הידבקות ל-Nylon: זווית מגע ותכונות פני השטח

הידבקות והדבקה, זווית מגע ותכונות פני השטח של פוליאמיד Nylon

פוליאמידים, המוכרים גם בשם Nylon, הם פלסטיק בעל ביצועים גבוהים ועמידות כימית מצוינת. חומרי Nylon הם היגרוסקופיים וסופגים לחות מהאוויר. הלחות כשלעצמה גורמת לבעיות הידבקות. Nylon הוא הידרופובי ובעל יכולת הרטבה נמוכה של פני השטח. השאלה – האם Nylon הוא הידרופובי, הידרופילי, או אולי גם וגם?

פוליאמיד הוא פולימר המכיל קשרי אמיד (–CO-NH–) חוזרים. ייצורם של סוגי הפוליאמיד השונים משתנה בהתאם ליחידות המונומריות שלהם. הם עשויים להיות אליפטיים, חצי-ארומטיים או ארומטיים (ארמידים). על פי מידת הגבישיות שלהם הם עשויים להיות אמורפיים, חצי-גבישיים או גבישיים. פולימרי Nylon קשים להדבקה מטבעם משום שהם הידרופוביים, אינרטיים כימית ובעלי יכולת הרטבה ירודה של פני השטח (כלומר, אנרגיית פני שטח נמוכה). יתרה מזאת, חומרי Nylon הם היגרוסקופיים ויספגו מהאטמוספרה מים בשיעור של יותר מ-3% ממסתם. הלחות כשלעצמה גורמת לבעיות הידבקות.

רגע, האמירות שלעיל נראות סותרות זו את זו לחלוטין. האם Nylon הוא הידרופובי או הידרופילי? הפרדוקס לכאורה נפתר כאשר מבינים שההתנהגות ההידרופובית של Nylon היא תכונה של פני השטח, ואילו ההתנהגות ההידרופילית שלו היא תכונה של החומר בנפח. גם פוליאימיד מגלה התנהגות זו.

בחינת המבנה הכימי של היחידה החוזרת בפולימר – למשל קבוצות מתיל (CH3) בפוליאולפינים הידרופוביים, או קבוצות אמיד בחומרי Nylon הידרופיליים – היא דרך פשוטה לקבוע אם הוא הידרופילי או הידרופובי. השיטה הפשוטה ביותר לקביעת תכונות פני השטח של פולימר היא ביצוע מדידות זווית מגע עם מים, הן זווית מגע סטטית והן זווית מגע דינמית.

עיקרי הדברים

• Nylon הוא הידרופובי בפני השטח והידרופילי בנפח – הסתירה לכאורה היא המפתח להבנתו.
• חומרי Nylon סופגים מהאטמוספרה מים בשיעור של יותר מ-3% ממסתם, והלחות כשלעצמה גורמת לבעיות הידבקות.
• קשרי האמיד מושכים מים, וזה מה שמכתיב את ההתנהגות בנפח; פני השטח נותרים בעלי אנרגיה נמוכה ואינם ניתנים להרטבה.
• פוליאימיד מתנהג באותו אופן, ולכן העיקרון תקף גם מעבר לפוליאמיד.

Nylon, כמו רוב הפולימרים, הוא בעל אנרגיית פני שטח נמוכה. הדבר נובע מהכימיה של פני השטח ומהפיזיקה של פני השטח בפולימרים. מקובל לראות בזוויות המגע גודל המושפע הן משינויים בכימיה של פני השטח והן משינויים בטופוגרפיה של פני השטח. כאשר טיפה מוצמדת למשטח מוצק והמשטח מוטה, הטיפה תזנק קדימה ותחליק כלפי מטה. הזוויות הנוצרות מכונות בהתאמה הזווית המתקדמת (Advancing Angle) והזווית הנסוגה (Receding Angle). התקן ASTM D724 מתאר שיטות למדידת זוויות מגע דינמיות (DCA) בעזרת ציוד מתקדם – טנסיומטרים אופטיים וגוניומטרים – לניתוח הזווית המתקדמת והזווית הנסוגה על בסיס ניתוח צורת הטיפה ומסתה.

הזווית המתקדמת רגישה במיוחד לרכיבים בעלי האנרגיה הנמוכה (הבלתי מטופלים) של פני המצע, ואילו הזווית הנסוגה רגישה יותר לקבוצות המחומצנות בעלות האנרגיה הגבוהה שהוכנסו על ידי טיפולים מקדימים בפני השטח. לפיכך, הזווית הנסוגה היא למעשה המדידה המאפיינת ביותר את הרכיב ששונה בפני השטח בעקבות הטיפולים המקדימים. לכן חיוני למדוד הן את הזווית המתקדמת והן את הזווית הנסוגה בכל החומרים שפני השטח שלהם עברו שינוי.

Scott R. Sabreen הוא מייסד ונשיא The Sabreen Group, Inc., חברת הנדסה המתמחה בתהליכי עיבוד משני של פלסטיק – טיפולים מקדימים בפני השטח, הדבקה, עיטור וגימור, סימון בלייזר ואבטחת מוצר. הוא מפתח טכנולוגיות חדשות ופותר בעיות ייצור למעלה מ-30 שנה. ניתן ליצור קשר עם Sabreen בטלפון 972.820.6777 או באמצעות האתרים www.sabreen.com ו-www.adhesionbonding.com.

שאלות נפוצות

האם Nylon הוא הידרופובי או הידרופילי?

שניהם, וזו אינה סתירה. ההתנהגות ההידרופובית של Nylon היא תכונה של פני השטח, ואילו ההתנהגות ההידרופילית שלו היא תכונה של החומר בנפח. פני השטח עמידים בפני הרטבה ובעלי אנרגיית פני שטח נמוכה; קבוצות האמיד שבתוך השרשרת מושכות מים, ולכן החומר בנפח סופג לחות בקלות.

כמה לחות סופג Nylon?

יותר מ-3% ממסתו, מהאטמוספרה. הלחות כשלעצמה גורמת לבעיות הידבקות, ולכן ייבוש נכון לפני העיצוב בתבנית הוא קריטי הן לתהליך העיבוד והן לביצועים של כל שלב הדבקה שיבוא אחריו.

כיצד ניתן לדעת אם פולימר הוא הידרופילי או הידרופובי?

בחנו את היחידה החוזרת במבנה הכימי שלו. קבוצות מתיל, כמו בפוליאולפינים, מעידות על התנהגות הידרופובית; קבוצות אמיד, כמו בחומרי Nylon, מעידות על התנהגות הידרופילית. זוהי בדיקה ראשונית מהירה, לפני כל בחינה של פני השטח.

מדוע קשה להדביק חומרי Nylon?

הם הידרופוביים, אינרטיים כימית ובעלי יכולת הרטבה ירודה של פני השטח בשל אנרגיית פני שטח נמוכה. דבקים אינם מצליחים להרטיב את פני השטח באופן מספק, ולכן נדרש בדרך כלל טיפול מקדים כדי להעלות את אנרגיית פני השטח ולהוסיף פונקציונליות כימית קוטבית.

האם פוליאימיד מתנהג כמו Nylon?

כן. פוליאימיד מגלה את אותה הפרדה בין התנהגות הידרופובית בפני השטח לבין התנהגות הידרופילית בנפח, ולכן חלים עליו אותה משמעת ייבוש ואותה לוגיקה של טיפול מקדים.

---