Transcript LIMNING: Ytbehandling av svårlimmade material

Bearbetning från A–Ö
Ytbehandling av svårlimmade material
LIMNING DEL 2
I nästa nummer: Mekaniska fästelement del 1
˘Förbehandling av plastytan är nödvändig för de flesta plaster vid limning. Förbehandlingen består i grunden av att avlägsna ämnen, som är förödande för limmets
vidhäftning till substratet. Sådana ämnen
är formsläppmedel, vatten, oljor och
mjukgörare, som sipprar ut genom plastens yta och ger en svag fog vid limning.
De avlägsnas med lösningsmedel, genom
slipning eller lätt upphettning.
D E T F I N N S E M E LLE R TI D limsystem som inte
störs av migrerande mjukgörare. Exempelvis används nitrilfenol- och polyuretanbaserade system vid limning av mjukgjord PVC.
Obehandlad polyeten, polypropen, fluorplaster och andra icke polära material
verkar avstötande eftersom deras ytenergier är lägre än de för både lösningsmedel
och lim. Det gäller således att höja dessa
plasters ytenergier för att höja affiniteten
till de polära limmen.
D E K R A F TE R S O M V E R K A R mellan limmet
och en plast beror väsentligen på de intermolekylära krafter som förekommer i
plasten. De starkaste intermolekylära krafterna förekommer i plaster vars makromolekyler innehåller polära grupper.
Det tydligaste exemplet är PVC. Opolära material som polyeten och polypropen är svåra att limma i motsats till PVC.
För icke polära material duger inte lösningsmedel vid förbehandling utan man
är tvungen att använda kemiska och fysikaliska metoder för att höja substratets ytenergi innan limmet påförs.
För att öka vidhäftningen vid limning
men även lackering används följande metoder:
1. Polyeten och polypropen behandlas
kemiskt genom etsning i ett bad av
dikromatsvavelsyra.
1. Kemisk etsning av polyolefiner
˘Dikromatsvavelsyra är ett vanligt etsmedel för polyolefiner. Efter den oxiderande
behandlingen har man identifierat –OH,
karbonyl, karboxylsyra och –SO3H-grupper, som ger polaritet i ytan.
Ett epoxilim visar en märkbart högre
bindningsförmåga efter denna etsning
och styrkan hos limförbandet kan bli starkare än kohesionkrafterna i polyolefinen.
Följande recept, etsningstider och temperaturer rekommenderas:
Polyeteten
> Etsning upp till 90 minuter vid rumstemperatur.
> Maximal vidhäftning erhålls efter
behandling med blandningen.
> Natriumdikromat 5 viktsdelar
> Vatten
8viktsdelar
> Konc svavelsyra
100 viktsdelar
(densitet 1,82)
Polypropen
> Samma blandning som ovan under
1–2 min och 66– 71 ° C.
Polyoximetylen
> Samma blandning som ovan under
10–20 sek vid 20ºC.
(POM kan också etsas med 85 procent
fosforsyra).
och temperaturen för etsningen
ökar för polypropen ändras inte graden av
oxidation i ytan. Däremot ökar oxidationen på djupet i plasten. Å andra sidan ökar
både oxidationen i ytan och djupet med
etsningstiden när det gäller polyeten.
Etsningen av polyolefinytor innebär
förutom oxidation att ytorna blir något
ojämna, vilket bidrar till limmets vidhäftning.
Liknande fenomen uppstår vid plasma■■■
och koronabehandling.
OM TIDEN
2. Fluorplaster behandlas med aggressiva
etsmedel, som innehåller metalliskt
natrium löst i en blandning av naftalin
och tetrahydrofuran eller innehåller
natrium upplöst i flytande ammoniak.
3. Till de fysikaliska metoderna hör upphettning av ytan med en oxiderande
gasflamma vid 300 ° C till 400 ° C samt
koronauppladdning av ytan som sker i
luft under en viss spänning och frekvens
(mellan 5kV och 10 kV samt 6kHz och
100 kHz).
4. Förbehandling med lågtrycksplasma (till
exempel PE, PP, PS, PC, POM och PTFE).
5. Vid fluorering med en gasblandning av
kväve och 0,1 till 10 procent fluorgas
under tio minuter. Väteatomer i plastytan ersätts med fluoratomer. Metoden
används vid limning av bland annt PP,
PP, EPDM, PBT, (PBT+ABS), PET,
POM och PPS.
6. Ympning av polymerytor (surface
grafting).
lars-erik edshammar
2. Ytbehandling
av fluorplaster
˘Limning av fluorplaster är särskilt besvärlig på grund av materialens synnerligen låga ytenergier. Teflon behandlas med
ovannämnda aggressiva blandningar, som
innehåller metalliskt natrium. Etsmedlen
är vådliga och skall hanteras med stor försiktighet. Etsningen leder till att teflonytan
mörknar eftersom ytan avfluoriseras och
därmed förkolas. Behandlingen ger dessutom omättade grupper av karboxyl och
karbonyl i ytan. Dessa grupper antas öka
vätningen. Om etsningen blir för kraftigt
bildas ett svagt ytskikt i plasten, vilket leder
till ett svagt förband vid limning.
Man har också utvecklat en teknik för
epoxilimning av fluorplaster utan etsning.
Man slipar parternas motytor då de är våta
av flytande epoxi. De två fluorplastytorna
förs samman och limmet får härda. Skjuvhållfastheten kan bli sju gånger högre än
plastforum 4 2006
47
Bearbetning från A–Ö
3. Ytbehandling med flamma och korona
˘Den lysande delen av en flamma är i ett
plasmatillstånd, som ibland brukar beskrivas som det fjärde aggregationstillståndet.
De övriga tre är fast fas, vätska och gas.
Flamman är människan bekant med
sedan hon först utnyttjade elden. Liksom
solen och blixten har elden varit förknippad med andeväsen. Så är det fortfarande
för många eftersom den lysande delen
(plasmat) är en odefinierbar salig blandning av elektroner, atomer, joner, fotoner
och metastabila partiklar.
Plasmatillståndet förekommer även vid
koronaurladdning samt i en mer kontrollerad form i utrustningar för lågtrycksplasma, som beskrivs under punkt 4.
Plasmaprocesserna är alternativ till kemiska metoder för att rengöra ytor, avlägsna svaga ytskikt och öka vätningsförmågan genom förändringar i substratets yta.
G A S B R Ä N N A R E S F L A M M A används för att ytbehandla polyolefiner och andra polymera
material. Utrustningen är portabel och består av en brännare och en gas- eller bränslebehållare, eventuellt används en oxiderande acetylen-syrgasbrännare. Tekniken
fodrar en viss yrkesskicklighet för kontroll
av syre(luft)/gas-förhållandet, gasflödet
och avståndet mellan lågans topp och objektet samt behandlingstiden. Flamman
har trots allt en temperatur av 1000–2000
ºC i spetsen och måste användas med
försiktighet. Den brännbara gasen kan
dessutom ge föroreningar, som stör processen om förhållandet luft/gas är fel inställt. Flambehandlingen pågår tills plastens yta blir blank.
Flambehandlingen leder till en oxidation av polymerens yta och det bildas funktionella grupper som ökar vätningen. Utrustningen är enkel och kan användas i
fält till exempel när man vill öka vidhäft-
Figur 1: Schematisk beskrivning av koronabehandling av film
ningen mellan en kabels isolering och ett
smältlim. Flambehandling används också
för plastdetaljer som skall märkas med
trycksvärta.
KO RO N AU R L A D D N I N G (glimmning) leder
också till ökad vätningsförmåga. Utrustningen är enkel och billig och kan användas i kontinuerliga processer, som filmblåsning och tillverkning av folier, laminat
och profiler. Koronabehandling har fått sin
största tillämpning vid ytbehandling av
polyolefinfilmer som görs tryckbara genom
ökad vidhäftningsförmågan (till exempel
Ica och Konsum tryckt på plastpåsar).
En koronautrustning består av en generator som levererar en högfrekvent spänning, en elektrod och en jordad metallrulle
enligt figur 1. Rullen är belagd med polyester, epoxi eller silikongummi. Koronan
(glimningen) uppstår då luften joniseras i
gapet mellan elektroden och rullen. I gapet
uppstår ett blått sken och det bildas ozon,
som är giftigt och måste ventileras bort.
Koronaurladdningen orskar fria radikaler i polymerytan. Radikalerna reagera
snabbt med syre. Genom analys av ytan
har man identifierad grupper av typen
OCH, C=O och O=C–OH. Vid åldring i
luft sjunker syrekoncentrationen och därmed vidhäftningsförmågan. Därför måste
tryckningen av plastpåsar göras inom en
viss tid.
forts Ytbehandling
av fluorplaster
om man använder torrslipning innan
man påför epoxilimmet. Förmodligen bildas det radikaler vid slipningen och de
skyddas från lufttillträde av det flytande
limmet. Vid slipning i luft utan lim reagerar förmodligen dessa kortlivade radikaler
med luftens syre och hinner brytas ned
innan epoxin stryks på.
Vid 3M har man tagit fram ett unikt tvåkomponent akryllim (DP 8005) med vilket
man kan limma PE, PP och andra ”svårlimmade” plaster efter endast en lätt rengöring av plastytan. Tekniken kan vara besläktad med användningen av förtunnande limlösningar till exempel cyanoakrylat
som primer på polypropen eller då PVC-U
behandlas med ett PUR-baserat enkompo■■■
nentlim som primer.
Ytspänningen hos polyolefiner ligger
mellan 30 och 32 mN/m. För att göra en
polyetenfilm tryckbar bör ytspänningen
ligga vid 40 mN/m och för limning vid cirka 50 mN/m. Koronabehandlingen orsakar en viss ojämnhet plastytan, vilken bidrar till vidhäftning men ojämnheten får
ej bli för djup.
med koronabehandling av
film är nämligen att den elektrisk urladdningen kan orsaka genomslag så att inte
endast ytan påverkas utan även att materialet förändras på djupet inklusive baksidan av filmen. Risken är obefintlig när det
gäller behandling med flamma. Trots detta
används flambehandling ytterst sällan när
det gäller film. Flambehandlingen har
emellertid fördelen att kunna användas
vid ytbehandling tredimensionella objekt,
som skall limmas, lackeras eller märkas
■■■
med tryck.
E N N AC K D E L
4. Ytbehandling med gasplasma
˘Utrustningar för gasplasma finns i olika
storlekar med kammare upp till flera kubikmeter enligt figur 2. Utrustningen kan
användas för att ytbehandla flera detaljer i
samma operation. De plastartiklar som
48
plastforum 4 2006
skall behandlas införs i reaktorn. Formgods som är kontaminerade med formsläppmedel och andra föroreningar rengörs lämpligen för att förkorta plasmaprocessens cykeltid. Kammaren sluts och
evakueras. Gas som införs i kammaren exciteras under högfrekvent spänning och
omvandlas till ett plasma som består av joner, elektroner och partiklar på olika energinivåer. Trycket i kammaren är 0,1 till 10
Bearbetning från A–Ö
forts Ytbehandling med gasplasma
mbar under processen. Plasmat påverkar ytan hos de objekt som införs, vilket resulterar i en modifiering av objektets yta.
Plasmaprocessen påverkar endast ett tunt
lager i ytan och lämnar det inre av materialet utan påverkan. Hela cykeltiden rör sig
om minuter. Gaser eller blandningar av
gaser innefattar till exempel syre, kväve,
ammoniak, luft och ädelgaser. Anläggningskostnaderna är relativt höga och processen är diskontinuerlig. Arbetstycket
når temperaturer mellan 60°C och 100°C.
Hur styrkan i en fog kan öka vid plasmabehandling framgår av tabellen här nedan.
(Källa: Chan, C-M, Polymer surface modificirkation and characterization , Hanser/
Gardner, 1994)
P L A SM A S O M I N N E H Å LLE R syrgas är vanligast för att modifiera ytor. Plasmat reagerar med de flesta polymerer och ger i ytan
funktionella grupper som C–O , C=O, O–
C=O etc. Två processer sker samtidigt. Polymerytan etsas (”torretsas”) genom att
kolatomer reagerar med atomärt syre till
flyktiga reaktionsprodukter på en gång
som funktionella grupper bildas vid plasmans kontakt med ytatomerna. Jämvikten
styrs av valda processparametrar och både
etsningen och de funktionella grupperna
bidrar till vidhäftning.
Plasmaprocessen har många andra tilllämpningar förutom limning. Utöver vidhäftning kan man åstadkomma avstötande skikt, hydrofila och hydrofoba skikt,
UV-skydd för polymerytor, styra ytans brytningsindex och införa diffusionsspärrar.
bygger man också
upp millimetertjocka skikt av hårda kvartsliknande föreningar, som ger reptåliga
ytor på till exempel polykarbonat. Vid
framställning av reptåliga plastrutor för bi-
M E D H JÄ LP AV P L A SM A
5. Ytbehandling
med fluorgas
Figur 2:
Schematisk
beskrivning
av plasmabehandling
lar utgår man från en blandning kiselorganiska föreningar som hexametyldisiloxan
och syrgas. Molekylerna i blandningen
fragmenteras i det högfrekventa fältet.
Fragmenten reagerar med varandra och
utfälls som ett starkt förnätat kvartsartat
skikt på plasten.
Plasmatekniken har också fått en rad
medicinska tillämpningar. Som exempel
kan nämnas en kontaktlins, som både skall
vara syrepermeabel och hydrofil. Ett kommersiellt material, som används i kontaktlinser består av en sampolymer av en alkylakrylat och siloxan. Siloxanet med sin glesa struktur släpper igenom syre men stöter
också ifrån sig tårvätskan, vilket är besvärande för den som använder linsen. Genom
att ytbehandla linsen med syrgasplasma
ökar man linsens hydrofoba egenskaper.
används även för att öka
vidhäftningen mellan fiber och matris i
kompositer. Genom att behandla kolfibrer
med oxygenplasma oxideras fibrernas yta,
vilket ökar vidhäftningen till den epoxiplast, som fungerar som matris. På liknande sätt ytbehandlas högmoduliga polyetenfibrer som också förekommer i kompositer
med epoximatris. Polyetenfibern behandlas med ett ammoniakplasma, som ger
aminogrupper på fiberytan, vilka bildar kovalenta bindningar med epoximolekyler■■■
nai matrisen.
P L A SM ATE K N I K E N
Styrkan hos en överlappsfog vid adekvat limning av obehandlade och plasmabehandlade ytor (MPa)
Material
Plasmagas
Obehandlade ytor
Plasmabehandlade ytor
Polyetentereftalat
Polyfenyleneter
Acetalplast, homopolymer
Polyeterimid
Polykarbonat
Syrgas
Ammoniak
Syregas
Ammoniak
Syrgas
3,6
4,3
1,1
1,3
11,8
11,3
12,4
4,5
14,4
15,5
˘Fluorgasen är ytterst reaktiv och används
för att förändra ytan hos plaster innehållande kolväteföreningar. Metoden fungerar vid rumstemperatur då väteatomer i ytskiktets molekyler ersätts av fluoratomer.
Processen är relativt snabb och leder till
polära grupper i ytan utan att det inre av
plasten förändras. Ytan får en förhöjd ytenergi, vilket ökar vidhäftningsförmågan
vid limning och lackering.
Eftersom ytbehandlingen sker i gasfas
kan den komponent, som förbehandlas ha
en godtycklig geometri och oregelbundenheter i ytan. Både jämna och grova ytor hos
samma komponent fluoriseras likformigt
liksom underskärningar, hål och besvärliga geometrier.
Fluorering kan utföras fristående för
formsprutgods eller under produktionsprocessen (in-line) när det gäller plastfilmer och extruderade profiler med mer eller mindre komplicerat tvärsnitt. Reaktorns storlek anpassas formsprutgodsets
storlek.
Fluoreringsprocessen styrs av reaktorns temperatur, fluorkoncentrationen
och ytbehandlingstiden. Att hålla temperaturen är viktigt, som i alla kemiska processer. Fluoreringen går snabbare vid högre
temperatur men blir då svårkontrollerad
och därför utförs den vanligen vid cirka
25°C. Fluorkoncentrationen och tiden beror på den plast som ytbehandlas och den
ytenergi som eftersträvas. Fluorering ökar
vidhäftingsförmågan hos alla plaster utom
■■■
fluorplaster.
6. Ympning i ytor
genom strålning
˘Ympning genom strålning förekommer
för att ändra plastytors kemiska och fysikaliska egenskaper och tillämpas bland annat för att göra plaster biokompatibla. Tekniken används också för att öka vidhäftningen vid limning. Exempel är polyeten,
som bestrålas med gammastrålning i närvaro av en vinylacetatmonomer. Man erhåller yta, som är ympad med en polymer,
som innehåller polära acetatgrupper. ■ ■ ■
plastforum 4 2006
49