שיטות להדבקה והידבקות של פוליפנילן סולפיד

שיטות להדבקה והידבקות של פוליפנילן סולפיד

פוליפנילן סולפיד (PPS) הוא תרמופלסט הנדסי חצי-גבישי לטמפרטורות גבוהות. בתעשייה PPS ידוע כפלסטיק שמתפקד כמו מתכת. ניתן לטעון שהוא אחד הפולימרים המאתגרים ביותר להדבקה לעצמו או לחומרים שונים, כגון אלומיניום וטיטניום. הצלחה בהדבקת PPS דורשת הבנה של תכונותיו הכימיות והפיזיקליות, ולכן המודולים של דרגות השרף שונים וקריטיים לכל יישום. מאמר זה מציג טכניקות ממקרי בוחן שהוכחו בשטח להשגת הדבקה בעלת חוזק גבוה.

נקודות עיקריות

• PPS ללא טיפול נמצא סביב 38 dyne/cm, הרבה מתחת למתח הפנים של 45–50 dyne/cm של אפוקסיים תואמים.
• יש לשאוף ל-60–70 dyne/cm לאחר הטיפול. שם מתקבלות ההדבקות היציבות ביותר, וחיי המדף מתארכים לשנתיים ומעלה.
• יש לצקת ב-275–300°F. מתחת לכך PPS נשאר אמורפי ויתגבש מאוחר יותר בשירות, וישנה ממדים ותכונות.
• יש לנקות בממס באצטון או MEK. אלכוהול, קסילן וטולואן מסירים לכלוך אך לא זיהום פחמימני.
• יש לרפא אפוקסי ב-300–350°F הנמדדים בחלק ולא בנקודת ההגדרה של התנור, ולשמור על קו הדבקה של 0.002–0.007 אינץ'.

שאלות נפוצות

מדוע קשה כל כך להדביק PPS?

PPS אינרטי כימית ובעל אנרגיית פני שטח נמוכה והעמידות הרחבה ביותר לחומרים מאכלים מבין כל פלסטיקי ההנדסה המתקדמים. אותה אינרטיות שהופכת אותו לבעל ערך גורמת לכך שדבקים אינם יכולים להרטיב את פני השטח. PPS ללא טיפול נמדד סביב 38 dyne/cm עם זווית מגע עם מים של כ-80.3°.

לאיזו אנרגיית פני שטח צריך PPS להגיע לאחר טיפול מקדים?

לפחות 48–54 dyne/cm כדי לעלות על מתח הפנים של 45–50 dyne/cm של דבקי אפוקסי תואמים. בפועל ההדבקה היציבה ביותר מתקבלת ב-60–70 dyne/cm, ורמת טיפול גבוהה זו מאריכה את חיי המדף של הטיפול המקדים לשנתיים ויותר — דבר חריג בין פולימרים.

האם טמפרטורת התבנית משפיעה על ההדבקה?

במידה ניכרת. PPS חייב להיות יצוק ב-275 עד 300°F כדי להגיע למצב גבישי מלא. כשהוא נוצק בטמפרטורה נמוכה יותר הוא נשאר אמורפי ויתגבש כשטמפרטורת השירות — כולל חום ריפוי הדבק — תעלה על טמפרטורת היציקה, ויגרום לשינויים ממדיים ולשינויים בתכונות. טמפרטורת עיוות בחום של PPS מחוזק ב-40% סיבי זכוכית עולה מ-350°F במצב אמורפי לעד למעלה מ-500°F במצב גבישי.

באיזה ממס יש לנקות PPS?

אצטון או מתיל אתיל קטון, בכפוף למדיניות החברה ולחוק המדינה, להסרת חומרים בעלי משקל מולקולרי נמוך כגון סיליקונים, חומרי שחרור מתבנית וחומרים נגד החלקה. יש להימנע מעודף ממס, המותיר שכבות גבול חלשות וערפול המעכבים הדבקה.

האם מרקם פני השטח מסייע להדבקת PPS?

כן. מרקם יוצר נעילה מכנית. גימור תבנית כגון NTMA "40 — Diamond buffed 1200 Grit" יניב בדרך כלל תוצאות טובות יותר מ-"10 — Fine Diamond 8000 Grit". במחברים ובחורים שקועים סיכות ליבה חרוטות בתבנית יעילות ביותר.

תכונות PPS

תכונות ה-PPS, בדומה לפלסטיקים עתירי ביצועים אחרים לטמפרטורות גבוהות ובהם PEEK ו-LCP, תלויות בהתנהגות הגיבוש שלו. PPS אינרטי כימית ובעל אנרגיית פני שטח נמוכה ומציע את העמידות הרחבה ביותר לחומרים מאכלים מבין כל פלסטיקי ההנדסה המתקדמים. הוא משמש באלפי יישומים בתחומי הרכב, התעופה והחלל, הרפואה והתעשייה, שבהם נדרשים חלקים עמידים בטמפרטורות גבוהות, עמידים בממסים ובעלי מיגון חשמלי. PPS מעכב בעירה מטבעו, מה שהופך אותו לחומר המושלם למבני מטוסים, לרכיבי מערכת הינע ומערכת דלק מתחת למכסה המנוע, לאימפלרים של משאבות מים ועוד. אף שמאפיינים אלה אידיאליים לביצועים, יכולת ההרטבה הירודה של פני השטח היא אתגר ההדבקה ליצרנים.

נמכרות שתי צורות נפרדות של PPS: מבנה מולקולרי "מסועף" ו"לינארי". בין המותגים המוכרים ביותר Ticona Fortron® ו-Chevron Phillips Ryton®. הגרסה המסועפת נוטה להיות קשיחה יותר. הלינארית מציעה בדרך כלל חוזק מכני וחוזק כפיפה טובים יותר, וכן יציבות התכה גבוהה יותר. ל-PPS לינארי יש גם פחות זיהומים יוניים1. סיבים מחוזקי זכוכית (30 אחוזים ו-40 אחוזים) ותערובות של סיבי זכוכית/מינרלים ל-PPS סטנדרטי מאפשרים יישומים מיוחדים ותובעניים. יצרני אלקטרוניקה בוחרים בדרך כלל ב-PPS מחוזק ב-40 אחוזים זכוכית למוצרי בידוד ומחברים. מעצבים בוחנים בקפידה את הבחירה בין מסועף ללינארי, מחוזק או לא מחוזק, ביחס לתכונות ביצועים בשטח, תכנון כלי החיבור והעיבוד הראשוני. למרבה הצער, בדרך כלל מושם דגש פחות על השפעת בחירות אלה על פעולות הייצור המשניות, ובפרט על תהליכי הדבקה.

עיבוד ראשוני

עיבוד נכון של PPS הוא קריטי להשגת התכונות המוצהרות של חומר זה. מוצרי PPS אינם היגרוסקופיים ולכן אינם סובלים מבעיות התפשטות ממדית כמו ניילון (פוליאמידים). ועדיין חשוב להשתמש בשרף יבש ביציקת חלקים. הלחות, כשלעצמה, בעייתית. רמות לחות גבוהות עלולות ליצור חללים, שיפגעו בביצועי החלק, ישפיעו על ההידבקות וישנו את המראה. הזמן שבין הייבוש לעיבוד צריך להיות קצר ככל האפשר. יש לייבש PPS במייבשי מיכל מסירי לחות. תנורי אוויר חם אינם מומלצים, אם כי ניתן להשתמש בהם בזהירות רבה. הסיבות לכך שתנורים כאלה אינם מומלצים הן: א) אם המגשים ממולאים גבוה מדי (יותר מ-1-1.5 אינץ'), החומר בתחתית המגש אינו מיובש כראוי; ב) אם מיובשים בתנור בו-זמנית כמה סוגי חומרים שונים (על מגשים שונים), גרגרים יכולים ליפול בקלות למגש תחתון ולזהם את החומר שבמגש התחתון2.

כדי להגיע למצב גבישי מלא נדרשות טמפרטורות תבנית של לפחות 275 עד 300 מעלות פרנהייט. כאשר PPS נוצק מתחת ל-275 מעלות פרנהייט, החלקים היצוקים אמורפיים או חצי-גבישיים, ונשארים במצב זה עד שהם נחשפים לטמפרטורות שירות גבוהות יותר (כולל ריפוי דבקים בחום). אם טמפרטורת השירות עולה על טמפרטורת היציקה, החלקים יהפכו גבישיים יותר, מה שיגרום לשינויים ממדיים ולשינויים בתכונות. לדוגמה, טמפרטורת עיוות בחום (HDT) ב-264 psi (1.8 MPa) של PPS מחוזק ב-40 אחוזים סיבי זכוכית שנוצק במצב לא גבישי היא רק 350 מעלות פרנהייט, אך עולה ליותר מ-500 מעלות פרנהייט (260 מעלות צלזיוס) במצב הגבישי. הדבר קריטי לחישוב טמפרטורת ריפוי הדבק וזמנו האופטימליים (פונקציה של מספר החלקים בתנור והמסה הכוללת) הנדרשים להשגת קישור צולב כימי מלא. יתר על כן, לטמפרטורת התבנית השפעה דרמטית על מראה פני השטח. יש לבצע את תהליכי ההדבקה בהקדם האפשרי לאחר פעולות היציקה, או לארוז את החלקים היטב בשקיות שאינן מפוליאתילן.

ניקוי פני השטח

במוצרי PPS, ניקיון פני השטח וטיפול מקדים בפלזמה הם תנאי מקדים קריטיים להשגת הדבקות בעלות חוזק גבוה. על המשטחים להיות נקיים מלכלוך, גריז ושמנים. חומרים בעלי משקל מולקולרי נמוך (LMWM) כגון סיליקונים, חומרי שחרור מתבנית וחומרים נגד החלקה מעכבים הדבקה. לניקוי משטחי PPS בממס והסרת חומרי LMWM (בהתאם למדיניות החברה ולחוק המדינה) מומלצים אצטון או מתיל אתיל קטון (MEK). ממסים חלשים יותר כגון קסילן, טולואן ואלכוהול (IPA) יכולים לשמש להסרת לכלוך שטחי אך לא זיהום פחמימני. יש להימנע משימוש בעודף ממס משום שהוא עלול ליצור שכבות גבול חלשות של כימיקלים שלא הוסרו, ולהותיר הצטברות ערפול המעכבת הדבקה. יש להשתמש בכל עת בטכניקה נכונה, לרבות מטליות נטולות סיבים וכפפות מגן ללא אבקה. ניקוי בממס יעיל למשטחים חשופים ונגישים, אך בדרך כלל אינו מעשי לאזורים מבודדים מרוחקים כגון חורים בקוטר קטן במחברים אלקטרוניים. לתהליכי טיפול בפלזמה מידות יעילות משתנות בניקוי וטיפול מקדים בו-זמני בכל המשטחים.

טיפול מקדים בחימצון פני השטח

חשוב להבין מדוע נדרשים טיפולים מקדימים ואת המנגנונים שבהם הם משפרים את חוזק ההדבקה. הסיבות הבסיסיות לכך שפלסטיקים רבים קשים להדבקה הן שהם חומרים הידרופוביים לא קוטביים, אינרטיים כימית ובעלי יכולת הרטבה ירודה (כלומר אנרגיית פני שטח נמוכה). אף שתכונות ביצועים אלה אידיאליות למעצבים, הן אויב עבור יצרנים שנדרשים להדביק חומרים אלה. ככלל, הידבקות מקובלת מושגת כשאנרגיית פני השטח של מצע הפלסטיק גבוהה בכ-8-10 dyne/cm ממתח הפנים של הדבק, הציפוי או הדיו הנוזלי. במצב זה אומרים שהנוזל "מרטיב" את פני השטח או נדבק אליהם. שיטה למדידת אנרגיית פני שטח, "הרטבה", היא שימוש בתמיסות dyne מכוילות בהתאם ל-ASTM D2578.

אנרגיית פני השטח של PPS ללא טיפול היא כ-38 dyne/cm (זווית המגע המחושבת עם מים היא 80.3°). מתח הפנים של דבקי שרף אפוקסי תואמים הוא 45-50 dyne/cm. לכן אנרגיית פני השטח המחושבת לאחר הטיפול חייבת להיות בטווח של 48-54 dyne/cm לפחות. במצב זה אומרים שהנוזל "מרטיב" את פני השטח או נדבק אליהם. מעשית, ההדבקה היציבה ביותר של PPS מושגת כשאנרגיית פני השטח היא 60-70 dyne/cm. לרמת טיפול פלזמה גבוהה זו יתרון נוסף של הארכת חיי המדף של הטיפול המקדים לשנתיים ויותר. בדרך כלל אין זה המצב בפולימרים אחרים.

בשל טבעו ההידרופובי הלא קוטבי, יישומי הדבקת PPS דורשים בדרך כלל טיפול מקדים בפני השטח בפלזמה מיד לאחר ניקוי בממס, כדי להעלות את אנרגיית פני השטח ולהעניק פונקציונליות כימית. טיפולים מקדימים נפוצים ל-PPS כוללים פריקת קורונה חשמלית, יונים נפוחים אטמוספריים, פלזמת להבה וגז קר RF (בלחץ נמוך). תהליכים אלה מאופיינים ביכולתם ליצור "פלזמת גז", גז תגובתי ביותר המורכב מאלקטרונים חופשיים, יונים חיוביים וגורמים נוספים. מתרחשת גם הענקת פונקציונליות כימית לפני השטח3. במדעי הפיזיקה המנגנונים שבהם נוצרות הפלזמות שונים, אך השפעתם על הרטיבות של פני השטח דומה. כל שיטה ייחודית ליישום ולה יתרונות ו/או מגבלות4. השיקולים כוללים גיאומטריית חלק, אוטומציה של טיפול בחומרים והתכונות המוליכות של המצע. PPS בצבע שחור נבחר בדרך כלל מכמה סיבות. מכיוון שלפחמן שחור יכולות להיות מידות שונות של מוליכות, חשוב להעריך בקפידה שיטות טיפול מקדים חשמליות כדי להבטיח שלא תתרחש קשת חשמלית במהלך תהליך הטיפול. קשת יכולה לפגוע בתכונות החומר של התנגדות הבידוד, החיוניות לרכיבים אלקטרוניים.

פריקת קורונה חשמלית קלאסית מתקבלת באמצעות מחולל ואלקטרודה/ות המחוברות למקור מתח גבוה, אלקטרודת נגד בפוטנציאל אפס ודיאלקטרי המשמש מחסום. כלומר, פריקה בתדר גבוה ובמתח גבוה (שנאי מעלה) היוצרת הפרש פוטנציאל בין שתי נקודות הדורש הארקה של 35+kV ו-20-25kHz. תצורות אלקטרודה מותאמות מאפשרות טיפול בגיאומטריות פני שטח רבות ושונות – שטוחות, מעוקלות, שקועות, מבודדות וכו'. דוגמה ליישום מיוחד היא מערכת טיפול בפריקת קורונה למחברים חשמליים, שבה שילוב של אלקטרודות סיכה וכדור מטפל בו-זמנית בחורים תלת-ממדיים בקוטר קטן (עד 0.0305 אינץ') ובמשטחים חיצוניים שטוחים במישורים מרובים, פטנט אמריקאי US5051586 (1991). במחברים צבאיים מ-PPS חיי המדף של הטיפול המקדים עולים על שנתיים. אוזון נוצר באזור הפלזמה כתוצאה מהפריקה החשמלית. לפריקת קורונה כמעט אין יכולת ניקוי (ראו איור 1 בעמוד 36).

פלזמה אטמוספרית או פלזמת יונים נפוחים חשמלית (המכונה גם פלזמת קורונה ממוקדת) משתמשת באלקטרודת דיזה צרה יחידה, המופעלת על ידי מחולל חשמלי ושנאי מעלה ואוויר בלחץ גבוה, שבו נוצרת פלזמה ממוקדת עזה בתוך ראש הטיפול וזורמת החוצה. תהליך טיפול מקדים זה יכול לנקות לכלוך, פסולת וחלק מהפחמימנים מהמצע, אך לא את רוב הסיליקונים והחומרים נגד החלקה. מחקר חדש מצביע על כך שחריטה עדינה של פני השטח יכולה ליצור טופוגרפיות חדשות להגברת ההדבקה המכנית. אוזון אינו תוצר לוואי, אך נוצרים תחמוצות חנקן (NOx) שעשויות להיות בעלות ריח דומה באופן מטעה.

טיפול בפלזמת להבה משתמש בגורמים התגובתיים ביותר הקיימים בבעירת אוויר וגז פחמימני (כדי ליצור את הפלזמה). אף שטיפול בלהבה הוא אקסותרמי, החום אינו יוצר את הפונקציונליות הכימית ואת שיפור ההרטבה. הלהבה מנקה לכלוך, פסולת וחלק מהפחמימנים מהמצע. הלהבה אינה מסירה סיליקונים, חומרי שחרור מתבנית וחומרים נגד החלקה. טיפול בלהבה יכול להקנות הרטבה, חימצון וחיי מדף גבוהים יותר מטיפולים מקדימים חשמליים בשל עומק הטיפול הרדוד יחסית מפני השטח, 5-10nm. אוזון אינו נוצר. ברכישת מבערי טיפול בלהבה יש להשוות בין מבער סרט לבין מבער חורים קדוחים ולבחון את יתרונות הווסתים המאוזנים לאפס.

פלזמת גז קר, המכונה גם "פלזמת גז קר בלחץ נמוך", מתבצעת בתא סגור מרוקן, בהשוואה לשיטות טיפול מקדים אטמוספריות (באוויר). בדרך כלל משתמשים בגז חמצן (O2) בדרגה תעשייתית ב-100 אחוזים. הגז משוחרר לתא בריק חלקי ונחשף לשדה חשמלי RF. תגובת הגורמים התגובתיים ביותר שנוצרים, עם הפולימרים המונחים בשדה הפלזמה, על מדפי אלומיניום או כלובים של אלקטרודה מוליכה פנימית, ושוברת קשרים מולקולריים, היא שמביאה לניקוי ולשינויים כימיים/פיזיקליים (כולל הגברת חספוס פני השטח, המשפרת הדבקה מכנית). יתרון משמעותי של תהליכי פלזמת גז קר הוא הסרת פחמימנים, ובכך ביטול הניקוי בממס. טיפולים מקדימים אטמוספריים אינם מסירים/מנקים את כל הפחמימנים הפוליארומטיים, ולכן ייתכן שניקוי בממס (לפני הטיפול המקדים) יהיה הכרחי.

דבקים וריפוי

תכנון מפרק אופטימלי קריטי בכל יישום הדבקה. מפרקים מודבקים יכולים להיות נתונים לכוחות מתיחה, דחיסה, גזירה, קילוף או ביקוע, לעיתים קרובות בשילוב. ביישומי PPS רבים דבקי אפוקסי מבניים דו-רכיביים הניתנים לריפוי בחום הם אידיאליים. עובי קו הדבקה אחיד ודק (0.002 עד 0.007 אינץ') עדיף לתכונות חוזק גזירה ומתיחה אופטימליות. כמו כן, ריכוז חללי האוויר נמוך יותר. בכל אפשרות, במיוחד במפרקים לא נתמכים, יש לתפוס את המצעים בקלמרות בזמן שהדבק מתרפא/מתקרר.

ביישומי PPS מחוזק זכוכית, טמפרטורת העיוות בחום במצב הגבישי היא מעל 500 מעלות פרנהייט. לכן טמפרטורת ריפוי התנור יכולה לנוע בבטחה בין 300 ל-350 מעלות פרנהייט. חשוב לציין שזוהי הטמפרטורה שמגיעים אליה החלקים במהלך הריפוי, ועשויה להיות שונה מנקודת ההגדרה של התנור. יש להימנע מערימת חלקים. החלקים צריכים להישאר בטמפרטורה עד לריפוי מלא, כדי להבטיח קישור צולב מלא של הדבק. ריפוי לא מספק (טמפרטורה/זמן) הוא אחת הבעיות הנפוצות ביותר הגורמות לכשל הידבקות. בהגדרה, "כשל הידבקות" מתרחש בממשק בין הדבק לבין המודבק (המצע). מבחינה חזותית, נשאר דבק שאריתי בכל מקום על משטח אחד בלבד ולא על המצע המודבק השני.

בנוסף לניקוי בממס ולטיפול מקדים בפלזמה, משטח בעל מרקם, כפי שנוצק, יגביר הידבקות בנעילה מכנית. ניתן ליצור מרקם בתוך כלי התבנית או ידנית באמצעות פד Scotch-Brite. לדוגמה, גימור חלל תבנית NTMA "40-Diamond buffed 1200 Grit" ישפר ככל הנראה את חוזק ההדבקה בהשוואה לגימור "10-Fine Diamond 8000 Grit" (טווח 0-3 מיקרון). גם משטחים בעלי מרקם קל מועילים. במחברים וביישומי חורים שקועים אחרים, סיכות ליבה חרוטות בתבנית יעילות ביותר.

לסיכום, להשגת הדבקה בחוזק גבוה של PPS (מחוזק ב-30-40 אחוזים סיבי זכוכית) ודבקי אפוקסי הניתנים לריפוי בחום, אני ממליץ על הפעולות הבאות:

• לוודא שרף ה-PPS מיובש כראוי לפני היציקה ומעובד ב-275 עד 300 מעלות פרנהייט
• לבצע את תהליכי ההדבקה בהקדם האפשרי לאחר היציקה
• לנקות את משטחי החלקים בממס
• להשתמש בטיפול מקדים בפלזמה להגברת ההרטבה והפונקציונליות הכימית של פני השטח
• ליישם קו הדבקה אחיד ודק
• לרפא בתנור ב-300 עד 350 מעלות פרנהייט

יתרונות נוספים מושגים אם משטחי המוצר בעלי מרקם. יש לזכור שמשטחים שחומצנו בפלזמה עלולים לפגוע בתהליכי הרכבה בהמשך, כגון איטום/ריתוך בחום לקוי, כאשר מתרחש טיפול יתר. משטחים שעברו טיפול בפלזמה מזדקנים בקצבים ובמידות שונות ביחס לגורמי הסביבה הסובבת, כולל טמפרטורה ולחות.

השגת הדבקה יציבה של מוצרי PPS דורשת גישת מערכת של פתרון כולל הכוללת תכנון, תכונות חומר ופעולות ראשוניות ומשניות. חימצון בפלזמה פותר בעיות הידבקות רבות, אך בחירת השיטה הטובה ביותר תלויה בגורמים רבים, ובהם יצרני הציוד. ניתן לשלב טיפולים מקדימים – כימיים, מכניים או פלזמה – כדי לשפר את תוצאות ההדבקה ולצמצם את השונות בתהליך.

מקורות

• “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 הוא מייסד ונשיא The Sabreen Group, Inc., חברת ייעוץ הנדסי המתמחה בתהליכי ייצור משניים של פלסטיק – טיפולים מקדימים בפני השטח, הדבקה, עיטור וגימור, סימון בלייזר ואבטחת מוצרים. Sabreen מפתח טכנולוגיות חדשות ופותר בעיות ייצור מזה למעלה מ-30 שנה. ניתן ליצור עמו קשר בטלפון 972.820.6777 או באתרים sabreen.com ו-plasticslasermarking.com.

---