Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

12.3 A ragasztástechnika alapjai

12.3 A ragasztástechnika alapjai

A ragasztás két szilárd test összeerősítését jelenti ragasztó segítségével; az összeerősített részek anyaga nem szükséges, hogy azonos legyen. A ragasztott kötés tehát a ragasztandó anyag(ok)ból és a ragasztóból áll. A ragasztott kötések szilárdságát döntően két erő–típus adja: a ragasztandó anyagok, valamint a ragasztó belső szilárdsága, kohéziója, és a ragasztandó anyag – ragasztó határfelületén fellépő erőhatások, az adhézió. Jó ragasztott kötésben az adhéziós erők legalább olyan nagyok, mint a kohéziós erők. Ez más szavakkal azt jelenti, hogy a jól összeragasztott anyagdarabokat nagy erőhatásnak kitéve a tönkremenetel (szakadás, törés) a ragasztandó darabban történik, és nem határfelületen, a ragasztó elválása miatt.

Napjainkban a ragasztástechnika egy sor fejlett technológia alapját képezi, mint pl. laminálás, polimerek bevonása fémekkel, vagy szálerősített polimer kompozitok előállítása. A ragasztástechnika elméleti alapjaival egy viszonylag új tudományág, a mérnöki felülettudomány (surface engineering, surface science) foglalkozik.

12.3.1 A ragasztás elméleti alapjai

Amint az előzőekben röviden vázoltuk, a ragasztott kötések jóságát döntően a ragasztandó anyag–ragasztó határfelületén fellépő erőhatás, az adhézió határozza meg. A következőkben a különböző anyagok között fellépő erőhatások magyarázatára kidolgozott elméleteket foglaljuk össze.

12.3.1.1 Mechanikai kapcsolódás

A mechanikai kapcsolódás elmélete szerint a hordozó és a ragasztó (vagy bármilyen bevonat, festék) között a kötést a bevonatnak a hordozó anyag felületi érdességébe, pórusaiba történő behatolása hozza létre. Ez az elmélet azonban nem lehet általános, mert erős ragasztott kötés hozható létre sima felületű anyagokkal is (pl. üveg, integrált áramkör gyártásnál használt szilícium hordozó–silica wafer). Az elmúlt kb. két évtized kutatásai alapján a felületi érdesség növelésével elért kötéserő növekedésre más magyarázat is adható, mint amely a mechanikai kapcsolódás elméletéből következik. Természetesen azokban az esetekben, amikor ténylegesen kimutatható a ragasztó behatolása a felület egyenetlenségeibe, a mechanikai kapcsolódás hatására létrejövő kötéserő növekedés jelentős lehet. Ez a helyzet pl. ABS (akrilnitril–butadién–sztirol) kopolimerek fémréteggel való bevonásánál. Az ABS felületi érdessége a butadién fázis kémiai kioldásával jelentősen megnövelhető.

12.3.1.2 Diffúziós elmélet

Az elmélet szerint polimerek adhéziójáért elsősorban a diffúzió felelős, akár különböző típusú polimerekről (hetero–adhézió), akár azonos típusúakról (auto–adhézió) van szó. A diffúzióhoz a polimer makromolekuláknak, illetve szegmenseiknek megfelelő mozgékonysággal kell rendelkezniük, és ezen kívül egymással kompatibiliseknek kell lenniük üvegesedési hőmérsékletük felett. A diffúzió magyarázatot ad a hőre lágyuló polimerek ragasztásánál tapasztalt jelenségre, amikor a két anyag között kezdetben meglévő határfelület (interface) egy idő után eltűnik, és valódi közös fázis alakul ki.

12.3.1.3 Elektrosztatikus elmélet

Az elmélet a ragasztott kötést kondenzátornak tekinti, ahol az egyik fegyverzet a ragasztó, a másik a hordozóanyag (substrate). A két különböző típusú anyag között elektromos kettősréteg alakul ki, és az elektrosztatikus vonzás felelős a kötéserőért. Hasonló módon, a ragasztott felületek szétválasztásához szükséges „adhéziós munkát” a kondenzátorban tárolt energiával lehet kapcsolatba hozni.

12.3.1.4 Fizikai adszorpció elmélete

A kondenzált fázisú (szilárd) anyagok kohéziójáért felelős vonzóerők kialakulhatnak két különböző, egymással igen közeli (molekuláris szintű) kapcsolatba hozott anyagdarab között is. A létrejövő erőhatást az atomok közötti vonzóerő, a másodlagos (van der Waals) kötések kialakulása hozza létre. Mint ismeretes, a másodlagos kötéseket a kötéserősség nagysága szerint három csoportba sorolhatjuk:

  • Dipólusos (vagy Keesom) erők: Amikor a nagyobb távolságból ("kívülről") elektromosan semlegesnek tűnő molekulában egyenlő nagyságú, ellentétes előjelű töltések vannak, a molekulát polárosnak nevezzük. Molekuláris távolságokon belül a töltés elkülönülés (a dipólus) fontossá válik, és jelentős szerepet játszik a molekulák közötti vonzóerő kialakulásában. A kölcsönhatási energia függ a dipólusoktól és a hőmérséklettől.

  • Indukciós(vagy Debye) erők: A poláros molekulák által kifejtett erők befolyásolják az apoláros (eredetileg molekuláris szinten is semleges, dipólusokat nem tartalmazó) molekulákat. A dipólus elektromos mezeje kölcsönhatásba lép az apoláros molekula atommagjának és elektronjainak töltésével, és azok kis mértékű elmozdulását okozza, ezáltal az eredetileg apoláros molekula dipólussá válik. Ezt a jelenséget nevezik indukciónak, és a kialakuló dipólust indukált dipólusnak. A dipólusos molekula és az indukált dipólussal rendelkező molekula közötti kölcsönhatás eredménye az indukciós erő. Ez az erőtípus független a hőmérséklettől.

  • Diszperziós (vagy London) erők: Minden molekulánál létezik egy időben változó dipólusmomentum, amelynek az átlaga hosszabb időre és az összes molekulára nézve nulla. Ez a dipólusmomentum az elektronok és magok pillanatnyi fluktuációjából adódik. Ezek a pillanatnyi fluktuációk a szomszédos atomok elektronfelhőjének megzavarásához vezetnek. Az ilyen módon kialakuló vonzó erőket diszperziós erőknek nevezzük. A diszperziós erők minden molekulában jelen vannak, és ha nincsenek jelentős dipólusok, akkor a molekulák közti erők jelentős részét képviselik. Nempoláros rendszerekben csak diszperziós erők léteznek. A diszperziós erők függetlenek a hőmérséklettől.

A kötéserősség a diszperzióstól a dipólusos irányába növekszik. Gyakran külön csoportként említik a dipólusos kötés egy speciális esetét, a hidrogén hidas kötést, mivel itt a kölcsönhatás még erősebb. Az adhéziónál nagyon fontos szerepe van a fizikai adszorpciónak, amelyben a diszperziós kötésnek tulajdonítanak nagy szerepet. Fontos megjegyezni, hogy az adhézió és a felületek nedvesítése egymással szorosan összefüggő jelenségek, hiszen jó nedvesítés nélkül nem jöhet létre az adhézió kialakulásához szükséges molekuláris szintű érintkezés a két fázis (a szilárd hordozó és a folyékony halmazállapotú ragasztó) között.

12.3.1.5 Kémiai kötések elmélete (kemoszorpciós elmélet)

Az előző szakaszban láttuk, hogy másodlagos (főként diszperziós) kötések kialaku¬lása már kellően nagy kötéserősséget biztosít. Egyes esetekben erős elsődleges (kovalens) kötések is kialakulnak az egymással érintkező felületek között. Az elsődleges kötések jelentősen megnövelik a kötések szilárdságát.

Erős elsődleges kovalens (–Si–O–M) kötés alakul ki a tapadásjavítóként alkalmazott szilánok és szervetlen hordozók, mint pl. üveg, fémoxidok között. A szilán köztes fázis és a polimer között erősebb kötés alakul ki, mint a hordozó és a polimer között. Sok ehhez hasonló, kémiai kötésen alapuló tapadásjavító mechanizmus ismert. A kialakuló kötések típusát a hordozó és a ragasztó (vagy bevonat) kémiai összetétele határozza meg.

12.3.1.6 Sav-bázis elmélet

Amint azt a fizikai adszorpciós elmélet kapcsán láttuk, a másodlagos kölcsönhatásokat feloszthatjuk poláros (Keesom, Debye) és apoláros (London) kölcsönhatásokra. Ma már általánosan elfogadott az az elmélet, miszerint poláros kölcsönhatások csak az egymással kapcsolatba kerülő anyagok savas és bázikus területein alakulhatnak ki. E mellett a hidrogénhidas kölcsönhatások vizsgálata kimutatta, hogy azok az általános sav-bázis elmélettel jól leírhatók. A sav-bázis elmélet az egymással szoros (molekuláris, illetve atomi szintű) kapcsolatba kerülő anyagok molekuláinak elektron-pályái alapján, az elektron leadás és felvétel segítségével értelmezi a kialakuló kötéseket, kölcsönhatásokat, amelyeket a korábban ismertetett elméletekkel nem lehetett leírni.

12.3.1.7 Gyenge határréteg modell

A ragasztott kötések szétválásának vizsgálata alapján megállapították, hogy a tönkremenetel szinte sosem a hordozó-ragasztó határfelületen következik be, hanem ahhoz közel, egy alacsony kohéziós szilárdságú rétegben. Ez a gyenge határréteg (WBL, weak boundary layer) lehet egy rideg fémoxid réteg a fém felületén, vagy kismolekulájú szennyeződés a nagymolekulájú polimer felületén. A gyenge határréteg vastagsága és összetétele függ a ragasztandó anyagok típusától és a felület–előkészítés módjától. Ez teszi a gyenge határréteg modellt nagyon hasznos elméletté, hiszen a ragasztott kötések szilárdságát mechanikai vizsgálatokkal állapítjuk meg, ahol a tönkremenetel helye, vagyis a gyenge határréteg jelenléte vagy hiánya döntően befolyásolja a mérési eredményeket.

Összefoglalásul megállapíthatjuk, hogy a ragasztás, az adhézió leírására nincsen egyetlen általános modell vagy elmélet, amely az összes jelenséget helyesen tudná számításba venni. Az egyes mechanizmusok jobb megismerése teremti meg a mind szilárdabb kötések kialakításának elvi alapjait.

12.3.2 Nedvesítés és adhézió

Az adhézió és a nedvesedés két egymással szorosan összefüggő jelenség. Könnyű belátni, hogy jó nedvesedés, vagyis a hordozó és a ragasztó igazán jó, molekuláris szintű érintkezése nélkül erős kötés nem tud kialakulni. Ezért kell a ragasztónak folyékony (vagy legalábbis pasztaszerű) állapotban lennie. A ragasztással foglakozó gyakorlati szakemberek szerint a felület nedvesíthetősége akkor jó, ha a víz (vagy kis viszkozitású ragasztó) szétterül rajta. A jelenség megértéséhez először vizsgáljuk meg egy saját gőzével érintkező folyadék molekuláinak erőegyensúlyát, 12.21 ábra:

Saját gőzével érintkező folyadék molekuláinak erőegyensúlya

12.21 ábra: Saját gőzével érintkező folyadék molekuláinak erőegyensúlya [12.7] „A” molekula a folyadék belsejében, „B” molekula a folyadék felszínén

A folyadék belsejében található „A” molekulára a környezetében levő többi molekula minden irányból azonos vonzóerőt fejt ki, ezért az eredő erő nulla. A folyadék felszínén levő „B” molekulára a folyadékfázisból jóval több „szomszéd” fejt ki vonzóerőt, mint a sokkal ritkább gőztérből, ezért a felszíni molekulára ható erők eredője nem nulla, hanem a folyadék belseje felé mutató erő. Ez az erő a folyadékot egy másik, vele nem elegyedő folyadékban (vagy gravitációmentes térben) gömb alakúra igyekszik összehúzni (adott térfogathoz a gömb alak adja a minimális felületet). Az egységnyi folyadékfelületre ható összehúzó erőt felületi feszültségnek nevezzük, és γ-val jelöljük. γ mértékegysége N/m.

Folyékony ragasztó és szilárd hordozó esetén a határfelületi viszonyok kissé bonyolultabbak, 12.22 ábra. A rendszer ebben az esetben háromfázisú, mert a légtér is jelen van. Az ábrán alkalmazott jelölésekkel

  • a szilárd fázis és a gázfázis közötti felületi feszültség: γ2,3;

  • a szilárd fázis és a folyadékfázis közötti felületi feszültség: γ1,3;

  • a gázfázis és a folyadékfázis közötti felületi feszültség: γ1,2;

Saját gőzével érintkező folyadék molekuláinak erőegyensúlya

12.22 ábra: A kontaktszög és a határfelületi feszültségek [12.6] 1) folyékony fázis, 2) gázfázis, 3) szilárd fázis

A háromfázisú rendszer egyensúlyi feltétele:

12.2. egyenlet -


vagy átrendezve

12.3. egyenlet -


A teljes nedvesítés feltétele, ha γ2,3>γ1,3+γ1,2; ekkor a Θ nedvesítési szög nem értelmezhető. Ebben az esetben a folyadék teljesen szétterül a szilárd felületen. Nem kapunk valós nedvesítési szöget akkor sem, ha a szilárd test és a folyadék közötti felületi feszültség (γ1,3) nagyobb a másik kettőnél. Ekkor a folyadék gömb alakot fesz fel a szilárd test felületén. A többi esetben a Θ nedvesítési szög optikai komparátorral könnyen mérhető.

12.3.3 Ragasztók csoportosítása

A ragasztókat különböző szempontok szerint csoportosíthatjuk:

  • kémiai szerkezetük

  • fizikai tulajdonságaik

  • kötésmódjuk

  • a velük ragasztható anyagok szerint

12.3.3.1 Csoportosítás a kémiai szerkezet szerint

A ragaszók általában nagymolekulájú anyagok, polimerek, amelyek a ragasztandó anyagot jól nedvesítik, és azzal (többnyire) másodlagos kötéseket tudnak kialakítani. Léteznek természetes és mesterséges polimer alapú ragasztók is. A természetes alapú ragasztók közül napjainkban a kaucsuk alapú ragasztóknak, illetve ásványi szurkoknak, bitumeneknek van nagyobb jelentőségük.

A szintetikus polimer alapú ragasztók közül a gépiparban a következő csoportok a legfontosabbak:

  • Epoxigyanták, társított epoxigyanták

  • Poliészterek: alkid– és allilgyanták

  • Poliuretánok

  • Fenoplasztok, aminoplasztok

  • Akril– és metakrilsavészterek

  • Ciánakrilátok („pillanatragasztók”)

  • Vinilszármazékok

  • Poliamid alapú ragasztók

  • Szilikongyanták

Nagyon magas hőmérsékleteknek (>400–500 °C) kitett ragasztott kötéseket szervetlen (kerámia) alapú ragasztóanyagokkal lehet készíteni.

12.3.3.2 Csoportosítás a fizikai tulajdonságok szerint

Folyékony ragasztók: monomerek, oligomerek, oldatok, diszperziók. A diszperziók többnyire vízben finoman eloszlatott ragasztóanyag-szuszpenziók, egyes esetekben kolloid oldatok. A kötést a diszpergált részecskék (1–500 μm) koagulálása (kicsapódása) hozza létre.

A szilárd ragasztók szobahőmérsékleten szilárd anyagok. Megolvasztva, majd újból lehűtve hozzák létre a kötést. A reaktív ragasztóknál a hő kémiai változást is okoz. A szilárd ragasztók különleges csoportja a hordozóra felvitt tartósan tapadó, nyomás-érzékeny ragasztók, amelyek nyomás hatására hozzák létre a kötést (PSA = Pressure sensitive adhesives).

A ragasztópaszták kenhető, gittszerű anyagok. A bennük levő nagymennyiségű töltőanyag miatt nagy a viszkozitásuk.

12.3.3.3 Csoportosítás a kötés módja szerint

Két nagy csoportot különböztetünk meg: a kémiai reakció nélkül, csak fizikai változással, és a kémiai reakcióval kötő ragasztókat.

A kémiai reakció nélkül kötő ragasztók egyik típusa a hidegen kötő, tartósan tapadó ragasztó, amely nem is köt, csak nedvesít. Másik típusuk az oldószer (vagy diszpergálószer) elpárolgással kötő ragasztók. A melegen kötő ragasztók (hot melt) csak olvadék (ömledék) állapotban nedvesítik a ragasztandó felületet. A kötés a ragasztó lehűlésével jön létre. Ebbe a csoportba lineáris polimerek tartoznak.

A kémiai reakcióval kötő ragasztóknál a 2.2 fejezetben megismert mindhárom polimerlánc kialakítási módszer – a polimerizáció, a poliaddíció és a polikon¬denzáció – is előfordul. A polikondenzációs típusnál (pl. fenoplasztok) nagy figyelmet kell fordítani a melléktermék eltávozásának biztosítására. A legtöbb esetben a viszonylag nagymértékű zsugorodás (kivétel: epoxigyanták) miatt nyomás alkalmazása is szükséges.

12.3.3 A ragasztás technológiája

Technológiai szempontból a kötésben résztvevő elemek szerint három csoport különböztethető meg:

  • homogén kötések: a ragasztandó anyagok között csak a ragasztóréteg található,

  • inhomogén kötések: a ragasztórétegben még valamilyen erősítőanyag (pl. üvegszövet) is van,

  • kombinált kötések: a ragasztás mellett más (pl. szegecselés, csavarozás) kötést is alkalmaznak.

A homogén kötések kialakításához szükséges technológiai lépések a másik két csoport esetében is szükségesek. A fő műveletek a következők:

  • A ragasztandó felületek kezelése. A ragasztott kötés szilárdságát nagymértékben befolyásolja a felületek megfelelő előkészítése. A felületkezelés egyes esetekben csak a felület tisztítását és a megfelelő érdesség kialakítását jelenti (zsír– és egyéb szennyeződések eltávolítása, csiszolás, szemcseszórás), más esetben hatékonyabb módszereket kell alkalmazni, pl. Al ragasztásánál vegyszeres kezelést a megfelelő oxidréteg kialakításához, koronakisülést poliolefinek (PE, PP) felületi energiájának növelésére, stb. Általában minél kisebb a ragasztandó anyag felületi energiája (minél kevésbé nedvesíti a ragasztó), annál bonyolultabb, költségesebb előkészítést igényel.

  • A ragasztó előkészítése. Ez a művelet a ragasztó típusától függően kétkomponensű ragasztóknál a komponensek kimérését és összekeverését, diszperziós ragasztóknál a kiülepedett rész felkeverését, oldószeres ragasztóknál az esetleges hígítást jelenti. Ide sorolhatjuk a töltőanyag bekeverés műveletét is.

  • A ragasztó felvitele a ragasztandó felület(ek)re. Ez a művelet történhet kézzel vagy gépi úton. A kötés¬szilárdság függ a felhordás módjától is. Folyékony ragasztók felhordása legtöbbször kenéssel, mártással vagy hengerléssel történik. A szilárd ragasztókat szórással, megömlesztéssel, vagy egyszerűen ráhelyezéssel hordják fel a ragasztandó felületre.

  • A ragasztandó munkadarabok illesztése és rögzítése. A ragasztandó darabokat a rögzítés előtt össze kell illeszteni. Ez a gyorsan kötő ragasztóknál jelenthet nehézséget. Nagy alkatrészeket néhány csavarral lehet rögzíteni. Egyes ragasztók (pl. fenolgyanták) igénylik a nagy (1 MPa körüli) nyomást. Nagyobb alkatrészekhez ilyen ragasztót a nagyméretű, drága illesztőkészülék miatt nem célszerű használni.

  • A ragasztó kikeményítése. Oldószeres vagy diszperziós ragasztók kikeményedése az oldószer, illetve a víz elpárolgását jelenti. Ezeknél a ragasztótípusoknál, hacsak nem pórusos, nyitott cellás (hab) anyagot ragasztunk velük, szükséges időt biztosítani az oldószer elpárolgásához (ún. nyitott idő). Ömledékragasztóknál a kötés a lehűlés után jön létre. A reaktív ragasztók kikeményedését a hőmérséklet és az idő befolyásolja. Itt is érvényes a van’t Hoff szabály, amely szerint a reakció sebessége kb. 10 fokonként megduplázódik (bővebben ld. 13.2.5 fejezet).

  • Utóműveletek. Reaktív ragasztóknál utólagos hőkezeléssel a kötésszilárdság jelentősen növelhető. Nem kellően víz– vagy klímaálló ragasztók esetén a ragasztóréteg szélét védőréteggel (festékkel, lakkal) látják el. Ide sorolható a munkadarab felületére került felesleges ragasztóréteg eltávolítása is.