Best practice per l’incollaggio dei termoplastici semicristallini

Best practice per l'incollaggio dei termoplastici semicristallini

Dai gradi commodity a quelli ad alte prestazioni, i polimeri semicristallini sono difficili da incollare sia a se stessi sia a materiali dissimili. Per creare i forti legami molecolari necessari all'adesione occorrono superfici del substrato pulite (spesso abbinate a un pretrattamento). La scelta dell'adesivo e una corretta polimerizzazione sono decisive per ottenere il risultato desiderato.

In generale, allo stato solido i polimeri presentano due tipi di morfologia: «amorfa» e «semicristallina». In determinate condizioni, alcuni polimeri possono presentare entrambe le morfologie. Nei polimeri amorfi, ad esempio l'acrilico e il policarbonato, non esiste un vero punto di fusione (l'ammorbidimento è graduale). Le molecole sono orientate in modo casuale e intrecciate (come spaghetti cotti), con un aspetto trasparente simile al vetro. Nei polimeri semicristallini il punto di fusione è netto e le molecole si impaccano in regioni ordinate a struttura lineare regolare. Poiché i cristalliti diffondono la luce, questi materiali sono in genere più opachi. I polimeri semicristallini tendono a formare materie plastiche tenaci grazie alle forti forze intermolecolari associate all'impaccamento ravvicinato delle catene. (Vedere l'Illustrazione 2.)

I polimeri semicristallini sono intrinsecamente difficili da incollare perché sono idrofobici, chimicamente inerti e presentano una scarsa bagnabilità superficiale (ossia una bassa energia superficiale). Sebbene queste caratteristiche siano molto auspicabili sul piano prestazionale, la scarsa bagnabilità superficiale pone sfide di incollaggio ai produttori. Inoltre, i polimeri semicristallini come il nylon assorbono dall'atmosfera acqua in misura superiore al tre per cento della propria massa. L'umidità, di per sé, genera problemi di adesione. È quindi importante eseguire i processi di incollaggio il prima possibile dopo lo stampaggio oppure confezionare i pezzi in modo ermetico in sacchetti non in polietilene con un essiccante. Una corretta procedura di essiccazione è fondamentale per la lavorazione e per le prestazioni del pezzo.

Punti chiave

• La morfologia determina l'incollabilità. I polimeri amorfi, come l'acrilico e il policarbonato, si incollano più facilmente di quelli semicristallini.
• Pulire con toluene, xilene, acetone o MEK. L'alcol rimuove solo lo sporco superficiale, non la contaminazione da idrocarburi.
• Siliconi, distaccanti e agenti antiscivolo inibiscono l'incollaggio e devono essere rimossi prima del pretrattamento.
• Il difetto di adesione ha una firma visiva: l'adesivo residuo si trova su un solo substrato, non su entrambi.
• Epossidici, acrilici e uretanici sono le famiglie di adesivi strutturali più comuni per questi polimeri.

Domande frequenti

Perché i polimeri semicristallini sono più difficili da incollare di quelli amorfi?

Per la loro morfologia molecolare. I polimeri amorfi, come l'acrilico e il policarbonato, hanno molecole orientate in modo casuale e intrecciate e non hanno un vero punto di fusione, ma si ammorbidiscono gradualmente. I polimeri semicristallini hanno una struttura ordinata, ed è proprio quell'ordine a opporsi alla bagnatura da cui dipende l'adesione.

Quali solventi si devono usare per pulire le superfici semicristalline?

Toluene, xilene, acetone o MEK di forza da moderata a elevata, in conformità alla politica aziendale sui solventi e alla normativa vigente. Le schede tecniche dei polimeri indicano gli agenti idonei. L'alcol è un solvente debole che rimuove lo sporco superficiale ma non i contaminanti idrocarburici.

Come si distingue un difetto di adesione da un difetto di coesione?

Dal punto in cui rimane l'adesivo. Il difetto di adesione si verifica all'interfaccia tra adesivo e aderendo e, a vista, l'adesivo residuo si trova su una sola superficie, non sul secondo substrato. Il cedimento coesivo lascia adesivo su entrambe.

Quali adesivi sono adatti ai polimeri semicristallini?

Adesivi strutturali: si usano comunemente epossidici, acrilici e uretanici. L'epossidico bicomponente prevede la miscelazione di una resina epossidica con un indurente, e la progettazione del giunto deve tenere conto delle sollecitazioni di trazione, compressione, taglio, pelatura e sfaldamento, spesso combinate.

Quale contaminazione compromette con maggiore certezza un incollaggio?

I materiali a basso peso molecolare: siliconi, distaccanti e agenti antiscivolo. Inibiscono direttamente l'incollaggio e nessun pretrattamento può compensarli se sono ancora presenti sulla superficie.

Pulizia e pretrattamento della superficie

La preparazione della superficie è fondamentale per ottenere un'elevata resistenza dell'incollaggio. Le superfici devono essere pulite e prive di contaminazione da sporco, grasso e oli. I materiali a basso peso molecolare (LMWM), come siliconi, distaccanti e agenti antiscivolo, inibiscono l'incollaggio. Per pulire adeguatamente le superfici semicristalline e rimuovere i materiali LMWM si devono in genere usare toluene, xilene, acetone o MEK di forza da moderata a elevata (in conformità alla politica aziendale sui solventi e alla normativa vigente). Le schede tecniche dei polimeri indicano gli agenti di pulizia idonei. L'alcol è un solvente debole e rimuove solo lo sporco superficiale, non i contaminanti idrocarburici.

Occorre sempre adottare una tecnica corretta, con l'uso di panni privi di pelucchi e di guanti protettivi senza talco. Un eccesso di solvente crea strati limite deboli di sostanze chimiche non rimosse, lasciando un velo opaco che inibisce l'incollaggio.

Le applicazioni di incollaggio dei polimeri semicristallini richiedono spesso un pretrattamento al plasma subito dopo la pulizia con solvente. I pretrattamenti di ossidazione superficiale in fase gassosa comprendono la scarica corona, il plasma atmosferico elettrico, il plasma d'aria, il plasma a fiamma e il gas freddo RF a bassa pressione. Questi processi si caratterizzano per la capacità di generare un «plasma gassoso», un gas estremamente reattivo composto da elettroni liberi, ioni positivi e altre specie. Si verifica inoltre una funzionalizzazione chimica della superficie. Dal punto di vista fisico, i meccanismi con cui questi plasmi vengono generati sono diversi, ma i loro effetti sulla bagnabilità superficiale sono analoghi. Ogni metodo è specifico per l'applicazione e presenta vantaggi e/o limiti.

Ad esempio, i pretrattamenti elettrici non rimuovono né puliscono tutti gli idrocarburi poliaromatici, per cui può essere necessario proseguire con la pulizia con solvente. Il pretrattamento con gas freddo RF rimuove gli idrocarburi, quindi la pre-pulizia non è necessaria.

Come regola generale, si ottiene un'adesione di incollaggio accettabile quando l'energia superficiale del substrato è superiore di circa 10 dyne/cm alla tensione superficiale del liquido o dell'adesivo. L'energia superficiale del nylon non trattato è di circa 40 dyne/cm. Pertanto, l'energia superficiale desiderata dopo il trattamento deve essere compresa tra 50 e 54 dyne. In questa situazione si dice che il liquido «bagna» la superficie o vi aderisce. Un metodo comune per misurare la «bagnabilità» dell'energia superficiale è l'uso di soluzioni dyne tarate secondo il metodo di prova ASTM D2578.

Adesivi e polimerizzazione

Per definizione, il «difetto di adesione» si verifica all'interfaccia tra l'adesivo e l'aderendo (substrato). A vista, l'adesivo residuo rimane in un punto qualsiasi di una sola superficie e non sul secondo aderendo. Una progettazione ottimale del giunto è fondamentale in qualsiasi applicazione di incollaggio con adesivi. I giunti incollati possono essere soggetti a forze di trazione, compressione, taglio, pelatura o sfaldamento, spesso in combinazione.

In molte applicazioni di incollaggio adesivo dei polimeri semicristallini si utilizzano comunemente adesivi strutturali (tra cui epossidici, acrilici e uretanici). L'epossidico bicomponente consiste nel miscelare una resina epossidica con un indurente oppure nell'usare applicatori «duo-pak». Per ottenere proprietà ottimali di resistenza al taglio e alla trazione si preferisce uno spessore della linea di incollaggio uniforme e sottile (da 0,002 a 0,007 pollici). Il tempo di polimerizzazione completa è in genere di circa sette giorni a 75°F, ma varia in funzione dell'applicazione e delle condizioni ambientali. La velocità di polimerizzazione può essere accelerata con l'apporto di calore (120-210°F), che provoca un'ulteriore polimerizzazione e può conferire all'epossidico proprietà migliori. La temperatura di deflessione al calore del polimero costituisce in genere il limite superiore per il calore applicato nelle lavorazioni successive allo stampaggio. Tempo e temperatura di cottura sono specifici per l'applicazione.

Un errore comune è applicare più adesivo per migliorare la resistenza dell'incollaggio. Un eccesso di adesivo è dannoso ed è una delle principali cause di difetti di incollaggio. Ad esempio, gli adesivi epossidici hanno coefficienti di dilatazione termica relativamente elevati. Le linee di incollaggio devono essere mantenute sottili e di spessore uniforme (in genere 3-5 mil per la massima resistenza al taglio). Il fornitore dell'adesivo può indicare lo spessore ottimale della linea di incollaggio per la specifica applicazione. Gli applicatori «duo-pak» premisurati eliminano i problemi di miscelazione e garantiscono un rapporto di miscela più preciso. Assicurano inoltre reazioni chimiche più stechiometriche, con migliori caratteristiche di resistenza e di degassamento.

Per quanto riguarda la texture superficiale del pezzo da incollare, così come stampato, una superficie texturizzata aumenta l'adesione per ancoraggio meccanico, in aggiunta alla pulizia con solvente e al pretrattamento al plasma. La texture può essere ottenuta nello stampo oppure manualmente con un tampone Scotch-Brite. Ad esempio, la finitura della cavità dello stampo NTMA «40 – lucidatura diamante grana 1200» migliorerà probabilmente la resistenza dell'incollaggio rispetto alla finitura «10 – diamante fine grana 8000» (intervallo 0-3 micron). Anche superfici leggermente texturizzate risultano vantaggiose. (Vedere l'Illustrazione 3.)

In sintesi, per ottenere un incollaggio per adesione ad alta resistenza dei polimeri semicristallini si raccomanda quanto segue:

• Assicurarsi che la resina sia essiccata correttamente prima dello stampaggio.
• Eseguire il processo di incollaggio il prima possibile dopo lo stampaggio.
• Pulire la superficie del pezzo con solvente per rimuovere i residui superficiali e i contaminanti idrocarburici.
• Valutare l'introduzione di un pretrattamento superficiale al plasma per aumentare la bagnabilità superficiale e la funzionalizzazione chimica (in aggiunta alla pulizia con solvente).
• Applicare una linea di incollaggio sottile e uniforme. Si possono ottenere ulteriori vantaggi se il prodotto ha una superficie texturizzata.

Scott R. Sabreen è fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc., una società di ingegneria specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: pretrattamenti superficiali, incollaggio, decorazione e finitura, marcatura laser e sicurezza del prodotto. Da oltre 30 anni sviluppa nuove tecnologie e risolve problemi di produzione. Sabreen può essere contattato al numero 972.820.6777 oppure visitando www.sabreen.com o www.adhesionbonding.com.

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