Оптимизация клеевого соединения: стратегии поверхностной обработки для термореактивных и термопластичных композитов

Поверхностная обработка — включающая какой-то метод обработки, абразии или очистки поверхности детали или материала — может быть существенной для достижения необходимых свойств для успешного клеевого соединения, покрытия или даже покраски. Однако некоторые методы более эффективны для определенных материалов.

По словам Джайлза Диллингэма, CEO и главного ученого BTG Labs (Синциннати, Огайо, США), поверхностная обработка материалов для склеивания, покрытия или герметизации должна выполнять три вещи:

1. Очистка: Это означает снижение количества вредных загрязнений на поверхности до уровня, где достигается интимный (молекулярный) контакт клея с поверхностью. Все, что мешает этому контакту, является загрязнением, которое должно быть удалено или снижено до неопасного уровня любым количеством техник очистки.
2. Активация: Чистая поверхность должна быть химически достаточно активной для формирования первичных или вторичных химических связей с клеем. Чистая поверхность, которая химически инертна, не может сформировать химические связи, необходимые для прочной и надежной структурной адгезии.
3. Стабилизация: Поверхность должна быть устойчивой к деградации (обычно это означает оксидацию) при воздействии служебной среды. Чистота и химическая активность поверхности должны сохраняться до фактической операции склеивания или покрытия.

Относительная важность этих трех аспектов поверхностной обработки зависит от класса рассматриваемого материала, согласно Диллингэму. Например, металлы имеют очень высокие поверхностные энергии, что означает, что поверхности высоко химически реактивны и быстро загрязняются. Поверхностная обработка для металлов фокусируется на очистке и создании стабильного оксида. Для композитных материалов нужен другой подход для успешного склеивания и покрытия, потому что термореактивные и термопластичные полимеры имеют относительно низкие поверхностные энергии и, следовательно, не загрязняются так легко, как металлы, и относительно стабильны при воздействии среды. Однако эти же характеристики делают клеи менее склонными к прилипанию к композитам. В результате поверхностная обработка композитов обычно фокусируется на втором факторе, перечисленном выше: повышении поверхностной энергии для формирования прочной связи с клеем.

Определение поверхностной энергии

Хотя в целом низкие, поверхностные энергии могут варьироваться в разных материалах и композитных деталях, и поверхностные обработки варьируются соответственно. Согласно Диллингэму, способность быстро и количественно оценить поверхностную энергию объекта или материала — важный первый шаг к проектированию, внедрению или пониманию правильной поверхностной обработки.

Есть несколько подходов к тестированию поверхностной энергии; одна популярная техника, которую BTG Labs часто использует, включает измерение контактного угла, образованного каплей жидкости на тестовой поверхности. В этом методе, если жидкость собирается в каплю при контакте с поверхностью, это указывает на то, что она не притягивается к поверхности. Вероятно, клей или краска также не будут сильно притягаться к этой поверхности, и адгезия будет слабой. Загрязнение — одна из причин, по которой поверхность отталкивает каплю жидкости таким образом.

Однако, если жидкость легко растекается, а не собирается в каплю, это указывает на то, что поверхность сильно притягивает жидкость. Такая поверхность имеет высокую химическую энергию и в общем будет хорошо адгезировать к клею. Диллингэм отмечает, что загрязнение ПАВ, таким как мыло, также заставляет жидкости растекаться на поверхности, но ПАВ-индуцированное смачивание может быть легко отличено по скорости растекания жидкости.

Угол между каплей жидкости и поверхностью — другими словами, контактный угол (см. изображение слева) — ставит значение на притяжение поверхности к жидкости. Есть несколько факторов, определяющих, каким должен быть целевой контактный угол для хорошего клеевого соединения на данной поверхности, включая то, оценивается ли адгезия через сдвиговой шарнир или двойную консольную балку (DCB). Обычно низкие контактные углы (от 0 градусов до ~30–40 градусов) указывают на чистую, высокоэнергетическую поверхность, которая установит хорошую адгезию к клеям и краскам; высокие углы (60–90 градусов или больше) указывают на низкоэнергетическую или загрязненную поверхность, которая в общем будет трудно склеить. Контактный угол в диапазоне 40–60 градусов менее однозначен: это может указывать на поверхность, которая менее предсказуемо чиста и готова к склеиванию, чем при более низком контактном угле, но не так определенно создает слабые связи, как поверхность, дающая измерения контактного угла выше этого диапазона.

Термореактивные против термопластичных

Термореактивные композиты (такие как эпоксиды, полиимиды, бисмалеимиды) и термопластичные композиты (такие как PAEK, PEEK, PEKK и полифениленсульфид) имеют разные поверхностные характеристики и требуют разных стратегий подготовки поверхности.

В некоторых случаях, говорит Диллингэм, термореактивные смолы могут выиграть от поверхностных пленок, разработанных для увеличения химической реактивности композитной поверхности. Эти поверхности обычно показывают контактные углы воды в диапазоне 30 градусов после удаления peel ply и обычно склеиваемы. В других случаях, где полимерная поверхность особенно нереактивна, контактные углы воды вокруг 50–60 градусов, и поверхностные обработки могут быть необходимы для хорошей адгезии.

Другая техника поверхностной обработки, имевшая некоторый успех с термореактивными композитами, — абразия, выполняемая вручную или гравировкой. Согласно Диллингэму, абразия работает, потому что термореактивные матричные смолы — хрупкие полимеры, которые ломаются под абразией фактическим разрывом полимерных цепей для создания химически активной поверхности. Эта поверхность может реагировать с клеем для формирования прочного, стабильного интерфейса. В зависимости от химического состава термореактивного полимера, абразия может снизить контактный угол воды на 10 градусов или более, что может быть достаточно для хорошего склеивания.

Однако термопластичные полимеры ведут себя иначе от термореактивных полимеров. Поскольку полимерные цепи не зафиксированы в жесткую сеть перекрестными связями, говорит Диллингэм, они имеют тенденцию течь — другими словами, деформироваться пластически — под абразией, а не ломаться. В то время как абразированный термопластичный композит может быть шершавым, он все еще химически нереактивен и не может установить хорошую связь с клеем, покрытием или герметиком. Кроме того, контактные углы воды на этих поверхностях обычно не меняются значительно при абразии. Для термопластичных композитов плазменные обработки могут быть эффективным методом для увеличения поверхностных энергий. На рисунке выше показана прочность шарнирного соединения (вертикальная ось) против контактного угла (горизонтальная ось) для PEKK, склеенного пленочным клеем Solvay 377S. Согласно данным, растирание растворителем, ручная шлифовка и гравировка не улучшили прочность соединения в этом случае, в то время как плазменные обработки увеличили прочность на >30%. Более того, плазмообработанные образцы ломались кохезивно в клее, в то время как другие образцы ломались хотя бы частично интерфациально между клеем и подложкой.

Прочные, надежные клеевые связи, подходящие для структурных целей, достижимы между большинством структурных материалов, заключает Диллингэм. Однако поверхностные обработки, хорошо работающие для одного класса материала, могут быть неуместны для другого; поверхностные обработки должны быть спроектированы с учетом конкретных химических характеристик подложки и клея. Большинство применений для термопластичных композитов требуют обработок, повышающих поверхностную энергию еще большей степени, чем термореактивные композиты, поэтому поверхностные обработки должны относиться к ним иначе. Комбинирование поверхностных обработок с соответствующими стратегиями измерения и контроля обеспечивает эффективность и надежность поверхностных обработок.