طرق الربط بالالتصاق لكبريتيد البولي فينيلين

طرق الربط بالالتصاق لكبريتيد البولي فينيلين

كبريتيد البولي فينيلين (PPS) لدائن حرارية هندسية شبه متبلورة تتحمل درجات الحرارة العالية. ويُعرف PPS في القطاع بأنه البلاستيك الذي يؤدي أداء المعدن. ويُعد بلا مبالغة من أصعب البوليمرات في لصقه بنفسه أو بمواد مختلفة مثل الألومنيوم والتيتانيوم. ويتطلب نجاح لصق PPS فهم خصائصه الكيميائية والفيزيائية، مما يجعل معاملات درجات الراتنج مختلفة وحاسمة لكل تطبيق. وتعرض هذه الورقة تقنيات مجرّبة ميدانيًا من دراسات حالة لتحقيق ربط عالي المتانة بالالتصاق.

أبرز النقاط

• يبلغ PPS غير المعالج نحو 38 داين/سم، أي أقل بكثير من التوتر السطحي للإيبوكسيات المتوافقة البالغ 45–50 داين/سم.
• استهدفوا 60–70 داين/سم بعد المعالجة. فعندها تتحقق أمتن الوصلات ويمتد العمر التخزيني إلى عامين أو أكثر.
• قولبوا عند 275–300°F. وما دون ذلك يبقى PPS غير متبلور ثم يتبلور لاحقًا أثناء الخدمة، مما يغيّر الأبعاد والخصائص.
• نظّفوا بالمذيب باستخدام الأسيتون أو MEK. فالكحول والزيلين والتولوين تزيل الأوساخ لا التلوث الهيدروكربوني.
• عالجوا الإيبوكسي عند 300–350°F مقيسة عند القطعة لا عند نقطة ضبط الفرن، وأبقوا سماكة خط اللصق عند 0.002–0.007 بوصة.

الأسئلة الشائعة

لماذا يصعب لصق PPS إلى هذا الحد؟

PPS خامل كيميائيًا ومنخفض طاقة السطح، وله أوسع مقاومة للتآكل بين لدائن الهندسة المتقدمة. والخمول نفسه الذي يمنحه قيمته يعني أن المواد اللاصقة لا تستطيع تبلل سطحه. ويقيس PPS غير المعالج نحو 38 داين/سم مقابل زاوية تماس مع الماء تبلغ نحو 80.3°.

ما طاقة السطح التي ينبغي أن يبلغها PPS بعد المعالجة الأولية؟

48–54 داين/سم على الأقل لتجاوز التوتر السطحي للمواد اللاصقة الإيبوكسية المتوافقة البالغ 45–50 داين/سم. وعمليًا تتحقق أمتن وصلات عند 60–70 داين/سم، ويمدد مستوى المعالجة الأعلى هذا العمر التخزيني للمعالجة الأولية إلى عامين أو أكثر، وهو أمر غير معتاد بين البوليمرات.

هل تؤثر درجة حرارة القالب في اللصق؟

بدرجة كبيرة. فيجب قولبة PPS عند 275 إلى 300°F لبلوغ حالة تبلور كاملة. وإذا قُولب عند حرارة أقل يبقى غير متبلور ويتبلور عندما تتجاوز حرارة الخدمة، بما فيها حرارة معالجة المادة اللاصقة، حرارة القولبة، مما يسبب تغيرات في الأبعاد والخصائص. وترتفع درجة حرارة الانحراف الحراري لـ PPS المحمّل بنسبة 40% ألياف زجاجية من 350°F في الحالة غير المتبلورة إلى أكثر من 500°F في الحالة المتبلورة.

أي مذيب ينبغي استخدامه لتنظيف PPS؟

الأسيتون أو ميثيل إيثيل كيتون، مع مراعاة سياسة الشركة وقانون الولاية، لإزالة المواد منخفضة الوزن الجزيئي مثل السيليكونات ومواد تحرير القالب ومواد منع الانزلاق. وتجنبوا الإفراط في المذيب لأنه يترك طبقات حدودية ضعيفة وضبابية تعيق اللصق.

هل تساعد نسيجة السطح في لصق PPS؟

نعم. فالنسيجة تُنشئ تعشيقًا ميكانيكيًا. وعادةً يتفوق تشطيب القالب مثل NTMA «40 — مصقول بالألماس بدرجة 1200» على «10 — ألماس ناعم بدرجة 8000». وفي الموصلات والثقوب الغائرة تكون دبابيس القلب المحفورة في القالب فعالة جدًا.

خصائص PPS

تعتمد خصائص PPS، شأنه شأن لدائن الأداء العالي الأخرى في درجات الحرارة المرتفعة ومنها PEEK وLCP، على سلوك التبلور. فـ PPS خامل كيميائيًا ومنخفض طاقة السطح، ويوفر أوسع مقاومة للمواد المسببة للتآكل بين لدائن الهندسة المتقدمة. ويُستخدم في آلاف التطبيقات في قطاعات السيارات والطيران والفضاء والطب والصناعة التي تحتاج إلى قطع مقاومة للحرارة العالية والمذيبات ومعزولة كهربائيًا. وPPS مثبط للهب بطبيعته، مما يجعله مادة مثالية للهياكل الجوية ومكونات ناقل الحركة تحت غطاء المحرك وأنظمة الوقود وريش مضخات المياه وغيرها. ورغم أن هذه الخصائص مثالية للأداء، فإن ضعف قابلية التبلل السطحي هو تحدي اللصق أمام المصنّعين.

يُباع PPS بشكلين متمايزين: بنية جزيئية «متفرعة» وأخرى «خطية». ومن أشهر العلامات التجارية Ticona Fortron® وChevron Phillips Ryton®. وتميل النسخة المتفرعة إلى أن تكون أكثر صلابة، بينما تتيح الخطية عادةً متانة ميكانيكية وانثنائية أفضل وثباتًا أعلى في حالة الانصهار. كما أن PPS الخطي يحتوي شوائب أيونية أقل.1 وتتيح الألياف الزجاجية (بنسبة 30% و40%) وخلائط الألياف الزجاجية/المعادن المضافة إلى PPS القياسي تطبيقات متخصصة وصعبة. ويختار مصنّعو الإلكترونيات عادةً PPS المحمّل بنسبة 40% ألياف زجاجية لمنتجات العزل والموصلات. ويدرس المصممون بعناية اختيار المتفرع أو الخطي، والمحمّل أو غير المحمّل، بالنسبة إلى خصائص الأداء الميداني وتصميم الوصلة والأداة والمعالجة الأولية. ومن المؤسف أنه لا يُعطى عادةً اهتمام كافٍ لتأثير هذه الاختيارات في عمليات التصنيع الثانوية، وتحديدًا عمليات الربط بالالتصاق.

المعالجة الأولية

تُعد المعالجة السليمة لـ PPS ضرورية لتحقيق الخصائص المعلنة لهذه المادة. فمنتجات PPS غير استرطابية، ولذلك لا تعاني مشكلات التمدد البُعدي كالنايلون (البولي أميدات). ومع ذلك من المهم استخدام راتنج جاف عند قولبة القطع، فالرطوبة بحد ذاتها مشكلة. وقد تسبب مستويات الرطوبة العالية فراغات تؤثر سلبًا في أداء القطعة والتصاقها ومظهرها. ويجب أن تكون المدة بين التجفيف والمعالجة أقصر ما يمكن. ويجب تجفيف PPS في مجففات قادوس مزيلة للرطوبة. ولا يُنصح بأفران الهواء الساخن، مع أنه يمكن استخدامها بحذر شديد. وأسباب عدم التوصية بها: أ) إذا مُلئت الصواني بارتفاع كبير (أكثر من 1-1.5 بوصة) لا تُجفف المادة في أسفل الصينية جيدًا؛ ب) إذا جُففت عدة أنواع مختلفة من المواد في الفرن (على صوانٍ مختلفة) في الوقت نفسه، فقد تسقط الحبيبات بسهولة على صينية أدنى مما يلوّث المادة عليها.2

ولبلوغ حالة تبلور كاملة يلزم أن تكون درجة حرارة القالب 275 إلى 300 درجة فهرنهايت على الأقل. وعند قولبة PPS دون 275 درجة فهرنهايت تكون القطع المقولبة غير متبلورة أو شبه متبلورة وتبقى كذلك إلى أن تتعرض لدرجات حرارة خدمة أعلى (بما في ذلك المعالجة الحرارية للمواد اللاصقة). وإذا تجاوزت درجة حرارة الخدمة درجة حرارة القولبة تزداد القطع تبلورًا، مما يؤدي إلى تغيرات في الأبعاد والخصائص. فعلى سبيل المثال، درجة حرارة الانحراف الحراري (HDT) عند 264 psi (1.8 MPa) لـ PPS المحمّل بنسبة 40% ألياف زجاجية والمقولب في حالة غير متبلورة لا تتجاوز 350 درجة فهرنهايت، لكنها ترتفع إلى أكثر من 500 درجة فهرنهايت (260 درجة مئوية) في الحالة المتبلورة. وهذا أمر حاسم لحساب درجة حرارة معالجة المادة اللاصقة المثلى وزمنها (بحسب عدد القطع في الفرن والكتلة الإجمالية) اللازمين لتحقيق التشابك الكيميائي الكامل. كما أن لدرجة حرارة القالب تأثيرًا كبيرًا في مظهر السطح. ويجب إجراء عمليات اللصق في أسرع وقت ممكن بعد عمليات القولبة، أو تعبئة القطع بإحكام في أكياس غير بولي إيثيلينية.

تنظيف السطح

في منتجات PPS تُعد نظافة السطح والمعالجة الأولية بالبلازما شرطين مسبقين حاسمين لتحقيق وصلات عالية المتانة. ويجب أن تكون الأسطح خالية من الأتربة والشحوم والزيوت. وتعيق المواد منخفضة الوزن الجزيئي (LMWM) مثل السيليكونات ومواد تحرير القالب ومواد منع الانزلاق اللصق. ولتنظيف أسطح PPS بالمذيب وإزالة مواد LMWM (وفق سياسة الشركة وقانون الولاية) يُقترح استخدام الأسيتون أو ميثيل إيثيل كيتون (MEK). ويمكن استخدام مذيبات أضعف مثل الزيلين والتولوين والكحول (IPA) لإزالة الأوساخ السطحية لا التلوث الهيدروكربوني. وتجنبوا الإفراط في المذيب لأنه قد يُنشئ طبقات حدودية ضعيفة من مواد كيميائية لم تُزل، تاركًا ضبابية تعيق اللصق. واستخدموا التقنية السليمة دائمًا، بما في ذلك الأقمشة الخالية من الوبر وارتداء قفازات واقية خالية من البودرة. والتنظيف بالمذيب فعال للأسطح المكشوفة التي يمكن الوصول إليها، لكنه غير عملي عمومًا للمناطق البعيدة المعزولة مثل الثقوب صغيرة القطر في تطبيقات الموصلات الإلكترونية. وتتفاوت فعالية عمليات المعالجة بالبلازما في تنظيف جميع الأسطح ومعالجتها أوليًا في آنٍ واحد.

المعالجة الأولية بالأكسدة السطحية

من المهم فهم سبب الحاجة إلى المعالجات الأولية وآليات تحسينها لقوة الربط بالالتصاق. والسبب الكامن وراء صعوبة لصق كثير من البلاستيك أنها مواد كارهة للماء وغير قطبية وخاملة كيميائيًا وضعيفة قابلية التبلل السطحي (أي منخفضة طاقة السطح). ورغم أن خصائص الأداء هذه مثالية للمصممين، فإنها العدو اللدود للمصنّعين الذين يحتاجون إلى لصق هذه المواد. وكقاعدة عامة يتحقق التصاق مقبول عندما تزيد طاقة سطح ركيزة البلاستيك بنحو 8-10 داين/سم على التوتر السطحي للمادة اللاصقة السائلة أو الطلاء أو الحبر. وفي هذه الحالة يقال إن السائل «يبلّل» السطح أو يلتصق به. ومن طرق قياس طاقة السطح و«التبلل» استخدام محاليل الداين المعايرة وفق ASTM D2578.

تبلغ طاقة سطح PPS غير المعالج نحو 38 داين/سم (وزاوية التماس المحسوبة مع الماء 80.3°). ويبلغ التوتر السطحي لمواد لصق راتنج الإيبوكسي المتوافقة 45-50 داين/سم. ولذلك يجب أن تكون طاقة السطح المحسوبة بعد المعالجة ضمن نطاق 48-54 داين/سم على الأقل. وفي هذه الحالة يقال إن السائل «يبلّل» السطح أو يلتصق به. وعمليًا تتحقق أمتن وصلات PPS عندما تكون طاقة السطح 60-70 داين/سم. ولمستوى المعالجة بالبلازما الأعلى هذا فائدة إضافية هي تمديد العمر التخزيني للمعالجة الأولية إلى عامين أو أكثر، وهذا ليس معتادًا مع البوليمرات الأخرى.

بسبب طبيعة PPS غير القطبية الكارهة للماء، تتطلب تطبيقات الربط بالالتصاق له عادةً معالجة أولية للسطح بالبلازما مباشرة بعد التنظيف بالمذيب لرفع طاقة السطح وإضفاء الوظائف الكيميائية. ومن المعالجات الأولية الشائعة لـ PPS تفريغ الكورونا الكهربائي، والأيونات المنفوخة الجوية، وبلازما اللهب، والغاز البارد بالترددات الراديوية (منخفض الضغط). وتتميز هذه العمليات بقدرتها على توليد «بلازما غازية»، وهي غاز شديد التفاعل يتكون من إلكترونات حرة وأيونات موجبة وأنواع أخرى. كما يحدث إضفاء وظائف كيميائية على السطح.3 وفي علم الفيزياء تختلف الآليات التي تتولد بها هذه البلازما، لكن تأثيراتها في قابلية تبلل السطح متشابهة. ولكل طريقة تطبيقاتها الخاصة ومزاياها و/أو قيودها.4 ومن الاعتبارات هندسة القطعة وأتمتة مناولة المواد والخصائص الموصلة للركيزة. ويُختار PPS الأسود عادةً لأسباب متنوعة. ولأن أسود الكربون قد تتفاوت درجات موصليته، فمن المهم تقييم طرق المعالجة الأولية الكهربائية بعناية لضمان عدم حدوث تقوس كهربائي أثناء المعالجة. فقد يُضعف التقوس خصائص مقاومة العزل التي تُعد أساسية للمكونات الإلكترونية.

يُحصل على تفريغ الكورونا الكهربائي الكلاسيكي باستخدام مولد وقطب (أو أقطاب) موصول بمصدر جهد عالٍ، وقطب مقابل عند جهد صفري، ومادة عازلة تعمل حاجزًا. أي أن تفريغًا عالي التردد وعالي الجهد (بمحول رافع) يُنشئ فرق جهد بين نقطتين يتطلب أرضيًا بجهد 35+kV وتردد 20-25kHz. وتتيح تشكيلات الأقطاب المخصصة معالجة هندسات أسطح متنوعة كثيرة: المسطحة والمنحنية والغائرة والمعزولة وغيرها. ومن أمثلة التطبيقات المتخصصة نظام معالجة بتفريغ الكورونا للموصلات الكهربائية يعالج فيه مزيج من أقطاب دبوسية وكروية في آنٍ واحد ثقوبًا ثلاثية الأبعاد صغيرة القطر (= 0.0305?) وأسطحًا خارجية مسطحة في مستويات متعددة، براءة الاختراع الأمريكية US5051586 (1991). وفي موصلات PPS العسكرية يتجاوز العمر التخزيني للمعالجة الأولية عامين. ويتولد الأوزون في منطقة البلازما نتيجة التفريغ الكهربائي. وتفريغ الكورونا عديم القدرة على التنظيف تقريبًا (انظروا الشكل 1 في الصفحة 36).

تستخدم البلازما الجوية أو بلازما الأيونات المنفوخة الكهربائية (وتُسمى أيضًا بلازما الكورونا المركَّزة) قطب فوهة ضيقة واحدًا، يعمل بمولد كهربائي ومحول رافع وهواء عالي الضغط، وتتولد فيه بلازما مركزة شديدة داخل رأس المعالجة وتتدفق إلى الخارج. وتستطيع هذه المعالجة الأولية تنظيف الأتربة والحطام وبعض الهيدروكربونات من الركيزة، لكنها لا تنظف معظم السيليكونات ومواد منع الانزلاق. وتشير أبحاث جديدة إلى أن الحفر الدقيق للسطح قد ينشئ طبوغرافيات جديدة تزيد الربط الميكانيكي. ولا يكون الأوزون ناتجًا ثانويًا، لكن تتولد أكاسيد النيتروجين (NOx) التي قد تكون رائحتها مشابهة بشكل مضلل.

تستخدم المعالجة ببلازما اللهب الأنواع شديدة التفاعل الموجودة في احتراق الهواء وغاز الهيدروكربون (لتكوين البلازما). ورغم أن المعالجة باللهب طاردة للحرارة، فإن الحرارة لا تُنشئ الوظائف الكيميائية ولا تحسّن تبلل السطح. ويزيل اللهب الأتربة والحطام وبعض الهيدروكربونات من الركيزة، لكنه لا يزيل السيليكونات ومواد تحرير القالب ومواد منع الانزلاق. وقد تمنح المعالجة باللهب تبللًا وأكسدة وعمرًا تخزينيًا أعلى من المعالجات الكهربائية بسبب عمق المعالجة الأقل نسبيًا من السطح، أي 5-10nm. ولا يتولد الأوزون. وعند شراء شعلات المعالجة باللهب قارنوا بين المنفذ الشريطي والمنفذ المثقوب ومزايا منظمات الضغط المتوازنة عند الصفر.

تُجرى بلازما الغاز البارد، وتُسمى أيضًا «بلازما الغاز البارد منخفضة الضغط»، في غرفة مغلقة مفرَّغة بالمقارنة مع طرق المعالجة الأولية الجوية (الهوائية) للسطح. ويُستخدم عادةً غاز الأكسجين الصناعي بنسبة 100% (O2). ويُطلق الغاز في الغرفة تحت فراغ جزئي ويُعرَّض لمجال كهربائي RF. وتؤدي استجابة الأنواع شديدة التفاعل المتولدة مع البوليمرات الموضوعة في مجال البلازما، على رفوف أو أقفاص الألومنيوم التي تمثل القطب الموصل الداخلي، إلى كسر الروابط الجزيئية وما ينتج عنه من تنظيف وتعديلات كيميائية/فيزيائية (بما في ذلك زيادة خشونة السطح التي تحسّن الربط الميكانيكي). ومن الفوائد المهمة لعمليات بلازما الغاز البارد إزالة الهيدروكربونات، مما يلغي التنظيف بالمذيب. أما المعالجات الأولية الجوية فلا تزيل/تنظف جميع الهيدروكربونات متعددة الحلقات العطرية، ولذلك قد يلزم التنظيف بالمذيب (قبل المعالجة الأولية).

المواد اللاصقة والمعالجة

يُعد التصميم الأمثل للوصلة أمرًا حاسمًا في أي تطبيق للربط اللاصق. فقد تتعرض الوصلات الملصوقة لقوى شد وضغط وقص وتقشير وانفلاق، غالبًا مجتمعة. وفي كثير من تطبيقات PPS تكون المواد اللاصقة الإيبوكسية الإنشائية ثنائية المكونات القابلة للمعالجة بالحرارة مثالية. ويُفضَّل أن تكون سماكة خط اللصق موحدة ورقيقة (0.002 إلى 0.007?) للحصول على أفضل خصائص المتانة في القص والشد، كما يقل تركّز التجاويف الهوائية. وكلما أمكن، ولا سيما في الوصلات غير المدعومة، ينبغي تثبيت الركائز بمشابك أثناء معالجة/تبريد المادة اللاصقة.

وفي تطبيقات PPS المحمّل بالألياف الزجاجية تتجاوز درجة حرارة الانحراف الحراري في الحالة المتبلورة 500 درجة فهرنهايت. ولذلك يمكن أن تتراوح درجة حرارة المعالجة في الفرن بأمان بين 300 و350 درجة فهرنهايت. ومن المهم ملاحظة أن هذه هي درجة حرارة القطع التي تبلغها أثناء المعالجة، وقد تختلف عن نقطة ضبط الفرن. وتجنبوا تكديس القطع. ويجب أن تبقى القطع عند درجة الحرارة حتى تكتمل المعالجة تمامًا، لضمان التشابك الكامل للمادة اللاصقة. ويُعد عدم كفاية المعالجة (الحرارة/الزمن) من أكثر المشكلات شيوعًا المؤدية إلى فشل الالتصاق. وبحسب التعريف، يحدث «فشل الالتصاق» عند السطح البيني بين المادة اللاصقة والمادة الملتصقة (الركيزة). وبصريًا تبقى مادة لاصقة متبقية في أي موضع على سطح واحد فقط وليس على الركيزة الملتصقة الثانية.

وبالإضافة إلى التنظيف بالمذيب والمعالجة الأولية بالبلازما، فإن السطح المنسَّج كما يُقولب يزيد الالتصاق بالتعشيق الميكانيكي. ويمكن تحقيق النسيجة داخل أداة القالب أو يدويًا باستخدام وسادة Scotch-Brite. فعلى سبيل المثال، من المرجح أن يحسّن تشطيب تجويف القالب NTMA «40-مصقول بالألماس بدرجة 1200» قوة الترابط مقارنةً بالتشطيب «10-ألماس ناعم بدرجة 8000» (نطاق 0-3 ميكرون). وحتى الأسطح ذات النسيجة الطفيفة مفيدة. وفي منتجات الموصلات وتطبيقات الثقوب الغائرة الأخرى تكون دبابيس القلب المحفورة في القالب فعالة جدًا.

وخلاصةً، لتحقيق ربط عالي المتانة بالالتصاق لـ PPS (المحمّل بنسبة 30-40% ألياف زجاجية) والمواد اللاصقة الإيبوكسية القابلة للمعالجة بالحرارة، أوصي بما يلي:

• التأكد من تجفيف راتنج PPS جيدًا قبل القولبة ومعالجته عند 275 إلى 300 درجة فهرنهايت
• إجراء عمليات اللصق في أسرع وقت ممكن بعد القولبة
• تنظيف أسطح القطع بالمذيب
• استخدام المعالجة الأولية بالبلازما لزيادة تبلل السطح وإضفاء الوظائف الكيميائية
• وضع خط لصق موحد ورقيق من المادة اللاصقة
• المعالجة في الفرن عند 300 إلى 350 درجة فهرنهايت

وتتحقق فوائد إضافية إذا نُسِّجت أسطح المنتجات. وتجدر الإشارة إلى أن الأسطح المؤكسدة بالبلازما قد تؤثر سلبًا في عمليات التجميع اللاحقة، مثل ضعف اللحام/الإحكام الحراري، عند حدوث معالجة زائدة. وتتقادم الأسطح المعالجة بالبلازما بمعدلات ودرجات متفاوتة بحسب عوامل البيئة المحيطة، ومنها الحرارة والرطوبة.

ويتطلب تحقيق ربط لاصق متين لمنتجات PPS نهجًا شاملًا متكاملًا للحلول يشمل التصميم وخصائص المواد والعمليات الأولية والثانوية. وتحل أكسدة البلازما كثيرًا من مشكلات الالتصاق، لكن اختيار أفضل طريقة يعتمد على عوامل كثيرة، منها الشركات المصنعة للمعدات. ويمكن الجمع بين المعالجات الأولية، الكيميائية أو الميكانيكية أو بالبلازما، لتعزيز نتائج اللصق وتقليل تفاوت العملية.

المراجع

• “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 هو مؤسس ورئيس The Sabreen Group, Inc.، وهي شركة استشارات هندسية متخصصة في عمليات التصنيع الثانوية للبلاستيك: المعالجة الأولية للسطح، واللصق، والتزيين والتشطيب، والوسم بالليزر، وأمن المنتج. ويطوّر Sabreen تقنيات جديدة ويحل مشكلات التصنيع منذ أكثر من 30 عامًا. يمكنكم التواصل معه على الرقم 972.820.6777 أو عبر زيارة sabreen.com أو plasticslasermarking.com.

---