Обработка поверхности для склеивания:термореактивные и термопластичные композиты

Обработка поверхности, включающая в себя какой-либо метод обработки, шлифования или очистки поверхности детали или материала, может иметь важное значение для достижения необходимых свойств для успешного склеивания, нанесения покрытия или даже окраски. Однако некоторые методы более эффективны для определенных материалов, чем другие.

По словам Джайлза Диллингема, генерального директора и главного научного сотрудника BTG Labs (Цинциннати, Огайо, США), обработка поверхности материалов для склеивания, нанесения покрытия или герметизации должна достигать трех целей:

1. Очистка: Это означает уменьшение количества вредных загрязнений на поверхности до уровня, при котором достигается тесный (молекулярный уровень) контакт клея с поверхностью. Все, что мешает этому контакту, является загрязняющим веществом, которое необходимо удалить или снизить до безопасного уровня с помощью любого количества методов очистки.
2. Активация: Чистая поверхность должна быть достаточно химически активной, чтобы образовывать первичные или вторичные химические связи с клеем. Чистая химически инертная поверхность не может образовывать химические связи, необходимые для прочной и надежной структурной адгезии.
3. Стабилизация: Поверхность должна быть устойчивой к разрушению (обычно это означает окисление) в условиях эксплуатации. Чистота и химическая активность поверхности должны поддерживаться до момента фактического склеивания или нанесения покрытия.

По словам Диллингема, относительная важность этих трех аспектов обработки поверхности зависит от класса рассматриваемого материала. Например, металлы обладают очень высокой поверхностной энергией, а это означает, что поверхности обладают высокой химической реактивностью и быстро загрязняются. Обработка поверхности металлов направлена ​​на очистку и создание стабильного оксида. Для композитных материалов необходим другой подход для успешного склеивания и нанесения покрытия, поскольку термореактивные и термопластичные полимеры имеют относительно низкую поверхностную энергию и, следовательно, не загрязняют так легко, как металлы, и относительно стабильны при воздействии окружающей среды. Однако эти же характеристики снижают вероятность прилипания клея к композитам. В результате при поверхностной обработке композитов основное внимание уделяется второму фактору, перечисленному выше:увеличению поверхностной энергии, чтобы можно было создать прочную связь с клеем.

Определение поверхностной энергии

Несмотря на то, что поверхностная энергия, как правило, низкая, она может различаться в разных материалах и композитных деталях, и обработка поверхности изменяется соответственно. По словам Диллингема, возможность быстро и количественно измерить поверхностная энергия объекта или материала - важный первый шаг к разработке, внедрению или пониманию правильной обработки поверхности.

Есть несколько подходов к тестированию поверхностной энергии; Один из популярных методов, который часто использует BTG Labs, включает измерение угла смачивания, образованного каплей жидкости на тестовой поверхности. Если в этом методе жидкость поднимается вверх при контакте с поверхностью, это означает, что она не притягивается к поверхности. Вероятно, клей или краска также не будут сильно притягиваться к этой поверхности, и адгезия будет плохой. Загрязнение - одна из причин, по которой поверхность отталкивает каплю жидкости таким образом.

Однако, если жидкость легко растекается, а не рассыпается вверх, это указывает на то, что поверхность сильно притягивает жидкость. Такая поверхность имеет высокую химическую энергию и, как правило, хорошо сцепляется с клеем. Диллингем отмечает, что загрязнение поверхностно-активным веществом, таким как мыло, также вызывает растекание жидкости по поверхности, но смачивание, вызванное поверхностно-активным веществом, можно легко отличить по скорости распространения жидкости.

Угол между каплей жидкости и поверхностью - другими словами, контактный угол (см. Изображение слева) - определяет величину притяжения жидкости к поверхности. Существует несколько факторов, которые определяют, каким должен быть целевой угол смачивания для хорошей адгезии на данной поверхности, в том числе оценка адгезии через соединение со сдвигом внахлест или двойную консольную балку (DCB). Обычно низкие углы смачивания (от 0 градусов до ~ 30-40 градусов) указывают на чистую высокоэнергетическую поверхность, которая обеспечивает хорошую адгезию к клеям и краскам; большие углы (60-90 градусов и более) указывают на низкоэнергетическую или загрязненную поверхность, к которой, как правило, будет трудно приклеиться. Угол контакта в диапазоне 40-60 градусов менее четкий:это может указывать на то, что поверхность менее предсказуемо чиста и готова к склеиванию, чем поверхность с меньшим углом контакта, но это не так определенно для создания слабых связей, как поверхность, на которой измеряется угол контакта выше этого диапазона.

Термореактивные материалы против термопластов

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

В некоторых случаях, говорит Диллингем, термореактивные смолы могут выиграть от наплавочных пленок, предназначенных для увеличения химической активности композитной поверхности. Эти поверхности обычно показывают углы контакта с водой в диапазоне 30 градусов после удаления отслаивающегося слоя и обычно склеиваются. В других случаях, когда поверхность полимера особенно инертна, углы контакта с водой составляют около 50-60 градусов, и для обеспечения хорошей адгезии может потребоваться обработка поверхности.

Другой метод обработки поверхности, который имел некоторый успех с термореактивными композитами, - это абразивная обработка, выполняемая вручную или с помощью пескоструйной обработки. Согласно Диллингему, истирание работает, потому что термореактивные матричные смолы представляют собой хрупкие полимеры, которые разрушаются при истирании за счет фактического разрыва полимерных цепей с образованием химически активной поверхности. Эта поверхность может вступать в реакцию с клеем, образуя прочную и стабильную поверхность раздела. В зависимости от химического состава термореактивного полимера истирание может уменьшить угол контакта с водой на 10 градусов или более, что может быть достаточным для хорошего сцепления.

Однако термопластичные полимеры ведут себя иначе, чем термореактивные полимеры. По словам Диллингема, поскольку полимерные цепи не связаны в жесткую сеть за счет сшивки, они имеют тенденцию течь - другими словами, деформируются пластически - под истиранием, а не из-за разрушения. Хотя абразивный термопластический композит может быть шероховатым, он все же химически неактивен и не может обеспечить хорошее сцепление с клеем, покрытием или герметиком. Кроме того, углы контакта с водой на этих поверхностях обычно существенно не меняются при истирании. Для термопластичных композитов плазменная обработка может быть эффективным методом увеличения поверхностной энергии. На рисунке выше показана зависимость прочности соединения внахлест (вертикальная ось) от угла контакта (горизонтальная ось) для PEKK, склеенного пленочным клеем Solvay 377S. Согласно данным, протирка растворителем, ручная шлифовка и пескоструйная очистка не улучшили прочность соединения в этом случае, тогда как плазменная обработка повысила прочность на> 30%. Кроме того, образцы, обработанные плазмой, не смогли связать адгезив, в то время как другие образцы не смогли, по крайней мере, частично на границе раздела между адгезивом и подложкой.

Диллингем заключает, что между большинством конструкционных материалов достижимы прочные и надежные адгезионные связи, подходящие для структурных целей. Однако обработка поверхности, подходящая для одного класса материалов, может не подходить для другого; Обработка поверхности должна разрабатываться с учетом конкретных химических характеристик основания и клея. Большинство применений термопластичных композитов требуют обработки, которая увеличивает поверхностную энергию даже в большей степени, чем термореактивные композиты, поэтому обработка поверхности должна осуществляться по-другому. Сочетание обработки поверхности с соответствующими стратегиями измерения и контроля гарантирует, что обработка поверхности будет эффективной и надежной.