Mengoptimalkan Perekatkan Lem: Strategi Permukaan untuk Komposit Termoset dan Termoplastik

Perawatan permukaan — yang melibatkan beberapa metode perawatan, pengasupan atau pembersihan permukaan bagian atau material — dapat sangat penting untuk mencapai properti yang diperlukan untuk perekatan lem, pelapisan atau bahkan pengecatan yang berhasil. Namun, beberapa metode lebih efektif daripada yang lain untuk material tertentu.

Menurut Giles Dillingham, CEO dan ilmuwan utama di BTG Labs (Cincinnati, Ohio, AS), perawatan permukaan material untuk perekat, pelapisan atau penyegelan perlu mencapai tiga hal:

1. Pembersihan: Ini berarti mengurangi jumlah kontaminan berbahaya pada permukaan ke tingkat di mana kontak intim (tingkat molekuler) antara lem dan permukaan tercapai. Apa pun yang menghalangi kontak ini adalah kontaminan yang harus dihapus atau dikurangi ke tingkat yang tidak mengancam dengan berbagai teknik pembersihan.
2. Aktivasi: Permukaan yang bersih harus cukup aktif secara kimiawi untuk membentuk ikatan kimia primer atau sekunder dengan lem. Permukaan bersih yang kimiawi iners tidak dapat membentuk ikatan kimia yang diperlukan untuk perekat struktural yang kuat dan andal.
3. Stabilisasi: Permukaan harus tahan terhadap degradasi (biasanya berarti oksidasi) ketika diekspos ke lingkungan operasi. Kebersihan dan aktivitas kimiawi permukaan perlu dipelihara hingga operasi perekatan atau pelapisan sebenarnya berlangsung.

Pentingnya relatif dari tiga aspek perawatan permukaan ini tergantung pada kelas material yang dipertimbangkan, menurut Dillingham. Misalnya, logam memiliki energi permukaan yang sangat tinggi, yang berarti permukaan sangat reaktif secara kimiawi dan terkontaminasi dengan cepat. Perawatan permukaan untuk logam difokuskan pada pembersihan dan pembuatan oksida stabil. Untuk material komposit, pendekatan yang berbeda diperlukan untuk perekat dan pelapisan yang berhasil, karena polimer termoset dan termoplastik memiliki energi permukaan yang relatif rendah dan, oleh karena itu, tidak terkontaminasi secepat logam dan relatif stabil selama paparan lingkungan. Namun, karakteristik yang sama ini membuat lem kurang mungkin menempel pada komposit. Akibatnya, perawatan permukaan komposit biasanya difokuskan pada faktor kedua yang tercantum di atas: meningkatkan energi permukaan sehingga ikatan kuat dapat terbentuk dengan lem.

Menentukan Energi Permukaan

Meskipun umumnya rendah, energi permukaan dapat bervariasi di berbagai material dan bagian komposit, dan perawatan permukaan bervariasi sesuai. Menurut Dillingham, kemampuan untuk dengan cepat dan kuantitatif mengukur energi permukaan sebuah objek atau material adalah langkah pertama penting untuk merancang, mengimplementasikan atau memahami perawatan permukaan yang benar.

Ada beberapa pendekatan untuk menguji energi permukaan; satu teknik populer yang sering digunakan BTG Labs melibatkan pengukuran sudut kontak yang dibentuk oleh tetesan cairan pada permukaan uji. Dalam metode ini, jika cairan membentuk titik saat kontak dengan permukaan, ini menunjukkan bahwa cairan tidak tertarik ke permukaan. Mungkin, lem atau cat juga tidak akan tertarik secara kuat ke permukaan ini, dan perekatan akan buruk. Kontaminan adalah satu penyebab permukaan menolak tetesan cairan dengan cara ini.

Namun, jika cairan dengan mudah menyebar daripada membentuk titik, ini menunjukkan bahwa permukaan menarik cairan dengan kuat. Permukaan semacam itu memiliki energi kimia yang tinggi dan umumnya akan menempel dengan baik pada lem. Dillingham mencatat bahwa kontaminan dengan surfaktan, seperti sabun, juga akan menyebabkan cairan menyebar pada permukaan, namun pembasahan yang diinduksi surfaktan dapat dengan mudah dibedakan oleh kecepatan cairan menyebar.

Sudut antara tetesan cairan dan permukaan — dengan kata lain, sudut kontak (lihat gambar di kiri) — memberikan nilai pada daya tarik permukaan terhadap cairan. Ada beberapa faktor yang menentukan sudut kontak target yang seharusnya untuk perekat lem yang baik pada permukaan tertentu, termasuk apakah perekatan dievaluasi melalui lap shear joint atau double cantilever beam (DCB). Secara umum, sudut kontak rendah (dari 0 derajat hingga ~30-40 derajat) menunjukkan permukaan bersih dan energi tinggi yang akan membentuk perekat yang baik dengan lem dan cat; sudut tinggi (60-90 derajat atau lebih) menunjukkan permukaan energi rendah atau terkontaminasi yang secara umum akan sulit untuk ditempel. Sudut kontak dalam rentang 40-60 derajat kurang pasti: ini dapat menunjukkan permukaan yang kurang dapat diprediksi kebersihannya dan siap untuk perekatan dibandingkan dengan yang memiliki sudut kontak lebih rendah, tetapi tidak sepecertinya menciptakan perekat lemah seperti permukaan yang menghasilkan pengukuran sudut kontak di atas rentang itu.

Termoset vs. Termoplastik

Komposit termoset (seperti epoxy, polyimide, bismaleimide) dan komposit termoplastik (seperti PAEK, PEEK, PEKK dan polyphenylene sulfide) memiliki karakteristik permukaan yang berbeda dan memerlukan strategi persiapan permukaan yang berbeda.

Dalam beberapa kasus, Dillingham mengatakan, resin termoset dapat mendapat manfaat dari film permukaan yang dirancang untuk meningkatkan reaktivitas kimia permukaan komposit. Permukaan ini biasanya menunjukkan sudut kontak air dalam rentang 30 derajat setelah pelepasan peel ply dan biasanya dapat ditempel. Dalam kasus lain di mana permukaan polimer sangat tidak reaktif, sudut kontak air sekitar 50-60 derajat, dan perawatan permukaan mungkin diperlukan untuk perekat yang baik.

Teknik perawatan permukaan lain yang telah memiliki beberapa keberhasilan dengan komposit termoset adalah pengasupan, dilakukan secara manual atau melalui grit blasting. Menurut Dillingham, pengasupan bekerja karena matrix resin termoset adalah polimer rapuh yang retak di bawah pengasupan dengan benar-benar merusak rantai polimer untuk menciptakan permukaan yang aktif secara kimiawi. Permukaan ini dapat bereaksi dengan lem untuk membentuk antarmuka yang kuat dan stabil. Bergantung pada komposisi kimia polimer termoset, pengasupan dapat mengurangi sudut kontak air sebesar 10 derajat atau lebih, yang dapat cukup untuk perekat yang baik.

Namun, polimer termoplastik berperilaku berbeda dari polimer termoset. Karena rantai polimer tidak terkunci dalam jaringan rigid oleh crosslinking, kata Dillingham, mereka cenderung mengalir — dengan kata lain, berdeformasi plastis — di bawah pengasupan, daripada retak. Meskipun komposit termoplastik yang diasup mungkin kasar, ia masih tidak reaktif secara kimiawi dan tidak dapat membentuk perekat yang baik dengan lem, pelapisan atau sealant. Selain itu, sudut kontak air pada permukaan ini secara umum tidak berubah secara signifikan dengan pengasupan. Untuk komposit termoplastik, perawatan plasma dapat menjadi metode yang efektif untuk meningkatkan energi permukaan. Gambar di atas menunjukkan kekuatan lap joint (sumbu vertikal) versus sudut kontak (sumbu horizontal) untuk PEKK yang ditempel dengan film lem Solvay 377S. Menurut data, pembersihan pelumas, pengasupan tangan dan grit blasting tidak meningkatkan kekuatan joint dalam kasus ini, sementara perawatan plasma meningkatkan kekuatan lebih dari 30%. Selain itu, sampel yang diobati plasma gagal secara kohesif dalam lem, sedangkan sampel lain gagal setidaknya sebagian secara interfasial di antara lem dan substrat.

Perekat lem yang kuat dan andal yang cocok untuk tujuan struktural dapat dicapai di antara sebagian besar material struktural, menyimpulkan Dillingham. Namun, perawatan permukaan yang bekerja baik untuk satu kelas material mungkin tidak cocok untuk yang lain; perawatan permukaan perlu dirancang dengan mempertimbangkan karakteristik kimia spesifik dari substrat dan lem. Sebagian besar aplikasi untuk komposit termoplastik memerlukan perawatan yang meningkatkan energi permukaan lebih jauh lagi dibandingkan komposit termoset, sehingga perawatan permukaan harus diperlakukan secara berbeda. Menggabungkan perawatan permukaan dengan strategi pengukuran dan kontrol yang sesuai memastikan perawatan permukaan efektif dan andal.