Przyczepność nylonu: kąt zwilżania i właściwości powierzchni

Łączenie adhezyjne, kąt zwilżania i właściwości powierzchni nylonu (poliamidu)

Poliamidy, znane również jako nylony, to tworzywa sztuczne o wysokich parametrach użytkowych i doskonałej odporności chemicznej. Nylony są higroskopijne i absorbują wilgoć z powietrza. Sama wilgoć jako taka powoduje problemy z przyczepnością. Nylon jest hydrofobowy i wykazuje niską zwilżalność powierzchni. Pytanie — czy nylon jest hydrofobowy, hydrofilowy, a może jedno i drugie?

Poliamid to polimer zawierający powtarzające się wiązania amidowe (–CO-NH–). Wytwarzanie poszczególnych typów poliamidów różni się w zależności od ich jednostek monomerycznych. Mogą one być alifatyczne, semiaromatyczne oraz aromatyczne (aramidy). Ze względu na krystaliczność mogą być amorficzne, semikrystaliczne lub krystaliczne. Polimery nylonowe są z natury trudne do klejenia, ponieważ są hydrofobowe, chemicznie obojętne i wykazują słabą zwilżalność powierzchni (tj. niską energię powierzchniową). Ponadto nylony są higroskopijne i absorbują z atmosfery wodę w ilości przekraczającej 3% swojej masy. Sama wilgoć jako taka powoduje problemy z przyczepnością.

Powyższe stwierdzenia wydają się jednak wzajemnie sprzeczne. Czy nylon jest zatem hydrofobowy, czy hydrofilowy? Pozorny paradoks znika, gdy uwzględni się, że hydrofobowe zachowanie nylonu jest właściwością powierzchni, a jego hydrofilowe zachowanie — właściwością objętości materiału. Poliimid wykazuje takie samo zachowanie.

Analiza struktury chemicznej jednostki powtarzalnej polimeru — na przykład grup metylowych (CH3) w hydrofobowych poliolefinach lub grup amidowych w hydrofilowych nylonach — jest prostym sposobem ustalenia, czy polimer jest hydrofilowy, czy hydrofobowy. Najprostszą metodą określenia właściwości powierzchni polimeru jest wykonanie pomiarów kąta zwilżania wodą: statycznego oraz dynamicznego kąta zwilżania.

Najważniejsze wnioski

• Nylon jest hydrofobowy na powierzchni i hydrofilowy w objętości materiału — ta pozorna sprzeczność jest kluczem do zrozumienia jego zachowania.
• Nylony absorbują z atmosfery wodę w ilości przekraczającej 3% swojej masy, a sama wilgoć powoduje problemy z przyczepnością.
• Wiązania amidowe przyciągają wodę, co decyduje o zachowaniu w objętości materiału; powierzchnia pozostaje niskoenergetyczna i niezwilżalna.
• Poliimid zachowuje się w ten sam sposób, więc zasada ta ma zastosowanie także poza poliamidami.

Nylon, podobnie jak większość polimerów, ma niską energię powierzchniową. Wynika to z chemii oraz fizyki powierzchni polimerów. Przyjmuje się, że na kąt zwilżania wpływają zarówno zmiany chemii powierzchni, jak i zmiany jej topografii. Gdy kropla przylega do powierzchni ciała stałego, a powierzchnia ta zostaje pochylona, kropla wysuwa się do przodu i zsuwa w dół. Powstające przy tym kąty określa się odpowiednio jako kąt postępujący (advancing angle) i kąt cofający (receding angle). Norma ASTM D724 opisuje metody pomiaru dynamicznych kątów zwilżania (DCA) z użyciem zaawansowanej aparatury (tensjometrów optycznych i goniometrów), umożliwiającej analizę kąta postępującego i cofającego na podstawie analizy kształtu oraz masy kropli.

Kąt postępujący jest najbardziej czuły na niskoenergetyczne (niemodyfikowane) obszary powierzchni podłoża, natomiast kąt cofający silniej reaguje na wysokoenergetyczne, utlenione grupy wprowadzone przez obróbkę wstępną powierzchni. Dlatego to właśnie kąt cofający jest pomiarem najbardziej charakterystycznym dla zmodyfikowanego udziału powierzchni po obróbce wstępnej. W związku z tym w przypadku wszystkich materiałów o zmodyfikowanej powierzchni krytyczne znaczenie ma pomiar zarówno kąta postępującego, jak i cofającego.

Scott R. Sabreen jest założycielem i prezesem The Sabreen Group, Inc. — firmy inżynieryjnej specjalizującej się we wtórnym przetwórstwie tworzyw sztucznych: obróbce wstępnej powierzchni, klejeniu, zdobieniu i wykańczaniu, znakowaniu laserowym oraz bezpieczeństwie produktu. Od ponad 30 lat opracowuje nowe technologie i rozwiązuje problemy produkcyjne. Kontakt: 972.820.6777, www.sabreen.com lub www.adhesionbonding.com.

Często zadawane pytania

Czy nylon jest hydrofobowy, czy hydrofilowy?

Jedno i drugie — i nie jest to sprzeczność. Hydrofobowe zachowanie nylonu jest właściwością powierzchni, a hydrofilowe — właściwością objętości materiału. Powierzchnia opiera się zwilżaniu i ma niską energię powierzchniową, natomiast grupy amidowe wewnątrz łańcucha przyciągają wodę, dzięki czemu objętość materiału łatwo absorbuje wilgoć.

Ile wilgoci absorbuje nylon?

Ponad 3% swojej masy, pobierając ją z atmosfery. Sama wilgoć jako taka powoduje problemy z przyczepnością, dlatego prawidłowe suszenie przed formowaniem ma krytyczne znaczenie zarówno dla przetwórstwa, jak i dla jakości każdego kolejnego etapu klejenia.

Jak rozpoznać, czy polimer jest hydrofilowy, czy hydrofobowy?

Należy przeanalizować jednostkę powtarzalną jego struktury chemicznej. Grupy metylowe, jak w poliolefinach, wskazują na zachowanie hydrofobowe; grupy amidowe, jak w nylonach — na zachowanie hydrofilowe. Jest to szybkie sprawdzenie wstępne, przed przystąpieniem do jakichkolwiek badań powierzchni.

Dlaczego nylony są trudne do klejenia?

Są hydrofobowe, chemicznie obojętne i wykazują słabą zwilżalność powierzchni wynikającą z niskiej energii powierzchniowej. Kleje nie są w stanie dostatecznie zwilżyć powierzchni, dlatego zwykle konieczna jest obróbka wstępna powierzchni, która podnosi energię powierzchniową i wprowadza polarne grupy funkcyjne.

Czy poliimid zachowuje się tak samo jak nylon?

Tak. Poliimid wykazuje ten sam podział na hydrofobowe zachowanie powierzchni i hydrofilowe zachowanie objętości materiału, dlatego obowiązuje ta sama dyscyplina suszenia i ta sama logika obróbki wstępnej.

---