei mieszanie barwników o barwach drugorzędowych prowadzi do uzyskania barw trzeciorzędowych oranż

+

fiolet

= brunat

fiolet

+

zieleń

= granat

oranż

+ zieleń

= oliwka

Dla każdej barwy złożonej drugorzędowej istnieje jeszcze trzecia prosta dopełniająca do czerni oranż

+ błękit

= czerń

fiolet

+ żółcień

= czerń

zieleń

+ czerwień =

czerń.

5

Przez zmieszanie kilku barwników następuje przytępienie barwy wypadkowej, żeby więc uzyskać ją o możliwie czystym i jaskrawym kolorze, należy składniki mieszanki dobierać w bardziej jaskrawych kolorach niż barwa żądana. Pamiętając, że barwniki o określonych kolorach mogą mieć różne odcienie, do mieszania należy dobierać takie barwniki, które nie posiadają odcienia powodującego przybrudzenie.

czerwień brunat

fiolet

oranż czerń

granat

błękit

oliwek

żółcień

zieleń Rys. 2.

BARWY

I rzędu

II rzędu

III rzędu

Rys. 3. Wybór zastosowania typu pigmentu zależy od wymagań stawianych wyrobom i życzeń odbiorcy w zakresie kolorystyki. Najczęściej znajdują zastosowanie przy barwieniu tworzyw kompozycje złożone z mieszanin pigmentów. Przy typowaniu środków barwiących uwzględnia się ich właściwości fizjologiczne, trwałość barwy, koszt wybarwienia. Pigmenty organiczne są droższe od nieorganicznych ale najczęściej charakteryzują się większą

6

zdolnością mocy wybarwienia w kombinacji z bielą tytanową. Wybarwienia przezroczyste osiąga się pigmentami organicznymi. Pigmenty organiczne do barwienia tworzyw sztucznych charakteryzują się dużą intensywnością barwienia, połyskiem i czystością wybarwień. Spośród tych pigmentów szerokie zastosowanie znajdują pigmenty rezaminowe (żółcień, oranż, czerwień, rubin, błękit, zieleń) oraz pigmenty ftalocyjanianowe (zieleń i błękit). Niektóre napełniacze do tworzyw sztucznych spełniają również rolę pigmentów barwiących. Należą do nich pn. węglany wapnia (kreda, kalcyt, kreda strącana), węglan magnezu-wapnia (dolomit), krzemiany a także sadza. Czynniki warunkujące przydatność barwników do tworzyw polimerowych Pierwszym z czynników warunkujących przydatność danego barwnika do barwienia określonego tworzywa jest sposób barwienia. Wszystkie sposoby barwienia tworzyw sztucznych można sprowadzić do barwienia w masie i barwienia powierzchniowego. Barwienie w masie polega na tym, że barwnik wprowadza się do tworzywa w czasie jego wytwarzania lub w czasie przerobu. Uformowany barwny przedmiot zawiera barwnik równomiernie rozprowadzony lub rozpuszczony w całej masie tworzywa. Bezpośrednie barwienie w masie , polega na wymieszaniu tworzywa w postaci proszku lub granulatu z suchym pigmentem z dodatkiem środków pomocniczych. Tak przygotowana mieszanka może być przetwarzana różnymi technikami na wyrób finalny. Barwienie przy użyciu koncentratów barwnych, polega na wstępnym, mechanicznym wymieszaniu barwionego tworzywa z granulatami lub mieszankami w postaci past lub proszku zawierającymi znaczną ilość środka barwiącego. Stosowanie koncentratów ma szereg zalet takich jak łatwość czyszczenia urządzeń, małe zapylenie na produkcji i pozwala na szybkie zmiany wybarwień w procesie produkcji W stosunku do barwników używanych do tworzyw sztucznych stawia się następujące wymagania: – –

muszą być odporne na działanie chemicznych składników tworzywa nie mogą zmieniać barwy pod wpływem temperatury, w jakiej przetwarza się dane tworzywo – nie powinny migrować („wypacać się”) i dawać wykwitów na powierzchni wyrobów – nie mogą zmieniać właściwości mechanicznych i elektrycznych tworzywa – nie mogą zmieniać właściwości mechanicznych i elektrycznych tworzywa – powinny wykazywać dobrą odporność na światło – powinny łatwo mieszać się z tworzywem – powinny być nietoksyczne, odporne na wodę lub inne czynniki itp. Dla osiągnięcia równomiernego zabarwienia tworzywa, środek barwiący musi być równomiernie rozmieszczony w całej jego objętości, tak aby nie występowały plamy lub smugi o różnej intensywności zabarwienia lub też o odmiennym odcieniu. Rozdrobnienie (dyspersja) to wytworzenie tak drobnych cząstek pigmentu, aby nie można ich było zobaczyć okiem nieuzbrojonym. Przez zmniejszenie rozmiarów cząstek pigmentu poniżej odpowiedniego poziomu, osiąga się dodatkowe efekty w postaci zwiększenia trwałości,

7

jaskrawości koloru i siły wybarwienia. Dobra dyspergowalność pigmentu przyczynia się również do łatwości, z jaką daje się uzyskać dobrą powtarzalność ustalonego koloru w poszczególnych partiach barwionego tworzywa. Barwienie powierzchniowe Ppolega na zanurzeniu gotowego, niebarwionego przedmiotu w kąpieli zawierającej barwnik. Kąpiel możne być roztworem barwnika w wodzie lub rozpuszczalniku albo niekiedy zawiesiną barwnika w wodzie (barwniki zawiesinowe). Pod wpływem kąpieli barwiącej w określonej temperaturze i w ciągu określonego czasu przedmiot barwi się na skutek chemicznego wiązania się barwnika z tworzywem lub dzięki rozpuszczeniu się barwnika w tworzywie. Zabarwieniu ulega tylko stosunkowo cienka wierzchnia warstwa tworzywa. Drukowanie i malowanie tworzyw Można je traktować jako odmianę barwienia powierzchniowego. W przeciwieństwie jednak do barwienia powierzchniowego zanurzeniowego do drukowania i malowania można stosować barwniki nie wiążące się chemicznie z tworzywem, nie rozpuszczające się w nim, ani też nie adsorbujące się na powierzchni tworzywa. Barwnik może natomiast wiązać się z powierzchnią tworzywa za pomocą środka wiążącego, którym zazwyczaj jest to samo lub pokrewne ekonomicznie tworzywo rozpuszczone w rozpuszczalnikach lotnych, odparowujących po wykonaniu nadruku. Z drukowaniem tworzyw Mamy do czynienia w procesie otrzymywania opakowań, tapet z tworzyw, wykładzin podłogowych oraz w produkcji skóry syntetycznej. Wymienione sposoby otrzymywania druku wymagają precyzyjnych maszyn z odpowiednio przystosowanymi do druku walcami nanoszącymi farby a także odpowiednio przystosowanych do tego cyklu tuneli suszących.. Gdy drukowany jest tylko jeden kolor, problemy są stosunkowo proste, stosuje się jednak powszechnie nadruki wielokolorowe. Nadruk offsetowy na powierzchni tworzyw osiąga na świecie wysoki stopień doskonałości. Na rynku światowym jest jednak niewiele firm które produkują szybkie i ekonomiczne drukarki do tworzyw z systemami wysokiej rozdzielczości ( high definition). Najnowsze urządzenia w tym zakresie pozwalają osiągnąć w procesach produkcyjnych materiałów opakowaniowych efekty porównywalne z fotograficznymi. Malowanie tworzyw sztucznych na skalę przemysłową stosowane jest od kilkunastu lat i w wielu gałęziach przemysłu upowszechniło się do tego stopnia, że stało się standardową operacja technologiczną. W zdecydowanej większości tworzywa maluje się dla potrzeb przemysłu motoryzacyjnego, elektroniki użytkowej a także w produkcji obudów telewizorów, sprzętu audio , odtwarzaczy płyt CD, cyfrowych aparatów fotograficznych. Przedmioty z tworzyw są malowane lub drukowane w celu połączenia korzystnych właściwości tworzyw i farb , to jest dla:


nadania wyrobom większej odporności na promieniowanie UV




ukrycia niedoskonałości i wad powierzchni tworzyw powstałych w operacjach wtryskiwania lub wytłaczania

8




uzyskania przyciągającego wzrok wyglądu ( aspekt handlowy). Pozwala to na odróżnienie wyrobu od innych podobnych na rynku




modyfikacji powierzchni tworzywa dla zwiększenia przewodnictwa elektrycznego lub uzyskanie tzw. miękkiego dotyku

Na zmiany wybarwienia tworzywa przez jego malowanie lub też drukowanie składa się wiele czynności w śród których wymienić należy: przygotowanie powierzchni do malowania i druku, dobór farby i sposób malowania. Warunkiem uzyskania właściwej przyczepności farby do tworzywa jest jej zdolność do zwilżenia powierzchni. Zaobserwowano bowiem , że kropla cieczy na powierzchni ciała stałego nie zwilża go lecz zachowuje swój kształt kropli tworząc kąt zetknięcia między fazami stała i ciekłą. Jeśli ten kąt jest bliski zeru , to ciecz rozlewa się po powierzchni ciała stałego. Powierzchnia tworzyw jest trudno zwilżalna, ponieważ polimery mają gładką niepolarną powierzchnię często z dużym połyskiem Powoduje to , że tworzywa są trudne do malowania z powodu braku adhezji powierzchniowej. Dla uzyskania efektu zwilżenia napięcie powierzchniowe farby musi być mniejsze niż napięcie powierzchniowe występujące na powierzchni barwionego tworzywa. Aby farba zapewniła długotrwałą przyczepność do tworzywa musi być ona tak samo elastyczna jak barwiony przedmiot z tworzywa. Jest wiele sposobów obróbki powierzchni tworzywa pod kątem poprawy ich zwilżalności, są to najczęściej : obróbka płomieniowa, wyładowania plazmowe, obróbka koronowa, działanie chemiczne na powierzchnię tworzywa. Energia powierzchniowa tworzywa po wykonaniu podanych powyżej metod przygotowania powierzchni zmienia się w znaczący sposób i poprawia się zwilżalność danej powierzchni. Taka zmiana pozostaje w związku z reakcją pomiędzy wolnymi rodnikami powierzchni obrabianego tworzywa a tlenem z powietrza. Z danych przedstawionych w poniższej tablicy widać , że nawet krótkie działanie helowej wiązki plazmowej na praktycznie nie zwilżalną powierzchnie polietylenu powoduje zmianę kąta zwilżania o wartości dające się zmierzyć. Tabele 2. Rodzaj PE

Efekt czasu naświetlania plazmowego na kąt zwilżania polietylenu Tworzywo przed obróbką

Helowa wiązka plazmowa , czas naświetlania sekundy – kąt zwilżania

Kąt zwilżania

5

8

30

PE- HD

96,5

85

84

81

PE- LD

97

87

76

68

Metody obróbki plazmowej lub wyładowań koronowych wymagają odpowiedniej komory gdzie odbywa się proces przygotowania powierzchni tworzyw i są to metody drogie. W wielu procesach malowania tworzyw do procesu technologicznego wprowadza się etap wstępny polegający na przygotowaniu powierzchni. Zazwyczaj stosuje się czyszczenie lub mycie powierzchni za pomocą detergentów lub kąpieli myjących o odczynie kwaśnym lub zasadowym. Po etapie czyszczenia powierzchni następują procesy modyfikacji powierzchni dla poprawy adhezji farb. Najczęściej stosowane są: -

opalanie powierzchni płomieniem palnika gazowego

9

-

poddawanie powierzchni działaniu plazmy

-

poddawanie powierzchni tworzywa działaniu zjonizowanego powietrza powstałego w wyniku wyładowań koronowych

-

stosowane są też metody tak zwanego powlekania związanego ułatwiającego adhezje powłoki farb do tworzywa nie poddanego wstępnej obróbce.

Aby uzyskać wymagany efekt dla różnych tworzyw stosuje się różne techniki (Tabela 3.): Tabela 3. 1.

Sposób postępowania

tworzywo

1

2

3

1

Chemiczne trawienie

ABS, polistyren, polietery, polioksymetylen, fluoropolimery

2

Mycie środkiem alkaicznym lub wodą

ABS, poliestry, poliolefiny

3

Mycie rozpuszczalnikami i trawienie

Poliolefiny

4

Ścieranie mechaniczne

Poliolefiny

5.

Obróbka płomieniowa

Polioctany, kopolimery octanowe, poliestry, poliolefiny, polietery

6.

Wyładowania koronowe

Poliolefiny, poliestry, poliamidy, poliwęglany,

7.

Obróbka plazmowa

Polipropylen, poliestry, poliamidy, kauczuki, poliacetale

8.

Działanie UV promieniowania

i

innymi

polifenole,

PVC,

poliuretany,

silikony,

rodzajami Polietyleny, polimery fluorowęglanowe

Jest wiele sposobów podziału farb do malowania tworzyw na różne sposoby i tak z punktu widzenia ilości stosowanych warstw, farby można podzielić na: -

jednowarstwowe

-

dwu warstwowe

-

oraz trzy i więcej warstwowe

Z punktu widzenia sposobu przygotowania farb, można je podzielić na : -

farby rozpuszczalnikowe ( schnące fizycznie lub utwardzane w wyniku reakcji chemicznych)

-

farby rozcieńczane wodą

Ten ostatni podział farb staje się powoli dominujący z uwagi na rosnące wymagania związane z ochrona środowiska. W poniższej tabeli 4 podano zalecany podział farb do różnych tworzyw. ( + można stosować , - nie zaleca się stosowania) 10

Tabela 4. Rodzaj tworzywa

Rodzaj farby uretanowe

epoksydowe poliestrowe

akrylowe

wodorozcieńczaln e

ABS

+

+

_

+

+

Akrylany

_

_

_

+

+

PVC

_

_

_

+

+

Polistyren

+

+

_

+

+

Poliwęglany

+

+

+

_

_

PA

+

+

+

_

_

Polipropyleny +

+

+

_

_

Polietyleny

+

+

+

_

_

Poliestry

+

_

_

_

+

Farby służące do malowania tworzyw powinny charakteryzować się takimi właściwościami jak: szybkie schnięcie, odporność na zarysowanie, elastyczność, odporność na uderzenia, odporność na chemikalia oraz nie wykazywać negatywnego wpływu na znajdujące się pod farbą tworzywo. Malowanie tworzyw może odbywać się tradycyjnymi metodami powlekania ręcznego, powlekaniem przez nanoszenie wałkiem, natryskiwaniem z zastosowaniem powietrza. W dużych zakładach ( motoryzacja) na malarniach tworzyw stosuje się zautomatyzowane linie do malowania natryskowego sterowane komputerowo i są to procesy bardzo czułe na rozmaite zakłócenia i zanieczyszczenia produkcyjne. Techniki barwienia tworzyw dla motoryzacji to jedne z najnowszych sposobów uzyskiwania trwałych zabarwień tworzyw. W ostatnich latach tworzywa sztuczne gwałtownie zwiększają swój udział na budowie nadwozi, co spowodowane jest względami ekologicznymi i ekonomicznymi forsującymi lekkość i zdolność do recyklingu i minimalizację kosztów wytwarzania. Równocześnie rozwojowi uległy różne koncepcje produkowania detali z tworzyw sztucznych. Znajduje to swój wyraz również w lakierowaniu, a ten trend ma na uwadze ogólne życzenie, by barwa elementów tworzywowych była zbliżona maksymalnie do koloru pojazdu, a same detale zintegrowane pod względem formy. Spośród tworzyw sztucznych termoplastycznych będących surowcem do wyrobu segmentów samochodowych coraz większe znaczenie zyskują blendy polipropylenu, w czym olefinom pomogła kataliza metalocenowa oraz – względy ekonomiczne. Lakierowanie np. zderzaków wykonanych z takich blend wymaga naprzód aktywacji powierzchni za pomocą płomieni, celem uzyskania bezbłędnej przyczepności warstwy. Alternatywę takiej metody stanowi gruntowanie powierzchni za pomocą pośredników przyczepności na bazie poliolefin chlorowanych CPO. Nie jest to jednak proces korzystny dla środowiska naturalnego. Aby środowisko zabezpieczyć, posłużono się substratem PP z żywicą epoksydową i dziś oczyszczony płomieniem PP-EPOM lakieruje się seryjnie z hydrogruntowaniem.

11

Drobne detale zewnętrzne w samochodach można podzielić na kilka dużych grup (tworzyw sztucznych). Podczas gdy poliamid – wzmacniany zwykle włóknem szklanym lub wypełniaczami mineralnymi – stosuje się w Europie Zachodniej przeważnie na klamki drzwiowe i pokrywy kół, to w przypadku lusterek zewnętrznych dominują blendy ABS. Kratki ochronne, kratki powietrza czy znaki rejestracyjne są wykonywane bądź z tych materiałów, bądź z blend PC/PBT. Wszystkie wymienione powyżej materiały nadają się do lakierowania z utwardzaniem w temperaturze 80 – 90ºC. Dalszym wymaganiem stawianym tworzywom sztucznym odpornym na temperaturę jest ustalenie kompromisu między odpornością na odkształcenia cieplne a udarnością w wyniku nagłych zmian temperatury. W zasadzie jest kilka metod lakierowania segmentów z tworzyw sztucznych. W Europie Zachodniej około 90 % z nich otrzymuje emalie metodą „off-line” i to bądź u dostawcy bądź w zakładzie lakierniczym fabryki samochodów. Segmenty „off-line” całkowicie polakierowane montuje się w nadwozie na końcu ciągu emaliowania wstępnego. System „off-line” ma tę przewagę, że można montować segmenty posiadające wymagane wymiary. Zdecentralizowane lakierowanie u dostawcy daje swobodę wyboru warunków instalacyjnych i aplikacji. Wadą natomiast metody „off-line” jest możliwość powstania odstępstw w odcieniach barwy i połysku, wyższy koszt materiału, inwestycyjny i fabryczny oraz wysoki nakład na usługi wraz z problemami logistycznymi. W przypadku całkowitego lub częściowego lakierowania w ciągu lakierniczym karoserii mówi się o tzw. „in-line” lub „on-line”. W tej pierwszej metodzie segmenty wprowadza się w pierwszą linię lakierniczą przed albo po aplikacji. Wynikają stąd dwa zasadnicze wymagania względem detalu: –

zdolność do polakierowania w procesie nanoszenia elektrostatycznego

–

właściwe zachowanie zgodnie z temperaturą procesu.

(ESTA) oraz

Powierzchnia detalu musi być prądoprzewodnia i dlatego w procesie „in-line” musi mieć grunt przewodzący, naniesiony „off-line”. Ponieważ emalie natryskowe na stalowych nadwoziach muszą być utwardzane w temperaturze 160 – 170ºC, w rachubę wchodzą w metodzie „in-line” tylko tworzywa sztuczne odpowiednio odporne termicznie. O metodzie „on-line” mówi się obecnie wówczas, gdy wbudowanie segmentu następuje przed obróbką wstępną, a detale tworzywowe zostają poddane całkowitemu procesowi pierwszego lakierowania. Ponieważ odpada w tym przypadku operacja w dwóch stacjach lakierniczych, to niebezpieczeństwo ewentualnego zabrudzenia zostaje w znacznym stopniu zredukowane. Emaliowanie „on-line” wymaga jednak zastosowania substratów wytrzymujących temperatury lakierowania elektro-foretycznego (KTL) do 200ºC. Tworzywa sztuczne do metody „on-line” będące prądoprzewodnimi nie wymagają warstwy wstępnej. Korzyści integracji segmentów samochodowych z tworzyw sztucznych z lakierowaniem nadwozia są następujące: –

lepsza zgodność odcieni barwy z karoserią, a więc i lepszy efekt,

–

zredukowanie procesu lakierowania, a więc i jego kosztu,

–

prostsza logistyka,

–

pozytywny backup dla dalszego rozwoju termoodpornych tworzyw sztucznych,

Do wad należy zaliczyć:

12

–

ograniczony i drogi wybór termicznie odpornych tworzyw sztucznych,

–

wymagane przewodnictwo elektryczne segmentu,

–

niebezpieczeństwo zabrudzenia po wprowadzeniu do KTL,

–

transport i nieprzewidywalna manipulacja elementów z naniesionym gruntem przewodzącym,

–

konieczne dopasowanie procesu lakierowania.

Dla seryjnej produkcji opracowano całkowicie nowe lakierowanie „in-line”, którego istotą jest zintegrowana koncepcja lakierowania umożliwiająca: pominięcie warstwy wypełniającej, posługiwanie się metodą sypką – w zawiesinie dla emalii szklistej przeświecającej oraz zrezygnowanie z zabezpieczenia profilów zamkniętych. Obok zderzaków, kratek chłodnicy, tylnych drzwiczek i lusterek zewnętrznych z PPE/PA produkuje się również błotniki do samochodów klasy A. Błotniki są dostarczane po wstępnym zagruntowaniu i oczyszczeniu w 5-strefowym urządzeniu „power-wash”, i zabudowane po KTL. Lakierowanie jest dwu-warstwowe za pomocą lakieru na bazie wodnej i procesu sypkiego / w zawiesinie, a następnie lakierem seryjnym do karoserii, po czym suszone. Przechodząc do koncepcji lakierowania w warunkach nienaruszający środowiska naturalnego, trzeba powiedzieć, że są to dopiero początki. Wodne lakiery przeświecające stosowane do wyrobów z tworzyw sztucznych na detale zewnętrzne jeszcze nie zalazły sobie uznania u dostawców. Stosunku do lakierów wodnych emalie sypkie nie maja porównywalnego znaczenia. Główną tego przyczyną są konieczne wysokie temperatury wypalania. Dążenie do redukcji emisji przez oszczędzanie materiału lakierniczego znajduje oddźwięk u dostawców segmentów w postaci zwiększonego stosowania elektrostatycznych urządzeń nanoszących. O ile w przemyśle samochodowym lakier jest natryskiwany przeważnie za pomocą wysokoobrotowego dzwonu ESTA, to w przypadku emaliowania tworzyw sztucznych (klamki drzwi, obejmy lusterek) – z zastosowaniem pneumatycznej metody ESTA. Przeświecające lakiery ultrafioletowe wykazują znaczącą tendencję rozszerzenia zastosowania, a nie tylko do szyb rozpraszających reflektora. Z powodu perspektyw zredukowania emisji rozpuszczalników, lakiery przeświecające UV stanowią dla przetwórców „off-line” interesującą alternatywę z uwagi na: –

możliwość natychmiastowej obróbki z powodu utwardzania warstwy lakieru w ciągu kilku sekund,

–

zmniejszenie obróbki wtórnej (mniejszy czas ekspozycji na zanieczyszczenia),

–

oszczędność miejsca na urządzenia,

–

możliwość systemów 100 %, bez ścieków i powietrza odlotowego.

Literatura

13

1) Cz.Garda, F.Kacprzak 1972 r.

„Barwienie tworzyw sztucznych”, WNT Warszawa,

2) K.Brychay, Laugelsheim Kunstoffe, 85 (1995) 7, s. 924-930 3) J.Goraus „Badanie wpływu środka barwiącego na korozję naprężeniową poliolefin” – praca IPTiF 1997 r. - niepublikowana 4) Raport końcowy z realizacji projektu celowego Nr 7.7429 93C pt. „Koncentraty do przetwórstwa PVC” – praca IPTiF - niepublikowana 5) W.Szlezyngier „Tworzywa sztuczne” - tom 2, Oficyna wydawnicza 1996 r. 6) E.Piekarska „Kryteria doboru środków barwiących do barwienia zmiękczonego PVC”, Przetwórstwo Tworzyw Sztucznych, 1996 r. (8), s. 9-11 7) Kunststoffe 1999 r., Nr 3, s. 88 8) E.Kamińska „Ogólne wiadomości o barwie i jej pomiarach” szkoleniowe - niepublikowane 9) Tworzywa 1 (11) 2004

–

Materiały

14