Perlakuan permukaan untuk ikatan perekat:Komposit termoset vs. termoplastik

Perawatan permukaan — melibatkan beberapa metode perawatan, pengikisan atau pembersihan bagian atau permukaan material — dapat menjadi penting untuk mencapai sifat yang diperlukan untuk ikatan perekat yang sukses, pelapisan atau bahkan pengecatan. Namun, beberapa metode lebih efektif daripada yang lain untuk bahan tertentu.

Menurut Giles Dillingham, CEO dan kepala ilmuwan di BTG Labs (Cincinnati, Ohio, A.S.), perawatan permukaan bahan untuk ikatan, pelapisan, atau penyegelan perlu mencapai tiga hal:

1. Membersihkan: Ini berarti mengurangi jumlah kontaminan yang merugikan pada permukaan ke tingkat di mana kontak intim (tingkat molekul) perekat dengan permukaan tercapai. Apa pun yang menghalangi kontak ini adalah kontaminan yang harus dihilangkan atau dikurangi ke tingkat yang tidak mengancam melalui sejumlah teknik pembersihan.
2. Aktivasi: Permukaan yang bersih harus cukup aktif secara kimia untuk membentuk ikatan kimia primer atau sekunder dengan perekat. Permukaan bersih yang lembam secara kimiawi tidak dapat membentuk ikatan kimia yang diperlukan untuk adhesi struktural yang kuat dan andal.
3. Stabilisasi: Permukaan harus tahan terhadap degradasi (biasanya ini berarti oksidasi) saat terkena lingkungan servis. Kebersihan dan aktivitas kimia permukaan perlu dijaga sampai operasi pengikatan atau pelapisan yang sebenarnya terjadi.

Kepentingan relatif dari ketiga aspek perawatan permukaan ini tergantung pada kelas bahan yang dipertimbangkan, menurut Dillingham. Misalnya, logam memiliki energi permukaan yang sangat tinggi, yang berarti permukaannya sangat reaktif secara kimiawi dan cepat terkontaminasi. Perawatan permukaan untuk logam berfokus pada pembersihan dan pembuatan oksida yang stabil. Untuk bahan komposit, pendekatan yang berbeda diperlukan untuk ikatan dan pelapisan yang sukses, karena polimer termoset dan termoplastik memiliki energi permukaan yang relatif rendah dan, oleh karena itu, tidak mudah mencemari logam dan relatif stabil selama paparan lingkungan. Namun, karakteristik yang sama ini membuat perekat cenderung tidak menempel pada komposit. Akibatnya, perawatan permukaan komposit biasanya berfokus pada faktor kedua yang tercantum di atas:meningkatkan energi permukaan sehingga ikatan yang kuat dapat dibentuk dengan perekat.

Menentukan energi permukaan

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

Ada beberapa pendekatan untuk menguji energi permukaan; salah satu teknik populer yang sering digunakan BTG Labs melibatkan pengukuran sudut kontak yang dibentuk oleh setetes cairan ke permukaan uji. Dalam metode ini, jika manik-manik cairan naik saat bersentuhan dengan permukaan, ini menunjukkan bahwa itu tidak tertarik ke permukaan. Kemungkinan, perekat atau cat juga tidak akan tertarik kuat ke permukaan ini, dan daya rekatnya akan buruk. Kontaminasi adalah salah satu penyebab permukaan menolak tetesan cairan dengan cara ini.

Namun, jika cairan dengan mudah menyebar dan bukan manik-manik, ini menunjukkan bahwa permukaan menarik cairan dengan kuat. Permukaan seperti itu memiliki energi kimia yang tinggi dan secara umum akan melekat dengan baik pada perekat. Dillingham mencatat bahwa kontaminasi dengan surfaktan, seperti sabun, juga akan menyebabkan cairan menyebar di permukaan, tetapi pembasahan yang diinduksi surfaktan dapat dengan mudah dibedakan dengan kecepatan penyebaran cairan.

Sudut antara tetesan cairan dan permukaan — dengan kata lain, sudut kontak (lihat gambar di kiri) — memberi nilai pada daya tarik permukaan untuk cairan. Ada beberapa faktor yang menentukan sudut kontak target yang seharusnya untuk ikatan perekat yang baik pada permukaan tertentu, termasuk apakah adhesi sedang dievaluasi melalui sambungan geser putaran atau balok kantilever ganda (DCB). Umumnya, sudut kontak yang rendah (dari 0 derajat hingga ~30-40 derajat) menunjukkan permukaan yang bersih dan berenergi tinggi yang akan menghasilkan daya rekat yang baik pada perekat dan cat; sudut tinggi (60-90 derajat atau lebih) menunjukkan energi rendah atau permukaan yang terkontaminasi yang umumnya akan sulit untuk diikat. Sudut kontak dalam kisaran 40-60 derajat kurang jelas:ini dapat menunjukkan permukaan yang kurang dapat diprediksi bersih dan siap untuk ikatan dibandingkan dengan sudut kontak yang lebih rendah, tapi itu tidak pasti untuk membuat ikatan lemah seperti permukaan yang menghasilkan pengukuran sudut kontak di atas rentang tersebut.

Termos vs. termoplastik

Komposit termoset (seperti epoksi, polimida, bismaleimida) dan komposit termoplastik (seperti PAEK, MENGINTIP, PEKK dan polifenil sulfida) memiliki karakteristik permukaan yang berbeda dan memerlukan strategi persiapan permukaan yang berbeda.

Dalam beberapa kasus, kata Dillingham, resin termoset dapat memperoleh manfaat dari pelapisan film yang dirancang untuk meningkatkan reaktivitas kimia permukaan komposit. Permukaan ini biasanya menunjukkan sudut kontak air dalam kisaran 30 derajat setelah pelepasan lapisan kulit dan biasanya dapat diikat. Dalam kasus lain di mana permukaan polimer sangat tidak reaktif, sudut kontak air sekitar 50-60 derajat, dan perawatan permukaan mungkin diperlukan untuk daya rekat yang baik.

Teknik perawatan permukaan lain yang berhasil dengan komposit termoset adalah abrasi, yang dilakukan secara manual atau melalui grit blasting. Menurut Dillingham, abrasi bekerja karena resin matriks termoset adalah polimer rapuh yang patah di bawah abrasi dengan pemutusan rantai polimer yang sebenarnya untuk menciptakan permukaan yang aktif secara kimia. Permukaan ini dapat bereaksi dengan perekat untuk membentuk antarmuka yang kuat dan stabil. Tergantung pada komposisi kimia polimer termoset, abrasi dapat mengurangi sudut kontak air sebesar 10 derajat atau lebih, yang cukup untuk ikatan yang baik.

Namun, polimer termoplastik berperilaku berbeda dari polimer termoset. Karena rantai polimer tidak terkunci ke dalam jaringan kaku dengan ikatan silang, kata Dillingham, rantai polimer cenderung mengalir — dengan kata lain, berubah bentuk secara plastis — di bawah abrasi, bukan patah. Sementara komposit termoplastik terabrasi mungkin kasar, secara kimiawi masih tidak reaktif dan tidak dapat membentuk ikatan yang baik dengan perekat, pelapis atau sealant. Selain itu, sudut kontak air pada permukaan ini umumnya tidak berubah secara signifikan dengan abrasi. Untuk komposit termoplastik, perawatan plasma dapat menjadi metode yang efektif untuk meningkatkan energi permukaan. Gambar di atas menunjukkan kekuatan sambungan putaran (sumbu vertikal) versus sudut kontak (sumbu horizontal) untuk PEKK yang direkatkan dengan perekat film Solvay 377S. Menurut data, penyekaan pelarut, pengamplasan tangan dan peledakan pasir tidak meningkatkan kekuatan sambungan dalam kasus ini, sementara perawatan plasma meningkatkan kekuatan hingga>30%. Selanjutnya, sampel yang diolah plasma gagal secara kohesif dalam perekat, sedangkan sampel lainnya gagal setidaknya sebagian antarmuka antara perekat dan substrat.

Ikatan perekat yang kuat dan andal yang cocok untuk tujuan struktural dapat dicapai di antara sebagian besar bahan struktural, Dillingham menyimpulkan. Namun, perawatan permukaan yang bekerja dengan baik untuk satu kelas bahan mungkin tidak sesuai untuk yang lain; perawatan permukaan perlu direkayasa dengan mempertimbangkan karakteristik kimia spesifik dari substrat dan perekat. Sebagian besar aplikasi untuk komposit termoplastik memerlukan perawatan yang meningkatkan energi permukaan ke tingkat yang lebih tinggi daripada komposit termoset, sehingga perawatan permukaan harus diperlakukan secara berbeda. Menggabungkan perawatan permukaan dengan strategi pengukuran dan kontrol yang tepat memastikan bahwa perawatan permukaan efektif dan andal.