Investigación de la influencia del tipo de gas utilizado en el plasma atmosférico, en la modificación superficial del polipropileno

Abstract

[EN] "Investigation of the influence of the type of gas used in atmospheric plasma in surface modification of polypropylene."

ABSTRACT.

Polypropylene is one of the most consumed thermoplastics worldwide, with an estimated annual demand of 790,000 tons. High demand for polypropylene is directly related to its versatility and good physical and chemical properties. Polypropylene is a suitable plastic for many applications because of its low density, good mechanical and chemical resistance, lack of odor, nontoxic, low permeability to water vapor and good electrical properties. Because these both chemical and physical properties, polypropylene can be found in many industrial sectors, mainly in the packaging, construction and automotive.

One of the main limitations of polypropylene is, in industries demanding high quality materials and benefits, and higher technological content, such as automotive, construction, food industry, interior and sports applications that require improved adhesive properties because their chemical nature polypropylene does not have good adhesive properties. Because of this demand in industrial sectors it requires improving the wettability properties of polypropylene. Different types of surface modification treatment, both physical and chemical. The chemical treatments generally using chemicals that attack the polymeric surface often result in waste, which by their nature are harmful to the environment. Therefore, treatments that do not generate waste are more interesting. Within this area are optimal treatments based on plasma technology, as well as being environmentally correct only modify the surface to be treated without changing the general performance properties of the material itself.

This paper aims to improve the adhesion of the surface of the polypropylene using atmospheric plasma treatment with two different atmospheres, air and nitrogen. Improving the adhesive properties it has been studied by surface energy changes by determining the contact angle for different treatment conditions depending on the running speed and the substrate/nozzle distance polypropylene. For this, the mechanisms of action of atmospheric plasma are studied, analyzing both chemical and physical changes. Moreover, a study of the maximum peel force "T" and shear strength for polypropylene/polypropylene joints is done with an adhesive and atmospheric plasma treated in an air atmosphere and nitrogen atmosphere under different conditions. To end the durability of the process is determined by an analysis of the recovery of the substrate hydrophobic.

The results show that the atmospheric plasma treatment using air atmosphere and nitrogen under low throughput speeds and low substrate/nozzle distances substantially improves the wettability of polypropylene. The main mechanism of action of plasma surface activation is by insertion of polar species, as shown by the study by XPS. These species are highly reactive, which results in the loss of wettability observed in the study of aging. Also there are physical changes as evidenced by increased roughness and mass loss, which contribute positively to the improvement of the adhesive properties. Generally, one can say that the treatment of atmospheric plasma is an appropriate method for improving the adhesive properties of the surfaces of the polypropylene, and very interesting from the industrial viewpoint, due to easy implementation and flexibility in a continuous production process and because it is a very friendly technology environment.

[ES] "Investigación de la influencia del tipo de gas utilizado en el plasma atmosférico, en la modificación superficial del polipropileno" RESUMEN.

El polipropileno es uno de los termoplásticos de mayor consumo a nivel mundial, con una demanda anual estimada de 790000 toneladas. La elevada demanda del polipropileno está directamente relacionada con su versatilidad y sus buenas propiedades físicas y químicas. El polipropileno es un plástico idóneo para muchas aplicaciones por su baja densidad, buena resistencia química y mecánica, falta de olor, no tóxico, poca permeabilidad para el vapor de agua y buenas propiedades eléctricas. Debido a estas propiedades tanto químicas como físicas, el polipropileno lo podemos encontrar en multitud de sectores industriales, principalmente en los sectores de embalaje, construcción y automoción.

Una de las principales limitaciones del PP es su baja humectabilidad ya que por su naturaleza química el polipropileno no tiene buenas propiedades adhesivas. Debido a la demanda en sectores industriales como el sector de automoción, construcción, industria alimentaria, embalaje, etc., se requiere mejorar las propiedades de humectabilidad del polipropileno. Existen distintos tipos de tratamientos de modificación superficial, tanto físicos como químicos. Los tratamientos químicos, en general, al utilizar productos químicos que atacan la superficie polimérica suelen originar residuos, que por su naturaleza son perjudiciales para el medioambiente. Por este motivo, son más interesantes los tratamientos que no generen residuos. Dentro de este ámbito, son óptimos los tratamientos basados en la tecnología de plasma, ya que además de ser medioambientalmente correctos, sólo modifican la superficie a tratar sin cambiar las propiedades generales de comportamiento del propio material.

El presente trabajo pretende mejorar la adhesión de la superficie del PP mediante la utilización del tratamiento de plasma atmosférico con dos atmósferas diferentes, aire y nitrógeno. La mejora de las propiedades adhesivas se ha estudiado a través de los cambios de energía superficial mediante la determinación del ángulo de contacto para diferentes condiciones de tratamiento en función de la velocidad de paso y de la distancia sustrato/tobera sobre la superficie del polipropileno. Para ello se estudian los mecanismos de actuación del plasma atmosférico, analizando tanto los cambios químicos como físicos. Por otra parte, se realiza un estudio sobre la fuerza máxima de pelado en "T" y resistencia a la cizalla, para uniones polipropileno/polipropileno con un adhesivo de poliuretano y tratadas con plasma atmosférico en atmósfera de aire y atmósfera de nitrógeno en diferentes condiciones. Para finalizar se determina la durabilidad del proceso mediante un análisis de la recuperación hidrofóbica del sustrato de polipropileno.

Los resultados obtenidos demuestran que el tratamiento con plasma atmosférico utilizando atmósfera de aire y atmósfera de nitrógeno en condiciones de bajas velocidades de paso y bajas distancias sustrato/boquilla mejora sustancialmente la humectabilidad del polipropileno. El mecanismo principal de actuación del plasma es la activación superficial por inserción de especies polares, como demuestra el estudio mediante XPS. Estas especies son altamente reactivas, lo que repercute en la pérdida de humectabilidad observada en el estudio de envejecimiento. Además también existen cambios físicos como demuestra el aumento de la rugosidad y la pérdida de masa, que contribuyen de forma positiva a la mejora de las propiedades adhesivas. De forma general, se puede decir que el tratamiento de plasma atmosférico es un método apropiado para la mejora de las propiedades adhesivas de las superficies del polipropileno, así como muy interesante desde el punto de vista industrial, debido a la fácil implantación y flexibilidad en un proceso de producción en continuo y por t

[CA] "Investigació de la influència del tipus de gas utilitzat en el plasma atmosfèric en modificació de la superfície de polipropilè."

RESUM.

El polipropilè és un dels termoplàstics més consumits a tot el món, amb una demanda anual estimada de 790.000 tones. L'alta demanda de polipropilè està directament relacionada amb la seva versatilitat i bones propietats tant físiques com químiques. El polipropilè és un plàstic adequat per a moltes aplicacions per la seva baixa densitat, bona resistència mecànica i química, manca d'olor, no tòxicitat, baixa permeabilitat al vapor d'aigua i bones propietats elèctriques. Degut a aquestes propietats químiques i físiques, el polipropilè es pot trobar en molts sectors industrials, principalment en l'embalatge, la construcció i l'automoció.

No obstant això, una de les principals limitacions de polipropilè es troba als sectors que exigeixen materials d'alta qualitat i prestacions i major contingut tecnològic, com ara l'automoció, la construcció, la indústria alimentària, interiorisme i aplicacions esportives. La naturalesa química del propilè atorga a aquest baixes propietats adhesives, les quals deuen ser incrementades si es vol aplicar el polipropilè a aquests sectors industrials. Per tant, hi ha una demanda en sectors industrials que requereix una millora en les propietats de humectabilitat de polipropilè. Hi ha diferents tipus de tractament de modificació superficial com tractaments físics i químics. Els tractaments químics en general, empren productes químics que ataquen la superfície polimèrica. Aquest tractament, sovint, generen residus que per la seva naturalesa són perjudicials per al medi ambient. Per tant, és interesant la utilització de tractaments que no generen residus. Dins d'aquesta àrea, els tractaments de tecnologia de plasma són òptimes, sent tractaments ecològics, modificant la superfície sense canviar les propietats generals del propi material.

Aquest treball té com a objectiu millorar l'adherència de la superfície del polipropilè mitjançant tractaments atmosfèrics de plasma amb dos ambients atmosferes diferents: aire i nitrogen. La millora de les propietats adhesives amb el càlcul d'energia superficial mitjançant la determinació de l'angle de contacte per a les diferents condicions de tractament en funció de la velocitat de tractament i la distància substrat/tobera. s'Estudien els mecanismes d'acció de plasma atmosfèric, analitzant canvis químics i físics. D'altra banda, es du a terme un estudi de la màxima força de pelat en "T" i resistència a la ciçalladura de unions polipropilè/polipropilè tractats amb plasma atmosfèric en atmosfera d'aire i atmosfera de nitrogen sota condicions diferents. Per finalitzar la durabilitat del procés està determinada per una anàlisi de la recuperació de la hidrofobicitat del substrat.

Els resultats mostren que el tractament amb plasma atmosfèric utilitzant atmosfera d'aire i nitrogen amb una velocitat de tractament baixa i baixes distancia substrat/tobera millora substancialment la humectabilitat de polipropilè. El principal mecanisme d'acció d'activació de la superfície de plasma és mitjançant la inserció d'espècies polars, com es mostra a l'estudi XPS. Aquestes espècies són altament reactives, el que dona lloc a la pèrdua de humectabilitat observat en l'estudi d'envelliment. També hi ha canvis físics com ho demostra l'augment de la rugositat i la pèrdua de massa, que contribueixen positivament a la millora de les propietats adhesives. Així, és possible afirmar que el tractament de plasma atmosfèric és un mètode apropiat per millorar les propietats adhesives de les superfícies del polipropilè, i el tractament es molt interessant des d'un punt de vista industrial, a causa de la fàcil aplicació, possibilitat de flexibilitat en produccions en continu i degut a ser a una tecnologia respectuosa amb el medi ambient.