Tevékenység: Olvassa el a fejezetet! Gyűjtse ki és jegyezze meg a ragasztás előnyeit és a hátrányait! VIDEO (A ragasztás ereje) A ragasztás egyre gyakrabban alkalmazott kötéstechnológia az ipari gyakorlatban. Ennek oka, hogy a korszerű ragasztók már nagy szilárdságú kötést tudnak biztosítani. A kötések megbízhatóságának ékes bizonyítéka, hogy a repülőgépek szerkezeti elemeinél is elterjedt a használatuk. A ragasztásnak számos előnye mellett hátrányaival is kell számolnunk, ezért nagyon fontos a megfelelő ragasztóanyag kiválasztása az adott feladathoz. A ragasztott kötés előnyei: - jobb kifáradással szembeni ellenállás, - könnyebb szerkezet, - egyidejűleg tömítő funkciót is elláthat, - galvanizált fémek összekapcsolására is alkalmas, - komplex geometriák összekapcsolására is alkalmas, - stb. A ragasztott kötés hátrányai: - a felület előkészítésének nagy szerepe van a kötés szilárdságában, - nincs roncsolásmentes vizsgálati módszer, - lehet lényegesen drágább, mint a hagyományos kötéstechnika - némely ragasztó mérgező, ezért körültekintő felhasználás szükséges - némely ragasztó korlátozott ideig használható fel, - stb. A ragasztóanyagok felhasználása során két alapvető tényezőnek teljesülnie kell: megfelelő nedvesítés, valamint a megfelelő tapadás kialakulása. Mindkét folyamat a felületek szerkezetével van kapcsolatban. A következőkben ezekkel foglalkozunk egy kicsit részletesebben. Termodinamikai jellemzés Tevékenység: Kövesse a levezetések gondolatmenetét és jegyezze meg az adhézió, a kohézió jelentését, jellemzőit! A különböző anyagok közötti kölcsönhatást adhéziónak nevezzük, míg az azonos molekulák között kialakulót kohéziónak. Míg a kohézió térfogati, addig az adhézió minden esetben felületi jelenség. A termodinamikai tárgyalás során a legegyszerűbb megközelítés a szabadentalpia függvénnyel lehetséges. Egy adott reverzibilis folyamatra a kezdeti és a végállapot szabadentalpiájának különbsége (ΔG) a kinyerhető munkával (ΔW) egyenlő: (0.1) Ha egy anyagot reverzibilisen szétválasztunk két új, azonos nagyságú felületet (A) hozunk létre. Az új felület létrehozásához szükséges munka a felület nagyságától és a felület szabadentalpiájától (γ L) függ: G G 2A L G 2A L (0.2) Az egységnyi felületre eső szabadentalpia változást kohéziós munkának nevezzük Wc 2 L (0.3)
A kohéziós munka tehát az a minimális munkamennyiség, amit ahhoz szükséges elvégeznünk, hogy egységnyi felületen (tipikusan 1 cm2) legyőzzük a molekulák között ható vonzóerőket. A felületi szabadentalpiát a felületi molekulákra ható, az anyag belseje felé mutató többlet vonzóerő okozza. Ez abból adódik, hogy a felületi molekulákat egyik oldalról gőztér veszi körül. Ez a többlet erő okozza, hogy az anyagok törekednek a minimális szabadentalpiának megfelelő felület kialakítására. Ez folyadékok esetén különösen jól megfigyelhető. Feladat: Kísérlet: Vegyen egy üveg- és egy műanyag poharat! Mindkettőt mossa el mosószeres vízzel, majd tiszta vízzel öblítse ki. Figyelje meg, hogy az öblítő víz hogyan viselkedik az üveg és a műanyag pohár felületén! Megoldás (Az üvegpohár felületén nem alakulnak ki cseppek, míg a műanyag poháron igen) Tevékenység: Gyűjtse ki és jegyezze meg a felületi energia és a felületi feszültség jelentését, jellemzőit! A szabadentalpia minimumra törekvés miatt a felületet feszült állapotúnak tekinthetjük. Tételezzünk fel egy L hosszúságú vonallal határolt felületet. Ha erre a vonalra F erő hat, amellyel Δx megnyúlást érünk el, akkor az ehhez szükséges munka:
W
x2
Fdx Fx
(0.4)
x1
Mivel a létrejött új felület LΔx, ezért az egységnyi új felület létrehozásához szükséges munka a felületi energia: W F L (0.5) Lx L Tevékenység: Jegyezze meg a különbséget a felületi feszültség és a felületi energia között! Az egységnyi vonalra ható erő a felületi feszültség. Sajnos ezt is γ-val szokás jelölni, de nem szabad összekeverni a felületi energiával. A felületi feszültség dimenziója N/m, míg a felületi energiáé J/m2! Két különböző anyag (A és B) esetén, ha azok nem elegyednek egymással, a kohéziós munka helyett az adhéziós munkát (Wa) definiáljuk. A határfelületi energiát jelöljük γ AB-vel. Ebben az esetben az adhéziós munka: Wa A B AB (0.6) Szilárd-folyadék rendszer esetén γ S, γ L és γSL jelölést szoktunk alkalmazni (S index a szilárd (solid), L a folyadék (liquid) rövidítése), . A γS, és a γSL közvetlen, egymástól független meghatározására nincs közvetlen módszer, azonban összefüggésben állnak a peremszöggel (nedvesítési szög), amely közvetlenül mérhető. Vizsgáljunk meg egy szilárd, vízszintes felületen nyugvó folyadékcseppet, amelyet levegő vesz körül (1.1. ábra). A csepp peremén a három határfelület találkozik. Egy metszetet
vizsgálva (1.1. ábra) a három határfelület találkozását jelentő pontra három határfelületi feszültség hat, amelyeket az ábrán feltüntetett vektorok jellemeznek. Tevékenység: Tanulmányozza az 1.1. ábrát! Jegyezze meg az ábra segítségével a folyadékcseppre ható határfelületi feszültségek neveit!
LA
levegő
SA
folyadék LS szilárd anyag
1.1. ábra. Vízszintes szilárd anyagon nyugvó folyadékcsepp. γSA – szilárd –levegő, γ LA – folyadék – levegő, γ LS – folyadék – szilárd határfelületi feszültség. Egyensúlyban lévő rendszer esetén az erők egymást kiegyensúlyozzák, azaz: SA SL LA cos (0.7) Tevékenység: Jegyezze meg a peremszög jelentését! A Θ szög a csepp peremszöge. Mivel a peremszög csak a határfelületi energiák függvénye, ezért az adott rendszer jellemzője lesz, azaz megmutatja, hogy egy adott folyadék mennyire képes nedvesíteni a szilárd anyagot. Akkor teljes a nedvesítés, ha a peremszög nulla. Ebben az esetben a felületen folytonos film alakul ki. Az (1.7) és az (1.6) egyenletek összevonása után az adhéziós munka kifejezésére olyan összefüggést kapunk, amely mérhető mennyiségeket tartalmaz: WA LA 1 cos (0.8) Tevékenység: Jegyezze meg az adhéziós munka nagyságrendjét! Az adhéziós munka természetesen szoros összefüggésben áll az anyagszerkezettel. A szilárd – folyadék rendszerek legtöbbjére az adhéziós munka 0.2-0,3 J/m2 közé esik. Dipólus momentummal rendelkező folyadékok esetén ez 0.3-0.5 J/m2, míg a hidrogénhidas kötést tartalmazó folyadékoknál 0.7-1,0 J/m2 az adhéziós munka. Polietilén filmek felületén mért haladó peremszögek értékének változását a folyadék felületi feszültségének függvényében a 1.2. ábra mutatja. Tevékenység: Az 1.2. ábra alapján figyelje meg a peremszög változását a felületi feszültség függvényében!
1.2. ábra. Különböző felületi feszültségű folyadékok nedvesítési szögének változása polietilén filmen. A nulla peremszöghöz [cos(0)=1] tartozó felületi feszültség 21 mN/m körül van. Ez az érték azonban lényegesen megváltoztatható a polietilén felületének kezelésével. A kezelés hatására a polietilén felületi feszültsége 30 mN/m értékre növelhető. A növekedés mértéke a felületkezelés intenzitásának függvénye. Tevékenység: Jegyezze meg az adhéziós jellemzők mérési metódusát! Az adhéziós jellemzők mérhetők oly módon is, hogy két film közé helyezzük az anyagot, és mérjük a szétválasztáshoz szükséges erőt. A 1.3. ábrán példaként egy 26,6 mN/m felületi feszültségű festék adhézióját mutatja a felületi feszültség függvényében. Jól megfigyelhető, hogy az adhéziós erő kb. 25 mN/cm értékig gyakorlatilag nulla. Ezt követően gyorsan növekszik, és kb. 30 mN/m felületi feszültségnél éri el a 250 mN/cm adhéziós erőt. Figyeljük meg, hogy a görbe telítési jelleget mutat a vizsgált tartományban.
1.3. ábra. Az adhéziós erő változása a felületi feszültség függvényében. A termodinamikai elemzés lehetővé teszi, hogy megvizsgáljunk egy szilárd folyadék rendszer szétválasztását az adhéziós és a kohéziós munka szempontjából. A szétválasztáshoz szükséges munka, legyen az adhéziós vagy kohéziós eredetű, az (1.6) egyenlettel adható meg. Az adhéziós és a kohéziós munka különbsége ez alapján: WA Wc S L LS (0.9) A szilárd-folyadék rendszer levegőn mért peremszögét figyelembe véve az (1.9) egyenlet a következő formában írható: WA Wc SA S LA cos L (0.10) Jelöljük ΔES-sel a levegő adszorpciós munkáját a szilárd felületen: ES SA S (0.11) Feltételezve, hogy a levegő adszorpciója a folyadék felületén elhanyagolható, azaz γLA=γ L, akkor az (1.10) egyenlet a következő formában írható: WA Wc ES L 1 cos (0.12) Ha a folyadék felületi feszültsége pontosan akkora, hogy teljesen nedvesíti a felületet, azaz Θ=0, akkor az egyenlet a következő egyszerű formává alakul: WA Wc ES (0.13) Tevékenység: Jegyezze meg az (1.13) egyenlet értelmezését! Mivel az adszorpció exoterm folyamat, azaz ΔES negatív mennyiség, ez azt jelenti, hogy az adszorpciós munka nagyobb a kohéziós munkánál. Ebből következik, hogy a rendszer szétválasztásakor a folyadék belsejében, a kohéziós erők ellenében történik a szétválás, nem pedig a szilárd-folyadék határfelületen.
Intermolekuláris erők szerepe az adhézióban Tevékenység: Gyűjtse ki és jegyezze meg a különböző intermolekuláris kölcsönhatásokat! Az adhezív kötést az intermolekuláris erők hozzák létre. Ezek az erők a másodrendű kémiai kötésekből származnak, amelyek lehetnek Van der Waals erők és és hidrogénhíd kötések. A Van der Waals erők három részből tevődhetnek össze: állandó dipólusból (orientációs kölcsönhatás), indukált dipólusból származó kölcsönhatások (indukciós kölcsönhatás) és a diszperziós erők (diszperziós kölcsönhatás). Ezek a kölcsönhatások a kémiai szerkezettől, valamint a molekulák közötti távolságtól függnek. Az orientációs kölcsönhatás két állandó dipólusmomentummal rendelkező molekula között jön létre az egymáshoz viszonyítva megfelelően orientált dipólusok vonzása révén. A kölcsönhatás nagysága egyenesen arányos a dipólusmomentumok nagyságával. A hőmérséklet emelése növeli a hőmozgást, ezért a dipólus-dipólus kölcsönhatás energiája a hőmérséklet növelésével csökken. Az indukciós kölcsönhatások úgy alakulnak ki, hogy az állandó dipólusmomentummal rendelkező molekulák a szomszédos polarizálható, apoláris molekulán elektroneltolódást váltanak ki, azaz indukált dipólust hoznak létre. Az indukciós kölcsönhatás nagysága a dipólusmomentumtól és a polarizálhatóságtól függ, és széles hőmérséklettartományban független a hőmérséklettől. A diszperziós kölcsönhatások annak eredményeképpen alakulnak ki, hogy a molekulák elektronfelhője mozgásban van. Ennek eredményeképpen időben és térben változó dipólusok alakulnak ki, amelyek kölcsönhatásban vannak egymással. A diszperziós kölcsönhatás nagysága a töltésingadozások mértékétől és a molekulák polarizálhatóságától függ. Ez a kölcsönhatás minden molekulánál fellép, és az apoláris molekulák közötti kölcsönhatás alapvető formája. A molekulák közötti kölcsönhatások különleges formája a hidrogénhíd képződés (hidrogénhidas kötés). Ez akkor alakul ki, ha a kovalens kötésben a hidrogénatom nagy elektronegativitású atomhoz kapcsolódik (fluor, oxigén, nitrogén). Ebben az esetben a kötés nagyon erősen polarizált, azaz közel egységnyi töltés van a dipólok végein. Ehhez járul még az is, hogy ezek az atomok nagyon kis méretűek, ezért a töltés kis helyre koncentrálódik. Ez okozza, hogy a dipólusok között nagyon nagy kölcsönhatás alakul ki, amit hidrogénhidas szerkezetnek nevezünk. A hidrogénhidas kötés energiája lényegesen nagyobb a Van der Waals-kölcsönhatásoknál, és molekulaasszociátumok képződéséhez vezethet. Tevékenység: Jegyezze meg az molekulák távolságának hatását a közöttük ható erőre! Két molekula egyensúlyi helyzetben egymáshoz képest r 0 távolságra helyezkedik el. Abban az esetben, ha távolságuk ennél az értéknél nagyobb, akkor vonzás, ha kisebb, akkor pedig taszító erő lép fel közöttük. Ehhez a távolsághoz tartozik a minimális energiaállapot, amelyet jelöljünk –Φ0 -val. Az egyensúlyi állapotból való kimozdítás, bármely irányban is, a rendszer potenciális energiájának növekedésével jár (1.4. ábra). A potenciális energia értéke nulla, ha a molekulák egymástól végtelen távolságban vannak.
1.4. ábra. A potenciális energia változása a molekulák közötti távolság függvényében. A potenciális energia függvény differenciálja megadja azt az erőt, amely az adott r távolság fenntartásához szükséges. A görbe lefutásából azonnal látható, hogy az erőfüggvénynek maximuma van. Az r 0 távolságnál az erőfüggvény értéke nulla (lokális minimum a potenciálfüggvényben). Ennél kisebb távolsághoz negatív erőérték tartozik, ami taszító erőt jelent. Az r>r0 tartományban az erőfüggvény maximummal rendelkezik, hiszen végtelen távolságban a molekulák között nincs kölcsönhatás. Ebben a távolságtartományban a részecskék között vonzóerő lép fel. A molekulák végtelen távolságra történő eltávolításhoz szükséges munkát a következő integrál adja meg: d W Fdr (0.14) dr 0 0 dr r0 r0 Tevékenység: Gyűjtsön össze néhány okot, ami az ideális helyzettől való eltérést okozza! Nem szabad azonban elfeledkezni, hogy a termodinamikai tárgyalás ideális helyzetet tételez fel. Kísérleti adatokkal összevetve a számított értékeket arra a következtetésre juthatunk, hogy a gyakorlatban a lehetséges adhéziós kölcsönhatások mindössze nagyon kis hányada valósul meg. Polisztirol és polietilén acélhoz történő tapadása esetén mindössze 1% valósul meg a lehetséges kölcsönhatásokból. Felületek módosítása Tevékenység: Gyűjtse ki és jegyezze meg a műanyagok különböző felületkezelési technológiáit! Az apoláris műanyagok nem tapadnak megfelelően más anyagokhoz. A felület kémiai szerkezetének módosításával azonban jelentősen növelhető a különböző anyagokhoz való tapadás. A felületkezelés kémiailag oxidációs reakció, amelynek során a felületen karbonil-
és hidroxil-csoportok alakulnak ki. Az oxidációs reakciót számos módszerrel végezhetjük el. A módszert természetesen az anyag geometriájához kell kiválasztani. Kisebb darabok esetén lehetséges erős oxidálószer (pl. krómkénsav) alkalmazása. Filmek, fóliák esetén lángkezelést, plazmakezelést vagy koronakisülést lehet megvalósítani. A lángkezelési technológiában oxidáló lánggal kezeljük a felületet. Az égők típusa, mérete széles geometria-spektrumot fog át. A technológia hátrányaként lehet említeni a tűzveszély fokozódását és az anyag felmelegedését. VIDEO: Lángkezelés A plazmakezelés lényege, hogy elektromos kisüléssel reaktív részecskéket (ionok, gyökök) hozunk létre kisnyomású gázokban. A gáz megválasztásával különböző felületeket lehet létrehozni. Levegővel növeljük a felület polaritását, de fluor vegyületekkel akár annyira apoláris felület alakul ki, hogy még az olajok sem nedvesítik. A plazmakezelés előnye, hogy tetszőleges alakon végezhető el. A szórófejben kialakított elektromos kisülés hozza létre a plazmát, amelyet megfelelő nyomású gázzal juttatunk a felületre. A plazmakezelés során a felületi szennyeződések is eltávolíthatók. A plazmakezelés egyik speciális formája az ún. lágyplazmás kezelés. Ezzel a módszerrel szilikon gumik kezelhetők, amelyek tapadása vagy tapadás hiánya sok esetben problémát okoz. A lágyplazmás kezelés hatására a felület átalakul, és záró réteg jön létre, amely megakadályozza az anyagból történő migrációt. Szokták ezt a módszert extrakcióval is kombinálni. VIDEO: Felület plazma kezelése A koronakisüléses kezelést előszeretettel alkalmazzák fóliák, filmek esetén. A módszer lényege, hogy egy hengeres, forgó elektróda és egy álló, vékony élben végződő lemezelektróda között csendes kisülést hozunk létre, amelyen átvezetjük a kezelendő anyagot. A módszer légköri nyomáson működik. Mivel a közeg levegő, ezért oxidatív felületkezelésre lehet felhasználni. Mivel a nyomathordozók döntő többségében koronakezelt polimerek, ezért ezzel a módszerrel egy kicsit részletesebben foglalkozunk. VIDEO: Koronakisülés fólián, Koronakisülés és nedvesítés változása Koronakisüléses felületkezelés elemzése A koronakezelés során az elektródák feszültsége, frekvenciája, a réstávolság, valamint a film sebessége határozza meg a felület aktiválásának mértékét. Jelöljük N0-lal a film felületegységén lévő reakcióképes csoportok számát, N jelentse a poláris csoportok számát. Ezzel a jelöléssel az aktiváltságot (ξ) egyszerűen kifejezhetjük a két szám hányadosaként. N (0.15) N0 Az aktiválás sebessége arányos kell legyen az aktiváló részecskék átlagos becsapódásával (ī), a részecske és a reakcióképes hely találkozásának valószínűségével (p), valamint a poláris csoport képződésének valószínűségével (Ψ): d p (0.16) dt Ha egy reakcióképes hely felülete a, akkor a reakcióképes helyeket tartalmazó felületi hányad (α): aN0 (0.17)
Mivel a reakcióképes hellyel való találkozás valószínűsége az elreagálatlan felülettel arányos: (0.18) p 1 Az átlagos becsapódott részecskeszám kifejezhető a frekvencia (ω) és az egy periódusban beérkező részecskék számának szorzataként (G). Ezeket az értékeket a sebességi egyenletbe visszahelyettesítve a következő összefüggéshez jutunk: d (0.19) G 1 dt A differenciálegyenlet megoldása, a Ψ=0 a t=0 peremfeltétellel: 1 exp Gt (0.20) Ha a film lineáris sebessége v, és a koronakisülés felülete A, akkor az aktiválás ideje: A (0.21) t v Ezt visszahelyettesítve az (1.20) egyenletbe kapjuk: GA (0.22) 1 exp v Tevékenység: Gyűjtse ki és jegyezze meg az aktiválási fok mérésére alkalmas mennyiségeket! Az aktiváltság fokát valamilyen mérhető mennyiséggel kell összefüggésbe hozni. Feltételezhetjük, hogy a felületen három forrásból származik a kölcsönhatási erő. Jelöljük a nem reakcióképes helyeken (N1 ) a kötés erősségét f1 -gyel. A poláris csoportot tartalmazó helyeken (N) a kötés erősséget jelöljük f3 -mal, míg a nem poláris csoportok (N 0 -N) reakciójából származó kötés erősséget f2 jelenti. Ebben az esetben a film és a hozzátapadó anyag közötti erő a következő egyenlettel adható meg: F f1 N1 f 2 N0 N f3 N (0.23) Mivel a teljesen aktiválatlan film felületén a N=0, ezért az ébredő erő ebben az esetben: F0 f1 N1 f 2 N0 (0.24) Teljesen aktivált filmen N=N0, így az erő: F1 f1 N1 f3 N0 (0.25) A két erő különbsége tehát: (0.26) F1 F0 N0 f3 f2 Az (1.24) és az (1.26) egyenleteket felhasználva kapjuk: F F0 N (0.27) N 0 F1 F0 Joggal feltételezhetjük, hogy ezek az erők a lefejtési kísérletben mért erővel arányosak, így ξ közvetlenül mért értékekből meghatározható. VIDEO: Lefejtés A koronakisülés hatásának ideje (t) a teljes időhöz (τ) viszonyítva ugyanakkora kell legyen, mint a kezelési felület (A) és a teljes felület (A0) aránya: t A (0.28) A0
Ezzel az (1.22) egyenlet a következő formában írható: GA 1 exp 1 e k (0.29) A0 Az egyenletben k a felületkezelés sebességi állandója. Az 1.5. ábrán a koronakezelt polietilén film kinetikai adatait mutatjuk be. A kihúzott görbe az (1.29) egyenletnek felel meg. Tevékenység: Tanulmányozza az 1.5. ábrát! Figyelje meg a görbe alakját!
1.5. ábra. A polietilén film aktiválásának változása az idő függvényében. Az (1.28) egyenletet egy normál berendezésre alkalmazva a berendezés jellemző geometriáit kell behelyettesíteni. Ha a koronakisülés nagysága a film haladási irányában L, és D átmérőjű a henger, akkor az (1.28) egyenlet a következő formában írható fel: A L (0.30) t A0 D Egy adott kezelési időhöz természetesen adott filmsebesség is tartozik. Az (1.30) egyenlet átrendezésével azonnal adódik a lineáris sebesség: D v (0.31) Tevékenység: Jegyezze meg az aktiválás mértéke és a gyártási sebesség közötti összefüggést! A koronakezelés sebességi egyenletét (1.29) τ-ra megoldva és visszahelyettesítve (1.31)-be megkapjuk azt az egyenletet, amely az aktiválás mértéke és a gyártási sebesség között állít fel összefüggést. Dk v (0.32) ln 1
Az egyenlet alapján azonnal adódik, hogy a filmsebesség növelésével a felület aktiváltsága csökken. Az 1.6. ábrán példaként egy 20 cm átmérőjű hengeren áthaladó film aktiváltsági fokát ábrázoltuk a film sebességének függvényében, ha a kezelés sebességi állandója 0,04 1/s. Tevékenység: Tanulmányozza az 1.6. és az 1.7. ábrát! Figyelje meg a görbe alakját!
1.6. ábra. A film lineáris sebességének hatása az aktiváltság mértékére. A koronakezelés sebességét alapvetően a sebességi állandó határozza meg, amely függ a koronakezeléskor alkalmazott áramerősségtől és frekvenciától is. A 1.7. ábrán az aktiváltsági fok változását mutatjuk be különböző sebességi állandók mellett.
1.7. ábra. Az aktiváltsági fok változása a filmsebesség függvényében különböző sebességi állandók mellett.
A koronakisülésben az áramerősséget (I) az időegység alatt becsapódó töltéssel rendelkező részecskék átlagos száma (Gωī) határozza meg. (0.33) I G Tevékenység: Gyűjtse ki és jegyezze meg a felületkezelés hatékonyságát befolyásoló tényezőket! Az elektródokra adott feszültség növelése növeli az áramerősséget, és természetesen így a sebességi állandót is. Az 1.8. ábrán a feszültség függvényében ábrázoljuk az áramerősséget. Jól megfigyelhető, hogy az összefüggés nem lineáris. Az átütési feszültség alatti tartományban az áramerősség természetesen nulla. Nem szabad azonban elfeledkezni arról sem, hogy az elektródák távolsága nagyon fontos tényező a felületkezelési technológiában. A gyakorlatban maximum néhány centiméteres réstávolságot alkalmazunk, de általában 1 cm-nél kisebb a távolság. A réstávolságnak nem csak a térerősség befolyásolásában van szerepe. A töltéssel rendelkező részecskének megfelelő kinetikus energiával kell becsapódnia a film felületére, hogy a kémiai reakció végbemenjen. Ez kb. 4 eV-nak felel meg. A másik fontos tényező, hogy a részecske szabad úthossza megfeleljen a réstávolságnak. Nem szabad arról sem elfeledkezni, hogy egy eredményes kémiai reakció végbemeneteléhez átlagosan 10 11 -1012 számú ütközésre van szükség. Mindezek alapján egyértelmű, hogy a réstávolság döntő módon meghatározza a felületkezelés hatékonyságát.
1.8. ábra. Az áramerősség változása a feszültség függvényében. Az eddigiek alapján egyértelműen megállapítható, hogy a polimerek felületkezelése bonyolult, összetett folyamat, amely nagyon erősen támaszkodik a kísérleti beállításra. Adhéziót javító segédanyagok Tevékenység: Gyűjtse ki és jegyezze meg a különböző adhéziót javító segédanyagokat! Tanulja meg működési mechanizmusukat!
A felületkezelések mellett, esetleg tőle függetlenül számos segédanyag áll rendelkezésre az adhézió javítására. Az első ilyen típusú anyagokat (amino-szilánok) az ötvenes évek közepén fejlesztették ki. Ezek az anyagok elsősorban az erősített rendszerekben kerülnek alkalmazásra, de alkalmasak fémfelületek kezelésére is. Az adhéziót segítő alapanyagok különböző kémiai szerek, amelyek a felületen fejtik ki hatásukat. Ide tartoznak a szilán vegyületek mellett a titanátok, a cirkónium, foszfor és krómtartalmú vegyületek. Számos szerves felületkezelő szert is kifejlesztettek. Szilán tartalmú felületkezelő szerek A különböző szilán vegyületek esetén a funkciós csoportok biztosítják a megfelelő kötés kialakulását. Néhány tipikus képviselő a következő CH3 O H2C
Si O
O
CH3 H3C
Vinil-trietoxi szilán. A vegyületben a polimerhez kapcsolódó csoport a vinil, míg a hordozóhoz az etoxi csoport javítja a tapadást. CH3
H3C
O
O
O
Si
H2C
CH3 O
O
H3C
Metakril-oxi-propilén-trimetoxi-szilán. Ennél az anyagnál a polimerhez a metakril, a hordozóhoz pedig a metoxi csoportok kapcsolódnak. O
H3C O
Si
CH3 O CH3
O O
Glicidil-oxi-propilén-trimetoxi-szilán. A háromtagú, feszített gyűrű a reakcióképes csoport, amely a polimerhez képes kapcsolódni. A metoxi csoport a szubsztráthoz kapcsolódó rész. O Si O HS
H3C
CH3 O CH3
Merkapto-propilén-trimetoxi-szilán. A mekapto csoport, a hidroxilhoz hasonlóan képes a polimerekkel kémiai kötés létrehozására. A metoxi csoport ebben az esetben is a másik komponens tapadását javítja. H3C O Si O H2N
CH3
O Si
O
O CH3
NH
H3C
O CH3
H3C
H2N
Amino-propilén-, és amino-etilén-amino-propilén-trimetoxi szilán. Az amino csoportok reakcióképesek, amelyek különböző polimerekkel képesek reakcióba lépni. A metoxi csoport a hordozó felé növeli a tapadást. O Si
CH3 O CH3
O H3C
Cl
Klór-propilén-trimetoxi-szilán. A klorid hatékony szubsztituens, amely széles spektrumban képes reagálni. Titanát tapadásnövelők A titanátokat a szilánokat követően fejlesztették ki. Általában igaz, hogy jobb kapcsoló ágensek, azonban lényegesen drágábbak a szilánoknál. Példaként egy anyagot mutatunk, az izopropiloxi-tri(N-etilamino-amino-etilén)-titanát. A vegyületben az amino csoportok a reaktívak a polimer felé, míg az alkoxi csoport a szubsztrát felé növeli meg a tapadást. A kereskedelmi forgalomban különböző lánchosszúságú alkoxi csoportokkal kapcsolt titanátokat, illetve az amino csoport helyett foszforsavésztereket alkalmaznak. H2N
NH
CH3
O
O
Ti H3C
O
(IV)
NH2 NH
O
HN
NH2
Izopropil-oxi-tri(N-etilamino-etil)-titanát.
