Thực hành tốt nhất khi dán keo nhựa nhiệt dẻo bán tinh thể

Thực hành tốt nhất khi dán keo nhựa nhiệt dẻo bán tinh thể

Từ các loại nhựa thông dụng đến nhựa hiệu suất cao, polymer bán tinh thể đều khó dán với chính nó cũng như với các vật liệu khác loại. Để tạo ra các liên kết phân tử bền chắc cần thiết cho độ bám dính, bề mặt vật liệu nền phải sạch (thường kết hợp với tiền xử lý). Việc lựa chọn keo dán và đóng rắn đúng cách có vai trò quyết định đối với kết quả mong muốn.

Nhìn chung, ở trạng thái rắn polymer có hai dạng hình thái: “vô định hình” và “bán tinh thể”. Trong một số điều kiện, một số polymer có thể thể hiện cả hai hình thái. Ở polymer vô định hình, ví dụ nhựa acrylic và polycarbonate, không có điểm nóng chảy thực sự (chúng mềm dần). Các phân tử định hướng ngẫu nhiên và đan xen vào nhau (như sợi mì spaghetti đã nấu chín), tạo vẻ ngoài trong suốt như thủy tinh. Ở polymer bán tinh thể, có điểm nóng chảy rõ rệt và các phân tử xếp chặt vào nhau thành các vùng trật tự có cấu trúc mạch thẳng đều đặn. Do các tinh thể nhỏ làm tán xạ ánh sáng nên loại này thường đục hơn. Polymer bán tinh thể có xu hướng tạo thành nhựa dai chắc nhờ lực liên phân tử mạnh sinh ra từ việc các mạch xếp sát nhau. (Xem Hình minh họa 2.)

Polymer bán tinh thể vốn khó dán vì chúng kỵ nước, trơ về mặt hóa học và có khả năng thấm ướt bề mặt kém (tức năng lượng bề mặt thấp). Dù những đặc tính này rất đáng mong muốn về hiệu suất sử dụng, khả năng thấm ướt kém lại gây khó khăn cho nhà sản xuất khi dán keo. Ngoài ra, polymer bán tinh thể như nylon hấp thụ từ không khí lượng ẩm vượt quá ba phần trăm khối lượng của chính nó. Bản thân hơi ẩm đã gây ra các vấn đề về độ bám dính. Do đó, cần thực hiện quy trình dán keo càng sớm càng tốt sau khi ép phun, hoặc đóng gói chi tiết kín trong túi không phải nhựa polyolefin cùng chất hút ẩm. Quy trình sấy đúng cách là yếu tố then chốt đối với quá trình gia công và hiệu năng của chi tiết.

Những điểm chính cần nhớ

• Hình thái quyết định khả năng dán. Polymer vô định hình như nhựa acrylic và polycarbonate dễ dán hơn polymer bán tinh thể.
• Làm sạch bằng toluene, xylene, acetone hoặc MEK. Cồn chỉ loại bỏ bụi bẩn bề mặt, không loại bỏ được tạp chất hydrocarbon.
• Silicone, chất tách khuôn và chất chống trượt cản trở việc dán keo và phải được loại bỏ trước khi tiền xử lý.
• Lỗi bám dính có dấu hiệu nhận biết bằng mắt thường: keo chỉ còn sót lại trên một vật liệu nền, không phải trên cả hai.
• Epoxy, acrylic và urethane là các họ keo dán kết cấu thường dùng cho những polymer này.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao polymer bán tinh thể khó dán hơn polymer vô định hình?

Do hình thái phân tử của chúng. Polymer vô định hình như nhựa acrylic và polycarbonate có các phân tử định hướng ngẫu nhiên, đan xen và không có điểm nóng chảy thực sự, chỉ mềm dần. Polymer bán tinh thể có cấu trúc trật tự, và chính trật tự đó cản trở khả năng thấm ướt mà độ bám dính phụ thuộc vào.

Nên dùng dung môi nào để làm sạch bề mặt polymer bán tinh thể?

Toluene, xylene, acetone hoặc MEK có nồng độ mạnh từ trung bình trở lên, tuân theo chính sách dung môi của công ty và luật của bang. Bảng dữ liệu của polymer sẽ nêu các chất làm sạch phù hợp. Cồn là dung môi yếu, chỉ loại bỏ bụi bẩn bề mặt mà không loại bỏ được tạp chất hydrocarbon.

Làm thế nào phân biệt lỗi bám dính với lỗi nội kết?

Dựa vào vị trí keo còn lại. Lỗi bám dính xảy ra tại giao diện giữa keo và vật được dán, và nhìn bằng mắt thường thì keo chỉ còn sót lại trên một bề mặt, không có trên vật liệu nền thứ hai. Lỗi nội kết để lại keo trên cả hai bề mặt.

Loại keo nào phù hợp với polymer bán tinh thể?

Keo dán kết cấu: epoxy, acrylic và urethane thường được sử dụng. Epoxy hai thành phần được tạo bằng cách trộn nhựa epoxy với chất đóng rắn, và thiết kế mối ghép phải tính đến các lực kéo, nén, cắt, bóc tách và tách rời, thường tác động đồng thời.

Loại tạp chất nào làm hỏng mối dán một cách chắc chắn nhất?

Các chất có khối lượng phân tử thấp: silicone, sản phẩm tách khuôn và chất chống trượt. Chúng cản trở trực tiếp việc dán keo, và dù tiền xử lý đến đâu cũng không bù đắp được nếu chúng vẫn còn trên bề mặt.

Làm sạch và tiền xử lý bề mặt

Chuẩn bị bề mặt có vai trò quyết định để đạt độ bền mối dán cao. Bề mặt phải sạch, không dính bụi bẩn, mỡ và dầu. Các chất có khối lượng phân tử thấp (LMWM) như silicone, sản phẩm tách khuôn và chất chống trượt cản trở việc dán keo. Để làm sạch đúng cách bề mặt polymer bán tinh thể và loại bỏ các chất LMWM, nhìn chung nên dùng Toluene, Xylene, Acetone hoặc MEK có nồng độ mạnh từ trung bình trở lên (tuân theo chính sách dung môi của công ty và luật của bang). Bảng dữ liệu của polymer sẽ nêu các chất làm sạch phù hợp. Cồn là dung môi yếu và chỉ loại bỏ bụi bẩn bề mặt, không loại bỏ được tạp chất hydrocarbon.

Phải luôn áp dụng đúng kỹ thuật, bao gồm dùng khăn không xơ và đeo găng tay bảo hộ không bột. Dung môi dư thừa tạo ra các lớp biên yếu chứa hóa chất chưa được loại bỏ, để lại lớp mờ đục tích tụ làm cản trở việc dán keo.

Các ứng dụng dán keo polymer bán tinh thể thường yêu cầu tiền xử lý plasma ngay sau khi làm sạch bằng dung môi. Các phương pháp tiền xử lý oxy hóa bề mặt pha khí gồm xử lý phóng điện corona, plasma khí quyển, plasma không khí (phóng điện), plasma ngọn lửa và plasma khí lạnh RF áp suất thấp. Các quy trình này có đặc điểm chung là tạo ra “plasma khí”, một chất khí cực kỳ phản ứng gồm các electron tự do, ion dương và các thành phần khác. Quá trình chức năng hóa hóa học bề mặt cũng diễn ra. Xét theo vật lý, cơ chế tạo ra các loại plasma này khác nhau, nhưng tác động của chúng lên khả năng thấm ướt bề mặt là tương tự. Mỗi phương pháp đều dành riêng cho từng ứng dụng và có ưu điểm và/hoặc hạn chế riêng.

Ví dụ, các phương pháp tiền xử lý bằng điện không loại bỏ/làm sạch được toàn bộ hydrocarbon đa vòng thơm, nên có thể cần tiếp tục làm sạch bằng dung môi. Tiền xử lý plasma khí lạnh RF sẽ loại bỏ hydrocarbon, do đó không cần làm sạch trước.

Theo nguyên tắc chung, độ bám dính chấp nhận được đạt được khi năng lượng bề mặt của vật liệu nền cao hơn sức căng bề mặt của chất lỏng hoặc keo khoảng 10 dyne/cm. Năng lượng bề mặt của nylon chưa xử lý khoảng 40 dyne/cm. Do đó, năng lượng bề mặt mong muốn sau xử lý cần nằm trong khoảng 50-54 dyne. Trong trường hợp này, chất lỏng được coi là “thấm ướt” hoặc bám dính lên bề mặt. Một phương pháp phổ biến để đo độ “thấm ướt” của năng lượng bề mặt là dùng dung dịch dyne đã hiệu chuẩn theo phương pháp thử ASTM D2578.

Keo dán và đóng rắn

Theo định nghĩa, “lỗi bám dính” xảy ra tại giao diện giữa keo và vật được dán (vật liệu nền). Nhìn bằng mắt thường, keo còn sót lại ở bất kỳ vị trí nào chỉ trên một bề mặt chứ không có trên vật liệu nền thứ hai. Thiết kế mối ghép tối ưu có vai trò quyết định trong mọi ứng dụng dán keo. Các mối dán có thể chịu lực kéo, nén, cắt, bóc tách hoặc tách rời, thường tác động đồng thời.

Trong nhiều ứng dụng dán keo polymer bán tinh thể, keo dán kết cấu (bao gồm epoxy, acrylic và urethane) được sử dụng phổ biến. Epoxy hai thành phần được tạo bằng cách trộn nhựa epoxy với chất đóng rắn, hoặc dùng ống bơm keo “duo-pak” đã đóng gói sẵn. Độ dày đường keo mỏng và đồng đều (0,002 đến 0,007 inch) được ưu tiên để đạt độ bền cắt và bền kéo tối ưu. Thời gian đóng rắn hoàn toàn thường khoảng bảy ngày ở 75°F, nhưng thay đổi tùy ứng dụng và điều kiện môi trường. Có thể đẩy nhanh tốc độ đóng rắn bằng cách gia nhiệt (120-210°F), giúp trùng hợp thêm và có thể mang lại cho epoxy các đặc tính tốt hơn. Nhiệt độ biến dạng nhiệt của polymer thường là giới hạn trên đối với nhiệt áp dụng trong quá trình xử lý sau ép phun. Thời gian và nhiệt độ nung tùy thuộc vào từng ứng dụng.

Một sai lầm phổ biến là bôi thêm keo để tăng độ bền mối dán. Keo dư thừa là bất lợi và là nguyên nhân hàng đầu gây lỗi mối dán. Ví dụ, keo epoxy có hệ số giãn nở nhiệt tương đối cao. Đường keo cần được giữ mỏng và đồng đều về độ dày (thường 3-5 mil để đạt độ bền cắt tối đa). Nhà cung cấp keo có thể hướng dẫn độ dày đường keo tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể. Ống bơm keo “duo-pak” đo sẵn liều lượng sẽ loại bỏ các vấn đề khi trộn và cho tỷ lệ trộn chính xác hơn. Chúng cũng cho phản ứng hóa học theo tỷ lệ hợp thức tốt hơn, giúp cải thiện độ bền và đặc tính thoát khí.

Liên quan đến kết cấu bề mặt của chi tiết cần dán, ở trạng thái sau ép phun, bề mặt có vân sẽ tăng độ bám dính nhờ khóa liên kết cơ học, bổ sung cho việc làm sạch bằng dung môi và tiền xử lý plasma. Có thể tạo vân ngay trong khuôn hoặc thủ công bằng miếng Scotch-Brite. Ví dụ, độ hoàn thiện lòng khuôn NTMA “40-Diamond buffed 1200 Grit” nhiều khả năng sẽ cải thiện độ bền mối dán so với độ hoàn thiện “10-Fine Diamond 8000 Grit” (phạm vi 0-3 micron). Ngay cả bề mặt có vân nhẹ cũng mang lại lợi ích. (Xem Hình minh họa 3.)

Tóm lại, để đạt liên kết bám dính độ bền cao cho polymer bán tinh thể, khuyến nghị thực hiện các bước sau:

• Đảm bảo nhựa được sấy khô đúng cách trước khi ép phun.
• Thực hiện quy trình dán keo càng sớm càng tốt sau khi ép phun.
• Làm sạch bề mặt chi tiết bằng dung môi để loại bỏ mảnh vụn và tạp chất hydrocarbon trên bề mặt.
• Cân nhắc áp dụng tiền xử lý bề mặt bằng plasma để tăng khả năng thấm ướt bề mặt/chức năng hóa hóa học (bổ sung cho việc làm sạch bằng dung môi).
• Bôi đường keo mỏng, đồng đều. Có thể thu thêm lợi ích nếu sản phẩm có bề mặt có vân.

Scott R. Sabreen là người sáng lập kiêm chủ tịch của The Sabreen Group, Inc., một công ty kỹ thuật chuyên về các quy trình sản xuất nhựa thứ cấp – tiền xử lý bề mặt, dán keo, trang trí & hoàn thiện bề mặt, khắc laser và bảo mật sản phẩm. Ông đã phát triển công nghệ mới và giải quyết các vấn đề sản xuất suốt hơn 30 năm. Quý khách có thể liên hệ Sabreen theo số 972.820.6777 hoặc truy cập www.sabreen.com hoặc www.adhesionbonding.com.

---