שיטות מומלצות להדבקת תרמופלסטים חצי-גבישיים

שיטות מומלצות להדבקת תרמופלסטים חצי-גבישיים

החל מדרגות סחורה ועד דרגות בעלות ביצועים גבוהים, פולימרים חצי-גבישיים קשים להדבקה לעצמם ולחומרים שונים. ליצירת קשרים מולקולריים חזקים, הנחוצים להידבקות, נדרשים משטחי מצע נקיים (לרוב בשילוב עם טיפול מקדים). בחירת הדבק וריפוי נכון הם קריטיים להשגת התוצאה הרצויה.

באופן כללי, פולימרים מציגים במצב מוצק שני סוגי מורפולוגיה – "אמורפית" ו"חצי-גבישית". בתנאים מסוימים, פולימרים מסוימים יכולים להציג את שתי המורפולוגיות. בפולימרים אמורפיים, כגון אקריליק ופוליקרבונט, אין נקודת התכה אמיתית (הם מתרככים בהדרגה). המולקולות מכוונות באקראי ומשולבות זו בזו (כמו ספגטי מבושל), ומראה החומר שקוף כמו זכוכית. בפולימרים חצי-גבישיים יש נקודת התכה חדה, והמולקולות נארזות יחד באזורים מסודרים בעלי מבנה ליניארי סדיר. מכיוון שגבישים מפזרים אור, הם בדרך כלל אטומים יותר. פולימרים חצי-גבישיים נוטים ליצור פלסטיק קשיח בשל כוחות בין-מולקולריים חזקים הנובעים מאריזה צפופה של השרשראות. (ראו איור 2.)

פולימרים חצי-גבישיים קשים להדבקה מטבעם משום שהם הידרופוביים, אינרטיים כימית ובעלי יכולת הרטבה נמוכה של פני השטח (כלומר, אנרגיית פני שטח נמוכה). בעוד שתכונות אלה רצויות מאוד מבחינת הביצועים, הרטבה ירודה יוצרת אתגרי הדבקה עבור יצרנים. בנוסף, פולימרים חצי-גבישיים כמו ניילון סופגים מהאטמוספרה לחות העולה על שלושה אחוזים ממסתם במים. לחות כשלעצמה יוצרת בעיות הידבקות. לכן חשוב לבצע את תהליכי ההדבקה בהקדם האפשרי לאחר פעולות היציקה, או לארוז את החלקים בחוזקה בשקיות שאינן מפוליאתילן יחד עם חומר ייבוש. נוהל ייבוש נכון הוא קריטי לעיבוד ולביצועי החלק.

עיקרי הדברים

• המורפולוגיה קובעת את יכולת ההדבקה. פולימרים אמורפיים כמו אקריליק ופוליקרבונט נדבקים בקלות רבה יותר מפולימרים חצי-גבישיים.
• נקו בטולואן, קסילן, אצטון או MEK. אלכוהול מסיר רק לכלוך שטחי, ולא זיהומים מסוג פחמימנים.
• סיליקונים, חומרי שחרור מתבנית וחומרים למניעת החלקה מעכבים הדבקה, ויש להסירם לפני הטיפול המקדים.
• לכשל הידבקות יש חתימה חזותית – שאריות דבק על מצע אחד בלבד, ולא על שניהם.
• אפוקסי, אקריליק ואורתן הם משפחות הדבקים המבניים הנפוצות לפולימרים אלה.

שאלות נפוצות

מדוע פולימרים חצי-גבישיים קשים יותר להדבקה מפולימרים אמורפיים?

בגלל המורפולוגיה המולקולרית שלהם. לפולימרים אמורפיים כמו אקריליק ופוליקרבונט יש מולקולות מכוונות באקראי ומשולבות זו בזו, ואין להם נקודת התכה אמיתית – הם מתרככים בהדרגה. לפולימרים חצי-גבישיים יש מבנה מסודר, וסדר זה הוא שמתנגד להרטבה שעליה תלויה ההידבקות.

באילו ממסים יש להשתמש לניקוי משטחים חצי-גבישיים?

טולואן, קסילן, אצטון או MEK בעוצמה בינונית עד גבוהה, בהתאם למדיניות הממסים של החברה ולחוק המקומי. גיליונות הנתונים של הפולימרים מפרטים חומרים מתאימים. אלכוהול הוא ממס חלש שמסיר לכלוך שטחי אך לא מזהמי פחמימנים.

כיצד מבחינים בין כשל הידבקות לכשל קוהזיה?

לפי המקום שבו נשאר הדבק. כשל הידבקות מתרחש בממשק שבין הדבק לחומר הנדבק, ובעין רואים שאריות דבק על משטח אחד בלבד, ולא על המצע השני. כשל קוהזיה משאיר דבק על שני המשטחים.

אילו דבקים מתאימים לפולימרים חצי-גבישיים?

דבקים מבניים – נפוצים אפוקסי, אקריליק ואורתן. אפוקסי דו-רכיבי כולל ערבוב של שרף אפוקסי עם מקשה, ותכנון המחבר חייב להביא בחשבון כוחות מתיחה, לחיצה, גזירה, קילוף ופילוח, לרוב בשילוב ביניהם.

אילו זיהומים הורסים באופן המהימן ביותר הדבקה?

חומרים בעלי משקל מולקולרי נמוך: סיליקונים, חומרי שחרור מתבנית וחומרים למניעת החלקה. אלה מעכבים הדבקה ישירות, ושום טיפול מקדים לא יפצה על כך אם הם עדיין נוכחים על המשטח.

ניקוי וטיפול מקדים בפני השטח

הכנת פני השטח היא קריטית להשגת חוזק הדבקה גבוה. המשטחים חייבים להיות נקיים וללא זיהומים של לכלוך, שומנים ושמנים. חומרים בעלי משקל מולקולרי נמוך (LMWM) כגון סיליקונים, חומרי שחרור מתבנית וחומרים למניעת החלקה מעכבים הדבקה. כדי לנקות כראוי משטחים חצי-גבישיים ולהסיר חומרי LMWM, יש בדרך כלל להשתמש בטולואן, קסילן, אצטון או MEK בעוצמה בינונית עד גבוהה (בהתאם למדיניות הממסים של החברה ולחוק המקומי). גיליונות הנתונים של הפולימרים מפרטים חומרי ניקוי מתאימים. אלכוהול הוא ממס חלש ומסיר רק לכלוך שטחי, ולא מזהמי פחמימנים.

יש להקפיד בכל עת על טכניקה נכונה, לרבות שימוש במטלוניות ללא סיבים ובכפפות מגן ללא אבקה. עודף ממס יוצר שכבות גבול חלשות של כימיקלים שלא הוסרו, ומשאיר הצטברות של עכירות המעכבת הדבקה.

ביישומי הדבקה של פולימרים חצי-גבישיים נדרש לעיתים קרובות טיפול מקדים בפלזמה מיד לאחר ניקוי בממס. טיפולים מקדימים של חמצון פני השטח בפאזה גזית כוללים פריקת קורונה חשמלית, פלזמה אטמוספרית חשמלית, פלזמת אוויר חשמלית, פלזמת להבה ופלזמת גז קר בלחץ נמוך בתדר רדיו (RF). תהליכים אלה מתאפיינים ביכולתם ליצור "פלזמת גז", גז תגובתי במיוחד המורכב מאלקטרונים חופשיים, יונים חיוביים ומינים נוספים. מתרחשת גם פונקציונליזציה כימית של פני השטח. במדעי הפיזיקה, המנגנונים שבהם נוצרות הפלזמות שונים, אך השפעתם על הרטבת פני השטח דומה. כל שיטה ייעודית ליישום מסוים ויש לה יתרונות ו/או מגבלות.

לדוגמה, טיפולים מקדימים חשמליים אינם מסירים או מנקים את כל הפחמימנים הפוליארומטיים, ולכן ייתכן שיהיה צורך להמשיך בניקוי בממס. טיפול מקדים בגז קר RF מסיר פחמימנים, ולכן אין צורך בניקוי מקדים.

ככלל אצבע, מושגת הידבקות הדבקה מקובלת כאשר אנרגיית פני השטח של המצע גבוהה בכ-10 dyne/cm ממתח הפנים של הנוזל או הדבק. אנרגיית פני השטח של ניילון לא מטופל היא כ-40 dyne/cm. לכן אנרגיית פני השטח הרצויה לאחר הטיפול צריכה להיות בטווח של 50-54 dyne. במצב זה אומרים שהנוזל "מרטיב" את פני השטח או נדבק אליהם. שיטה נפוצה למדידת "הרטבה" של אנרגיית פני שטח היא שימוש בתמיסות dyne מכוילות בהתאם לשיטת הבדיקה ASTM D2578.

דבקים וריפוי

בהגדרה, "כשל הידבקות" מתרחש בממשק שבין הדבק לחומר הנדבק (המצע). בעין רואים שאריות דבק בכל מקום על משטח אחד בלבד, ולא על המצע השני הנדבק. תכנון מחבר אופטימלי הוא קריטי בכל יישום של הדבקה. מחברים מודבקים עשויים להיות נתונים לכוחות מתיחה, לחיצה, גזירה, קילוף או פילוח, לרוב בשילוב ביניהם.

ביישומי הדבקה רבים של פולימרים חצי-גבישיים נעשה שימוש נפוץ בדבקים מבניים (לרבות אפוקסי, אקריליק ואורתן). אפוקסי דו-רכיבי מתבסס על ערבוב של שרף אפוקסי עם מקשה, או על שימוש במזרקי "duo-pak". עובי קו הדבקה אחיד ודק (0.002 עד 0.007 אינץ') עדיף לקבלת תכונות אופטימליות של חוזק גזירה ומתיחה. זמן ריפוי מלא הוא בדרך כלל כשבעה ימים ב-75°F, אך משתנה בין יישומים ותנאי סביבה. ניתן להאיץ את מהירות הריפוי בהוספת חום (120-210°F), מה שגורם לפולימריזציה נוספת ועשוי להקנות לאפוקסי תכונות טובות יותר. טמפרטורת הסטת החום (HDT) של הפולימר היא בדרך כלל הגבול העליון לחום המופעל בעיבוד לאחר היציקה. זמן האפייה והטמפרטורה ייחודיים ליישום.

טעות נפוצה היא הוספת דבק עודף כדי לשפר את חוזק ההדבקה. דבק עודף מזיק והוא גורם מוביל לכשלי הדבקה. לדוגמה, לדבקי אפוקסי יש מקדמי התפשטות תרמית גבוהים יחסית. יש לשמור על קווי דבקה דקים ובעובי אחיד (בדרך כלל 3-5mil לחוזק גזירה מרבי). ספק הדבק יכול לספק הנחיות לעובי קו דבקה אופטימלי ליישום הספציפי. מזרקי "duo-pak" במינון מוקדם מבטלים בעיות ערבוב ומספקים יחס ערבוב מדויק יותר. הם גם מאפשרים תגובות כימיות סטויכיומטריות טובות יותר, מה שמניב חוזק ותכונות פליטת גזים טובים יותר.

בנוגע למרקם פני החלק המיועד להדבקה, כפי שיצא מהיציקה, משטח בעל מרקם מגביר הידבקות של נעילה מכנית, בנוסף לניקוי בממס ולטיפול מקדים בפלזמה. ניתן ליצור מרקם בתוך תבנית היציקה או ידנית באמצעות פד Scotch-Brite. לדוגמה, גימור חלל התבנית לפי NTMA "40-Diamond buffed 1200 Grit" צפוי לשפר את חוזק ההדבקה לעומת גימור "10-Fine Diamond 8000 Grit" (טווח של 0-3 מיקרון). אפילו משטחים בעלי מרקם קל יועילו. (ראו איור 3.)

לסיכום, להשגת הדבקה בחוזק גבוה של פולימרים חצי-גבישיים מומלץ לנהוג כך:

• ודאו שהשרף מיובש כראוי לפני היציקה.
• בצעו את תהליך ההדבקה בהקדם האפשרי לאחר היציקה.
• נקו את פני החלק בממס להסרת פסולת שטחית ומזהמי פחמימנים.
• שקלו ליישם טיפול מקדים בפני השטח בפלזמה להגברת ההרטבה/הפונקציונליזציה הכימית (בנוסף לניקוי בממס).
• יישמו קו דבקה דק ואחיד. ניתן להפיק יתרונות נוספים אם למוצר יש משטח בעל מרקם.

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

---