کاربردهای فناوری پلاسمای سرد در صنایع پلاستیک

پلاسما گازی یونیزه مملو از ذرات باردار و خنثی است كه در مجموع شبه خنثی است. پلاسما پس از سه حالت جامد، مایع و گاز به عنوان حالت چهارم ماده محسوب می شود. آتش، خورشید و رعد و برق، نمونه هایی از پلاسمای موجود در طبیعت هستند. پلاسما در محدوده وسیعی از دما و فشار تولید می شود. پلاسمای سرد اتمسفری از جمله فناوری های نو ظهور و نوید بخش است که به علت کار در فشار اتمسفری و دمای محیط در کاربردهای بسیاری مورد استقبال قرار گرفته است. یکی از عرصه های به روز این نوآوری در صنایع بسته بندی و پردازش سطوح پلیمری است که در ذیل بیشتر به آن خواهیم پرداخت.

صنعت پلاستیک و چالش های موجود

گستردگی و لزوم کاربرد پلاستیک ها در کاربردهای مختلف از صنایع خودروسازی گرفته تا صنایع بسته بندی بر کسی پوشیده نیست. یکی از بزرگترین چالشهایی که در صنعت پلاستیک در دنیا وجود دارد را می توان چسبندگی سطحی آن ها دانست. مواد پلیمری به واسطه ساختار شیمیایی ویژه ای که دارند ذاتاً دارای انرژی سطحی پایینی هستند که این امر باعث ضعیف شدن چسبندگی سطحی و یا حتی در برخی موارد عدم چسبندگی می شود. چسبندگی ضعیف بین پلیمر و پلیمر، پلیمر و فلز، پلیمر و سرامیک، پلیمر و جوهر و … از مسائلی است که به هنگام بکارگیری آن ها در کاربردهای مختلف مشکل ساز بوده و باید در مورد آن چاره ای اندیشید.

در صنعت روش های مختلفی برای رفع این معضل پیشنهاد می شود. استفاده از ترکیبات و پرایمرهای شیمیایی، استفاده از شعله و اشعه فرابنفش از جمله روش های مرسوم برای آماده سازی و یا به عبارت دیگر فعال کردن سطح پلیمرها و بهبود خاصیت ترشوندگی و چسبندگی آن ها می باشد. پلاسمای سرد اخیرا ًبه عنوان یکی از روش های پردازش و آماده سازی سطوح پلیمری مطرح شده است که بدون تأثیرگذاری بر خواص عمومی پلیمر و تخریب آن با عملیاتی سطحی به رفع این معضل بپردازد. این تکنیک به دلیل سازگاری با خط تولید از لحاظ سرعت ، ایجاد کیفیت مناسب، مطلوب و دارای ثبات زمانی و با داشتن سطح بالایی از ایمنی محیط زیستی به عنوان یکی از رقیبان اصلی روش های سنتی و مرسوم به شمار می رود.

هم اکنون شرکت های بسیاری در دنیا برای پردازش سطوح پلیمری خود در کاربردهای مختلف، از تکنولوژی پلاسما بهره می گیرند. شرکت Peguform GmbH آلمان و HELLA استرالیا سازنده لوازم خودرو، شرکت Huchinson یکی از تولیدکنندگان پیشرو در تولید کننده محصولات الاستومر برای کارخانجات اتومبیل سازی مختلف در جهان شاملSUZUKI, MAZDA ,HYUNDAÏ, FORD و …، شرکت BOBST از تأمین کنندگان پیشرو در تجهیزات و خدمات کارتن پیچی، شرکت Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH از تولید کنندگان لوازم خانگی برخی از شرکتهایی هستند که به طرق مختلف از فناوری پلاسمای سرد در روند تولید محصول خود و اصلاح خواص سطوح پلیمری و پلاستیکی استفاده نموده اند.

ویژگی های پلاسمای سرد در پردازش سطوح پلیمری

انواع مختلفی از پلاسما در پردازش سطح پلیمرها استفاده می شود. این پلاسما ها می توان به پلاسمای کرونا، جت پلاسمای اتمسفری و پلاسمای سد دی الکتریک اشاره کرد. پلاسما با کنده کاری سطحی و ایجاد زبری های نانومتری بر روی سطح و همچنین ایجاد عامل ها و گروه های فعال شیمیایی مانند OH-و COO- سبب افزایش چسبندگی سطوح پلیمری به پوشش ها و سطوح دیگر می شود.

شماتیکی از کنده کاری و ایجاد عامل های فعال شیمیایی بر سطح طی پردازش پلاسمایی

1. پردازش و فعال کردن سطح بدون بر جا گذاشتن آثار تخریبی حرارتی، شیمیایی، مکانیکی و تغییر خصوصیات عمومی ماده
2. امکان پردازش یکنواخت سطح
3. چربی گیری و تمیزکاری سطح بدون نیاز به حلال و ترکیبات شیمیایی
4. امکان پردازش سطح بدون تولید بخارات و ترکیبات سمی
5. امکان پردازش سطح بدون تولید آلودگی های زیست محیطی
6. ارزان بودن فرایند و کاهش هزینه تمام شده
7. امکان پردازش قطعات با اشکال هندسی پیچیده
8. سریع بودن فرایند و سازگاری با خطوط تولید
9. فعال سازی قابل اطمینان و مطلوب سطح
10. ثبات زمان اثر فعال سازی

تصاویر زیر برای استفاده در طراحی و مواردی که احتیاج هست ارائه شده است.

• سهولت تعمیر و نگهداری

 

 

استفاده از پلاسمای سرد برای پردازش سطح EPDM توسط شرکت 3DT

استفاده از پلاسمای سرد در ایجاد قابلیت چاپ پذیری بطری های پلاستیکی توسط شرکت 3DT

 

استفاده از پلاسمای سرد در پردازش نوارهای لاستیکی توسط شرکت 3DT

 

 

ایجاد قابلیت چاپ پذیری بر روی بطری های پلاستیکی با اعمال پلاسمای سرد در شرکت 3DT

 

 

 

 

افزایش چاپ پذیری درب پلاستیکی بطری و مسواک توسط شرکت Enercon

 

 

 

کاربرد پلاسمای سرد در افزایش رنگ پذیری و چاپ پذیری

خصوصیات پلاسمای سرد در افزایش رنگ پذیری و چاپ سطوح باعث ورود این علم به صنایع مختلف چاپ و بسته بندی شده است.

شرکت Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH در اسلوونی به علت گران بودن پلاستیک ABS از پلیمر پلی پروپیلن((PP در ساخت محصولات خود استفاده کرده است. تنها مشکل استفاده از این پلیمر چاپ ناپذیری آن است. این شرکت برای برطرف کردن مشکل رنگ پذیری این محصولات از پلاسمای سرد بهره گرفته است. این شرکت قبلاً از شعله و پلاسمای کم فشار برای پردازش سطوح استفاده می نمود اما روش شعله به دلیل تغییر در ظاهر سطح مطلوب نبوده است.همچنین پردازش توسط پلاسمای فشار کم نیز به دلیل استفاده از خلاء روشی پر زحمت بوده و به سختی بر روی خط قابل بهره برداری است. این شرکت اذعان می دارد نه تنها استفاده از پلاسمای سرد بهترین نتایج چسبندگی را ارائه می دهد بلکه هیچ اثری بر روی پلی پروپیلن سفید براق باقی نمی گذارد.

سیستم جت پلاسمای سرد در پردازش سطوح پلی پروپیلن میکسر شرکت BSH.

از پلاسمای سرد همچنین در ایجاد خاصیت رنگ پذیری در قوطی های پلاستیکی برای رنگ آمیزی هر چه بهتر درب ها جهت جلب نظر مشتری استفاده می شود. از مزایای این روش می توان به کاهش هزینه، افزایش کیفیت رنگ و کمک به محیط زیست در راستای استفاده کمتر از مواد شیمیایی در تولید و کاهش مصرف آب اشاره کرد.

افزایش قابلیت چاپ پذیری درب پلاستیکی بطری و ظروف پلاستیکی

شرکت Tampoprint AG یکی از پیشروان بازار در ساخت و ساز ماشین آلات چاپ و حکاکی لیزر در توسعه و ساخت یک دستگاه تمام اتوماتیک چاپ از تکنولوژی پلاسمای سرد اتمسفری برای چاپ بر جعبه نعناع با نرخ تولید ساعتی از 1800 قطعه همکاری کرده است. این شرکت به قابلیت پلاسمای سرد در پردازش جعبه پلی پروپیلنی((PP وتر شدن سطح حداقل تاmJ/m² 72 اذعان کرده است. این شرکت کیفیت بالای چاپ، حذف کامل ذرات گرد و غبار بر روی سطح و پردازش جعبه ها بدون آسیب به آنها و محتویات درونی آن را از ویژگی های این تکنولوژی در بهبود فرایند فرایند کاری و رضایتمندی مشتری دانسته است.

چاپ با جت پلاسمای سرد بر روی سطح پلیمری

از پلاسما برای بهبود رنگ پذیری اجزای پلی استری و پلاستیکی در خودرو نیز استفاده می شود. به عنوان نمونه بهبود رنگ پذیری و ماندگاری رنگ روی سپر،‌ پنل جلو و عقب خودرو و پنل در که در کیفیت و زیبایی خودرو تأثیر بسزایی دارند می توانند با بهره گیری از تکنولوژی پلاسمای سرد به میزان قابل ملاحظه ای بهبود یابند. در این راستا شرکتPeguform یکی از تولیدکنندگان پیشرو قطعات پلاستیکی جهان برای صنعت خودرو، پنل ابزار اتومبیل Audi Q5 sports را باپلاسما پردازش می کند.این پنل از سه لایه با ساختار فایبرگلاس،یک لایه فوم PUR و یک لایه به اصطلاح از جنس  PVC تشکیل شده است. تا قبل از بکارگیری پلاسمای سرد این شرکت برای افزایش خواص چسبندگی فایبرگلاس و فوم PUR از شعله استفاده می کرد. هم اکنون این شرکت ادعا می کند که با استفاده از پلاسما به جای شعله، اصلاح کنترل شده ودقیق سطوح با هندسه پیچیده، اطمینان بالاتر فرایند تولید، عدم لزوم به ماسک گذاری سطح، امکان پردازش بدون ریسک قطعه های بلند، کوتاه شدن مراحل کار و کاهش هزینه های عملیاتی امکانپذیر شده است.

پردازش پنل Peguform GmbH توسط پلاسما.

 

کاربرد پلاسمای سرد در افزایش چسبندگی سطوح پلیمری

• شرکت BOBST از تأمین کنندگان پیشرو در تجهیزات و خدمات جعبه سازی، از پلاسمای سرد درفرایند بستن جعبه های دارای روکش لمینت و جعبه های پلاستیکی استفاده کرده است. کشش سطحی کم اینگونه جعبه ها و بسته بندی ها سبب پیوند کم و کیفیت پایین چسبندگی می شود و تنها در نقاطی که در آن قطرات چسب وجود داشته باشد چسبندگی وجود خواهد داشت. با این حال، پس از پردازش توسط پلاسمای سرد اتمسفری کشش سطحی افزایش قابل ملاحظه ای خواهد داشت و پیوندی مستحکم و همگن شکل می گیرد.

ب                                                                  الف

استفاده از پلاسمای سرد الف) در افزایش چسبندگی چسب بر کارتن در شرکت BOBST ب) استفاده از پلاسما در چسبباندن روکش ها و جعبه های دارای روکش و پلاستیکی

• افزایش چسبندگی بین پلیمر و سطوح دیگر وکمک به آب بندی و درز بندی آنها از دیگر کاربردهای پلاسمای سرد است. به کار بردن پلاسمای سرد در فشار اتمسفری و اثر بخشی قابل توجه آن در عامل دار کردن و تمیز کردن سطوح باعث کاهش هزینه، افزایش کیفیت وکاهش استفاده از مواد شیمیایی می شود.

امروزه یکی از بزرگترین شرکت های تولید تریلرهای یخچالی در اروپا با نام cargobull از جت های پلاسمایی برای رنگ آمیزی و آب بندی کردن یخچال ها استفاده می کند.

نفوذ ناپذیری پمپ های حرارتی و کندانسورهای خشک کن در برابر رطوبت در طولانی مدت در بسیاری از تجهیزات و صنایع از اهمیت بسزایی برخوردار است. شرکت MIELE که در حوزه تولید لوازم خانگی فعالیت می کند، در راستای به حداقل رساندن تلفات ناشی از نشت رطوبت از تکنولوژی پلاسمای سرد استفاده کرده است. این شرکت با افزایش انرژی سطح از زیر m²/mJ 30 به بیش از m²/mJ 72 بهترین شرایط را برای دوام و چسبندگی پایدار و طولانی مدت و درزگیری PUR به PP فراهم می کند.

درزبندی لوازم خانگی در شرکت MIELE توسط پلاسمای سرد

 

در کاربردی دیگر افزایش انرژی سطح یک پیش نیاز برای فرایند رنگ کردن و آب بندی در صنعت خودروسازی است. شرکت Hutchinsonیکی از تولیدکنندگان پیشرو محصولات الاستومر در جهان، از اواخر دهه 90پروفیل های EPDM خود را برای صنعت خودرو با پلاسما فعال می کند. استفاده از اسپری و قلم مو برای فعال کردن سطح پیش از فرآیند درزبندی اتصالات دارای مشکلات بسیاری مانند بالا بودن آلودگی سطح، پایین بودن سطح چسبندگی و … می باشد. هم اکنون این دو روش با پردازش سطح توسط فناوری پلاسمای فشار اتمسفری جایگزین شده است و استفاده از پلاسما نسبت به دو روش پیشین سطح رضایت مندی بالایی را ایجاد کرده است. در شرکت Hutchinson سیستم های پلاسمایی برای پردازش و فعال سازی سطوح EPDM ، شبانه روزی در 3 یا 4 شیفت باسرعت 20-25 متر بر دقیقه به طور مداوم مشغول به کار هستند. دراین عملیات سالانه حدود 20 میلیون متر از واشرها با پلاسما فعال می شوند. از مزایای این روش می توان به کاهش احتمال نقص قطعات، افزایش میزان تولید، کاهش آلودگی، قابلیت پردازش هندسه های متنوع و کاهش آلودگی های محیط زیست را اشاره کرد. در کارخانه های اتومبیل سازی بزرگ نظیر فورد از جت پلاسمای سرد به منظور افزایش چسبندگی و مهر و موم کردن اتاق وچراغ ها استفاده شده است.

پردازش پروفیل هایEPDMتوسط پلاسمای سرد.

 

هم اکنون درایران شرکت های پلاسمایی توانایی توسعه فناوری پلاسمای سرد برای کاربردهای مختلف پردازش سطح را دارند. امکان ساخت و طراحی دستگاه های مختلف تولید پلاسمای سرد شامل جت های پلاسمایی و پلاسماهای سرد مسطح، در کشور میسر است و متخصصان ایرانی تلاش برای اثبات کارایی در کاربردهای صنعتی گوناگون دارند. ارائه دستگاه مولد پلاسمای سرد نظیرSuper Arc Plasma  در جشنواره فناوری نانو سال 1394 گامی در مسیر رشد و توسعه در این زمینه بوده است. این دستگاه هم اکنون در دو مدل برای اهداف تحقیقاتی و صنعتی طراحی و ساخته شده است و مسیر تکمیل و توسعه خود را برای کاربردهای مختلف از جمله در صنعت چاپ و بسته بندی و پلاستیک می پیماید.

تصویر دستگاه Super Arc Plasmaمدل Plasmatech^TM-15A ساخت شرکت کاوش یاران فن پویا  و پلاسماهای ایجاد شده توسط دستگاهSuper Arc Plasma

 

کاربردهای صنعتی توسعه یافته در ایران

با توجه به آنکه در کنار ساخت تجهیزات توسعه کاربرد آن برای مقاصد و کاربردهای مختلف نیز اهمیت دارد، متخصصان ایرانی در راستای نمایش و ارائه قابلیت ها و کارایی این تکنولوژی در عرصه کاربردهای متفاوت به صنایع مختلف تلاش دارند. نتایج به دست آمده از توسعه این تکنولوژی سبز و ارزشمند در ایران قابل توجه است.

در این باره در حوزه صنعت پلاستیک می توان به موفقیت بکارگیری پلاسمای سرد در افزایش چسبندگی پوشش رنگ به بدنه بطری های پلاستیکی و درب بطری ها، افزایش چسبندگی رنگ به ورقهای پلی پروپیلن، افزایش آب دوستی فیلترهای سنتزی و ABS اشاره کرد. توسعه این کاربرد ها که تصاویری از آنها در این گزارش نیز آمده است چسبندگی قابل ملاحظه چاپ و رنگ بر روی محصولات پلاستیکی را نشان می دهد که می تواند ان تکنولوژی را به عنوان روشی سبز و کارا در رقابت روش های رایج در کشور برای چاپ بر روی محصولات پلاستیکی مطرح نماید.

چسبندگی بسیار متفاوت پوشش رنگ بر روی قوطی های پلاستیکی بدون اعمال پلاسما(سمت چپ) و پردازش شده با پلاسمای سرد(سمت راست).

 

چسبندگی پوشش رنگ بر روی درب بطری در دو حالت بدون پردازش (سمت چپ) و پردازش شده با پلاسمای سرد(سمت راست).

 

آب دوستی و رنگ پذیری فیلم پلی پروپیلنی در دو حالت بدون پردازش (سمت چپ) و پردازش شده با پلاسمای سرد(سمت راست). قطرات جوهر قرار داده شده بر بالای فیلم پلی پروپیلنی پردازش نشده بدون تر کردن سطح و رنگی نمودن آن به پایین غلطیده اند در حالیکه قطرات جوهر بر روی بخش پردازش شده در مسیر خود کاملاً سطح را تر و رنگی کرده اند.

 

 

 

 

افزایش اب دوستی فیلترهای سنتزی آب گریز تحت پردازش پلاسما، (سمت چپ) فیلتر بدون پردازش، (سمت راست) فیلتر پردازش شده با پلاسمای سرد. قطره آب بر روی فیلتر پردازش شده با پلاسما پس از چند ثانیه جذب نشان می دهد اگرچه برای فیلتر اولیه و بدون پردازش حتی پس از ساعتها قطره بدون هیچگونه جذبی باقی می ماند.

 

بدون شک بکارگیری این تکنولوژی در صنایع مختلف می تواند صنعتگران را در ارائه محصولی با کیفیت بالاتر و با هزینه تمام شده کمتر یاری رساند. از طرف دیگر بهره گیری از تخصص های موجود در کشور در این زمینه بارورسازی و بومی سازی این دانش فنی در کشور را به دنبال خواهد داشت. پر واضح است نیل به این مقصود تنها با همکاری و همراهی نزدیک صنعت و مراکز و شرکت های دارای این تکنولوژی میسر خواهد بود که امید است در اینده ای نزدیک بدان دست یافته شود.

 

آینده نگاری پلاسما در صنعت پلاستیک

با توجه به مصارف مختلف پلاستیک ها در حوزه های مختلف صنعتی و غیرصنعتی و گسترش رو به رشد آن در زندگی مدرن امروزی پیش بینی تقاضای جهانی مواد پلاستیکی به طور میانگین تا سال 2020 به مرز 71 میلیون تن می رسد[1]. با توجه به عدم چسبندگی و نپذیرفتن چاپ و رنگ بر پلاستیک ها و پلیمرها که معضلات عمده در بسیاری از کاربردها است، ارائه راه حلی مقرون به صرفه و کارآمد می تواند کمک شایانی در این راستا باشد. عدم استفاده از پرایمرهای شیمیایی و کاهش هزینه رایج این دستگاه ها در کنار ویژگی های دیگر این روش که در این گزارش به آنها اشاره شد، از نقاط قوت این تکنولوژی در مقایسه با روش های مرسوم در این حوزه است. در بررسی های اقتصادی گزارش شده توسط شرکت های خارجی هزینه رایج متوسط برای استفاده از پلاسمای سرد در صنایع پلاستیک 1-12دلار برای پردازش یک سطح پروپیلنی تخمین زده شده است در حالی که این هزینه برای روش های مرسوم استفاده از پرایمرهای شیمیایی و شعله به ترتیب 29 و 20 دلار برای سطوحی با مساحت و جنس مشابه برآورد شده است [2]. به این ترتیب توسعه و ترویج این تکنولوژی در بازار آینده ایران ضروری به نظر می رسد.

 

 

[1] http://ppna.ir

[2] http://www.enerconind.com/index.aspx

 

 

————————————————–

تهیه و تنظیم:

• گروه صنعت و بازار با همکاری بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================