Otimizando Colagem Adesiva: Estratégias de Tratamento de Superfície para Compósitos Termofixos e Termoplásticos

Tratamento de superfície — envolvendo algum método de tratar, abrasar ou limpar uma superfície de peça ou material — pode ser essencial para alcançar as propriedades necessárias para colagem adesiva, revestimento ou até pintura bem-sucedidos. No entanto, alguns métodos são mais eficazes que outros para certos materiais.

Segundo Giles Dillingham, CEO e cientista-chefe da BTG Labs (Cincinnati, Ohio, EUA), tratamento de superfície de materiais para colagem, revedimento ou vedação precisa realizar três coisas:

1. Limpeza: Significa reduzir a quantidade de contaminantes prejudiciais na superfície a um nível onde contato íntimo (nível molecular) do adesivo com a superfície é alcançado. Qualquer coisa que atrapalhe este contato é um contaminante que deve ser removido ou reduzido a um nível não ameaçador por meio de qualquer número de técnicas de limpeza.
2. Ativação: A superfície limpa deve ser quimicamente ativa o suficiente para formar ligações químicas primárias ou secundárias com o adesivo. Uma superfície limpa que é quimicamente inerte não pode formar as ligações químicas necessárias para adesão estrutural forte e confiável.
3. Estabilização: A superfície deve ser resistente à degradação (geralmente isso significa oxidação) quando exposta ao ambiente de serviço. A limpeza e atividade química da superfície precisam ser mantidas até que a operação real de colagem ou revestimento ocorra.

A importância relativa destes três aspectos do tratamento de superfície depende da classe de material em consideração, segundo Dillingham. Por exemplo, metais têm energias de superfície muito altas, significando que as superfícies são altamente quimicamente reativas e contaminam rapidamente. Tratamento de superfície para metais foca em limpeza e criação de um óxido estável. Para materiais compósitos, uma abordagem diferente é necessária para colagem e revestimento bem-sucedidos, porque polímeros termofixos e termoplásticos têm energias de superfície relativamente baixas e, portanto, não contaminam tão prontamente como metais e são relativamente estáveis durante exposição ambiental. No entanto, estas mesmas características tornam adesivos menos propensos a aderir a compósitos. Como resultado, tratamento de superfície de compósitos geralmente foca no segundo fator listado acima: aumentar a energia de superfície para que uma ligação forte possa ser formada com um adesivo.

Determinando Energia de Superfície

Embora geralmente baixas, energias de superfície podem variar em diferentes materiais e peças compósitas, e tratamentos de superfície variam de acordo. Segundo Dillingham, a capacidade de medir rápida e quantitativamente a energia de superfície de um objeto ou material é o primeiro passo importante para projetar, implementar ou entender o tratamento de superfície correto.

Existem várias abordagens para testar energia de superfície; uma técnica popular que a BTG Labs frequentemente usa envolve medir o ângulo de contato formado por uma gota de fluido sobre a superfície de teste. Neste método, se o líquido forma gota ao contato com a superfície, isso indica que não está sendo atraído para a superfície. Provavelmente, um adesivo ou tinta também não será fortemente atraído para esta superfície, e a adesão será ruim. Contaminação é uma causa para uma superfície repelir uma gota de líquido desta forma.

No entanto, se o líquido se espalha prontamente em vez de formar gota, isso indica que a superfície está atraindo o líquido fortemente. Tal superfície tem alta energia química e, em geral, aderirá bem a um adesivo. Dillingham nota que contaminação com um surfactante, como sabão, também causará líquidos a se espalharem em uma superfície, mas que molhamento induzido por surfactante pode ser prontamente distinguido pela taxa na qual o líquido se espalha.

O ângulo entre uma gota de líquido e a superfície — em outras palavras, o ângulo de contato (veja imagem à esquerda) — coloca um valor na atração da superfície pelo líquido. Existem vários fatores que determinam qual deve ser o ângulo de contato alvo para uma boa ligação adesiva em uma dada superfície, incluindo se a adesão está sendo avaliada via junta de cisalhamento sobreposto ou viga de balanço duplo (DCB). Geralmente, ângulos de contato baixos (de 0 graus a ~30-40 graus) indicam uma superfície limpa, de alta energia, que estabelecerá boa adesão a adesivos e tintas; ângulos altos (60-90 graus ou mais) indicam uma superfície de baixa energia ou contaminada que geralmente será difícil de colar. Um ângulo de contato na faixa de 40-60 graus é menos claro: isso pode indicar uma superfície que é menos previsivelmente limpa e pronta para colagem do que aquela com ângulo de contato menor, mas que não é tão certa para criar ligações fracas quanto uma superfície produzindo medições de ângulo de contato acima dessa faixa.

Termofixos vs. Termoplásticos

Compósitos termofixos (como epóxis, polimidas, bismaleimidas) e compósitos termoplásticos (como PAEK, PEEK, PEKK e polifenileno sulfeto) têm diferentes características de superfície e requerem diferentes estratégias de preparação de superfície.

Em alguns casos, Dillingham diz, resinas termofixas podem beneficiar de filmes de superfície projetados para aumentar a reatividade química da superfície compósita. Estas superfícies tipicamente mostram ângulos de contato de água na faixa de 30 graus após remoção de peel ply e são geralmente coláveis. Em outros casos onde a superfície do polímero é particularmente não reativa, ângulos de contato de água estão em torno de 50-60 graus, e tratamentos de superfície podem ser necessários para boa adesão.

Outra técnica de tratamento de superfície que teve algum sucesso com compósitos termofixos é abrasão, realizada manualmente ou via jateamento de granalha. Segundo Dillingham, abrasão funciona porque resinas de matriz termofixa são polímeros quebradiços que fraturam sob abrasão por quebra real das cadeias poliméricas para criar uma superfície quimicamente ativa. Esta superfície pode reagir com um adesivo para formar uma interface forte e estável. Dependendo da composição química do polímero termofixo, abrasão pode reduzir o ângulo de contato de água em 10 graus ou mais, o que pode ser suficiente para boa colagem.

No entanto, polímeros termoplásticos comportam-se diferentemente de polímeros termofixos. Como as cadeias poliméricas não estão travadas em uma rede rígida por reticulação, Dillingham diz, eles tendem a fluir — em outras palavras, deformar plastically — sob abrasão, em vez de fraturar. Enquanto um compósito termoplástico abrasado pode ser rugoso, ele ainda é quimicamente não reativo e incapaz de estabelecer uma boa ligação com um adesivo, revestimento ou selante. Além disso, ângulos de contato de água nestas superfícies geralmente não mudam significativamente com abrasão. Para compósitos termoplásticos, tratamentos de plasma podem ser um método eficaz para aumentar energias de superfície. A figura acima mostra resistência de junta sobreposta (eixo vertical) versus ângulo de contato (eixo horizontal) para PEKK colado com filme adesivo Solvay 377S. Segundo os dados, limpeza com solvente, lixamento manual e jateamento de granalha não melhoraram resistência da junta neste caso, enquanto tratamentos de plasma aumentaram resistência em >30%. Além disso, as amostras tratadas com plasma falharam coesivamente no adesivo, enquanto as outras amostras falharam pelo menos parcialmente interfacialmente entre o adesivo e o substrato.

Ligações adesivas fortes e confiáveis adequadas para propósitos estruturais são alcançáveis entre a maioria dos materiais estruturais, conclui Dillingham. No entanto, tratamentos de superfície que funcionam bem para uma classe de material podem não ser apropriados para outra; tratamentos de superfície precisam ser engenheirados com as características químicas específicas do substrato e adesivo em mente. A maioria das aplicações para compósitos termoplásticos requer tratamentos que aumentem energia de superfície a um grau ainda maior que compósitos termofixos, então tratamentos de superfície devem ser tratados diferentemente. Combinar tratamentos de superfície com estratégias apropriadas de medição e controle garante que tratamentos de superfície sejam eficazes e confiáveis.