Подготовка на повърхността на пластмаси преди залепване
За свързване е необходимо да се създадат повърхности с най-добри свойства. Първо, необходимо е да се отстрани слабият граничен слой с ниско молекулно тегло. Или повърхността трябва да бъде химически модифицирана, за да се образува кохезивно здрав слой, добре свързан с полимерната повърхност. Второ, необходимо е да се увеличи повърхностната енергия на слабия граничен слой, така че да е по-висока от повърхностното напрежение на използваното лепило. Въпреки това, ако слабият граничен слой е бил отстранен в резултат на подготовка на повърхността, повърхностната енергия на оставащия полимер трябва да се увеличи. Трето, топографията на полимерната повърхност трябва да се подобри, за да се осигури на лепилото капилярен ефект. Методите за подготовка на повърхността, описани в следващите няколко раздела на книгата, се отнасят до две от тези три мерки. Най-успешните методи за подготовка на повърхността позволяват изпълнението и на трите условия за получаване на задоволително състояние на повърхността. За пластмасите има два различни вида подготовка на повърхността: физични и химични методи. Имайте предвид, че такава класификация не е напълно правилна, тъй като „физическите“ методи обикновено променят химическата структура на повърхността заедно с физическите промени. Това разграничение се дължи на факта, че физическите методи за подготовка на повърхността обикновено използват някаква форма на високоенергийно лъчение. „Химическите“ методи обикновено включват потапяне на пластмасата във вана, избърсване на повърхността с почистващ препарат или нанасяне на грундиращ слой. С малки изключения подготовката на повърхността, независимо от използвания метод, води до химически промени в повърхността.
Подготовка на повърхността чрез коронна обработка ОбработкаКоронният разряд (CDT) е един от най-популярните методи за подготовка на полимерна повърхност. Всъщност милиони метри полимерно фолио се третират с корона всяка година. Целта на тази обработка обикновено е да се получи повърхност, която е по-възприемчива за нанасяне на печатарско мастило или някакъв вид функционално покритие. Методът CDT се използва и за обемисти пластмасови продукти, въпреки че се използва по-рядко. Този метод е въздействие върху повърхността на нестабилна плазма при атмосферно налягане. Схемата за обработка на полимерен филм чрез коронен разряд е показана на фиг. 1.
Кръгът в централната част на фиг. 1 е заземен метален барабан. Над металния барабан е монтиран друг прът или ролка, свързана към високочестотно захранване с високо напрежение. Тъмната линия показва преминаването на полимерния филм през инсталацията. Двата кръга с по-малък радиус са водещи ролки, които държат фолиото на място, докато преминава през машината. При коронно третиране диелектричният слой трябва да се отложи или върху захранвания електрод, или върху заземения електрод. Енергоизточникът работи при такова напрежение и честота, при които газът вътре в инсталацията се йонизира. Ако газът е въздух, около електрода, към който е приложено напрежението, се появява синьо сияние или "корона". Тъй като електрическият разряд предизвиква йонизация на газовите молекули в междината между захранвания и заземен електрод, в междината се образуват "струи". Тези струи изглеждат като мълнии и имат потенциала да причинят както физически, така и локални химически промени в полимерната повърхност.
Фиг. 1.Схематична диаграма на настройка за обработка с корона за увеличаване на повърхностната енергия на полимерен филм. Полимерният филм се довежда до барабана, който обикновено е облицован с диелектричен материал. Барабанът е заземен. Електродният блок се поставя близо до повърхността на филма и между електродите и заземения метален барабан се прилага променливо електрическо напрежение. Достатъчно висока потенциална разлика може да се наблюдава например под формата на "корона" около електродите, към които се прилага напрежение, и електрически разряди (струи)
Има няколко важни фактора, които влияят върху процеса на коронно третиране на полимерни филми. Първо, атмосферата, в която обикновено се извършва лечението, е въздух. Обработката с въздух обикновено води до повърхностно окисляване. Ако третирането се извършва на въздух, не е необходимо да се използват никакви специални мерки, освен отстраняването на озона от зоната на третиране. Други видове газови среди са описани в литературата и някои от тях са обсъдени по-долу. Вторият важен фактор е консумацията на енергия. В използваните по-рано модули за обработка с корона, напрежението се контролира, за да се получи дадена степен на обработка. Процедурата за управление чрез регулиране само на едно напрежение може да доведе до прекомерна консумация на енергия, тъй като електрическата верига може да не е настроена така, че да съответства на комплексния импеданс на инсталацията и източника на захранване. Важно е не само да се регулира напрежението, но и честотата на изхода на комплектите, за да се осигури равенство на импеданса. Трето, скоростта, с която филмът преминава под захранващите електроди, също играе важна роля в контролирането на ефективността на CDT процеса.
CDT метод за обеменпластмасови изделия. При тези настройки дизайнът на електрода е особено важен, тъй като непосредствената близост на електродите до повърхността е критичен фактор за равномерно третиране с корона. Пример за проста настройка за третиране с корона е трансформаторът на Тесла, който се използва от много години за откриване на течове в стъклени вакуумни системи. Трансформаторът на Tesla може да се използва и за окисляване на пластмасови повърхности при околни условия. Следващите няколко раздела на книгата са посветени на кратък анализ на резултатите от проведените изследвания, за да се добие представа за ефективността на метода CDT или избора на оптимални режими за обработка на определени пластмаси.
Обработка с пламък Обработката с пламък е на второ място след короната по отношение на „обработената площ на полиолефините на година“. Процесът на обработка с пламък за полиолефини е описан от Kritchever. Концепцията и оборудването за такава подготовка на повърхността е много проста. Схемата на инсталацията за пламъчна обработка е показана на фиг. 2. Тази настройка е подобна на оборудването за обработка с корона, тъй като използва централен барабан за поддържане на листа от смола. Пластмасата се движи под барабана под серия от горелки, подобни на горелки във фурна с природен газ. Важен момент в работата на инсталацията за пламъчно третиране е съотношението между природен газ и въздух в сместа.
В зависимост от съдържанието на газ в сместа, пламъкът може да варира значително в своите характеристики. По правило централният барабан се охлажда. Друг важен момент е разстоянието на горелките от филма. Ако горелките са твърде близо, филмът може да се овъгли. Ако горелкитепоставени на много голямо разстояние, обработката на филма ще бъде недостатъчна. Скоростта, с която филмът се движи спрямо горелката, също е важна. Обработката с пламък може да се извърши ръчно с помощта на инструмент като горелка, но в този случай е по-трудно да се постигне равномерно покритие на повърхността.
Фиг. 2. Схема на инсталация за пламъчна обработка на полимерни филми
И трите метода – пламъчно третиране, коронно третиране и плазмено третиране (които ще бъдат обсъдени по-долу) – са едни и същи в това, че обработваната среда е неравновесна, възбудена газова фаза. Тъй като работната част на пламъка е плазма при атмосферни условия, се смята, че основният ефект в резултат на пламъчната обработка е окисляването на повърхността на филма. Briggs et al показаха този ефект чрез използване на XPS метода за изследване на повърхността на обработен с пламък полиетилен като функция на скоростта на потока на сместа природен газ/въздух в горелките. ls-областта на въглерода в XPS спектъра на необработен полиетилен показва много малко окислени въглерод-съдържащи групи. При кратко време на обработка концентрацията на кислород бързо се увеличава и областта 1s на въглерода показва наличието на хидроксидни, естерни и етерни групи на повърхността. Интересно е също така да се отбележи наличието на химически свързан азот на повърхността. По правило само високите енергийни нива по време на третиране с корона във въздуха водят до фиксиране на азот на повърхността. Рентгенова спектроскопия на фотоелектрони с ъглова разделителна способност показа, че дълбочината на обработка на тази повърхност е около 4-5 nm. За жалост,диапазонът от нива на лечение, използвани от тези изследователи, не доведе до значителни промени в нивата на адхезия. Следователно не е установена връзка между степента на обработка и силата на адхезивната връзка.
Плазмено лечение Плазмата е йонизиран газ с почти еднаква плътност на отрицателни и положителни заряди. Явлението образуване на плазма се наблюдава при "неонови лампи". Реакциите, протичащи в плазмата, са предимно свободни радикали и са резултат от взаимодействието на материали или йони и електрони в плазмата с повърхността. Повърхностното поглъщане на ултравиолетовото лъчение в плазмата също може да доведе до повърхностни реакции. Енергията на химичните групи в плазмата е около 1016 eV, което е достатъчно, за да доведе до разрушаване на връзките въглерод-въглерод.
Функционално, плазмената обработка се различава от коронната обработка и обработката с пламък по това, че плазмените модули работят при налягане под атмосферното. Тази разлика е и основната причина, поради която плазмата не се използва широко за подобряване на адхезията. Цената на процеса на обработка при субатмосферно налягане е много висока. В допълнение, работата на инсталацията в условия на частичен вакуум естествено изисква периодичност на процеса, което също намалява ефективността на тази операция по отношение на нейната цена. Опростена диаграма на плазмената настройка е показана на фиг. 1. 3. Материалът за обработка се поставя във вакуумиран съд. Налягането в съда се повишава чрез впръскване на газа, в който трябва да се създаде плазмата. Видът на използвания газ варира. В първото проучване за плазмено третиране за подобряване на адхезиятаизползвани инертни газове като аргон и ксенон. Може да се използва и азот. Някои изследователи са използвали кислород като аблационен газ, докато други изследователи са използвали флуорирани газове при повърхностната обработка на перфлуорирани пластмаси. След въвеждането на активния газ към намотката около съда се прилага високочестотен или микровълнов ток. Намотката предизвиква образуването на плазма вътре в съда.
Фиг. 3. Диаграма на проста плазмена настройка
Мокри химични методи за повърхностна обработка на полимери
Първите варианти за подготовка на полимерни повърхности бяха мокри химични методи. Терминът "мокра химическа обработка" означава, че разтвор от някакъв вид се прилага върху повърхността на полимера, което води или до почистване на повърхността, или до истинска подготовка на повърхността. Най-простият мокър химически метод е да се избърше повърхността с разтворител, въпреки че този метод обикновено е неефективен, тъй като слабите гранични слоеве често се възстановяват бързо след третиране. Избърсването с разтворител не увеличава повърхностната енергия или променя повърхностната морфология. Грундирането е метод за подготовка на повърхността, често използван за увеличаване на повърхностната енергия на полимерите. Когато се използват грундове, върху повърхността се нанася покритие, което обикновено има по-висока повърхностна енергия и е съвместимо с полимера, върху който се нанася. Химическа и морфологична модификация на полимерни повърхности може да се получи и чрез третиране с тежки химикали, някои от които са обсъдени по-долу.
Грундиране на полимерни повърхности Понякога е трудно да се разбере разликата между понятията грундиране и подготовкаповърхности. Повечето производители използват тези термини взаимозаменяемо. В тази книга терминът грунд се отнася до нанасянето на химикал или покритие върху повърхност, което само по себе си не променя химическия състав на повърхността или морфологията на основата, но влияе върху нейната лепливост. Но самият почвен слой може да има определена повърхностна структура. В резултат на процеса на подготовка на повърхността настъпва известна промяна в химичното състояние на повърхността на основата, а често и промяна в структурата на повърхността. Правени са много опити за грундиране на повърхността на полимер, за да се прилепне към друг полимер. Почвите често се нуждаят от повърхност, подготвена за тях, за да се осигури адхезията им към субстрата. Въпреки това има някои грундове, които увеличават якостта на сцепление и не изискват допълнителна подготовка на повърхността.
Литература: „Лепила, адхезионна, бондинг техника”, издателство „Професия”, 2007 г.