информация о клеях постоянной липкости и клейких лентах
информация о клеях постоянной липкости и клейких лентах
Электрофизические методы: плазма и коронный разряд
В cвязи с растущими ограничениями на использование летучих органических веществ, хроматирования и других химических технологий, активно изучаются электрофизические методы подготовки поверхности к склеиванию, такие как воздействие коронным разрядом или плазмой.
Электрофизическая обработка, в целом, приводит к увеличению прочности клеевого сцепления, однако степень этого увеличения существенно зависит от конкретной технологии, природы субстрата и клея. Ниже приведены краткие описания этих методов и примеры их применения при работе с клейкими лентами и использовании субстратов различной природы.
Коронный разряд. Метод заключается в обработке поверхности разрядом переменного тока высокой частоты (10 – 20 кГц) и высокого напряжения (например, 20 кВ) на воздухе при нормальном атмосферном давлении. При этом в поверхностном слое происходит разрушение химических связей и взаимодействие с озоном, который также образуется при коронном разряде и является более реакционноспособным, чем кислород воздуха. В результате создаются химические связи углерод-кислород, которые имеют большую полярность и, тем самым, более расположены к адгезионному взаимодействию. Этот метод применяются во многих массовых производствах, например, полимерных пленок, поэтому сравнительно доступен и отработан.
Его недостатком, как и в случае пламенной обработки, является кратковременность активации: эффект исчезает в течение нескольких недель после обработки. Кроме того, область его применения ограничена часто плоскими материалами так как зазор между электродом и контрэлектродом лежит в пределах 1–2 мм.
Плазменная обработка.
Этот метод представляет собой развитие метода коронного разряда, при котором высокое напряжение подается в среде специально подаваемых газов (инертных газов, азота, кислорода и других). При этом образуются разные ионы и электроны, которые взаимодействую т с поверхностью материала. В результате происходит 1) очистка поверхности от загрязнений, 2) изменение ее микроструктуры, 3) повышение поверхностной энергии за счет образования молекул с более полярными связями.
В технологиях подготовки к склеиванию широкое распространение получил способ обработки плазмой при атмосферном давлении, в котором поток воздуха вытесняет возникающие в электрической дуге активные частицы на обрабатываемую поверхность. Этот метод применяется к материалам как с низкой, так и высокой поверхностной энергий. Скорость обработки зависит от природы материала и может составлять, например, 200 мм/с для полипропилена и 50 мм/с для композитов. Температура при обработке не превышает 100оС [1]. Эффект плазменной обработки предварительно, перед проведением клеевых испытаний, оценивают по изменению поверхностной энергии через измерение краевого угла. В общем случае этот эффект и время сохранения активации поверхности существенно зависит от технологии, времени обработки, применяемых газов, природы субстрата и клея.
2. Термопласты.
Плазменная обработка увеличивает поверхностную энергию от 20 – 40 мН/м до 72 мН/м и повышает прочность клеевого соединения при сдвиге вплоть до 50 МПа [1]. Среди термопластов, особым вниманием пользуются полиэтилен и полипропилен, широко используемые, например, в автомобильном производстве, которые обладают низкой поверхностной энергией и очень сложны для склеивания [2]. Влияние атмосферной плазмы при разных составах газовой смеси сравнивалось с обработкой праймером на примере клеевых соединений нескольких клейких лент с полипропиленом [3]. Отмечалось, что плазменная обработка многократно увеличивает прочность клеевой связи, причем это увеличение примерно в 3 раза выше при использовании в качестве газа чистого азота, чем при применении воздуха.
Адгезия к обработанной азотной плазмой поверхности была выше, чем при использовании праймера, и достигала своего максимального значения почти сразу после обработки, в то время как на загрунтованной поверхности прочность соединения нарастала постепенно. Предполагалось, что плазма азота специфическим образом модифицирует поверхность полипропилена, увеличивая ее полярность и создавая развитую структуру на наноуровне.
Прочность соединения двусторонней клейкой ленты с обработанным атмосферной плазмой поликарбонатом изучалась при нормальных условиях и после искусственного старения [4]. После воздействия плазмы на поликарбонатную пластину прочность к сдвигу была на 17% выше, чем на необработанной при нормальных условиях. После выдержки при 85оС в течение длительного времени прочность увеличивалась почти в 2 раза и после 1000 часов выдержки разница между обработанном и необработанным поликарбонатом составляла уже 66%. Еще больший эффект наблюдался при длительной выдержке образцов при высокой температуре и высокой влажности. При этом, если на необработанном поликарбонате наблюдалось преимущественно адгезионное разрушение клеевой связи, то после обработки характер разрушения был полностью когезионным.
Оценка с помощью тензиометра показывала, что рост поверхностной энергии поликарбоната при плазменной обработке с 35 до 49 мН/м полностью определялся ростом ее полярной составляющей, в то время как дисперсионная оставалась без изменений.
3. Покрытия
Эффект пульсирующей дуговой плазмы атмосферного давления был исследован на двух видах прозрачных покрытий стальных деталей, применяемых в производстве бытовой техники, с тремя типами клейких лент [5].
Обнаружено, что обработка плазмой приводит к очень небольшому изменению адгезии по сравнению с обычной очисткой изопропиловым спиртом. Отмечалось, что очистка спиртом необходима и при плазменной обработке, так как без нее плазма дает очень скромный результат. Если же плазма пьезоэлектрического прямого разряда воздействовала на поверхность самих клейких лент, то, в зависимости от типа поверхности, удавалось повысить адгезию до 7 раз.
4.Стекло
Плазменная обработка стекла, хотя и эффективна в качестве способа очистки от загрязнений, но несколько снижает прочность клеевых соединений со стеклом [6]. Этот эффект отнесен к уменьшению доли ионизированных групп оксида Si–O–, способствующих адгезии, на поверхности стекла и увеличению мостиковых Si–O–Si групп, что предположительно связывают с нагреванием поверхности при плазменной обработке. Однако снижение адгезии может быть уменьшено при предварительной обработке поверхности стекла ионизированной водой.
5. Металлы
Акриловые клейкие ленты на алюминиевой поверхности после ее обработки атмосферной плазмой показывали увеличение адгезии на 50% [7]. Это связывалось очищающем действием плазмы от загрязнений, в первую очередь, маслянистых образующихся на поверхности металла при прокате. Существуют много примеров использования плазменной обработки для повышения поверхностной энергии и адгезионных свойств поверхности алюминия при склеивании отверждаемыми клеями [8]. Обработка алюминия дуговым разрядом существенно повышала адгезию к нему, что объяснялось удалением органических загрязнений и оксида магния, входящего в сплав, с поверхности [9]. Прочность связи алюминий-композит увеличивалась на 30%-ному в результате плазменной обработки при условии подбора оптимального соотношения газов плазменной смеси (азота и ацетилена), а также времени воздействия плазмы на поверхность [10]. Высокой адгезионной прочности 24 ± 1 МПа и когезионного разрушения двухкомпонентного эпоксидного клея удавалось достичь на образцах сплава AA 6061-T6 после очень короткого (всего 15 с) воздействия плазмы He/O2 атмосферного давления при комнатной температуре [11].
6. Клейкие ленты
Воздействие плазмы на клеевой слой самих клейких лент также приводит к увеличению прочности клеевой связи с ними, позволяя в отдельных случаях достигать прочности к отслаиванию вплоть до 60 Н/см [1]. Обработка клейких лент приводит к увеличению адгезии на необработанном субстрате в 3 раза, а на обработанном еще в 2 раза. Наилучшие результаты достигаются при обработке и клейкой ленты, и субстрата [1,5].
Ссылки
[3] Kehrera M., Rottensteinerb A., Hartla W., Duchoslava J., Thomasc S., Stiftera D., Cold atmospheric pressure plasma treatment for adhesion improvement on polypropylene surfaces, Surface & Coatings Technology 403, 2020
[4] Ribeiro A., Master’s Dissertation in Mechanical Engineering on: Validation of an adhesive bonded connection, 2021
[5] Little C., Adhesion 19 conference, Bonding properties of pressure-sensitive adhesives on white goods https://www.relyon-plasma.com/bonding-properties-of-pressure-sensitive-adhesives/?lang=en
[6] Lundevall A., Sundberg P., Mattsson L., Improved glass bonding with plasma treatment, Applied Adhesion Science, volume 6:9, 2018,
[7] Tools to Prepare Aluminum Surfaces for Bonding, https://www.techbriefs.com/component/content/article/tb/pub/briefs/materials/14845
[8] Patel V., Bhowmik S., Plasma Processing of Aluminum Alloys to Promote Adhesion: A Critical Review, Rev. Adhesion Adhesives, Vol. 5, No. 1, 2017
[9] Anagreh N., Al Robaidi A., Improvement in Adhesion Behavior of Aluminum Due to Surfaces Treatment with Arc Discharge, Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering, Vol. 4, No. 2, 2010
[10] Rhee K., Yang J., A study on the peel and shear strength of aluminum/CFRP composites surface-treated by plasma and ion assisted reaction method. Composites Sci. Technol. 63, 33–40, 2003
[11] Saleema N., Gallant D., Atmospheric pressure plasma oxidation of AA6061-T6 aluminum alloy surface for strong and durable adhesive bonding applications. Appl. Surf. Sci. 282, 98–104, 2013