Kỹ thuật keo dán - Chương 3 docx

- Như đã chỉ ra trong chương 2, lực phân tử ở lớp bề mặt của keo dán và vật liệu nền ảnh hưởng rất lớn đến việc đạt được tiếp xúc phân tử tốt qua bề mặt tiếp xúc và lực phân tử này là cơ

những mao quản mở ra bên ngoài được lấp đầy trước hết do sự thấm ướt nhờ phân tán lớp sơ cấp

- Cottington cũng quan sát thấy kết quả tương tự như vậy

- Cheever nghiên cứu màng chuyển hóa photphat kẽm và xem xét về mặt lý thuyết như là một mao quản trong đó các mao quản bao gồm các đường cắt

- Một mô hình toán học và vật lý biến đổi từ phương trình Poiseuille mô tả đầy đủ sự chảy của chất lỏng trên vật liệu nền thép xử lý photphat kẽm và đưa ra áp suất mao dẫn được sinh ra trong màng photphat kẽm khoảng 0,7 MPa

- Tuy nhiên tốc độ trải từ ảnh hưởng này và gradient sức căng bề mặt không cao và có thể bị che khuất khi một keo dán lỏng được ép trải qua một bề mặt

- Bascom và Patrick cho rằng ảnh hưởng này có thể đóng một vai trò trong sự phân phối keo dán sau khi gia công lúc đầu

Chương 3 CÁC LÝ THUYẾT KẾT DÍNH 3.1 Mở đầu

- Xem xét một vài hướng gồm sự đạt được tiếp xúc phân tử tốt ở bề mặt tiếp xúc phân tử phân tử tốt ở bề mặt tiếp xúc keo / vật liệu nền

- Đạt được tiếp xúc bề mặt như vậy là giai đoạn cần thiết nhất trong việc tạo thành mối dán ổn định và bền

- Tiếp theo là sự sinh ra lực kết dính nội qua bề mặt tiếp xúc, bản chất và sự tăng của các lực này là cực kỳ quan trọng

- Chúng phải đủ bền và ổn định để đảm bảo rằng bề mặt không đóng vai trò là " liên kết kém bền " trong mối nối hoặc khi mối nối được tạo thành lúc đầu hoặc trong thời gian sử dụng nó

- Một vài lực nội tại có thể được hình thành qua bề mặt tiếp xúc keo dán (hay keo lót) / nền nhằm chỉ đến cơ chế kết dính, được thảo luận trong chương này

- Như đã chỉ ra trong chương 2, lực phân tử ở lớp bề mặt của keo dán và vật liệu nền ảnh hưởng rất lớn đến việc đạt được tiếp xúc phân tử tốt qua bề mặt tiếp xúc và lực phân tử này là cơ chế kết dính chủ yếu, được gọi là thuyết biến dạng hấp thụ

- Tuy nhiên chỉ 1 trong 4 cơ chế kết dính chính được đề nghị:

- Do vậy mặc dù lực kết dính nội ảnh hưởng đến độ bền mối dán nhưng chúng thường bị lu mờ bởi các chi phối khác Vì vậy thông tin về độ lớn của lực này thường chỉ thu được gián tiếp, hoặc bằng cách dùng cơ chế gãy liên tục

3.2 Các lý thuyết kết dính

3.2.1 Lý thuyết kết dính cơ học

3.2.1.1 Mở đầu

- Thuyết này đặc biệt đề nghị yếu tố cơ học hay sự kết dính của keo dán vào những chỗ không đồng nhất của bề mặt nền là yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến kết dính nội

- Một ví dụ về kết dính cơ học là yếu tố quan trọng nhất là sự sử dụng hỗn hống thủy ngân để trám răng Các nha sĩ khoan răng để tạo lỗ ink-bottle tương đối rộng, trường hợp lý tưởng khi góc <5o, điều bất lợi là nó dẫn đến sai lệch âm thanh cũng như làm phân rã răng nhanh chóng Hỗn hống thủy ngân đó được ép vào lỗ rộng này

- Kết dính cơ học là cơ chế kết dính chủ yếu và thời gian sử dụng tương đương 7 -

- Trong trường hợp anod hóa hợp kim nhôm một bề mặt có lỗ rỗng sâu và với nhiều cấu trúc rỗng hơn, keo dán thường thâm nhập mạnh vào tận đáy lỗ và do vậy một vùng bề mặt tiếp xúc "composit" được tạo thành

- Vùng hỗn hợp này có modun và độ bền trung gian giữa keo dán polyme và oxyt, điều này có ích cho quan điểm độ bền và độ cứng mối nối

- Xem xét qui luật kết dính cơ học trước tiên thảo luận vấn đề kết dính cơ học thật sự có xảy ra hay không và thứ hai là nó có ảnh hưởng đến độ bền và độ ổn định của bề mặt tiếp xúc hay không? (được xem xét trong 8.3.3.2)

- Ngoài ra, một số công trình cho rằng sự tăng độ nhám của bề mặt vật liệu nền sẽ làm tăng độ bền của mối dán Như vậy câu hỏi được đặt ra ở đây là : Có phải kết dính cơ học ảnh hưởng đến độ bền nối của bề mặt tiếp xúc hay do nguyên nhân nào khác?

3.2.1.2 Sự mạ kim loại của chất dẻo

- Trường hợp kết dính cơ học có thể chi phối đến kết dính nội là sự mạ kim loại của chất dẻo

- Chất dẻo nền này được xử lý hóa học trước khi mạ kim loại Một số tác giả cho rằng sự kết dính của vật liệu nền polyme được mạ kim loại là một chức năng của tính chất bề mặt

- Tuy nhiên một số tác giả khác cho rằng vai trò làm tăng sự oxy hóa của bề mặt plastic thông qua bởi sự xử lý trước khi mạ, đóng vai trò quan trọng đối với tương tác lực bề mặt

- Quan điểm tương tự xuất hiện do những thuyết năng lượng tử của Perrins và Pettett kiểm tra sự kết dính của lớp đồng được mạ trên PP

- Họ kết luận rằng sự kết dính được hình thành bởi kết dính cơ học Sự khoét và cắt (tiện) chân răng trên bề mặt polyme phụ thuộc vào sự có mặt của trạng thái

vô định hình trong polyme dễ dàng bị tấn công bởi acid ăn mòn hơn polyme tinh thể

- Tuy nhiên để đạt được kết quả khả quan thì các liên kết hóa học ở bề mặt tiếp xúc (oxyt đồng/ hyđroperoxyt) cũng được hình thành

- Hơn nữa những công trình của họ cũng cho thấy sự chi phối của kết dính cơ học và ảnh hưởng của liên kết hóa học ở bề mặt tiếp xúc đối với kết dính nội

- Theo thuyết của Andrews và Gent, Schultz và Wave cho rằng ảnh hưởng của kết dính cơ học và ảnh hưởng của liên kết hóa học bề mặt tiếp xúc đến độ bền mối nối và được biểu diễn bằng phương trình:

Độ bền mối nối = hằng số * lực liên kết hóa học ở bề mặt tiếp xúc * lực kết

dính cơ học

- Nếu xử lý bề mặt thích hợp thì kết dính ở đây chủ yếu theo cơ chế kết dính cơ học

3.2.1.3 Bề mặt được làm nhám cơ học

- Từ thực nghiệm thấy rằng một vài kiểu mài mòn cơ học sẽ làm tăng độ bền mối nối

- Tuy nhiên những phương pháp xử lý đó nói chung đều không hẳn tạo được hình dạng bề mặt với các lỗ thích hợp cho sự hình thành kết dính cơ học với keo

- Trong công nghiệp mài mòn cơ học còn có tác dụng tẩy sạch các tác nhân, dầu máy, mỡ, gỉ, tẩy sạch lớp liên kết yếu làm mầm mống gây nên sự phá hủy mối nối khi có tải trọng và giúp cho quá trình thấm ướt tốt

- Cũng có ý kiến cho rằng mài mòn cơ học làm tăng độ bền mối nối có thể là do diện tích vùng tiếp xúc bề mặt lớn hơn, thường 5 - 30 % hoặc do thay đổi sự phân bố ứng suất ở bề mặt tiếp xúc của mối nối hoặc ngăn cản các vết nứt nhỏ tại gần bề mặt tiếp xúc không cho nó phát triển nhanh như ở bề mặt tiếp xúc phẳng, nhẵn

- Do vậy mài mòn làm tăng sự kết dính cơ học rất nhiều

3.2.1.4 Bề mặt dán được làm nhám hóa học

- Trong khi mài mòn cơ học dường như không tạo một bề mặt thích hợp cho kết dính cơ học xảy ra với mức độ đáng kể thì ngược lại xử lý hóa học có thể tạo được

- Arrowsmith đã nghiên cứu sự kết dính của tấm đồng đúc điện (dày 35 µm) với các tấm epoxy gia cường sợi thủy tinh dùng làm mạch in Ông đã thay đổi điều kiện đúc điện đối với nền kim loại để cho một vài hình dạng bề mặt và cũng đo được độ bền tách của các mối nối khác nhau Kết quả được tổng kết trong bảng 3.1/62

- Một số bài báo của Packham cũng nhấn mạnh độ bền mối nối có thể tăng lên khi hình dạng bề mặt "vi sợi" được tạo thành

- Khi nghiên cứu sự kết dính của PE (keo nóng chảy) với nền kim loại họ thấy rằng độ bền tách cao đạt được khi bề mặt nền được oxy hóa có cấu trúc vi sợi rất

nhám (Hình 3.3a / 64) là ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử của bề mặt đồng được

xử lý trong dung dịch oxy hóa tạo nên độ bền mối nối cao

- Khi các sợi bị phá hủy sẽ làm giảm khả năng kết dính hóa học của nền với điều kiện bản chất hóa học của nền không thay đổi đáng kể, như vậy độ bền mối nối sẽ giảm mạnh

3.2.1.5 Vai trò phân tán năng lượng cục bộ

- Như đã nói ở trên, độ nhám, xù xì của bề mặt có thể làm tăng độ bền mối nối, độ bền đó không nhất thiết phải từ cơ chế kết dính cơ học hoặc tăng diện tích bề mặt mối dán hoặc cải thiện sự thấm ướt

- Độ bền mối nối đo được phản ảnh 2 thông số:

- Do vậy bằng cách tương tự và tạo các vi sợi đủ bền thì có thể tạo nên ứng suất xé cao ở 2 đầu của sợi

- Do đó sự phá hủy mối nối có thể xảy ra do sự biến dạng dẻo của polyme lúc đầu xung quanh các đầu sợi sau đó khi ứng suất tập trung được phân tán thì nó đi vào khối polyme

- Do vậy so với bề mặt có hóa tính tương tự, nhẵn, trong quá trnh phá hủy thể tích polyme chịu sự biến dạng dẻo đó lớn hơn nhiều điều này giải thích tại sao độ bền mối nối cao hơn Hình 3.4 / 65.Bề mặt bị hư hỏng của mối nối PE / đồng qua kính hiển vi điện tử quét

- Tóm lại trong một số trường hợp kết dính cơ học chi phối đến cơ chế kết dính

- Tuy nhiên nền cần được xử lý tạo hình dạng bề mặt thích hợp

- Nói chung khi tăng độ nhám của bề mặt vật liệu dán thì làm tăng độ bền mối nối vì:

+ Tách đi lớp kém bền trên bề mặt

+ Cải thiện sự tiếp xúc bề mặt, sự thấm ướt tốt hơn, diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn

+ Tăng sự phân tán năng lượng trong mối nối keo

- Điều này đòi hỏi các đại phân tử hoặc các đoạn mạch của polyme (keo dán và nền) đủ linh động và hòa tan lẫn nhau

- Thông số hòa tan: δs

2 / 1

- Yêu cầu polyme vô định hình là do nếu polyme có một mức độ kết tinh cao thì năng lượng tự do của sự kết tinh làm cho nó khó hòa tan trong dung môi hơn

3.2.2.2 Mô hình sự khuếch tán qua bề mặt tiếp xúc

- Những thí nghiệm của Vogutski chứng minh những đề nghị của ông ta đó là: sự ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc, nhiệt độ, loại polyme, khối lượng phân tử và độ nhớt đến độ bền mối dán đo được

- Ông cho rằng sự phụ thuộc của độ bền mối dán và một vài thông số này tương tự như đối với quá trình khuyếch tán và do vậy kết dính là kết quả của sự phân tán

- Ông bắt đầu từ luật dầu tiên của Fick liên quan đến lượng chất , phân tử khuyếch tán theo hướng x qua 1 đơn vị diện tích bề mặt đối với građien nồng độ dc/dx và thời gian t:

dw = - Df .dt dc/dx

Df - Hệ số khuyếch tán - trường hợp này chỉ có thể áp dụng đối với sự khuyếch tán ở trạng thái ổn định khi nồng độ tại mọi điểm trong hệ không thay đổi theo thời gian

- Đây rõ ràng không phải là trường hợp của một đoạn mạch polyme vào vùng bề mặt của nền polyme

- Việc xây dựng hay phá hủy mô hình khuyếch tán được đưa ra bởi định luật thứ hai của Fick được biến đổi từ định luật I

- Do vậy Vasenin đã dùng định luật của Fick để mô hình hóa độ sâu của sự thâm nhập của phân tử khuếch tán

- Đầu tiên ông ta cho rằng khi các mẫu keo dán khuếch tán vào vùng bề mặt trong suốt thời gian tiếp xúc tc, sự giảm giá trị hằng số khuếch tán theo thời gian như sau:

Df = Dd tc-β

Dd - Hằng số đánh giá độ linh động của các đại phân tử

β - Hằng số xác định mức độ thay đổi nhanh chóng theo thời gian của hệ số khuếch tán Df

β = 0,5

- Tiếp đó ông ta cho rằng chiều sâu thâm nhập lp

lp = ( )

3

2 / 1 2 / 1

M - Khối lượng phân tử của polyme

- Cuối cùng ông ta cho rằng: Năng lượng bề mặt đo được (P) dễ làm đứt vùng bề mặt tiếp xúc tỉ lệ với chiều sâu thâm nhập (ip) và số liên kết ngang (số mạch bắt ngang qua ranh giới giữa các pha) (Nc) Do vậy:

P = k4

3 / 2

k4 - Hằng số đặc trưng cho đặc tính của polyme

- Do vậy phương trình liên quan với năng lượng bề mặt đo được (P) đối với thời gian tiếp xúc (tc) giữa các vật liệu và với khối lượng phân tử polyme (M) để tiên đoán sự tự dán của polyizobutylen

- Trong hình 3.5 năng lượng bề mặt đo được P cho thấy chức năng của thời gian

tiếp xúc (tc) đối với polyizobutylen có các khối lượng phân tử khác nhau

- Sự phù hợp giữa các kết quả thực nghiệm và lý thuyết là rất tốt với giá trị P tuân theo sự phụ thuộc t1/4

- Tuy nhiên nên lưu ý rằng giá trị Dd không thể hoàn toàn xác định và đạt được bởi sự phù hợp một loạt dữ liệu thực nghiệm

- Hình 3.6 : Sự phụ thuộc (P) vào khối lượng phân tử của polyizobutin ở 3 thời gian tiếp xúc khác nhau sự phù hợp tốt giữa lý thuyết và thực nghiệm

- Ví dụ nếu hệ số khuếch tán là 10-14 cm2/s thì thuyết Váenin cho rằng -

100 h để các đoạn mạch của 1 phân tử polyizobutylen thâm nhập một chiều sâu

- Campion cho rằng thuyết này không xem xét đến cấu trúc và hình dạng phân tử

- Xét hai trường hợp dán cao su thiên nhiên và cao su etylen - propylen-dien, dựa vào cấu trúc vi mô ta thấy: trong cả 2 trường hợp các mạch dịch chuyển phối hợp để tạo một lỗ đủ lớn để tiếp nhận đoạn mạch khác cùng bản chất hóa học thâm nhập vào (hình 3.7/70)

- Rõ ràng với cùng một kích thước nhất định nếu 4 đoạn (mắt xích) gần nhau hơn thì lỗ sẽ không đủ lớn để sự tự kết dính xảy ra theo cơ chế khuyếch tán

- Vậy nếu mức độ chuyển động đồng thời/phối hợp như nhau thì cao su thiên nhiên sẽ có nhiều lỗ đủ lớn cho sự khuyếch tán của các mạch khác nhau xảy ra hơn

- Đó là do cấu trúc phân tử của cao su dễ tạo lỗ hơn, còn cao su etylen - propylen-dien có cấu trúc phân tử ít thuận lợi cho việc tạo thành những lỗ như vậy → điều này giải thích tại sao tự kết dính kém của cao su etylen - propylen-dien

- Tuy nhiên mô hình của Campion không định lượng được sự ảnh hưởng đó

- Trong thực tế sự khuyếch tán thường xảy ra đối với những polyme có khả năng tương hợp

- Hệ số khuyếch tán thường khoảng 10-11 - 10-14 cm2/s theo Voyutskii với hệ số này đủ để tạo nên bề mặt tiếp xúc chặt chẽ giữa các polyme sau một giây tiếp xúc

- Bằng một số phương pháp phân tích đã cho thấy rằng đối với những polyme không phân cực có khả năng tương hợp vùng khuyếch tán ở bề mặt tiếp xúc sâu ≈

10 µm nhưng trong trường hợp độ hòa tan δs của 2 polyme khác nhau đáng kể thì sẽ không có sự khuyếch tán

- Yêu cầu dung môi là làm mềm dẻo mạnh bề mặt polyme tăng mạnh thể tích tự

do và do vậy làm tăng độ linh động của các nạch polyme ở vùng bề mặt tiếp xúc, làm tăng tốc độ và mức độ khuyếch tán của các mạch polyme

3.2.2.4 Bề mặt tiếp xúc polyme/kim loại

- Bằng một số phương pháp phân tích người ta đã khảo sát bề mặt tiếp xúc đồng/ polyimit và thấy vùng bề mặt sâu ≈ 0,1 µm do có sự khuếch tán xảy ra

- Tuy nhiên ngoài ra còn có sự hấp phụ hóa học tạo nên lực kết dính nội nhưng cơ chế này được tăng cường bởi sự khuếch tán của các nguyên tử đồng trên vùng bề mặt imit

* Tóm lại, sự khuyếch tán qua lại của các mạch polyme qua bề mặt tiếp xúc polyme/polyme đòi hỏi các polyme (keo và nền) phải có khả năng hòa tan lẫn nhau và các đại phân tử hoặc các đoạn mạch phải có đủ độ linh động

- Thường xảy ra trong dung môi elastomer và dán bằng dung môi đối với các chất dẻo vô định hình, có khả năng tương hợp

- Tuy nhiên nếu độ hòa tan của chúng không giống nhau hay một polyme có mức độ khâu mạch kết tinh cao hoặc thấp hơn nhiệt độ hóa thủy tinh thì kết dính theo cơ chế khuyếch tán dường như không xảy ra

- Trong các trường hợp bề mặt tiếp xúc polyme/kim loại có xảy ra sự khuếch tán lẫn nhau và hình thành vùng bề mặt tiếp xúc

- Nhưng tác dụng tăng cường kết dính ở bề mặt tiếp xúc do tăng mức độ hấp phụ của polyme hơn là sự khuyếch tán đơn thuần

3.2.3 Lý thuyết điện

- Sự tranh luận đưa đến kết luận cuối cùng là lực tĩnh điện là một nguyên nhân quan trọng hơn là một kết quả của độ bền mối nối cao

3.2.3.2 Nghiên cứu của Deryaguin

- Ông ta xem hệ thống keo/nền là một thiết bị tích điện, nó được tích điện do sự tiếp xúc của 2 vật liệu khác nhau

- Sự tách các phần của thiết bị tích điện này khi phá vỡ bề mặt tiếp xúc dẫn đến sự tách điện tích và điện thế khác nhau, sẽ làm tăng đến khi xảy ra sự phóng điện

- Sự kết dính được cho là do sự tồn tại của các lực hấp dẫn qua lớp điện tích kép và năng lượng Ac cần thiết để tách bề mặt tiếp xúc:

dh

d

πε

νc : điện thế ở khoảng phóng điện

εd : hằng số điện môi

- Hiện nay ngoại trừ ở áp suất thấp, thuyết này yêu cầu sự thay đổi (biến thiên) công kết dính đo được với áp suất khí trong đó phép đo phá hủy keo dán được