Tratamiento con plasma agrega valor a las piezas de plástico

Mejorar la durabilidad, la imprimibilidad, el control de flujo en microfluidos y la adhesión de recubrimientos pueden ser fundamentales para la seguridad, la calidad y la eficiencia de los productos plásticos.

Los moldeadores por inyección y soplado se han dado cuenta rápidamente de que el uso del tratamiento con plasma puede crear ventajas competitivas y transformar piezas específicas en componentes de ingeniería especializados con un valor de cien a mil veces mayor.

El plasma es un estado de la materia, como un sólido, un líquido o un gas, creado mediante la combinación de energía y gas, que causa la ionización del gas. Los moldeadores por inyección y soplado, por ejemplo, pueden controlar los elementos de plasma colectivos (iones, electrones y especies reactivas) para limpiar, activar, injertar químicamente y depositar una amplia gama de grupos químicos en un material.

El plasma se utiliza ahora para tratar todo, desde jeringas hasta parachoques de camiones y automóviles. Los fabricantes de piezas de plástico siempre están en la búsqueda de formas únicas para obtener una ventaja tecnológica y convertirse en líderes del mercado.

En los plásticos, la aplicación de plasma más común está en mejorar el poder de unión de los adhesivos químicos; esto puede implicar la adhesión de metal a plástico, silicona a vidrio, polímeros a otros polímeros, contenido biológico a placas poliméricas de microtitulación e, incluso, la adhesión a fluoropolímeros como el PTFE.

Al fabricar piezas para productos de consumo, para industrias como la automotriz o la militar, y para dispositivos médicos, los tratamientos de plasma se utilizan ante desafíos difíciles. Por lo general, esto se relaciona con aplicaciones de materiales plásticos con problemas de incompatibilidad existentes.

El plasma puede transformar las propiedades superficiales del plástico para lograr objetivos que normalmente no serían factibles sin tratamiento. Esto puede incluir la limpieza de superficies, la resolución de las dificultades de aplicación de las tintas de impresión a los plásticos, la mejora de la adhesión de los plásticos a materiales distintos y la aplicación de revestimientos protectores que repelen o atraen los fluidos. El tratamiento del plástico con plasma puede transformar un artículo de 2 dólares en un producto de 50 dólares.

Echemos un vistazo a algunas áreas esenciales del tratamiento con plasma, incluida la impresión en plásticos, dispositivos microfluídicos, la adhesión de plásticos a materiales diferentes, el tratamiento de artículos de laboratorio plásticos, el recubrimiento de plásticos para evitar la lixiviación y la facilitación de I + D.

Impresión en plásticos

Al imprimir en plásticos, la adhesión de la tinta a la superficie a veces puede ser un desafío. Esto se produce cuando la impresión se acumula en la superficie o no se adhiere lo suficiente a la misma. Es posible que se necesite una mayor durabilidad de impresión, incluida la resistencia a la decoloración a altas temperaturas o lavados repetidos.

En muchas aplicaciones, los tratamientos de plasma se utilizan para aumentar la energía superficial del material. La energía superficial se define como la suma de todas las fuerzas intermoleculares sobre un material, el grado de atracción o fuerza de repulsión que la superficie de un material ejerce sobre otro material. Cuando un sustrato tiene alta energía superficial, tiende a atraer. Por esta razón, los adhesivos y otros líquidos a menudo se propagan más fácilmente por la superficie. Esta “humectabilidad” promueve una adhesión superior utilizando adhesivos químicos.

Por ejemplo, para resolver el problema del goteo, el tratamiento con plasma puede hacer que la superficie sea hidrófila (atraída por el agua). El tratamiento facilita la distribución de la tinta en la superficie, de modo que no se forman gotas.

Por otro lado, los sustratos con baja energía superficial, como la silicona o el PTFE, son difíciles de adherir a otros materiales sin alterar primero la superficie para aumentar la energía libre. Dependiendo de lo que se requiera, las siliconas orgánicas también se pueden usar para crear superficies de adhesión intermedias con energía superficial polar o dispersiva para ayudar a que las tintas de impresión se adhieran a la superficie del plástico.

Este enfoque puede facilitar la impresión duradera de un logotipo en la superficie de las botellas para evitar que se desvanezca después del primer lavado. Otra aplicación incluye la impresión en plásticos utilizados para jeringas, que no se adhieren fácilmente con tintas biodegradables amigables con el cuerpo humano.

Dispositivos microfluídicos

Por lo general, los sistemas microfluídicos utilizados para aplicaciones médicas o industriales transportan, mezclan, separan o procesan pequeñas cantidades de fluidos mediante canales hechos de plástico, que miden de decenas a cientos de micrómetros. Los dispositivos microfluídicos suelen tener varios pozos que contienen diferentes productos químicos, ya sea mezclados o separados. Es imperativo mantener el flujo a través del canal o evitar cualquier flujo de líquido residual en el canal después de que el producto químico haya pasado a través de él.

En la microfluídica, el tratamiento con plasma se utiliza para dispersar el líquido en la superficie y permitir que fluya fácilmente. O bien, puede hacer que la superficie sea más hidrofóbica (repelente al agua) para evitar que los fluidos se aglutinen en zonas no deseadas. Cuando los fluidos son “empujados”, se minimiza la posibilidad de que se peguen o se queden atrás.

En tales casos, el tratamiento con plasma de superficies plásticas puede facilitar el flujo suave y preciso de líquidos en los canales estrechos. Esto puede ser crítico no solo para la seguridad en los procedimientos médicos, sino también para la calidad en los procesos industriales.

Adhesión de plásticos con materiales disímiles

En la industria automotriz se está impulsando el uso de plásticos para reducir el peso de los vehículos y hacerlos más seguros. Sin embargo, lograr que el plástico se adhiera al metal, al caucho o, incluso, a otros tipos de plástico, a veces puede ser extremadamente difícil. Cuando los adhesivos químicos tradicionales no logran adherir bien diferentes tipos de materiales, o cuando las empresas buscan reducir la cantidad de desechos químicos producidos, los ingenieros recurren a menudo a tratamientos de plasma para resolver problemas complejos de adhesión.

Si bien el tratamiento del plástico por sí solo puede mejorar la adhesión, el tratamiento de ambos materiales mejora la adhesión al optimizar la absorción del adhesivo en toda la superficie. Al igual que con la impresión, la mejora de la adhesión se logra al aumentar la energía libre de la superficie a través de varios mecanismos. Esto incluye la limpieza de precisión, la modificación química o física de la superficie, el aumento de la superficie mediante la rugosidad y el uso de revestimientos de imprimación. El efecto neto es una mejora espectacular de la adherencia. En algunos casos se puede aumentar la fuerza de adhesión hasta cincuenta veces.

Tratamiento de artículos de laboratorio

Cada año se fabrican miles de millones de placas multipocillo, pipetas, botellas, frascos, viales, tubos Eppendorf, placas de cultivo y otros artículos de laboratorio de polímeros para investigación, descubrimiento de fármacos y pruebas de diagnóstico. Aunque muchos son consumibles simples y económicos, un porcentaje cada vez mayor se trata ahora en la superficie con plasma de un gas o tiene recubrimientos funcionales, diseñados específicamente para mejorar la calidad de la investigación y aumentar la sofisticación de los diagnósticos. Entre los objetivos de la modificación de la superficie se encuentra la mejora de la adhesión y proliferación de anticuerpos, proteínas, células y tejidos.

La mayoría de las aplicaciones de plasma para artículos de laboratorio se pueden clasificar como tratamientos “simples”, como oxígeno o plasma de argón para limpiar el sustrato a escala molecular. El uso de plasma también está establecido para el acondicionamiento de superficies con el fin de hacer que los polímeros sean más hidrófobos o hidrófilos.

Las posibles aplicaciones de tratamiento con plasma incluyen el recubrimiento de placas de PP o PS con alcohol o facilitar la unión de proteínas a la superficie. El plasma del gas puede proporcionar acondicionamiento superficial de plataformas de diagnóstico in vitro antes de la adsorción de moléculas biológicas (proteínas/anticuerpos, células, carbohidratos, etc.) o polímeros biomiméticos.

Las placas multipocillo, o microtituladores, son una herramienta estándar en la investigación analítica y en los laboratorios de pruebas de diagnóstico clínico. El material más común utilizado para fabricar placas de microtitulación es el PS, porque es biológicamente inerte, tiene una excelente claridad óptica y es lo suficientemente resistente como para soportar el uso diario. La mayoría de los platos y placas desechables de cultivo celular están hechos de PS.

Otros polímeros como PP y PC también se utilizan para aplicaciones que deben soportar una amplia gama de temperaturas, como la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) para la amplificación del ADN. Sin embargo, los polímeros sintéticos no tratados son altamente hidrófobos y proporcionan sitios de adhesión inadecuados para que las células se anclen de manera efectiva a sus superficies. Con el fin de mejorar la adhesión de la biomolécula, la capacidad de supervivencia y la proliferación, el material debe modificarse en la superficie con plasma para que sea más hidrófilo.

Si se trata el PS con plasma de oxígeno se volverá muy hidrófilo, por lo que el agua se propaga por todas partes. Esto permite que las soluciones acuosas que tienen contenido biológico se propaguen y lleven biomoléculas a la superficie, al tiempo que proporcionan una plataforma de enlace de hidrógeno para adherirse a ellas. El tratamiento de la superficie de esta manera tiene muchos beneficios, que incluyen la mejora de la humectación de los pocillos con analitos; una mayor proliferación de células sin aglutinamiento; una cantidad reducida de suero, orina o reactivos requeridos para las pruebas, y un menor riesgo de desbordamiento y contaminación entre pocillos.

Recubrimiento de plásticos para evitar la migración

El uso de artículos de laboratorio de plástico puede plantear preocupaciones sobre la migración de sustancias desde el interior del plástico. Dado que el material de laboratorio de plástico es susceptible a la migración de plastificantes, estabilizadores y residuos de polimerización, el plasma se utiliza para recubrir el interior de los recipientes con un material de barrera similar al cuarzo. Estos recubrimientos flexibles similares al cuarzo se polimerizan sobre el plástico mediante la deposición de vapor químico utilizando plasma. El recubrimiento resultante puede ser muy delgado (100-500 nm), no cristalino, con capacidad de adaptación y altamente flexible (180º ASTM D522).

Del mismo modo, puede haber preocupaciones sobre la posible migración en plásticos en contacto con alimentos y bebidas. Para evitar la migración desde el plástico, los fabricantes de la industria pueden recubrir el plástico mediante tratamiento con plasma. Dos opciones incluyen un recubrimiento de tipo PTFE, o en el lado opuesto del espectro, un recubrimiento de silicona-cuarzo para crear una superficie similar al vidrio. Un ejemplo son las botellas de agua de uso deportivo con una superficie interior modificada, generalmente debido al tratamiento con plasma o la aplicación de un recubrimiento.

Facilitar la I+D

Cuando los procesadores de moldeo por inyección y soplado desarrollan un nuevo producto o proceso que podría requerir tratamiento con plasma, las dos opciones son comprar equipos de plasma propios y desarrollar la experiencia necesaria para usarlos, o utilizar servicios de procesamiento por encargo.

Si se requiere asistencia en I+D, el tratamiento con plasma es lo suficientemente estándar como para que los principales proveedores de equipos puedan modificar los equipos y la tecnología existentes y maduros, junto con la fijación, para ofrecer, esencialmente, soluciones de uso inmediato. Como en el caso de PVA TePla, algunos proveedores ofrecen acceso a equipos de I+D y conocimientos de ingeniería in situ.

Para los moldeadores personalizados que pueden estar haciendo trabajos para fabricantes en una variedad de industrias, la compra de un sistema de tratamiento de plasma resulta una opción flexible que no es específica para una aplicación. Se pueden tratar con plasma múltiples piezas y tener diversas recetas con un sistema. Puede usarse en numerosas líneas de productos.

Sin embargo, para los moldeadores que desean piezas o componentes tratados con plasma sin invertir en equipos y capacitación internos, la solución es contratar un procesador. Con este enfoque, las piezas se envían, se tratan y se devuelven dentro de un plazo mutuamente acordado. Para lotes pequeños o de baja frecuencia, esto puede reducir significativamente el precio por pieza. Trabajar con un procesador externo tiene ventajas al aprovechar los años de experiencia técnica en la aplicación de diversos tratamientos de plasma, que a menudo pueden acelerar los esfuerzos de I + D.

A medida que las aplicaciones y los volúmenes de producción evolucionan, la colaboración con un socio de gran experiencia en el tratamiento con plasma puede acelerar el tiempo de comercialización del producto de un cliente.

ACERCA DEL AUTOR: Ryan Blaik es gerente de ventas de PVA TePla America, empresa de ingeniería de sistemas especializada en sistemas de plasma. Blaik tiene formación en física, química y biología, con experiencia en la industria de dispositivos médicos. Trabajó en el Laboratorio de I + D de Modificación de Superficies, en PVA TePla, en Corona California, y comenzó en su puesto actual en 2020. Contacto: 951-371-2500; sales@pvateplaamerica.com; pvateplaameria.com.