Melhores práticas para a colagem de termoplásticos semicristalinos

Melhores práticas para a colagem de termoplásticos semicristalinos

Das commodities aos graus de alto desempenho, os polímeros semicristalinos são difíceis de colar entre si e a materiais dissimilares. Para criar as ligações moleculares fortes necessárias à adesão, as superfícies dos substratos devem estar limpas (muitas vezes em conjunto com um pré-tratamento). A seleção do adesivo e a cura correta são decisivas para alcançar o resultado desejado.

Em geral, os polímeros apresentam dois tipos de morfologia no estado sólido: “amorfa” e “semicristalina”. Em certas condições, alguns polímeros podem exibir ambas. Nos polímeros amorfos, como o acrílico e o policarbonato, não há um ponto de fusão definido (amolecem gradualmente). As moléculas se orientam de forma aleatória e entrelaçada (como espaguete cozido), com aspecto transparente, semelhante ao do vidro. Nos polímeros semicristalinos, há um ponto de fusão nítido e as moléculas se empacotam em regiões ordenadas, de estrutura linear regular. Como os cristalitos espalham a luz, esses polímeros costumam ser mais opacos. Os polímeros semicristalinos tendem a formar plásticos tenazes, devido às fortes forças intermoleculares associadas ao empacotamento compacto das cadeias. (Veja a Ilustração 2.)

Os polímeros semicristalinos são inerentemente difíceis de colar porque são hidrofóbicos, quimicamente inertes e têm baixa molhabilidade superficial (ou seja, baixa energia de superfície). Embora essas características sejam muito desejáveis para o desempenho, a baixa molhabilidade cria desafios de colagem para os fabricantes. Além disso, polímeros semicristalinos como o náilon absorvem da atmosfera mais de três por cento de sua massa em água. A umidade, por si só, causa problemas de adesão. Por isso, é importante realizar os processos de colagem o quanto antes após a moldagem ou embalar as peças hermeticamente em sacos sem poliolefina, com dessecante. O procedimento correto de secagem é essencial para o processamento e o desempenho da peça.

Principais conclusões

• A morfologia determina a colabilidade. Polímeros amorfos, como o acrílico e o policarbonato, são colados com mais facilidade do que os semicristalinos.
• Limpe com tolueno, xileno, acetona ou MEK. O álcool remove apenas a sujeira superficial, não a contaminação por hidrocarbonetos.
• Silicones, desmoldantes e agentes antiderrapantes inibem a colagem e devem ser removidos antes do pré-tratamento.
• A falha de adesão tem uma assinatura visual: adesivo residual em apenas um dos substratos, não em ambos.
• Epóxis, acrílicos e uretanos são as famílias de adesivos estruturais mais comuns para esses polímeros.

Perguntas frequentes

Por que os polímeros semicristalinos são mais difíceis de colar do que os amorfos?

Por causa de sua morfologia molecular. Polímeros amorfos, como o acrílico e o policarbonato, têm moléculas orientadas aleatoriamente e entrelaçadas, sem ponto de fusão definido, e amolecem gradualmente. Os polímeros semicristalinos têm estrutura ordenada, e é justamente essa ordem que resiste ao molhamento do qual a adesão depende.

Quais solventes devem ser usados para limpar superfícies semicristalinas?

Tolueno, xileno, acetona ou MEK de resistência moderada a alta, de acordo com a política de solventes da empresa e a legislação local. As fichas técnicas do polímero indicam os agentes adequados. O álcool é um solvente fraco, que remove a sujeira superficial, mas não os contaminantes de hidrocarbonetos.

Como distinguir falha de adesão de falha de coesão?

Pelo local onde o adesivo permanece. A falha de adesão ocorre na interface entre o adesivo e o aderendo e, visualmente, há adesivo residual em apenas uma superfície, não no segundo substrato. A falha coesiva deixa adesivo em ambas.

Quais adesivos são adequados para polímeros semicristalinos?

Adesivos estruturais: epóxis, acrílicos e uretanos são os mais usados. O epóxi bicomponente consiste na mistura de uma resina epóxi com um endurecedor, e o projeto da junta deve levar em conta forças de tração, compressão, cisalhamento, descolamento e clivagem, muitas vezes combinadas.

Qual contaminação arruína uma colagem com mais frequência?

Materiais de baixo peso molecular: silicones, desmoldantes e agentes antiderrapantes. Eles inibem a colagem diretamente, e nenhum pré-tratamento compensa a sua presença na superfície.

Limpeza e pré-tratamento da superfície

A preparação da superfície é essencial para obter alta resistência de colagem. As superfícies devem estar limpas e livres de sujeira, graxa e óleos. Materiais de baixo peso molecular (LMWM), como silicones, desmoldantes e agentes antiderrapantes, inibem a colagem. Para limpar adequadamente superfícies semicristalinas e remover os LMWM, geralmente devem ser usados tolueno, xileno, acetona ou MEK de resistência moderada a alta (de acordo com a política de solventes da empresa e a legislação local). As fichas técnicas do polímero indicam os agentes de limpeza adequados. O álcool é um solvente fraco e remove apenas a sujeira superficial, não os contaminantes de hidrocarbonetos.

É preciso usar a técnica correta o tempo todo, incluindo panos que não soltem fiapos e luvas de proteção sem talco. O excesso de solvente cria camadas limite fracas de produtos químicos não removidos, deixando um véu residual que inibe a colagem.

As aplicações de colagem de polímeros semicristalinos costumam exigir pré-tratamento por plasma logo após a limpeza com solvente. Os pré-tratamentos de oxidação superficial em fase gasosa incluem tratamento corona (descarga elétrica), plasma atmosférico elétrico, plasma de ar (descarga elétrica), plasma de chama e plasma frio de baixa pressão por RF. Esses processos se caracterizam pela capacidade de gerar “plasma gasoso”, um gás extremamente reativo composto por elétrons livres, íons positivos e outras espécies. Ocorre também a funcionalização química da superfície. Na física, os mecanismos de geração desses plasmas são diferentes, mas seus efeitos sobre a molhabilidade da superfície são semelhantes. Cada método é específico para a aplicação e tem vantagens e/ou limitações.

Por exemplo, os pré-tratamentos elétricos não removem nem limpam todos os hidrocarbonetos poliaromáticos, por isso pode ser necessário continuar a limpeza com solvente. O pré-tratamento por plasma frio de RF remove hidrocarbonetos, portanto a pré-limpeza não é necessária.

Como regra geral, obtém-se uma adesão de colagem aceitável quando a energia de superfície do substrato é aproximadamente 10 dynes/cm maior que a tensão superficial do líquido ou do adesivo. A energia de superfície do náilon não tratado é de aproximadamente 40 dynes/cm. Portanto, a energia de superfície desejada após o tratamento deve ficar na faixa de 50-54 dynes. Nessa situação, diz-se que o líquido “molha” ou adere à superfície. Um método comum de medir o “molhamento” da superfície é o uso de soluções de dyne calibradas, conforme o método de ensaio ASTM D2578.

Adesivos e cura

Por definição, a “falha de adesão” ocorre na interface entre o adesivo e o aderendo (substrato). Visualmente, há adesivo residual, em qualquer ponto, em apenas uma superfície e não no segundo substrato aderendo. O projeto ideal da junta é decisivo em qualquer aplicação de colagem. As juntas coladas podem estar sujeitas a forças de tração, compressão, cisalhamento, descolamento ou clivagem, muitas vezes combinadas.

Em muitas aplicações de colagem de polímeros semicristalinos, são comumente utilizados adesivos estruturais (incluindo epóxis, acrílicos e uretanos). O epóxi bicomponente consiste na mistura de uma resina epóxi com um endurecedor ou no uso de aplicadores “duo-pak”. Prefere-se uma espessura de linha de cola fina e uniforme (0,002 a 0,007 polegada) para obter propriedades ideais de resistência ao cisalhamento e à tração. O tempo de cura completa costuma ser de cerca de sete dias a 75°F, mas varia conforme a aplicação e as condições ambientais. A velocidade de cura pode ser acelerada com calor (120-210°F), o que resulta em polimerização adicional e pode dar ao epóxi melhores propriedades. A temperatura de deflexão térmica do polímero geralmente é o limite superior para o calor aplicado no processamento pós-moldagem. O tempo e a temperatura de cura dependem da aplicação.

Uma prática equivocada comum é aplicar adesivo em excesso para aumentar a resistência da colagem. O excesso de adesivo é prejudicial e uma das principais causas de falhas de colagem. Por exemplo, os adesivos epóxi têm coeficientes de expansão térmica relativamente altos. As linhas de cola precisam ser finas e de espessura uniforme (tipicamente 3-5 mil para máxima resistência ao cisalhamento). O fornecedor do adesivo pode orientar sobre a espessura ideal da linha de cola para a aplicação específica. Os aplicadores “duo-pak” pré-dosados eliminam problemas de mistura e proporcionam uma proporção de mistura mais exata. Eles também garantem reações químicas estequiométricas melhores, resultando em melhor resistência e melhores propriedades de desgaseificação.

Em relação à textura superficial da peça a ser colada, tal como moldada, uma superfície texturizada aumenta a adesão por ancoragem mecânica, além da limpeza com solvente e do pré-tratamento por plasma. A textura pode ser obtida no próprio molde ou manualmente, com uma esponja Scotch-Brite. Por exemplo, o acabamento de cavidade de molde NTMA “40-Diamond buffed 1200 Grit” provavelmente melhorará a resistência da colagem em comparação ao acabamento “10-Fine Diamond 8000 Grit” (faixa de 0-3 mícrons). Até superfícies levemente texturizadas trazem benefícios. (Veja a Ilustração 3.)

Em resumo, para obter uma união por adesão de alta resistência em polímeros semicristalinos, recomenda-se:

• Garanta que a resina esteja devidamente seca antes da moldagem.
• Realize a colagem o quanto antes após a moldagem.
• Limpe a superfície da peça com solvente para remover resíduos e contaminantes de hidrocarbonetos.
• Considere implementar um pré-tratamento de superfície por plasma para aumentar o molhamento e a funcionalização química da superfície (além da limpeza com solvente).
• Aplique uma linha de cola fina e uniforme. Podem-se obter benefícios adicionais se o produto tiver superfície texturizada.

Scott R. Sabreen é fundador e presidente da The Sabreen Group, Inc., uma empresa de engenharia especializada em processos de transformação secundária de plásticos: pré-tratamentos de superfície, colagem, decoração e acabamento, marcação a laser e segurança de produtos. Ele desenvolve novas tecnologias e resolve problemas de fabricação há mais de 30 anos. Você pode entrar em contato com Sabreen pelo telefone 972.820.6777 ou visitando www.sabreen.com ou www.adhesionbonding.com.

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