Tratamento de superfície para colagem:termofixo vs. compósitos termoplásticos

O tratamento de superfície - envolvendo algum método de tratamento, abrasão ou limpeza de uma peça ou superfície do material - pode ser essencial para obter as propriedades necessárias para uma colagem, revestimento ou mesmo pintura bem-sucedida. No entanto, alguns métodos são mais eficazes do que outros para determinados materiais.

De acordo com Giles Dillingham, CEO e cientista-chefe do BTG Labs (Cincinnati, Ohio, EUA), o tratamento de superfície de materiais para colagem, revestimento ou vedação precisa realizar três coisas:

1. Limpeza: Isso significa reduzir a quantidade de contaminantes prejudiciais na superfície a um nível em que o contato íntimo (nível molecular) do adesivo com a superfície seja alcançado. Qualquer coisa que atrapalhe esse contato é um contaminante que deve ser removido ou reduzido a um nível não ameaçador por meio de uma série 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 uma 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 a atividade química da superfície precisam ser mantidas até que a operação real de colagem ou revestimento ocorra.

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

Determinando a energia de superfície

Embora geralmente baixas, as energias de superfície podem variar em diferentes materiais e peças compostas, e os tratamentos de superfície variam de acordo. De acordo com Dillingham, a capacidade de rápida e quantitativamente avaliar a energia da superfície de um objeto ou material é o primeiro passo importante para projetar, implementar ou compreender o tratamento de superfície correto.

Existem várias abordagens para testar a energia de superfície; uma técnica popular que o BTG Labs costuma usar envolve a medição do ângulo de contato formado por uma gota de fluido na superfície de teste. Neste método, se o líquido formar gotas ao entrar em contato com a superfície, isso indica que não está sendo atraído para a superfície. Provavelmente, um adesivo ou tinta também não será fortemente atraído por esta superfície e a adesão será fraca. A contaminação é uma das causas para uma superfície repelir uma gota de líquido dessa forma.

No entanto, se o líquido se espalhar prontamente em vez de formar gotas, isso indica que a superfície está atraindo o líquido fortemente. Essa superfície tem alta energia química e, em geral, adere bem a um adesivo. Dillingham observa que a contaminação com um surfactante, como sabão, também fará com que os líquidos se espalhem na superfície, mas a umectação induzida pelo surfactante pode ser facilmente distinguida pela taxa em que o líquido se espalha.

O ângulo entre uma gota de líquido e a superfície - em outras palavras, o ângulo de contato (veja a imagem à esquerda) - atribui um valor à 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 determinada superfície, incluindo se a adesão está sendo avaliada por meio de uma junta de cisalhamento sobreposta ou uma viga cantilever dupla (DCB). Geralmente, ângulos de contato baixos (de 0 graus a ~ 30-40 graus) indicam uma superfície limpa e de alta energia que estabelecerá uma 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 ligar. 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 a colagem do que com um ângulo de contato inferior, mas que não é tão certo para criar ligações fracas como uma superfície que produz medidas de ângulo de contato acima desse intervalo.

Termofixos vs. termoplásticos

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

Em alguns casos, diz Dillingham, as resinas termofixas podem se beneficiar de filmes de superfície projetados para aumentar a reatividade química da superfície do compósito. Essas superfícies normalmente mostram ângulos de contato com a água na faixa de 30 graus após a remoção da peel ply e são geralmente ligáveis. Em outros casos, onde a superfície do polímero é particularmente não reativa, os ângulos de contato com a água são em torno de 50-60 graus e tratamentos de superfície podem ser necessários para uma boa adesão.

Outra técnica de tratamento de superfície que tem tido algum sucesso com os compósitos termofixos é a abrasão, realizada manualmente ou por meio de jato de areia. De acordo com Dillingham, a abrasão funciona porque as resinas de matriz termofixa são polímeros frágeis que se quebram sob a abrasão pela quebra real das cadeias de polímero 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, a abrasão pode reduzir o ângulo de contato com a água em 10 graus ou mais, o que pode ser suficiente para uma boa ligação.

No entanto, os polímeros termoplásticos se comportam de maneira diferente dos polímeros termofixos. Como as cadeias de polímero não estão travadas em uma rede rígida por reticulação, diz Dillingham, elas tendem a fluir - em outras palavras, deformar plasticamente - sob abrasão, ao invés de fratura. Embora um compósito termoplástico desgastado possa ser áspero, ele ainda é quimicamente não reativo e incapaz de estabelecer uma boa ligação com um adesivo, revestimento ou selante. Além disso, os ângulos de contato com a água nessas superfícies geralmente não mudam significativamente com a abrasão. Para compósitos termoplásticos, os tratamentos com plasma podem ser um método eficaz para aumentar as energias de superfície. A figura acima mostra a resistência da junta sobreposta (eixo vertical) versus o ângulo de contato (eixo horizontal) para PEKK ligado com adesivo de filme Solvay 377S. De acordo com os dados, a limpeza com solvente, lixamento manual e jateamento não melhoraram a resistência da junta neste caso, enquanto os tratamentos de plasma aumentaram a resistência em> 30%. Além disso, as amostras tratadas com plasma falharam coesivamente no adesivo, enquanto as outras amostras falharam pelo menos parcialmente na interface entre o adesivo e o substrato.

Ligações adesivas fortes e confiáveis ​​adequadas para fins estruturais são alcançáveis ​​entre a maioria dos materiais estruturais, conclui Dillingham. No entanto, os tratamentos de superfície que funcionam bem para uma classe de material podem não ser apropriados para outra; os tratamentos de superfície precisam ser projetados com as características químicas específicas do substrato e do adesivo em mente. A maioria das aplicações de compósitos termoplásticos requer tratamentos que aumentam a energia superficial em uma extensão ainda maior do que compósitos termofixos, portanto, os tratamentos de superfície devem ser tratados de forma diferente. Combinar tratamentos de superfície com medidas adequadas e estratégias de controle garante que os tratamentos de superfície sejam eficazes e confiáveis.