Limspalten: Ökad ytspänning med corona- plasma eller flambehandling
Det finns flera metoder för att höja ytans ytspänning så att limmet väter bättre. Om man upptäcker att man behöver göra detta, vilken metod ska man välja? Går det att göra några enkla jämförelser av metoderna.
Länge har man behandlat plaster med låg ytspänning (polyeten och polypropylen) med oxiderande låga. Detta brukar kallas flambehandling och utförs för att öka plasternas ytspänning. Temperaturen på flamman är då cirka 2000oC. På PE och PP brukar metoden vara mycket effektiv. Om flambehandling används manuellt kan det ofta vara svårt att "behandla lagom", så att ytspänningen ökar tillräckligt utan att materialet förstörs.
Direkt coronabehandling med elektrod och motelektrod
Direkt coronabehandling är en tidig och vanlig metod när man vill öka ytspänningen på en plast, med syfte att få limmet att väta. Coronabehandling används också som rengöringsmetod. Aluminiumfolie coronabehandlas t ex för att bli ren.
Vid direkt coronabehandling använder man sig av elektrisk urladdning med en potentialskillnad på 20 000 volt. I de urladdningar och den ljusbåge som då bildas sker i princip samma sak som vid flambehandling. Man skulle kunna säga att man bränner bort föroreningarna och som tillägg får reaktioner med syre och därmed fler polära grupper.
För att molekylerna i limmet och molekylerna i den yta man vill limma skall bindas till varandra med starka bindningar krävs ”polära grupper” på ytan. Coronabehandling ökar antalet polära grupper i ytan. Detta sker genom reaktioner med syret i luften.
Utrustningen kräver utsug på grund av att det alstras ozon vid användning.
Laminat av omättad polyester har t ex en ytspänning som är betryggande mycket högre än de polyuretanlim som används för limning av sandwichpaneler. Det finns därför inte så stort behov av att öka antalet polära grupper på ytan, – om ytan är fri från lågmolekylära. Vid användning av polyesterlaminat som täckskikt i sandwichpaneler brukar man slipa den yta som ska limmas. (Detta sker som regel i samband med tillverkningen av laminatet.) Alternativ metod är coronabehandling. I coronabågen bränns och förångas de lågmolekylära skikten.
Inom bilindustrin används mycket polypropylen, bl a för exteriördetaljer, t ex spoilers. Dessa limmas. Före limning sker coronabehandling. Det finns system där en corona-elektrod sitter i ”handen” på en robot, som snabbt för spolen över de delar av ytan som skall komma i kontakt med limmet. Blåser dessa spoilers bort?
Kan man då lita på coronabehandling? Slipning ser man ju!
Plastkassar, som man ofta utan att tänka på det kommer i daglig kontakt med, är sällan enfärgade. Vanligtvis finns där en text eller en bild. Har det någonsin hänt att denna text eller bild har flagat av? Polyetenplasten i påsen är coronabehandlad före tryckningen. Om så inte vore fallet skulle inte färgen väta.
På nya bilar är det numera standard att backspeglarna har elektrisk uppvärmning, för att inte bli nedisade. Dessa element består av en slinga av metallfolie mellan två termoplastiska polyesterfolier. Polyesterfolien är coronabehandlad före laminering för att limmet ska väta och bindningarna ska bli hållfasta och beständiga.
Hur länge håller då coronabehandling?
Svaret på detta beror på i huvudsak på tre saker. Vilket material är det som behandlats? Hur är materialet komponerat? Vad kan eventuellt svettas ut?
Vissa silkonkvaliteter måste t ex limmas inom 30 sekunder efter coronabehandling, annars migrerar lågmolekylära komponenter ut till ytan.
Polyeten och polypropylen brukar kunna lagras under flera veckor. Polyesterlaminat har lagrats mer än fem år utan försämrat limningsresultat.
Hur lagras och behandlas det coronabehandlade materialet?
Oberoende av vilken förbehandlingsmetod som har använts för att få rena och hållfasta ytor är det givetvis synnerligen viktigt att materialet transporteras och hanteras så att ytorna förblir rena och hållfasta.
Inget tyder på att ”limmet med tiden skulle tappa vidhäftningen” vid limning mot coronabehandlat material. Detta skulle f ö strida mot de grundläggande adhesionsteorierna:
Indirekt coronabehandling
Indirekt coronabehandling ger en coronaurladdning alstrad av en lågfrekvent högspänning. Materialet blir inte mycket värmt (cirka 40°C).
En luftström för urladdningen, som skapas av de i elektrodhuvudet integrerade
elektroderna, mot substratet som skall behandlas. Därför krävs ingen motelektrod eller jordning.
Den elektriska urladdningen skapar de nödvändiga funktionella bipolära
grupperna på polymerytan vilket ökar limmets möjlighet att väta materialet och därmed få adhesionen.
Metoden passar för icke-ledande och ledande material och drift med standard tryckluft. Utrustningen kräver utsug eftersom nitrösa gaser bildas vid användning. Ljudnivån är lägre än 75 dB(A), varför hörselskydd anses nödvändiga.
Metoden är enkel att integrera i produktionen, men även hantering för hand förekommer.
Lågtrycksplasma
Utrustningen är en ”kombination av en vakuumpump och en mikrovågsugn”. Alla föroreningar och lågmolekylära ytskikt ”skjuts bort och pumpas ut”. Ytan reagerar också med syre eller annan gas och ytspänningen ökas.
Principen kan i korthet beskrivas på följande sätt:
"Plasma skapas genom att man i en processkammare vid undertryck får gasen eller gasblandningar att urladdas genom generering av högfrekvent växelspänning.
Gasen i kammaren sätts i pulsationstillstånd (joniseras), varvid kemiska radikaler och ultraviolett strålning frigörs.
Den högaktiva processgasen, vanligen syrgas, har förmågan att redan vid låga temperaturer kemiskt reagera med den behandlade godsytan.
Under processen tillförs kontinuerligt syrgas och reaktionsprodukterna pumpas ut med vakuumpumpen".
(Numera skapas ofta syrgasen genom att vatten ansluts.)
Tre huvudsakliga effekter påverkar förändringen av ytegenskaperna.
För det första sker en kemisk reaktion mellan polymeren och syreradikalerna, som framkallar en oxidation av de översta, lågmolekylära skikten. Tillförsel av syre innebär även ökning av antalet polära grupper. Den opolära ytan får därmed en polär karaktär.
Parallellt härmed sker i syrgasplasman en restfri föraskningsprocess. Tunna beläggningsskikt (t ex organiska släppmedel) kan därigenom avlägsnas från ytan.
Dessa processer understöds dessutom genom den i plasman uppkomna ultravioletta strålningen, vilken hjälper till att bryta upp bindningar och åstadkommer en tredimensionell förnätning av molekylerna.
Mikrovågsfrekvensen är 2,45 GHz.
En nackdel med metoden är att materialet som ska behandlas måste stoppas in i en kammare. Behandlingen kan därför bara ske i satser. Vakuumkammarens storlek utgör (självklart) hur stora detaljer som kan behandlas.
Potentialfri atmosfärsplasma, eller "friplasma"
Här finns inte behovet att placera detaljerna i en kammare. liknar indirekt corona, men arbetar vid cirka 20 kHz (jämfört med cirka 2 kHz för indirekt corona).
Potentialfri atmosfärsplasma är en effektivare och snabbare metod med ett högre luftflöde. Vid normal användning blir materialet cirka 40oC, då plasmaproduktion sker utan elbåge. Metoden kan därför användas på känsliga elektriska komponenter.
Potentialfri atmosfärsplasma passar för plast, metall och många andra material. Metoden kräver utsug eftersom nitrösa gaser bildas. Hörselskydd anses inte nödvändiga eftersom ljudnivån är lägre än 75 dB(A).
Även potentialfri atmosfärsplasma krävs utsug, då nitrösa gaser bildas vid användning.
De "fria metoderna" kan lätt automatiseras och är förhållandevis oberoende av detaljernas storlek och form.
Vilken av metoderna man slutligen väljer kan fortfarande vara svårt att avgöra utan att genomföra prov med metoderna. Effekten av behandlingen brukar avgöras genom att använda "ytspänningspennor", innehållande vätska med kända ytspänningar. På detta sätt kan man avgöra vilken ytspänning man åstadkommit på materialet.
Alternativet till ytspänningspennor är att lägga en droppe av destillerat vatten på den behandlade ytan. Man uppskattar droppens vinkel - inne i droppen - mot ytan. Ju mindre denna vinkel är desto högre är ytspänningen.