Polifenilen sülfürün adhezyon ile birleştirme yöntemleri

Polifenilen sülfürün adhezyon ile birleştirme yöntemleri

Polifenilen sülfür (PPS), yüksek sıcaklığa dayanıklı, yarı kristalin bir mühendislik termoplastiğidir. Sektörde PPS, metal gibi performans gösteren plastik olarak bilinir. Kendisine veya alüminyum ve titanyum gibi farklı malzemelere yapıştırılması en zor polimerlerden biri olduğu söylenebilir. PPS'yi başarıyla yapıştırmak, kimyasal ve fiziksel özelliklerinin anlaşılmasını gerektirir; bu da reçine kalitesi modüllerini her uygulama için farklı ve kritik kılar. Bu makale, yüksek mukavemetli adhezyon ile birleştirme elde etmek için sahada kanıtlanmış vaka çalışması tekniklerini sunar.

Temel çıkarımlar

• İşlem görmemiş PPS yaklaşık 38 dyne/cm düzeyindedir; bu, uyumlu epoksilerin 45–50 dyne/cm yüzey geriliminin çok altındadır.
• İşlemden sonra 60–70 dyne/cm hedefleyin. En sağlam bağlar burada oluşur ve raf ömrü iki yıla veya daha uzun süreye çıkar.
• 275–300°F'de kalıplayın. Bunun altında PPS amorf kalır ve servis sırasında daha sonra kristalleşerek boyutlarını ve özelliklerini değiştirir.
• Aseton veya MEK ile solvent temizliği yapın. Alkol, ksilen ve toluen kiri giderir ancak hidrokarbon kirliliğini gidermez.
• Epoksiyi, fırın ayar noktasında değil parçada ölçülen 300–350°F'de kürleyin ve yapıştırma hattı kalınlığını 0,002–0,007 inç aralığında tutun.

Sık sorulan sorular

PPS'yi yapıştırmak neden bu kadar zordur?

PPS kimyasal olarak inerttir, düşük yüzey enerjisine sahiptir ve gelişmiş mühendislik plastikleri arasında aşındırıcı maddelere karşı en geniş dirence sahiptir. Onu değerli kılan inertlik, yapıştırıcıların yüzeyi ıslatamaması anlamına da gelir. İşlem görmemiş PPS, yaklaşık 80,3°'lik su temas açısına karşılık yaklaşık 38 dyne/cm ölçülür.

PPS ön işlemden sonra hangi yüzey enerjisine ulaşmalıdır?

Uyumlu epoksi yapıştırıcıların 45–50 dyne/cm yüzey gerilimini aşmak için en az 48–54 dyne/cm. Uygulamada en sağlam yapıştırma 60–70 dyne/cm'de gerçekleşir ve bu daha yüksek işlem düzeyi, ön işlem raf ömrünü iki yıla veya daha uzun süreye çıkarır; bu, polimerler arasında alışılmadık bir durumdur.

Kalıp sıcaklığı yapıştırmayı etkiler mi?

Önemli ölçüde. PPS'nin tam kristalin hale ulaşması için 275 ile 300°F arasında kalıplanması gerekir. Daha soğuk kalıplandığında amorf kalır ve servis sıcaklığı (yapıştırıcı kürleme ısısı dahil) kalıplama sıcaklığını aştığında kristalleşerek boyutsal ve özellik değişikliklerine yol açar. %40 cam elyaf dolgulu PPS'nin ısıl sapma sıcaklığı amorf halde 350°F iken kristalin halde 500°F'nin üzerine çıkar.

PPS'yi temizlemek için hangi solvent kullanılmalıdır?

Şirket politikası ve eyalet yasalarına tabi olarak silikonlar, kalıp ayırıcı ve kaydırıcı ajanlar gibi düşük molekül ağırlıklı maddeleri gidermek için aseton veya metil etil keton. Bağlanmayı engelleyen zayıf sınır tabakaları ve buğulanma bırakan aşırı solventten kaçının.

Yüzey dokusu PPS yapıştırmasına yardımcı olur mu?

Evet. Doku, mekanik kilitlenme sağlar. NTMA “40 — Elmas parlatma 1200 grit” gibi bir kalıp yüzeyi, tipik olarak “10 — İnce elmas 8000 grit” yüzeyinden daha iyi performans gösterir. Konnektörler ve gömme delikler için kalıptaki dağlanmış maça pimleri son derece etkilidir.

PPS'nin özellikleri

PPS'nin özellikleri, PEEK ve LCP gibi diğer yüksek sıcaklık performanslı plastiklerde olduğu gibi kristalleşme davranışına bağlıdır. PPS kimyasal olarak inerttir, düşük yüzey enerjisine sahiptir ve gelişmiş mühendislik plastikleri arasında aşındırıcı maddelere karşı en geniş direnci sunar. Yüksek sıcaklığa, solvente dayanıklı, elektriksel olarak yalıtkan parçaların gerektiği binlerce otomotiv, havacılık, tıbbi ve endüstriyel uygulamada kullanılır. PPS doğası gereği alev geciktiricidir; bu da onu uçak yapıları, motor bölmesi güç aktarma organları ve yakıt sistemi bileşenleri, su pompası çarkları ve daha fazlası için mükemmel bir malzeme yapar. Bu özellikler performans için idealdir; ancak zayıf yüzey ıslanabilirliği, üreticiler için yapıştırma zorluğudur.

PPS iki farklı biçimde satılır: “Dallanmış” moleküler yapı ve “Doğrusal”. En tanınmış markalar arasında Ticona Fortron® ve Chevron Phillips Ryton® bulunur. Dallanmış versiyon daha rijit olma eğilimindedir. Doğrusal versiyon genellikle daha iyi mekanik ve eğilme mukavemeti ile daha yüksek erime kararlılığı sunar. Doğrusal PPS ayrıca daha az iyonik safsızlık içerir1. Standart PPS'ye cam elyaf (yüzde 30 ve yüzde 40) ile cam elyaf/mineral karışımlarının eklenmesi, özel ve zorlu uygulamalara olanak tanır. Elektronik üreticileri, yalıtım ve konnektör ürünleri için yaygın olarak yüzde 40 cam elyaf dolgulu PPS'yi seçer. Tasarımcılar; saha performans özelliklerine, bağlantı-takım tasarımına ve birincil işlemeye göre dallanmış veya doğrusal, dolgulu veya dolgusuz seçimini dikkatle inceler. Ne yazık ki bu seçimlerin ikincil üretim operasyonları, özellikle de adhezyon ile birleştirme prosesleri üzerindeki etkisine normalde daha az önem verilir.

Birincil işleme

PPS'nin bu malzemeye ait belirtilen özelliklerine ulaşabilmesi için doğru işlenmesi kritiktir. PPS ürünleri higroskopik değildir ve bu nedenle naylonda (poliamitlerde) olduğu gibi boyutsal genleşme sorunları yaşamaz. Yine de parça kalıplamada kuru reçine kullanmak önemlidir. Nemin kendisi sorunludur. Yüksek nem seviyeleri boşluklar oluşturabilir; bu da parça performansını olumsuz etkileyebilir, yapışmayı etkileyebilir ve estetiği değiştirebilir. Kurutma ile işleme arasındaki süre mümkün olduğunca kısa olmalıdır. PPS, nem alıcı hazneli kurutucularda kurutulmalıdır. Sıcak hava fırınları önerilmez, ancak son derece dikkatli davranılırsa kullanılabilir. Bu tür fırınların önerilmemesinin nedenleri şunlardır: a) tepsiler çok yüksek doldurulursa (1-1,5 inçten fazla), tepsinin altındaki malzeme doğru kurutulamaz; b) fırında (farklı tepsilerde) aynı anda birkaç farklı malzeme kurutuluyorsa peletler kolayca alt tepsiye düşerek alt tepsideki malzemenin kirlenmesine neden olabilir2.

Tam kristalin bir hale ulaşmak için en az 275 ila 300 Fahrenheit derece kalıp sıcaklığı gerekir. PPS 275 Fahrenheit derecenin altında kalıplandığında parçalar amorf veya yarı kristalindir ve daha yüksek servis sıcaklıklarına (yapıştırıcıların ısıl kürlenmesi dahil) maruz kalana kadar bu halde kalır. Servis sıcaklığı kalıplama sıcaklığını aşarsa parçalar daha kristalin hale gelir; bu da boyutsal ve özellik değişikliklerine yol açar. Örneğin %40 cam elyaf dolgulu PPS'nin 264 psi (1,8 MPa) altındaki ısıl sapma sıcaklığı (HDT), kristalin olmayan halde kalıplandığında yalnızca 350 Fahrenheit derece iken kristalin halde >500 Fahrenheit dereceye (260 Santigrat derece) yükselir. Bu, tam kimyasal çapraz bağlanmayı sağlamak için gerekli en uygun yapıştırıcı kürleme sıcaklığının ve süresinin (fırındaki parça sayısının, toplam kütlenin bir fonksiyonu) hesaplanması açısından kritiktir. Ayrıca kalıp sıcaklığının yüzey görünümü üzerinde dramatik bir etkisi vardır. Yapıştırma prosesleri kalıplama operasyonlarından hemen sonra mümkün olan en kısa sürede yapılmalı veya parçalar polietilen olmayan poşetlere sıkıca paketlenmelidir.

Yüzey temizliği

PPS ürünlerinde yüzey temizliği ve plazma ön işlemi, yüksek mukavemetli bağlar elde etmenin kritik ön koşullarıdır. Yüzeyler kir, gres ve yağdan arındırılmış olmalıdır. Silikonlar, kalıp ayırıcı ve kaydırıcı ajanlar gibi düşük molekül ağırlıklı maddeler (LMWM) yapıştırmayı engeller. PPS yüzeylerini solvent ile temizlemek ve LMWM maddelerini gidermek için (şirket politikası ve eyalet yasalarına uygun olarak) aseton veya metil etil keton (MEK) önerilir. Ksilen, toluen ve alkol (IPA) gibi daha zayıf solventler yüzeydeki kiri gidermek için kullanılabilir, ancak hidrokarbon kirliliğini gidermez. Aşırı solvent kullanımından kaçının; çünkü giderilmemiş kimyasallardan oluşan zayıf sınır tabakaları oluşturarak yapıştırmayı engelleyen bir buğulanma birikimi bırakabilir. Her zaman doğru teknik uygulayın; tiftiksiz bezler kullanın ve pudrasız koruyucu eldivenler giyin. Solvent temizliği erişilebilir açık yüzeyler için etkilidir, ancak elektronik konnektör uygulamalarında bulunan küçük çaplı delikler gibi uzak ve izole alanlar için genellikle pratik değildir. Plazma işlem prosesleri, tüm yüzeyleri aynı anda temizlemek ve ön işlemek konusunda değişen derecelerde etkilidir.

Yüzey oksidasyonu ön işlemi

Ön işlemlerin neden gerekli olduğunu ve yapışma bağ mukavemetini nasıl iyileştirdiklerinin mekanizmalarını anlamak önemlidir. Birçok plastiğin yapıştırılmasının zor olmasının altında yatan nedenler; hidrofobik, polar olmayan malzemeler olmaları, kimyasal açıdan inert olmaları ve zayıf yüzey ıslanabilirliğine (yani düşük yüzey enerjisine) sahip olmalarıdır. Bu performans özellikleri tasarımcılar için idealdir, ancak bu malzemeleri yapıştırması gereken üreticiler için baş belasıdır. Genel kural olarak plastik altlığın yüzey enerjisi, sıvı yapıştırıcının, kaplamanın veya mürekkebin yüzey geriliminden yaklaşık 8-10 dyne/cm daha yüksek olduğunda kabul edilebilir yapışma elde edilir. Bu durumda sıvının yüzeyi “ıslattığı” veya yüzeye yapıştığı söylenir. Yüzey enerjisini ölçme yöntemlerinden biri olan “ıslatma”, ASTM D2578'e uygun kalibre dyne çözeltilerinin kullanılmasıdır.

İşlem görmemiş PPS'nin yüzey enerjisi yaklaşık 38 dyne/cm'dir (su ile hesaplanan temas açısı 80,3°). Uyumlu epoksi reçine yapıştırıcıların yüzey gerilimi 45-50 dyne/cm'dir. Bu nedenle hesaplanan işlem sonrası yüzey enerjisinin en az 48-54 dyne/cm aralığında olması gerekir. Bu durumda sıvının yüzeyi “ıslattığı” veya yüzeye yapıştığı söylenir. Pratikte PPS'nin en sağlam yapıştırılması yüzey enerjisi 60-70 dyne/cm olduğunda elde edilir. Bu daha yüksek plazma işlem düzeyinin ek bir faydası, ön işlem raf ömrünü iki yıla veya daha uzun süreye çıkarmasıdır. Bu durum diğer polimerlerde tipik değildir.

Polar olmayan hidrofobik yapısı nedeniyle PPS adhezyon ile birleştirme uygulamaları, yüzey enerjisini artırmak ve kimyasal fonksiyonellik sağlamak için genellikle solvent temizliğinden hemen sonra plazma yüzey ön işlemi gerektirir. PPS için yaygın ön işlemler arasında elektriksel korona deşarj, atmosferik üflemeli iyon, alev plazması ve RF soğuk gaz plazması (düşük basınçlı) bulunur. Bu prosesler, serbest elektronlar, pozitif iyonlar ve diğer türlerden oluşan son derece reaktif bir gaz olan “gaz plazması” üretme yetenekleriyle karakterize edilir. Kimyasal yüzey fonksiyonelleştirme de gerçekleşir3. Fizikte bu plazmaların oluşma mekanizmaları farklıdır, ancak yüzey ıslanabilirliği üzerindeki etkileri benzerdir. Her yöntem uygulamaya özgüdür ve avantajlara ve/veya sınırlamalara sahiptir4. Dikkate alınacak hususlar arasında parça geometrisi, malzeme taşıma otomasyonu ve altlığın iletken özellikleri bulunur. Siyah renkli PPS çeşitli nedenlerle yaygın olarak seçilir. Karbon siyahı değişen derecelerde iletkenliğe sahip olabileceğinden, işlem sırasında elektrik arkı oluşmadığından emin olmak için elektriksel ön işlem yöntemlerinin dikkatle değerlendirilmesi önemlidir. Ark oluşumu, elektronik bileşenler için gerekli olan yalıtım direnci malzeme özelliklerini bozabilir.

Klasik elektriksel korona deşarj; bir jeneratör ve yüksek gerilim kaynağına bağlı elektrot(lar), sıfır potansiyelli bir karşı elektrot ve bariyer olarak kullanılan bir dielektrik kullanılarak elde edilir. Yani yüksek frekanslı, yüksek gerilimli deşarj (yükseltici transformatör), toprak bağlantısı gerektiren iki nokta arasında 35+kV ve 20-25kHz'lik bir potansiyel fark yaratır. Özel elektrot konfigürasyonları, birçok farklı yüzey geometrisinin (düz, konturlu, gömme, izole vb.) işlenmesine olanak tanır. Özel bir uygulama örneği, pin ve küre elektrotların bir kombinasyonunun küçük çaplı 3D delikleri (= 0,0305 inç) ve birden çok düzlemdeki düz dış yüzeyleri eş zamanlı işlediği elektrik konnektörleri için bir korona deşarj işlem sistemidir, ABD Patenti US5051586 (1991). PPS askeri konnektörlerde ön işlem raf ömrü iki yılın üzerindedir. Elektriksel deşarjın sonucu olarak plazma bölgesinde ozon üretilir. Korona deşarjın neredeyse hiçbir temizleme yeteneği yoktur (bkz. 36. sayfadaki Şekil 1).

Atmosferik plazma veya elektriksel üflemeli iyon plazması (Odaklanmış Korona Plazması olarak da adlandırılır), bir elektrik jeneratörü ve yükseltici transformatörle beslenen tek bir dar nozul elektrot ve yüksek basınçlı hava kullanır; işlem kafası içinde yoğun, odaklanmış bir plazma oluşur ve dışarı doğru akar. Bu ön işlem prosesi altlıktaki kiri, kalıntıları ve bazı hidrokarbonları temizleyebilir, ancak silikonların ve kaydırıcı ajanların çoğunu temizleyemez. Yeni araştırmalar, yüzeyin ince dağlanmasının artan mekanik bağlanma için yeni topografyalar oluşturabileceğini göstermektedir. Ozon yan ürün değildir, ancak yanıltıcı biçimde benzer kokuya sahip olabilen azot oksitler (NOx) üretilir.

Alev plazma işlemi, havanın ve hidrokarbon gazının yanmasında (plazmayı oluşturmak için) bulunan yüksek reaktif türleri kullanır. Alev işlemi ekzotermik olsa da kimyasal fonksiyonelliği ve iyileştirilmiş yüzey ıslanmasını oluşturan ısı değildir. Alevleme, altlıktaki kiri, kalıntıları ve bazı hidrokarbonları temizler. Alevleme silikonları, kalıp ayırıcıları ve kaydırıcı ajanları gidermez. Yüzeyden itibaren 5-10 nm gibi nispeten daha sığ bir işlem derinliğine sahip olması nedeniyle alev işlemi, elektriksel ön işlemlere göre daha yüksek ıslanma, oksidasyon ve raf ömrü kazandırabilir. Ozon üretilmez. Alev işlemi brülörleri satın alınırken şerit ve delikli port karşılaştırılmalı ve sıfır dengeli regülatörlerin faydalarına bakılmalıdır.

“Düşük basınçlı soğuk gaz plazması” olarak da adlandırılan soğuk gaz plazması, atmosferik (hava) yüzey ön işlemi yöntemlerine kıyasla kapalı ve vakumlanmış bir hazne içinde gerçekleştirilir. Yaygın olarak endüstriyel kalitede yüzde 100 oksijen gazı (O2) kullanılır. Gaz, kısmi vakum altında hazneye verilir ve bir RF elektrik alanına maruz bırakılır. Plazma alanında, iç iletken elektrot alüminyum raflar veya kafesler üzerine yerleştirilmiş polimerlerle oluşan yüksek reaktif türlerin tepkimesi moleküler bağları kırar; bu da temizleme ve kimyasal/fiziksel modifikasyonlarla (mekanik bağlanmayı iyileştiren yüzey pürüzlülüğü artışı dahil) sonuçlanır. Soğuk gaz plazma proseslerinin önemli bir faydası hidrokarbonların giderilmesidir; böylece solvent temizliği ortadan kalkar. Atmosferik ön işlemler tüm poliaromatik hidrokarbonları gidermez/temizlemez; bu nedenle (ön işlemden önce) solvent temizliği gerekebilir.

Yapıştırıcılar ve kürleme

Her yapıştırıcı ile birleştirme uygulamasında en uygun bağlantı tasarımı kritiktir. Yapıştırılmış bağlantılar çoğu zaman bir arada olmak üzere çekme, basma, kayma, soyulma veya ayrılma kuvvetlerine maruz kalabilir. Birçok PPS uygulaması için iki bileşenli, ısıyla kürlenen yapısal epoksi yapıştırıcılar idealdir. En uygun kayma ve çekme mukavemeti özellikleri için düzgün ve ince yapıştırma hattı kalınlığı (0,002 ila 0,007 inç) tercih edilir. Ayrıca hava boşluğu konsantrasyonu daha düşüktür. Mümkün olduğunda, özellikle desteksiz bağlantılarda, yapıştırıcı kürlenirken/soğurken altlıklar sıkıştırılmalıdır.

Cam elyaf dolgulu PPS uygulamalarında kristalin haldeki ısıl sapma sıcaklığı >500 Fahrenheit derecedir. Bu nedenle fırın kürleme sıcaklığı güvenle 300 ile 350 Fahrenheit derece arasında olabilir. Bunun, fırın ayar noktasından farklı olabilen, kürleme sırasında parçaların ulaştığı sıcaklık olduğunu belirtmek önemlidir. Parçaların üst üste istiflenmesinden kaçının. Parçalar, yapıştırıcının tam çapraz bağlanmasını sağlamak için tamamen kürlenene kadar bu sıcaklıkta kalmalıdır. Yetersiz kürleme (sıcaklık/süre), yapışma hatasıyla sonuçlanan en yaygın sorunlardan biridir. Tanım gereği “yapışma hatası”, yapıştırıcı ile yapışan yüzey (altlık) arasındaki ara yüzeyde meydana gelir. Görsel olarak, artık yapıştırıcı yalnızca bir yüzeyin herhangi bir yerinde kalır, ikinci altlık yüzeyinde kalmaz.

Solvent temizliği ve plazma ön işlemine ek olarak kalıptan gelen dokulu yüzey, mekanik kilitlenme yapışmasını artırır. Doku, kalıp takımı içinde veya Scotch-Brite ped kullanılarak elle oluşturulabilir. Örneğin NTMA kalıp boşluğu yüzeyi “40-Elmas parlatma 1200 grit”, “10-İnce elmas 8000 grit” (0-3 mikron aralığı) yüzeyine kıyasla büyük olasılıkla bağ mukavemetini artıracaktır. Hafif dokulu yüzeyler bile faydalıdır. Konnektör ürünleri ve diğer gömme delik uygulamalarında kalıptaki dağlanmış maça pimleri son derece etkilidir.

Özetle, PPS'nin (yüzde 30-40 cam elyaf dolgulu) ve ısıyla kürlenen epoksi yapıştırıcıların yüksek mukavemetli adhezyon ile birleştirilmesi için aşağıdakileri öneriyorum:

• PPS reçinesinin kalıplamadan önce doğru kurutulduğundan ve 275 ila 300 Fahrenheit derecede işlendiğinden emin olun
• Yapıştırma proseslerini kalıplamadan sonra mümkün olan en kısa sürede gerçekleştirin
• Parça yüzeylerini solvent ile temizleyin
• Yüzey ıslanmasını ve kimyasal fonksiyonelliği artırmak için plazma ön işlemi kullanın
• Düzgün ve ince bir yapıştırıcı hattı uygulayın
• 300 ila 350 Fahrenheit derecede fırında kürleyin

Ürün yüzeyleri dokulandırılırsa ek faydalar sağlanır. Aşırı işlem uygulandığında plazma ile oksitlenmiş yüzeylerin, zayıf ısıl yapıştırma/kaynak gibi sonraki montaj proseslerini olumsuz etkileyebileceğini göz önünde bulundurun. Plazma ile işlem görmüş yüzeyler, sıcaklık ve nem dahil çevresel etkenlere göre farklı hızlarda ve farklı ölçülerde yaşlanır.

PPS ürünlerinin sağlam yapıştırıcı ile birleştirilmesi, tasarımı, malzeme özelliklerini ve birincil ile ikincil operasyonları kapsayan bir toplam çözüm sistemi yaklaşımını gerektirir. Plazma oksidasyonu birçok yapışma sorununu çözer, ancak en iyi yöntemin seçimi ekipman üreticileri dahil birçok etkene bağlıdır. Kimyasal, mekanik veya plazma ön işlemleri, yapıştırma sonuçlarını iyileştirmek ve proses değişkenliğini en aza indirmek için birleştirilebilir.

Kaynaklar

• “Designing with Plastics”, E-Publication, International Association of Plastics Distribution magazine, Dec. 2003.
• “Fortron® PPS Processing and Troubleshooting Guide”, Ticona Polymers, 1999.
• Mark Strobel, Christopher Lyons, 3M Company, 3M Center, 1995.
• Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc., “Surface Wetting & Pretreatment Methods,” Plastics Decorating, 2002.

Scott R. Sabreen, yüzey ön işlemleri, yapıştırma, dekorasyon ve yüzey işleme, lazer markalama ve ürün güvenliği gibi plastik ikincil işleme proseslerinde uzmanlaşmış bir mühendislik danışmanlığı şirketi olan The Sabreen Group, Inc.'in kurucusu ve başkanıdır. Sabreen, 30 yılı aşkın süredir yeni teknolojiler geliştirmekte ve üretim sorunlarını çözmektedir. Kendisine 972.820.6777 numaralı telefondan ya da sabreen.com veya plasticslasermarking.com adreslerini ziyaret ederek ulaşabilirsiniz.

---