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TENSÃO SUPERFICIAL EM SUBSTRATOS PLÁSTICOS

TENSÃO SUPERFICIAL EM SUBSTRATOS PLÁSTICOS

ENTENDENDO MELHOR A TENSÃO SUPERFICIAL DA TINTA PARA SE ALCANÇAR UMA BOA ADESÃO NA IMPRESSÃO EM MATERIAIS POLIMÉRICOS

 

 

Por Antonio Paulo Rodrigues Fernandez * e Ricardo Cuenca*

 

I – Introdução

Muito se fala em tensão superficial no ramo gráfico, principalmente quando se imprime em materiais plásticos. Recentemente, observamos que uma camada de tinta UV (Ultra Violeta), após a cura sobre um substrato de polipropileno, não apresentava adequada aderência sobre o mesmo. Nossa hipótese para compreender o problema era de que a tensão superficial da tinta estava muito mais elevada do que a tensão de adesão em relação ao substrato.

Vale esclarecer que tensão superficial se trata de um conjunto de fenômenos físico-químicos que causam atração entre as moléculas de um líquido, sendo que a principal força de atração, a qual apresenta baixa intensidade, é a de Van Der Waals (físico holandês Johannes Diderik van der Waals, vencedor do prêmio Nobel de Física de 1910 por seu trabalho sobre a equação de estado de gases e líquidos).  Em linhas gerais tensão de coesão é a energia pela qual as moléculas de um líquido se unem, enquanto que energia de adesão é aquela pela qual as moléculas de um líquido se unem às de um sólido.

 

II – A verificação da tensão de adesão

            A verificação da tensão de adesão é feita por meio de um líquido com tensão de coesão superficial conhecida e de mesmo valor (ou muito próximo) que a da tinta utilizada. Ao se aplicar o líquido sobre o substrato, ele deve manter-se espalhado sobre o mesmo, pois caso contrário, serão formadas gotículas, o que indica que a tinta apresentará tensão de coesão superficial maior do que a tensão de adesão e, portanto, não ancorará no substrato após a cura.

            Nesse caso o que deve ser feito é reduzir a tensão de coesão superficial da tinta com uso de solventes adequados, ou então, aumentar a tensão de adesão entre a tinta e o substrato, o que pode ser realizado com uso do tratamento corona, ou de flambagem. O líquido de teste para verificar a tensão de adesão normalmente é disponibilizado em uma caneta de ponta porosa, a qual tem gravada em seu corpo a unidade de tensão de coesão do líquido – a unidade é expressa em dinas por centímetro.

            Nossa curiosidade surgiu quando nos demos conta de que a repulsão ou atração, por exemplo, entre tinta e suporte, ocorria em virtude da existência de uma força por área que atua na superfície do suporte e da camada de tinta, e força por área é pressão ou tensão, o que depende do sentido de aplicação da mesma. Por que então surge dina(s) por centímetro (d/cm)? – Um dina, ou dyn em inglês, equivale a 10-5 Newton ou 0,00001N.

           

III – O que é e o que gera a tensão superficial

Dessa forma, achamos interessante escrever um pouco mais sobre esta grandeza física derivada, a tensão superficial, cujo símbolo pouco conhecido é representado pela letra grega gama (γ). Em um líquido, cada molécula está envolvida por várias outras, onde as forças de coesão atuam mutuamente entre as mesmas; assim os átomos tendem a tomar uma posição estável e, portanto, inerte, se as forças se equilibrarem. Acontece que existe uma camada do líquido que está em contato com o ar. Nessa região as moléculas apresentam um desequilíbrio de coesão, já que não existem moléculas acima delas.

            A tensão de coesão superficial, ou simplesmente tensão superficial, ocorre devido à força utilizada no equilíbrio de atração entre as moléculas que estariam acima daquela de referência, sendo portanto dividida entre as demais, que estão abaixo e ao redor da mesma. Desse modo, a tensão superficial é um fenômeno que faz com que as forças de atração entre as moléculas da superfície sejam maiores do que aquelas entre as moléculas do restante do volume líquido. Observe a figura 1, ela dá uma noção vetorial do que ocorre na superfície de um líquido com alta tensão superficial.

 

 

Figura 1: Efeitos da tensão superficial em um líquido.

 

            Para entender de onde sai a unidade dina(s) por centímetro (d/cm) é necessário entender um pouco mais sobre o que é coesão e adesão. Quando as forças de atração acontecem entre átomos ou moléculas do mesmo tipo, diz-se que as forças de atração são do tipo coesivas. Quando essas forças ocorrem entre moléculas diferentes, por exemplo, entre a água no estado líquido e as paredes de um tubo de vidro, diz-se que as forças são do tipo adesivas.

            Se as forças adesivas são maiores do que as coesivas, como ocorre no caso da água dentro de um tubo de vidro com canal bem fino (tubo capilar), nota-se a formação de um menisco curvado para baixo, onde se vê uma região côncava na área de interface entre a água e o ar, conforme mostra a figura 2, observe.

 

Figura 2: Formação de um menisco côncavo devido as forças de adesão, entre água e vidro, serem maiores do que as forças de coesão entre as moléculas da água.

           

Os líquidos costumam assumir formas que tendem a diminuir sua área superficial e ao mesmo tempo conter o maior volume interno possível. Assim, as gotas de água quando em queda livre no vácuo, ou porções de água fora da ação do campo de gravidade, são esféricas, pois tal forma apresenta a menor área superficial contendo o maior volume, obviamente comparada a outras geometrias de volume.

            Para uma bolha de sabão que aumenta de volume e, portanto de área, à medida que o ar é soprado em seu interior, nota-se a presença de uma força que atua no sentido de tentar restaurar o equilíbrio, ou seja, se ocorrer de o ar parar de ser soprado e houver escape do mesmo, a bolha de sabão tenderá a se contrair, perdendo volume. Essa força restauradora é proporcional à força externa, o que acaba gerando uma energia potencial, igual a um fio elástico esticado, sendo que nesse exemplo o elástico apresenta potencial capacidade de se contrair por certa distância ao ser solto, reduzindo a força de contração na medida em que vai se contraindo, transformando energia potencial em energia cinética.

 

IV – Como são expressas as unidades de tensão superficial

            A tensão superficial atua entre a interface líquido/ar, transformando a superfície, grosso modo, em uma manta elástica que toma a forma de uma gotícula quando “solta”, o que permite, por exemplo, formar a bolha de sabão devido à “elasticidade” que a tensão superficial propõe, logo não faz sentido falar sobre força, mas sim sobre energia potencial de coesão. Assim, se alguém perguntar o que é tensão superficial, pode-se responder que “é a medida de energia de coesão molecular de um líquido por unidade de área”.

            A relação física entre a quantidade de energia potencial e área é dada pelo trabalho que deve ser realizado para aumentar tal área inicial. Portanto, temos que:

 

            Onde:

ΔJ é a variação da energia potencial do sistema, é o valor da tensão de coesão superficial de um líquido e ΔA é a variação da área.

            Logo:

          

O coeficiente γ representa a energia potencial de coesão da superfície do líquido por área, e essa energia é chamada popularmente de tensão superficial, sendo que as dimensões de γ são: energia, normalmente expressa em Joule, e área, normalmente expressa em metros quadrados, portanto tensão superficial pode ser expressa em J/m2.

            Contudo, como escrito anteriormente, as unidades da tensão superficial costumam ser expressas em Newton por metro (N/m), fato este simples de ser explicado, pois Joule é a expressão de trabalho, e trabalho é força vezes distância, logo 1J é igual a 1.N.m.

            Vejamos então:

 

Temos o fato de que a área pode ser representada em metros quadrados (m2), enquanto que o trabalho é dado em Newton vezes metro (N.m):

     

Portanto:

 

Onde:

ΔF é a variação da força e ΔS é a variação da distância do eixo normal a aplicação da força.

 

V – Como o substrato será umectado?

Um material será umectado, se sua energia de superfície (dinas/cm) for mais alta do que a do líquido, caso contrário, haverá um problema de adesão. O substrato de polipropileno, citado no início deste artigo, possui uma energia de superfície de 29 dinas/cm e as tintas de impressão possuem uma tensão superficial acima de 30 dinas/cm. Portanto, para que o polipropileno possa ser umectado corretamente é necessário elevar a sua energia de superfície.

Para elevar a energia do polipropileno é necessário realizar tratamento corona sobre a superfície que será impressa até que se obtenha um valor de aproximadamente 42 dinas/cm. Para uma boa adesão na impressão, a energia de superfície dos materiais poliméricos deverá ser pelo menos 10 dinas maior do que a da tensão superficial da tinta.

O tratamento corona, inventado pelo engenheiro dinamarquês Verner Eisby em 1951, é, resumidamente, uma descarga elétrica de alta frequência aplicada à superfície do material polimérico. Durante o tratamento de descarga corona, os elétrons são acelerados contra a superfície do polímero, causando a ruptura das longas cadeias moleculares que produzirá uma multiplicidade de ligações abertas e, assim, valências livres são formadas. Estas são então capazes de formar grupos carbonilas com os átomos do ozônio criado pela descarga elétrica, que propiciará uma melhoria na adesão da tinta impressa.

Quanto maior a descarga de elétrons, mais rupturas de cadeias moleculares acontecerão, mais pontos de adesão serão criados e melhor será a adesão. É importante salientar que esta descarga afeta, na maioria dos casos, apenas a camada superior do polímero (0,1 μm) e isso significa que ela não tem nenhum efeito sobre o polímero, a não ser o de melhorar a sua adesão.

O modo mais comum de medir a energia de uma superfície polimérica, tratada com corona, é realizada usando um método de teste líquido descrito pelas normas DIN 53364 e ASTM D2578-67. Líquidos de teste são preparados com diferentes valores de tensão superficial conhecidos (à base de Cellosolve e Formamida) e são aplicados sobre a superfície do substrato que desejamos utilizar, com um pincel, cotonete ou caneta de ponta porosa, formando uma faixa contínua de largura mínima de 3 a 4 mm. A tensão de superfície é então determinada visualmente observando como o líquido se comporta dentro dos 2 segundos seguintes à aplicação. Comecemos a aplicação dos líquidos com as tensões superficiais mais altas e, enquanto a faixa continua a se transformar em gotas individuais, devemos continuar os testes, sempre aplicando os líquidos com tensões superficiais mais baixas até que se obtenha uma camada uniforme e constante.

            É importante ainda ressaltar que todo material tratado com corona tem uma elevação da sua tensão superficial temporária e, com o passar do tempo, tende a retornar para a sua tensão superficial original, perdendo a capacidade de ancorar as camadas de tintas impressas.

 

VI – Conclusão

Pronto, a tensão superficial, apesar de ser uma grandeza composta que apresenta energia por área, pode ser representada por meio de força por comprimento, onde surge a unidade composta Newton por metro N/m. Existem várias formas de se determinar a tensão superficial da água, dentre as quais se destacam o método do volume da gota, da variação da área pela variação da força aplicada e pela variação da altura da coluna líquida. Apesar de se acreditar que a tensão superficial de um líquido se mede em relação ao substrato, ou vice versa, na verdade o que se mede é a tensão de adesão com base em uma tensão superficial conhecida.

 

 

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(*) Antonio Paulo Rodrigues Fernandez

Mestre pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares do Centro de Tecnologia das Radiações da USP (IPEN/CTR/USP), Engenheiro Eletricista pela Universidade da Cidade de São Paulo, Técnico Gráfico e Especialista em pré-impressão e impressão offset pela Escola SENAI Theobaldo De Nigris. Orientador de Prática Profissional nas áreas de eletroeletrônica e gráfica da Escola SENAI José Ephim Mindlin (Barueri, SP).

(*) Ricardo Cuenca

Engenheiro Químico, Especialista em tintas e colorimetria, Tecnólogo Gráfico. Técnico de Ensino da Escola SENAI Theobaldo De Nigris.

 

 

Fonte: Revista Inforflexo Edição 113 – Jul/Ago de 2011

 

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