Transcript LIMNING: Svår teknik med många fördelar del 2

Bearbetning från A–Ö
står då limmet är mekaniskt förankrat
i komponentens porer vilket exempelvis
förekommer då man limmar en cellplast
med öppna porer.
Den specifik adhesion eller renodlade
adhesionen är ett resultat av intermolekylära krafter d v s sekundära bindningar
mellan makromolekyler i form av dispersionskrafter (van der Waals krafter) eller
polära krafter.
Både de adhesiva och kohesiva krafterna är av detta slag och verkar inom korta
avstånd av några nanometer. Limmet måste således vara i omedelbar kontakt med
substratet för att verka effektivt. Därför
måste substratens ytor vara noggrant rengjorda från smutspartiklar, fett, smörj- och
släppmedel, som annars reducerar vidhäftningen.
intim kontakt mellan
två fasta ytor, som pressas mot varandra.
Anledningen är att ytornas strukturer är
grova i mikroskala.
Medelgrovheten i ytan hos en maskinbearbetad ståldetalj motsvara 2–4 μm. Vid
polering av ytan kvarstår ojämnheter i området 0,02– 0,25 μm. Dessa ojämnheter
avspeglar sig i formsprutgodsets yta.
Mikrostrukturen i substratets yta har
stor betydelse vid limning. Man skiljer
mellan den verkliga arean, som bestäms av
substratets ojämnheter och den effektiva
arean, som är betydligt mindre och motsvarar kontakten mellan limmet och substratet enligt figur 1.
D E T U P P STÅ R I N G E N
är att foga ihop två kroppar och det måste därför komma i intim
kontakt med de båda ytor som ingår i lim-
LIMMETS FUNKTION
förbandet. Limmet påläggs i en flytande eller i en så mjuk form att det under tryck
åstadkommer en så god vätning som möjligt och att sprickor i ytan fylls. Graden av
vätning står i relation till kontaktvinkeln
enligt figur 2. Då vätskan sprids fritt över
ytan är kontaktvinkeln = 0 och ytan väts
God vätning fås då attraktionen mellan vätskans
och substratets molekyler är större än mellan
molekylerna i vätskan.
fullständigt. Kontaktvinkelns förhållande
till ytspänningar ges i figur 3.
God vätning fås då attraktionen mellan
vätskans och substratets molekyler är större än mellan molekylerna i vätskan. Limmet skall också undantränga eller upplösa
föroreningar, syre och fukt som kan försämra fogens styrka och stelna till en fast
och seg limfog i ett närmast spänningsfritt
limförband. Limmet stelnar på tre skilda
sätt: avkylning, avlägsnande av lösningsmedel eller reaktivt genom tvärbindning.
Av dessa tre krymper det lösningsbaserade
limmet (med låg torrhalt) kraftigt under
stelningen medan epoxilimmet endast
krymper med omkring 3 procent, vilket är
ett av skälen till limmets popularitet som
konstruktionslim.
ror emellertid inte bara på limmets vidhäftning utan också de kohesiva krafter som
råder hos parterna. Vid belastning kan
bristningar förekomma både i limmet,
substraten och kontaktytorna mellan limmet och substraten enligt figur 1.
En prototypprovning strax efter limningen ger visserligen ett värde på fogens
styrka på kort sikt. Men på längre sikt kan
fukt och andra effekter påverka resultatet
på ett sätt som är svårt att bedöma. Produktionsfaktorer kan också påverka fogens tillförlitlighet. Som redan antytts inför därför
konstruktören ofta ett mekanisk förband i
form av skruvar och nitar i kombination
med limförbandet för att vara på den säkra
sidan. De mekaniska fästelementen bidrar
med säkerhet och tillförlitlighet på en gång
som de fixerar och spänner in limförbandet medan det stelnar eller härdar. I en sådan fog blir antalet mekaniska fästelement
mindre än utan limfog på en gång som det
tillkommer funktioner som tätning och
dämpning. Limning av detta slag förekommer främst vid fogning av plåt.
Figur 3: Kontaktvinkelns förhållande
till ytspänningar
D E N KO H E S I VA K R A F TE N inom det stelnade
limmet kan uppmätas och anges vanligen
av limtillverkaren. Den adhesiva kraften
(vidhäftningen till substratet) är emellertid
svår att förutse. Ett limförbands styrka be-
Figur 1: Scematisk beskrivning av kontakten mellan lim och substrat
samt de bristningar som uppstår då ett llimförband belastas
Figur 2: Vätningen i relation till kontaktvinkeln
plastforum 3 2006
103
Bearbetning från A–Ö
Tabell 1 Kritisk ytspänning hos några plaster
och metaller samt ytspänningen hos några
vätskor och lim
Fasta ämnen
Glas
Järn
Aluminium
Is
Trä
POM
Epoxiplast
PA 66
PC
PET
PA 6
Polysufon
Polyimid
PMMA
PVC
PPS
ABS
PS
PP
PE
Polydimetylsiloxan
PTFE
Vätskor
Vatten
Glycerin
Epoxiharts
Fluorerad
epoxiharts
Smörjolja
Silikonolja
Krit, ytspänning
dyn/cm, mN/m
> 3 000
> 1 000
cirka 500
> 80
> 70
47
47
46
46
43
42
41
40
39
39
38
35
33
32
31
24
18
73
63
47
33
29
21
Kontaktvinkel, ytspänning och ytenergi
˘Material med höga ytenergier som metaller väts lätt av olika vätskor, som har låga
ytenergier. En droppe vatten sprider sig
snabbt över en metallyta eller dess oxidskikt. Vattenmolekylerna är polära och vatten bildar droppar på ytan av ett inert ämne som vax eller polyeten, som har låga ytenergier. Kontaktvinkeln mellan vätskan
och substratet ger en visuell antydan om
vätningsförhållandet. Kritiska ytspänningar hos rena plastytor och vanliga vätskor
ges i tabell 1 (se här intill).
D E T Ä R SVÅ R T AT T B E R Ä K N A ytspänningen
hos olika material. En av de metoder som
används ger den kritiska ytspänningen
(enligt Zisman).
Det råder inget enkelt samband mellan
ytspänningen och ytenergin men material
med höga kritiska ytspänningar kan sägas
ha höga ytenergier.
Av tabell 1 framgår att ett epoxilim av
standarkvalitet ej väter en yta av polyeten.
Vätning är ett problem typiskt för ytor av
polyolefiner som PE och PP samt PTFE,
som har låga ytenergier. För att limma
dess material krävs att det yttersta ytlagret
modifieras för att öka ytenergin eller att
man använder ett lim med låg ytenergi av
typen fluorerad epoxi.
också av limmets
viskositet då det sprids på substratet. En
VÄTN I N G E N PÅV E R K A S
låg viskositet betyder en bättre spridning
men kan också påverka fogens styrka.
Om vi exempelvis använder ett smältlim av polyeten för att limma ihop två parter av polykarbonat så fungerar förbandet
enligt tabell 1.
Använder vi emellertid ett smältlim
Ett lim skall således var
tillräckligt flytande för
väta ytan vid appliceringen men måste också stelna till ett kraftigt material
med hög molmassa.
som är lätt att sprida så är dess molmassa
låg och fogens kohesiva styrka blir låg när
limmet stelnat.
Använder vi ett smältlim med hög molmassa blir fogens kohesiva styrka hög
men det är svårt att sprida limmet. Och ett
limförbands styrka beror på både vidhäftningen till substratet och den stelnade
limmets kohesiva styrka.
Ett lim skall således var tillräckligt flytande för väta ytan vid appliceringen men
måste också stelna till ett kraftigt material
med hög molmassa. Övergången från lättflytande vätska till stark limfog skall dessutom gå så snabbt som möjligt och utan
alltför stor krymp.
Lösningar av lim
˘Lim kan appliceras som lösningar av polymerer i organiska lösningsmedel eller
vatten eller i form av vattendispersioner.
Används organiska lösningsmedel sker
mer eller mindre diffusionsbindning vid
limningen.
för att åstadkomma små kontaktvinklar och därmed god
vätning.
Vid limningen måste lösningsmedlet
eller vattnet avlägsnas genom indunstning
eller substratets absorbering innan eller
T E R M O P L A STE R U P P L Ö S E S
104
plastforum 3 2006
under det att komponenterna förs ihop.
Lösningsmedlet måste vara kompatibelt med substratet annars kan det uppstå
skadliga förändringar i komponenten
som sprickbildning på grund av spänningskorrosion. Ofta används värme för
att påskynda processen. Vanligen har limlösningarna en torrhalt av 20 till 50 procent.
består av fenoler,
aminohartser, polyvinylalkohol, dextrin
och proteiner (fisklim eller kasein).
LI M U P P L Ö STA I VAT TE N
Vattenburna lim baserade på naturpro
dukter är vanligast. Joner införs för att öka
lösligheten och dispergeringen i vatten.
LI M L Ö STA I O RG A N I S K A lösningsmedel har
haft en enorm industriell betydelse men
har minskat betydligt genom införande av
smältlim och vattenburna limprodukter
som införts av miljö- och hälsoskäl men
även för att förbättra ekonomin.
Vattenbaserade lim kan vara baserade
på naturgummi, syntetiska elaster, akryl,
polyuretan,
Bearbetning från A–Ö
Diffusionsbindning med lösningsmedel
˘Fogning med ett rent lösningsmedel
(solvent bonding) fungerar endast vid fogning av termoplaster och kallas ofta diffusionslimning. Metoden påminner om
svetsning eftersom fogen uppstår genom
att parternas molekyler diffunderar in i varandra. Svetsning sker emellertid genom
termisk inverkan till skillnad från diffusionslimning då lösningsmedlet aktiverar
makromolekylernas rörlighet. Metoden
fungerar ej för härdplaster, vilka är olösliga
i lösningsmedel även om de kan svälla något i ytan på grund av absorbtion. Metoden
fungerar bäst för amorfa termoplaster som
visar större löslighet än kristallina plaster.
som skall diffusionslimmas
behandlas med ett lösningsmedel eller en
blandning av lösningsmedel som mjukar
upp och sväller ytorna. Parterna kläms
därefter ihop under det att lösningsmedlet
avdunstar.
Diffusionslimning sker vanligen mellan plastkomponenter av samma material
men det förkommer också att parter av olika material sammanfogas. I så fall måste
båda materialen vara lösliga i ett gemensamt lösningsmedel eller också är en av
parterna löslig i ett lösningsmedel och den
andra parten i ett annat. Parterna termiska
utvidgning måste emellertid vara densamma eftersom limfogen saknar tillräcklig
flexibilitet.
D E P L A ST Y TO R
Smältlim (hot-melt)
˘Smältlim består av termoplastiska polymerer, som appliceras i form av smälta eller mjuk massa, som kyls till en solid massa. De flesta smältlim har en relativt hög
molmassa men kan innehålla lågmolekylära additiver för att minska viskositeten och
göra produkten billigare.
Vidhäftning sker direkt efter appliceringen innan temperaturen sjunker under
smältpunkten. Det är således viktigt att
motytor förs samman innan limmet stelnar. Eftersom termoplasten kyls relativt
snabbt måste parterna föras ihop snabbt,
Limningsprocessen börjar med att lösningsmedel anbringas på en eller de båda
ytor som skall sammanfogas. Ytan pressas
mot en svamp- eller filtdyna impregnerad
med lösningsmedlet. Mängden lösningsmedel som appliceras skall vara väl anpassad för att förhindra droppbildning. Dessutom måste man undvika kvarvarande
lösningsmedel, som kan orsaka spänningssprickbildning. För komplexa ytor används
en formad dyna.
Då lösningsmedlet anbringats förs parterna ihop under en tid som är tillräcklig
för att ytorna skall hållas svällda utan att
lösningsmedlet avdunstar för mycket. Parterna kläms därefter ihop med tryck i en
pneumatiska fixtur med timer. Trycket verkar under sekunder upp till minuter beroende på fogens utformning och lösningsmedel. Parterna avlägsnas från fixturen då
fogen nått tillräcklig styrka. Cykeltiden
kan påskyndas genom värmebehandling.
För olika plasttyper anges följande lösningsmedel:
Amorfa plaster
ABS: Toluen:metyletylketon (50:50),
metylisobutylketon
SAN: Butylacetat:metylmetakrylatmono-
mer (40:60)
PVC: Tetrahydrofuran: cyklohexanon (80:20)
PS: Toluen, xylen, tetrakloreten, metyle-
tylketon
vilket gör metoden blivit attraktiv vid massproduktion.
Utan innehåll av lågmolekylära tillsatser har smältlimmet en torrhalt av 100 procent. Smältlimmet har fått en växande betydelse på grund enkel hantering och ekologiska fördelar.
De flesta smältlim är baserade på polyolefiner, sampolymerer av eten/vinylacetat,
polyamider, polyestrar samt segmentsampolymer (termoelaster, SBS och SIS). Som
additiver förekommer vax, oljor, hartser
och så vidare. Appliceringstekniken varierar
från handsprutpistoler till strängspridare.
SB: Metyletylketon, metylisobutylketon
PMMA: Metylenklorid:metylmetakloratmonomer (50:50), metyletylketon, etendiklorid
PC: Etendiklorid, etendiklorid:metylenklorid (50:50), metylmetakrylatmonomer,
CA: Metyletylketon, metylalkohol
PPE: Kloroform, toluen, xylen: metylisobutylketon (25:75)
Delkristallina plaster
POM: Hexafluoracetonseskihydrat
PA : Myrsyra, isättika
PET: Bensylalkohol
De ytor som skall limmas bör vara plana med höga toleranser och föras ihop
med hjälp av självstyrande tappar. Parterna skall vara fria från inre spänningar. Parterna kan värmebehandlas för att befrias
från spänningar. Det finns möjligheter att
lösa upp pulver av parternas plast i lösningsmedlet för att fylla ut eventuella spalter mellan parterna.
Diffusionslimning är en enkel och billig metod för att åstadkomma starka och
täta fogar hos amorfa material. Användningen av lösningsmedel innebär emellertid hygieniska risker och metoden är diskutabel.
Den får inte användas i massproduktion om den kan ersättas med en riskfriare
process.
Klassificering av limtyper
Lim kan uppdelas i två huvudgrupper.
1: Är stort sett termoplastisk och stelnar
fysikaliskt. 2: Stelnar genom tvärbindningsreaktioner (reaktiva lim). Limningar som
ger fysikaliskt stelnande fogar indelas i:
1. Fogning med diffusionsbindande lösningsmedel.
2. Lim upplösta i organiska lösningsmedel
eller vatten
3. Limdispersioner
4.Smältlim
5. Kontaktlim
plastforum 3 2006
107
Bearbetning från A–Ö
Reaktiva lim
˘Reaktiva lim bildar makromolekyler
efter det att komponenterna förts ihop
på grund av kemiska reaktioner.
Limmen kan bestå av förpolymerer,
som är mångsidiga, lätta att hantera och
har liten krymp med 100 procent torrhalt. Vanligen bildas det tvärbundna
makromolekyler. Reaktionen kan initieras genom en härdare eller acceleratorer, genom värme och även av luftens
fuktighet. Reaktionslim är baserade på
epoxider (EP) polyuretan (PUR) metylmetakrylat (MMA) och omättad polyester (UP), cyanoakrylat och gummi.
två komponenter,
har god vidhäftningsförmåga och liten
krymp. Epoxilim förekommer i stort
antal former och blandningar: epoxipolyamid, epoxi-polysulfid et cetera.
Uretanlim är ett alternativ till epoxi
men är i allmänhet segare och mångsidigare. Innehåller PUR komponenten
toluendiisocyanat kan det framkalla
hygieniska besvär. Det finns uretanlim
som är fukthärdande och ger en cellulär
fog.
Inom den träarbetande industrin är
karbamidlim vanligt förekommande.
E P OX I LI M B E STÅ R AV
Karbamidlimmet innehåller 40 procent
vatten och kan användas med olika härdare. Den härdade fogen blir något
spröd. Till gruppen härdplastlimmer
hör även fenol- och resorcinollim, som
också innehåller vatten men är helt
okänsliga för fukt och även för kokande
vatten. Resorcinollimmet är mindre
sprött än karbamidlimmet
skall blandas till
lim talar vi om ett två- eller multikomponentsystem. Då man använder dessa
system blandas komponenterna i anvisade proportioner före applicering.
Efter blandningen måste de användas
inom en viss tid (öppentid, pot life).
Öppentiden beror på den omgivande
temperaturen och blandningsförhållandet och blir kortare om blandningens
temperatur stiger.
Vätskor baserade på akryl eller cyanoakrylat är vanliga i monomera limsystem.
Vissa lim härdar med hjälp av fuktighet.
Monomeren av metylcyanoakrylat
ger extremt kraftfulla lim. Den flytande
monomeren sprids ut i ett tunt skikt
mellan de komponenter som skall sammanfogas. Spår av vatten, svaga baser
O M H Ä R DA R E O C H H A R T S
och alkoholer katalyserar polymerisationen. Vidhäftningen beror på både en
mekanisk låsning och starka sekundära
krafter mellan molekyler.
Andra reaktiva enkomponentlim förekommer som förpolymerer med låg
molmassa och har ett lösningsmedels
konsistens. Dessa lim polymeriserar i
tunna spalter. Polymerisationen initieras av ljus, värme eller uteslutande av
syre (anaeroba lim).
Kontaktlim
˘Kontaktlim innehåller vanligen lösningsmedel som indunstas före fogning till en klibbig limyta. Sedan parterna förts samman är det svårt att korrigera hopsättningen. Lösningsmedelslim
har till stor del ersatts med vattenbaserade lim.
Gummilim av denna typ stryks på de
båda ytor som skall sammanfogas. Då
limskikten känns klibbfria förs parterna ihop. De vanligaste typerna är baserade på neopren. Kontaktlim med avdrivet lösningsmedel (tryckkänsliga adhesiver) används i etiketter, tejper, vissa
frimärken et cetera.
Synpunkter på limningsprocessen
˘Inledningsvis konstrueras fogen med
hänsyn till belastningen. Det önskvärda
belastningsfallet är skjuvning medan klyvning och fläkning undviks.
Klyvning innebär att nästan hela lasten
koncentreras till en liten del av fogen och
vid fläkning belastas en ännu mindre del.
Den yta som står under skjuvning bör
maximeras för att reducera skjuvspänningar.
Komponenternas ytor måste rengöras
noggrant för att avlägsna främmande material som fett, damm, släppmedel, vatten
et cetera.
Rengöringen utförs kontinuerligt i organiska lösningsmedel, alkali, förångningsbad eller med ultraljud. Vissa material kan limmas direkt efter rengöring
medan andra måste ytbehandlas.
med grövre yta erhålls genom att slipa, sandblästra eller etsa
ytan med kemikalier.
Att göra ytan grövre är viktigt när man
limmar fenolplast, melaminplast samt
komponenter av glasfiberarmerad omättad polyester (båtplast) eller fiberarmerad
E N Ä N D R A D Y T STR U K TU R
den enklaste utformningen men utsätts för fläkning och klyvning
så fort förbandet böjbelastas. Bättre än
stumfog är till exempel V-fog och överlappsfog. Ett stort antal olika fogningsgeometrier ges i facklitteraturen.
STU M F O G E N H A R
108
plastforum 3 2006
epoxiplast. När det gäller dessa material
föredras sandblästring. När det gäller polyolefiner används en kraftig kemisk
etsning.
Formsprutgods kan ofta tillverkas med
ganska goda toleranser. Detaljer i delkristallina material visar emellertid tendenser
tillskevning beroende på orienteringseffekter och krympning. Detaljer brukar
emellertid vara tillräckligt böjliga så att en
fixtur kan användas under limningsprocessen.
Vid risk för mellanrum mellan parterna
bör man använda ett lim som fyller ut
mellanrummet till exempel smältlim och
andra lim med låg viskositet och hög torrhalt.