Najlepsze praktyki klejenia półkrystalicznych tworzyw termoplastycznych

Najlepsze praktyki klejenia półkrystalicznych tworzyw termoplastycznych

Od tworzyw powszechnego użytku po gatunki o wysokich parametrach – polimery półkrystaliczne trudno skleić zarówno ze sobą, jak i z materiałami różnymi. Aby powstały silne wiązania cząsteczkowe niezbędne dla przyczepności, wymagane są czyste powierzchnie podłoża (często w połączeniu z obróbką wstępną). Dobór kleju i właściwe utwardzanie mają kluczowe znaczenie dla osiągnięcia oczekiwanego rezultatu.

Ogólnie polimery w stanie stałym występują w dwóch postaciach morfologicznych – „amorficznej” i „półkrystalicznej”. W określonych warunkach niektóre polimery mogą wykazywać obie. W polimerach amorficznych, np. akrylu i poliwęglanie, nie ma wyraźnej temperatury topnienia (miękną stopniowo). Cząsteczki są ułożone przypadkowo i splątane (jak ugotowany makaron), a materiał ma przezroczysty, szklisty wygląd. W polimerach półkrystalicznych występuje wyraźna temperatura topnienia, a cząsteczki układają się w uporządkowane obszary o regularnej strukturze liniowej. Ponieważ krystality rozpraszają światło, materiały te są zwykle bardziej matowe. Polimery półkrystaliczne mają skłonność do tworzenia wytrzymałych tworzyw sztucznych dzięki silnym oddziaływaniom międzycząsteczkowym wynikającym ze ścisłego upakowania łańcuchów. (Zob. ilustracja 2.)

Polimery półkrystaliczne są z natury trudne do klejenia, ponieważ są hydrofobowe, obojętne chemicznie i mają słabą zwilżalność powierzchni (czyli niską energię powierzchniową). Choć te cechy są bardzo pożądane ze względu na właściwości użytkowe, słaba zwilżalność powierzchni stwarza producentom trudności w klejeniu. Ponadto polimery półkrystaliczne, takie jak nylon, pochłaniają z atmosfery wilgoć w ilości przekraczającej trzy procent swojej masy. Sama wilgoć powoduje problemy z przyczepnością. Dlatego procesy klejenia należy wykonywać możliwie szybko po formowaniu albo szczelnie pakować części w worki niepolietylenowe z osuszaczem. Właściwe suszenie ma kluczowe znaczenie dla przetwarzania i jakości wyrobu.

Najważniejsze wnioski

• Morfologia decyduje o podatności na klejenie. Polimery amorficzne, takie jak akryl i poliwęglan, klei się łatwiej niż półkrystaliczne.
• Czyścić toluenem, ksylenem, acetonem lub MEK. Alkohol usuwa wyłącznie powierzchniowe zabrudzenia, nie zanieczyszczenia węglowodorowe.
• Silikony, środki antyadhezyjne do form i środki antypoślizgowe utrudniają klejenie i należy je usunąć przed obróbką wstępną.
• Utrata przyczepności ma charakterystyczny wygląd – resztki kleju pozostają tylko na jednym podłożu, a nie na obu.
• Epoksydy, akryle i uretany to najczęściej stosowane rodziny klejów konstrukcyjnych dla tych polimerów.

Najczęściej zadawane pytania

Dlaczego polimery półkrystaliczne są trudniejsze do klejenia niż amorficzne?

Przyczyną jest ich morfologia cząsteczkowa. Polimery amorficzne, takie jak akryl i poliwęglan, mają cząsteczki ułożone przypadkowo i splątane oraz nie mają wyraźnej temperatury topnienia – miękną stopniowo. Polimery półkrystaliczne mają uporządkowaną strukturę, a właśnie ten porządek utrudnia zwilżanie, od którego zależy przyczepność.

Jakich rozpuszczalników należy używać do czyszczenia powierzchni półkrystalicznych?

Toluenu, ksylenu, acetonu lub MEK o średniej lub wyższej sile działania, zgodnie z firmowymi zasadami dotyczącymi rozpuszczalników i przepisami stanowymi. Odpowiednie środki wskazują karty charakterystyki polimerów. Alkohol jest słabym rozpuszczalnikiem, który usuwa powierzchniowe zabrudzenia, lecz nie zanieczyszczenia węglowodorowe.

Jak odróżnić utratę przyczepności od zniszczenia kohezyjnego?

Po tym, gdzie pozostaje klej. Utrata przyczepności następuje na granicy między klejem a elementem klejonym, a wizualnie resztki kleju widać tylko na jednej powierzchni, nie na drugim podłożu. Zniszczenie kohezyjne pozostawia klej na obu.

Jakie kleje nadają się do polimerów półkrystalicznych?

Kleje konstrukcyjne – powszechnie stosuje się epoksydy, akryle i uretany. Epoksyd dwuskładnikowy wymaga zmieszania żywicy epoksydowej z utwardzaczem, a przy projektowaniu połączenia trzeba uwzględnić siły rozciągające, ściskające, ścinające, odrywające i rozwarstwiające, często występujące łącznie.

Jakie zanieczyszczenie najpewniej niweczy połączenie klejowe?

Materiały o niskiej masie cząsteczkowej: silikony, środki antyadhezyjne do form i środki antypoślizgowe. Bezpośrednio utrudniają one klejenie, a żadna obróbka wstępna tego nie zrekompensuje, jeśli nadal znajdują się na powierzchni.

Czyszczenie powierzchni i obróbka wstępna

Przygotowanie powierzchni ma kluczowe znaczenie dla uzyskania wysokiej wytrzymałości połączenia klejowego. Powierzchnie muszą być czyste, wolne od brudu, smarów i olejów. Materiały o niskiej masie cząsteczkowej (LMWM), takie jak silikony, środki antyadhezyjne do form i środki antypoślizgowe, utrudniają klejenie. Do skutecznego oczyszczenia powierzchni półkrystalicznych i usunięcia LMWM zasadniczo należy stosować toluen, ksylen, aceton lub MEK o średniej lub wyższej sile działania (zgodnie z firmowymi zasadami dotyczącymi rozpuszczalników i przepisami stanowymi). Odpowiednie środki czyszczące wskazują karty charakterystyki polimerów. Alkohol jest słabym rozpuszczalnikiem i usuwa tylko powierzchniowe zabrudzenia, nie zanieczyszczenia węglowodorowe.

Zawsze należy stosować właściwą technikę, w tym ściereczki niepylące i rękawice ochronne bez pudru. Nadmiar rozpuszczalnika tworzy słabe warstwy graniczne z nieusuniętych substancji chemicznych i pozostawia nalot, który utrudnia klejenie.

Klejenie polimerów półkrystalicznych często wymaga plazmowej obróbki wstępnej bezpośrednio po czyszczeniu rozpuszczalnikiem. Do gazowych metod obróbki wstępnej polegających na utlenianiu powierzchni należą: obróbka koronowa, plazma atmosferyczna, plazma powietrzna (wyładowanie elektryczne), plazma płomieniowa oraz niskociśnieniowa plazma zimna RF. Cechuje je zdolność wytwarzania „plazmy gazowej” – wyjątkowo reaktywnego gazu złożonego z wolnych elektronów, jonów dodatnich i innych cząstek. Zachodzi też chemiczna funkcjonalizacja powierzchni. Z punktu widzenia fizyki mechanizmy wytwarzania tych plazm są różne, lecz ich wpływ na zwilżalność powierzchni jest podobny. Każda metoda jest dobierana do zastosowania i ma swoje zalety lub ograniczenia.

Na przykład obróbka elektryczna nie usuwa ani nie oczyszcza wszystkich wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, więc może być konieczne dalsze czyszczenie rozpuszczalnikiem. Obróbka wstępna niskociśnieniową plazmą zimną RF usuwa węglowodory, dlatego wstępne czyszczenie nie jest potrzebne.

Zasadniczo akceptowalną przyczepność klejową uzyskuje się, gdy energia powierzchniowa podłoża jest o około 10 dyn/cm większa od napięcia powierzchniowego cieczy lub kleju. Energia powierzchniowa nieobrobionego nylonu wynosi około 40 dyn/cm. Zatem pożądana energia powierzchniowa po obróbce powinna mieścić się w zakresie 50–54 dyn. W takiej sytuacji ciecz „zwilża” powierzchnię lub przylega do niej. Powszechną metodą pomiaru „zwilżania” powierzchni jest użycie skalibrowanych roztworów dyne zgodnie z metodą badania ASTM D2578.

Kleje i utwardzanie

Z definicji „utrata przyczepności” następuje na granicy między klejem a elementem klejonym (podłożem). Wizualnie resztki kleju pozostają w dowolnym miejscu tylko na jednej powierzchni, a nie na drugim podłożu. Optymalna konstrukcja połączenia ma kluczowe znaczenie w każdym zastosowaniu klejenia. Połączenia klejone mogą być poddawane siłom rozciągającym, ściskającym, ścinającym, odrywającym lub rozwarstwiającym, często występującym łącznie.

W wielu zastosowaniach klejenia polimerów półkrystalicznych powszechnie stosuje się kleje konstrukcyjne (w tym epoksydy, akryle i uretany). Epoksyd dwuskładnikowy przygotowuje się przez zmieszanie żywicy epoksydowej z utwardzaczem lub przy użyciu aplikatorów „duo-pak”. Dla optymalnej wytrzymałości na ścinanie i rozciąganie preferowana jest jednorodna, cienka spoina (0,002–0,007 cala). Pełne utwardzenie trwa zwykle około siedmiu dni w temperaturze 75°F, lecz zależy od zastosowania i warunków otoczenia. Utwardzanie można przyspieszyć przez dodanie ciepła (120–210°F), co powoduje dodatkową polimeryzację i może poprawić właściwości epoksydu. Temperatura ugięcia cieplnego polimeru jest zwykle górną granicą dla ciepła stosowanego w obróbce po formowaniu. Czas i temperatura wygrzewania zależą od zastosowania.

Częstym błędem jest nakładanie dodatkowej ilości kleju w celu zwiększenia wytrzymałości połączenia. Nadmiar kleju jest szkodliwy i stanowi jedną z głównych przyczyn uszkodzeń połączeń klejowych. Na przykład kleje epoksydowe mają stosunkowo wysokie współczynniki rozszerzalności cieplnej. Spoiny muszą być cienkie i o jednolitej grubości (zwykle 3–5 mil dla maksymalnej wytrzymałości na ścinanie). Dostawca kleju może wskazać optymalną grubość spoiny dla danego zastosowania. Wstępnie dozowane aplikatory „duo-pak” eliminują problemy z mieszaniem i zapewniają dokładniejszy stosunek składników. Zapewniają też lepszy przebieg reakcji stechiometrycznych, co przekłada się na wyższą wytrzymałość i lepsze właściwości w zakresie wydzielania gazów.

Jeśli chodzi o fakturę powierzchni klejonej części po formowaniu, powierzchnia teksturowana zwiększa mechaniczne zazębienie, co uzupełnia czyszczenie rozpuszczalnikiem i plazmową obróbkę wstępną. Teksturę można uzyskać w narzędziu formującym lub ręcznie, używając włókniny Scotch-Brite. Na przykład wykończenie gniazda formy NTMA „40 – polerowane diamentem, ziarno 1200” prawdopodobnie zwiększy wytrzymałość połączenia w porównaniu z wykończeniem „10 – drobny diament, ziarno 8000” (zakres 0–3 mikrony). Korzystna jest nawet lekko teksturowana powierzchnia. (Zob. ilustracja 3.)

Podsumowując, aby uzyskać wysoką wytrzymałość połączenia klejowego polimerów półkrystalicznych, zaleca się:

• Upewnić się, że żywica została prawidłowo wysuszona przed formowaniem.
• Przeprowadzić klejenie możliwie szybko po formowaniu.
• Oczyścić powierzchnię części rozpuszczalnikiem, aby usunąć zanieczyszczenia i zabrudzenia węglowodorowe.
• Rozważyć wprowadzenie plazmowej obróbki wstępnej powierzchni w celu zwiększenia zwilżalności i funkcjonalizacji chemicznej (oprócz czyszczenia rozpuszczalnikiem).
• Nanosić cienką, jednolitą spoinę klejową. Dodatkowe korzyści można uzyskać, jeśli wyrób ma powierzchnię teksturowaną.

Scott R. Sabreen jest założycielem i prezesem The Sabreen Group, Inc. – firmy inżynieryjnej specjalizującej się we wtórnych procesach przetwórstwa tworzyw sztucznych: obróbce wstępnej powierzchni, klejeniu, zdobieniu i wykańczaniu, znakowaniu laserowym oraz bezpieczeństwie produktu. Od ponad 30 lat opracowuje nowe technologie i rozwiązuje problemy produkcyjne. Kontakt z Sabreenem: 972.820.6777, www.sabreen.com lub www.adhesionbonding.com.

---