Plastik yapışma sorunlarını çözmenin bilimi: temas açıları – yüzey ıslanması – kimyasal aktivasyon

Plastik yapışma sorunlarını çözmenin bilimi: temas açıları – yüzey ıslanması – kimyasal aktivasyon

Temel çıkarımlar

• Yapıştırma yalnızca yapıştırıcılarla ilgili değildir. Aynı bilim mürekkepleri, boyaları, kaplamaları, kapsülleme malzemelerini, döküm bileşiklerini ve metalizasyonu da yönetir.
• Plastiklerin yapıştırılmasını zorlaştıran dört özellik vardır: hidrofobik olmaları, düşük yüzey enerjisi, polar olmayan ve inert yapı ile zayıf yüzey kimyasal fonksiyonelliği.
• Yalnızca statik temas açısı yanıltıcıdır. Üretim statik değil dinamiktir; bu nedenle dinamik temas açıları daha önemlidir.
• İlerleyen ve gerileyen açılar farklı şeyleri ölçer: ilerleyen açı değiştirilmemiş yüzeyi, gerileyen açı ise ön işlem görmüş yüzeyi yansıtır.
• Islanma sorunun yalnızca yarısıdır. Yalnızca yüzey enerjisini yükseltmek yetmez; kimyasal yüzey fonksiyonelliği oluşturulmalıdır.

Polimerik adhezyon ile birleştirme sorunları plastik sektörünün her yerinde yaygındır. İki ve üç boyutlu ürünler çoğu zaman plastikten plastiğe, plastikten metale, plastikten kompozite, optomekanik ve daha fazla yapıştırmayı içerir. Adhezyon ile birleştirme uygulamaları yapıştırıcılarla (epoksiler, üretanlar, akrilikler, silikonlar vb.) sınırlı değildir; baskı mürekkeplerinin, boyaların ve kaplamaların, kapsülleme malzemelerinin, döküm bileşiklerinin, metalizasyonun ve daha fazlasının yapışmasını da kapsar.

Plastik altlıkların yapıştırılması zordur; çünkü hidrofobik (doğal olarak ıslanabilir olmayan) malzemelerdir, zayıf yüzey ıslanabilirliğine (yani düşük yüzey enerjisine) sahiptir, polar olmayan ve inert yapılardır ve zayıf yüzey kimyasal fonksiyonelliğine sahiptir. Bu makale, güçlü yapışma bağ mukavemeti elde etmeye yönelik temas açıları, yüzey ıslanması ve kimyasal aktivasyonun temel bilimini ele alır.

Sık sorulan sorular

Temas açısı nedir ve neden önemlidir?

Bir sıvı damlasının katı yüzeyle buluştuğu noktadaki teğet çizgisi ile bu yüzeyin yatay çizgisi arasında oluşan açıdır. Bunu ve temsil ettiği katı ile sıvı arasındaki fiziksel etkileşimi anlamak, yüzey ıslanabilirliğinin yapıştırma için yeterli olup olmadığını size söyler.

Neden statik değil dinamik temas açıları ölçülmelidir?

Çünkü endüstriyel üretim statik değil, dinamiktir. Yalnızca statik temas açısının test edilmesi, sıvı/katı ara yüzünün ve yapıştırma sorununun kendisinin yanlış yorumlanmasına yol açabilir.

İlerleyen ve gerileyen temas açıları arasındaki fark nedir?

İlerleyen açı yüzeyin düşük enerjili, değiştirilmemiş bileşenlerine en duyarlı olanıdır; gerileyen açı ise ön işlemle getirilen yüksek enerjili oksitlenmiş gruplara daha duyarlıdır. Bu da gerileyen açıyı, işlem görmüş bir yüzeyde daha anlamlı ölçüm yapar.

Yüzey enerjisini yükseltmek bir yapıştırma sorununu çözmeye yeter mi?

Hayır. Temas açısı ölçümlerine tek belirleyici olarak odaklanma yönünde güçlü bir eğilim vardır; ancak kimyasal yüzey fonksiyonelliği de aynı ölçüde önemlidir: hidrofobik yüzeylerin gaz fazlı oksidasyon yoluyla yapıştırılabilir hidrofilik yüzeylere aktif olarak dönüştürülmesi gerekir.

Bu bilim hangi yapıştırma uygulamalarını kapsar?

Epoksiler, üretanlar, akrilikler ve silikonlar gibi yapıştırıcılardan çok daha fazlasını. Plastikten plastiğe, plastikten metale, plastikten kompozite ve optomekanik montajlarda baskı mürekkepleri, boyalar ve kaplamalar, kapsülleme malzemeleri, döküm bileşikleri ve metalizasyon için de aynı şekilde geçerlidir.

Temas açısı

Düz bir katı yüzey üzerinde dinlenme halinde (denge durumu) tek bir sıvı damlacığı düşünün. Kesit görünümü aşağıda gösterilmektedir (Şekil 1). Katı yüzey ile uç noktada üst yüzeye çizilen teğet çizgisi arasında oluşan açıya temas açısı denir. Temas açısı, temas noktasındaki teğet çizgisi ile katı yüzeyin yatay çizgisi arasındaki açıdır. Temas açısını ve katılar ile sıvılar arasındaki etkileşimin fiziksel özelliklerini anlamak, en uygun adhezyon ile birleştirme yüzey ıslanabilirliği koşullarını belirlemede değerli bilgiler sağlar.

Kabarcık/damlacık şekli, tüm sıvıların yüzeyi büzerek içerdikleri hacmi en az yüzey alanına sahip bir şekle getirme eğiliminde olduğu moleküler kuvvetlerden kaynaklanır. Yüzeyi büzen moleküller arası kuvvetlere yüzey gerilimi denir. Yüzey enerjisinin bir ölçüsü olan ve “dyne/cm” (veya SI birimlerinde mN/m) olarak ifade edilen yüzey gerilimi, tüm sıvıların (moleküler kuvvetler nedeniyle) yüzeyi büzerek içerdikleri hacmi en az yüzey alanına sahip biçime getirme eğiliminde olduğu özelliktir.

Katı altlığın yüzey enerjisi, sıvının (su, baskı mürekkepleri, yapıştırıcılar/kapsülleme malzemeleri, kaplamalar vb.) yüzey gerilimine göre ne kadar yüksekse, “ıslanabilirliği” o kadar iyi ve temas açısı o kadar küçük olur. Genel kural olarak bir altlığın yüzey enerjisi (dyne/cm cinsinden) sıvının yüzey geriliminden yaklaşık 8-10 dyne/cm daha yüksek olduğunda kabul edilebilir yapıştırma adhezyonu elde edilir (Şekil 2).

Yüzey ıslanması testi, temas açısının ölçülmesini içerir. Bir sıvı altlığı (yani polimerik ürünü) tamamen ıslatmadığında bir temas açısı oluşur. Temas açısı, bir katının bir sıvı tarafından ıslanmasının nicel bir ölçüsüdür. Katılan fazlar (gaz/sıvı/katı veya sıvı/sıvı/katı) arasında gerçekleşen etkileşimlerin doğrudan bir ölçüsüdür. Damlanın şekli ve temas açısının büyüklüğü, katılan her fazın (gaz, sıvı ve katı) ara yüzey geriliminin üç etkileşim kuvveti tarafından kontrol edilir.

Birçok uygulama için yalnızca ASTM D2578 gibi belgelenmiş bir test prosedürüne uygun olarak dyne çözeltileri kullanılarak statik denge temas açısını incelemek yeterli olabilir. Uygulama kitleri veya “dyne kalemleri/çözeltileri” yararlı bilgiler sağlar, ancak yüzey geriliminin kesin ölçümleri değildir. Yüzey gerilimi ölçümleri kişiye (tekniğe) ve “merkez” sıvı davranışının yorumlanmasına bağlı olarak önemli ölçüde değişebilir. Dyne kalemlerinin/çözeltilerinin, yüzey gerilimindeki önemli farkların yön göstergeleri olduğu ve “iyi” ile “kötü” yapıştırılabilir yüzeyleri ekonomik fiyatla belirleyebildiği bilinir.

Dinamik temas açıları (DCA)

Sıvı davranışının yalnızca statik temas açısıyla test edilmesi, sıvı/katı ara yüz sonuçlarının yanlış yorumlanmasına ve yapıştırma sorunlarının çözümüne yol açabilir. Bunun nedeni, endüstriyel üretim operasyonlarının daha gerçekçi olarak statik değil dinamik koşullar olmasıdır. Bu nedenle dinamik temas açılarını (DCA) anlamak en önemli konudur.

Temas açılarının genellikle hem yüzey kimyasındaki hem de yüzey topografyasındaki değişikliklerden etkilendiği kabul edilir. İlerleyen temas açısı, altlık yüzeyinin düşük enerjili (değiştirilmemiş) bileşenlerine en duyarlı olanıdır; gerileyen açı ise yüzey ön işlemleriyle getirilen yüksek enerjili, oksitlenmiş gruplara daha duyarlıdır. Bu nedenle gerileyen açı, dyne çözeltileri kullanılarak ölçüldüğünde, aslında ön işlemlerden sonra yüzeyin değiştirilmiş bileşenini en iyi karakterize eden ölçümdür. Dolayısıyla yüzeyi modifiye edilmiş tüm malzemelerde hem ilerleyen hem de gerileyen temas açılarını ölçmek önemlidir1 (Şekil 3).

Bir damla katı yüzeye tutunmuşken yüzey eğildiğinde damla öne doğru atılır ve aşağı kayar. Oluşan açılar sırasıyla İlerleyen Açı (θa) ve Gerileyen Açı (θr) olarak adlandırılır. ASTM D724, damla şekli analizi ve kütleye dayalı olarak ilerleyen ve gerileyen temas açılarını analiz etmek için gelişmiş ekipman (optik tansiyometreler ve goniyometreler) kullanan DCA ölçüm yöntemlerini tanımlar.

Kimyasal yüzey aktivasyonu

Üreticilerin, yapıştırma sorunları için tek belirleyici olarak ve rutin yüzey testleri yaparken yalnızca temas açısı ölçümlerine odaklanma yönünde güçlü bir eğilimi vardır. Hidrofobik yüzeylerin yapıştırılabilir hidrofilik yüzeylere aktive edildiği kimyasal yüzey fonksiyonelliği de aynı ölçüde önemlidir. Kimyasal yüzey aktivasyonu için gaz fazlı, “akkor deşarj” ve yüzey oksidasyonu ön işlem prosesleri kullanılır.

Gaz fazlı yüzey oksidasyonu proses yöntemleri arasında elektriksel korona deşarj, alev işlemi, soğuk gaz plazması ve ultraviyole ışınlama bulunur. Her yöntem uygulamaya özgüdür ve kendine özgü avantajlara ve olası sınırlamalara sahiptir.

Plazmada oluşan serbest elektronlar, iyonlar, yarı kararlı türler, radikaller ve UV'de gerçekleşen temel kimyasal ve fiziksel reaksiyon, çoğu polimerik altlığın yüzeyindeki moleküler bağları kırmaya yetecek enerjilerle yüzeye etki edebilir. Bu, polimer yüzeyinde çok reaktif serbest radikaller oluşturur; bunlar da altlık yüzeyinde çapraz bağlanma yapabilir veya oksijen varlığında hızla tepkimeye girerek çeşitli kimyasal fonksiyonel gruplar oluşturabilir. Oluşabilen ve yapıştırılabilirliği artıran polar fonksiyonel gruplar arasında karbonil (C=O), karboksil (HOOC), hidroperoksit (HOO-) ve hidroksil (HO-) grupları bulunur. Polimerlere eklenen az miktardaki reaktif fonksiyonel gruplar bile yüzey kimyasal fonksiyonelliğini ve ıslanabilirliği iyileştirmek için son derece yararlı olabilir. Ayrıca kimyasal astarlar (primerler)/solventler ve mekanik aşındırma (kalıp takımı dokusu dahil) tek başına veya gaz fazlı ön işlemlerle birlikte kullanılabilir.2

Polimerik yapıştırma sorunları yaygındır ve yalnızca yapıştırıcılarla sınırlı değildir. Yapıştırma hatasına bağlı olarak zayıf ürün saha performansı, hurda/yeniden işleme, üretim verimsizlikleri ve artan kalite kontrol muayenesi dahil önemli maliyet sonuçları vardır. Temas açılarının, yüzey ıslanmasının ve kimyasal aktivasyonun temel bilimi anlaşıldığında, yapıştırılması en zor polimerik ve elastomerik malzemeler kullanıldığında bile hemen her yapıştırma sorunu başarıyla çözülebilir.

Kaynaklar

• Mark Strobel, Christopher Lyons, 3M Company, 3M Center, 1995
• Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc., “Surface Wetting Pretreatment Methods,” Plastics Decorating Magazine, 2002
• Teşekkür: Enercon Industries Corporation – fotoğraflar

Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc.'in kurucusu ve başkanıdır. The Sabreen Group, yüzey ön işlemleri, adhezyon ile birleştirme, dekorasyon ve yüzey işleme, lazer markalama ve ürün güvenliği gibi plastik ikincil işleme proseslerinde uzmanlaşmış küresel bir mühendislik danışmanlığı şirketidir. Daha fazla bilgi için (888) SABREEN numaralı telefonu arayın veya www.sabreen.com ya da www.plasticslasermarking.com adreslerini ziyaret edin.

---