Overfladebehandling af plast og komposit. Efteruddannelse for Faglærere

Transkript

1 Overfladebehandling af plast og komposit Efteruddannelse for Faglærere

2 Kursusbeskrivelse: I de senere år har der været et voldsomt skifte på vej i forbindelse med overgang fra metaller til forskellige typer af plast og kompositmateriale, som konstruktionsmæssigt har mange fordele. Men det stiller meget store krav til overfladebehandlingen, specielt er det ingen hemmelighed at f.eks. vandige og dermed rimelige miljøvenlige produkter kan have store vanskeligheder med at skabe den nødvendige vedhæftning på kunststoffer som plast og kompositter, samt at når der arbejdes med vandige produkter er der mange forskellige procesparameter, som er meget anderledes end ved overfladebehandling med organiske opløsningsmidler. Vi har som faglærer i området følt en vis usikkerhed i forbindelse med nye tiltag og har derfor følt et behov for at få udbygget vore kompetencer i den rigtige retning. Vi har ønsket at få overblik over følgende: Hvad er plast og komposit? Overfladespænding, hvad betyder dette? Hvilke typer af maling kan anvendes? Procesforhold, miljø og klima Kvalitetskontrol Da vi ikke har den fornødne viden om alle parametre har vi spurgt hvor og hvem der kunne hjælpe os og valget faldt på Aalborg universitet v/ lektor, kemiingeniør Birgit Kjærside Storm, som efter aftale har sendt følgende forslag til et 3 dags kursus, med følgende indhold i hovedpunkter Indhold: Introduktion til emnet Plast Kompositter Overflader af plast og plastbaserede kompositter Overfladebehandling af plast og plastbaserede kompositter Overfladespænding Vedhæftning mellem overflader og maling Opløselighedsparametre Opløselighedsparametres indflydelse på overfladespænding og vedhæftning Malinger til plast og kompositter Procesparametre for malinger Procesbetingelser for plast og plastbaserede underlag Kompatibilitet mellem malinger og overflader Afprøvning af vedhæftning i laboratoriet Bestemmelse af opløselighedsparametre i laboratoriet Opsamling Indholdet vil blive fordelt over tre dage. Tidspunkt for kursus: december 2011 Kursuslektioner: 24 med 8 lektioner á 45 min. per dag Kursussted: Aalborg Universitet Esbjerg, Niels Bohrsvej 8, Esbjerg Titel på kursus: Maling af plast og plastbaserede kompositter Undervisningsmaterialet fra Birgit Storm findes som Power Point

3 Maling af plast og plastbaserede kompositter v. Birgit Kjærside Storm Aalborg Universitet Esbjerg Esbjerg, december

4 Program Mandag den 19.december Introduktion til kurset og emnet Plast Plasts opbygning Egenskaber af plast herunder termiske og kemiske egenskaber Plasttyper Kompositter Opbygning af kompositter Egenskaber af kompositter Matricer i kompositter Esbjerg, december

5 Program Tirsdag den 20.december Overflader af plast og plastbaserede kompositter Overfladebehandling af plast og plastbaserede kompositter Overfladespænding Vedhæftning mellem overflader og maling Opløselighedsparametre Opløselighedsparametres indflydelse på overfladespænding og vedhæftning Esbjerg, december

6 Program Onsdag den 21.december Malinger til plast og kompositter Procesparametre for malinger Procesbetingelser for plast og plastbaserede kompositter Kompatibilitet mellem malinger og overflader Afprøvning af vedhæftning i laboratoriet Bestemmelse af opløselighedsparametre i laboratoriet Opsamling Esbjerg, december

7 Definitioner En polymer er et molekyle, der har en molvægt på mindst 2000 g/mol og som har en repeterende enhed Plast er polymere + additiver Esbjerg, december

8 Definition komposit En komposit er et materiale, der består af minimum to faser. En komposit er et fast stof og i en komposit er begge faser normalt faste faser En komposit kan består af flere faser I hærdeplastiske kompositter er matricen en hærdeplast og i termoplastiske kompositter en termoplast Esbjerg, december

9 Plasts opbygning Plast kan være Termoplast Hærdeplast Elastomer/gummi Esbjerg, december

10 Plasts opbygning Esbjerg, december

11 Termoplast Termoplast er Bundet sammen med covalente bindinger i to dimensioner Bundet sammen med sekundære bindinger i den tredje dimension og er derfor Smeltbar og Opløselig Esbjerg, december

12 Bindinger Covalente bindinger er primære bindinger, de holder atomer sammen til molekyler Sekundære bindinger er de bindinger, der holder molekyler sammen til stoffer De er Van der Waal ske kræfter (upolære) Hydrogenbindinger (polære) Esbjerg, december

13 Hærdeplast Hærdeplast er Bundet sammen med covalente bindinger i to dimensioner Tværbundet sammen med covalente bindinger i den tredje dimension og er derfor Ikke smeltbar og Ikke opløselig Esbjerg, december

14 Elastomere/gummier Gummier eller elastomere er Bundet sammen med covalente bindinger i to dimensioner Tværbundet sammen med covalente bindinger i den tredje dimension og er derfor Ikke smeltbar og Ikke opløselig Esbjerg, december

15 Homopolymere/copolymere En homopolymer har samme repeterende enhed i hele materialet En copolymer har min. to forskellige repeterende enheder og kan godt have flere Copolymere kan være randomcopolymere blokcoplymere graftcopolymere Esbjerg, december

16 Copolymere Esbjerg, december

17 Struktur Plast kan være Amorft Krystallinsk Delkrystallinsk Lavkrystallinsk Højkrystallinsk Esbjerg, december

18 Krystallinsk struktur Esbjerg, december

19 Struktur crystalline region amorphous region Esbjerg, december

20 Krystallinsk struktur Krystallinske materialer har et smeltepunkt Krystallinske materialer har for samme opbygning større styrke end amorfe materialer Krystallinske materialer efterkrystalliserer ved afkøling Esbjerg, december

21 Opbygning af plast Termoplast er opbygget af enten Alifatiske kæder eller af Aromatiske grupper eller af En kombination af dem Esbjerg, december

22 Polymerisationsprocesser Kædepolymerisation Foregår ud fra et aktivt center Det aktive center dannes f.eks. ved hjælp af en initiator Foregår altid over en dobbeltbinding Processen termineres Tværbindingen af umættet polyester foregår ved kædepolymerisation Esbjerg, december

23 Polymerisationsprocesser Trinvis polymerisation Foregår ved reaktion mellem to reaktive grupper De dannede polymere terminerer ikke De fleste hærdeplastiske materialers hovedkæder er dannede ved trinvis polymerisation De fleste tværbindingsreaktioner foregår ved trinvis reaktion Esbjerg, december

24 Egenskaber Mekaniske egenskaber Termiske egenskaber Kemiske egenskaber Elektriske egenskaber Biologiske egenskaber Andre egenskaber Esbjerg, december

25 Mekaniske egenskaber Mekaniske egenskaber er Styrke Stivhed Sejhed Dynamisk påvirkning Slid (viskositet) De mekaniske egenskaber afhænger af temperaturen Esbjerg, december

26 Mekaniske egenskaber Esbjerg, december

29 Termiske egenskaber Termiske egenskaber er Smeltepunkt Glasovergangstemperatur Nedbrydningstemperatur Termisk udvidelse Varmegennemgang Varmekapacitet Esbjerg, december

30 Termiske egenskaber Smeltepunktet afhænger af de sekundære bindinger Glasovergangstemperaturen afhænger af sidekæders og selve hovedkædens opbygning Nedbrydningstemperaturen afhænger af de covalente bindingers styrke Esbjerg, december

31 Termiske egenskaber Smeltepunktet er defineret som den temperatur, hvor den sidste krystallit smelter Glasovergangstemperaturen er den temperatur, hvorunder der ikke længere er bevægelighed i de enkelte molekylsegmenter Nedbrydningstemperaturen afhænger af nedbrydningsformen. Den mest almindelige form er den termo oxidative nedbrydning Esbjerg, december

32 ^exo!&mg_fl_1 DSC MG_FL_1 DSC, 5,2000 mg!mg_fl_1.2 DSC MG_FL_1.2 DSC, 10,8000 mg!mg_fl_1.3 DSC MG_FL_1.3 DSC, 22,2000 mg!mg_fl_1.4 DSC MG_FL_1.4 DSC, 15,5000 mg!mg_fl_1.5 DSC MG_FL_1.5 DSC, 7,8000 mg 2 Wg^ C Aalborg University Esbjerg: Materiale lab. METTLER TOLEDO STAR e System Esbjerg, december

33 Kemiske egenskaber Kemiske egenskaber er Kemisk stabilitet Permeabilitet Opløselighed Migration Brandbarhed UV stabilitet Esbjerg, december

34 Kemiske egenskaber Kemisk stabilitet afhænger af, hvilke funktionelle grupper, der findes i polymeren Den kemiske stabilitet afhænger af den covalente bindingsenergi i polymerkæden Den kemiske stabilitet kan ændres ved tilsætning af additiver Esbjerg, december

35 UV stabilitet UV stabiliteten afhænger af, hvilke molekylsegmenter polymeren indeholder UV stabiliteten afhænger af den covalente bindingsenergi mellem polymerens atomer UV stabiliteten kan ændres gennem tilsætning af additiver Dobbeltbindinger nedbrydes hurtigere end enkeltbindinger Esbjerg, december

36 Andre egenskaber Andre egenskaber er Elektriske egenskaber Biologiske egenskaber Densitet Glans Transparens Etc. Esbjerg, december

37 Additiver Der er Forarbejdningsadditiver og Funktionsadditiver Esbjerg, december

38 Forarbejdningsadditiver De kan være Slipmidler Smøremidler Viskositetsændringsmidler Esbjerg, december

39 Funktionsadditiver De kan være Pigmenter/farvestoffer Antiblockningsmidler UV stabilisatorer Antioxidanter Brandhæmmere Etc. Esbjerg, december

40 Polyolefiner PE og PP ABS gruppen PS, SB, ABS etc. Polyestre PET, PBT og PC Polyamider PA6, PA6.6 etc. Termoplasttyper Esbjerg, december

41 Esbjerg, december

44 Kompositter En komposit består af Et forstærkningsmateriale Et matrixmateriale En coupling agent Additiver Esbjerg, december

45 Kompositter Kompositter med polymermatrice er åbenlyse at betragte på grund af Styrke/vægtforholdet Korrosionsbestandighed mod havvand, syrer, olier etc. Termisk stabilitet i et fordelagtigt temperaturinterval Esbjerg, december

46 Forstærkningsmaterialer Mange materialer kan anvendes som forstærkningsmaterialer Mest anvendt er Glasfibre Carbonfibre Aramidfibre Andre typer forstærkingsmateriale kan anvendes Cellulosefibre Borfibre Termoplastiske fibre SiC fibre Whiskers Esbjerg, december

48 Fordele ved polymere Lav densitet Korrosionsbestandighed overfor vand, havvand, syrer, salt og andre kemikalier Formbarhed Isolatorer for elektricitet og varme Lav vedligeholdelsesfrekvens sammenlignet med stål Kan fremstilles som kompositter med en høj styrke/vægt forhold Esbjerg, december

49 Ulemper ved polymere Lav styrke og stivhed sammenlignet med stål Risiko for permeabilitet af gasser Risiko for dannelse af statisk elektricitet Antændelighed og brandbarhed Lav temperatur interval sammenlignet med metaller Samling af emner Esbjerg, december

50 Kompositter Kompositter med polymermatrice er åbenlyse at betragte på grund af Styrke/vægtforholdet Korrosionsbestandighed mod havvand, syrer, olier etc. Termisk stabilitet i et fordelagtigt temperaturinterval Esbjerg, december

51 Styrke af kompositter Esbjerg, december

52 Matrixmateriale Umættet polyester Vinylester Epoxy Phenolplast Melaminplast Polyimid Polyurethan Esbjerg, december

53 Hærdeplastisk polyester Der findes mange forskellige slags De fremstilles alle udfra en umættet syre (syreanhydrid) en mættet syre en dialkohol / en glycol Esbjerg, december

54 Polyester De er alle fremstillede ved trinvis polymerisation ud fra en umættet syre (eller en syreanhdrid) ofte maleinsyre, en eller flere mættede syrer (eller syreanhydrider) ofte orthophthalsyre og en eller flere typer glycol ofte propylglycol Esbjerg, december

55 Egenskaberne afhænger af Forholdet mellem umættet og mættet syredel Arten af mættet syre Aromatisk (phthalsyre) Alifatisk (f.eks. Adipinsyre) Esbjerg, december

56 Hærdeplastisk polyester De kan opløses i styren og er det oftest De tværbindes ved en fri radikal kædepolymerisation med styren eller et andet dobbeltbundet opløsningsmiddel f.eks. methylmethacrylat Esbjerg, december

57 Vinylester Er principielt methacryleret epoxy fremstillet ved reaktion mellem bisphenol A epoxy og methacrylsyre Opløses i styren Hærder op ved en kædepolymerisation mellem dobbeltbindingen fra methacrylsyre og styren Esbjerg, december

58 Epoxy Tværbindingen sker med amide fleste er fremstillet på basis af bisphenol A. Alle epoxy er er trinvis polymeriserede Monomere og prepolymere indeholder reaktive epoxidgrupper ner og anhydrider Tværbindingen er en trinvis polymerisationsproces Esbjerg, december

59 Epoxy Epoxy er kan fremstilles med mange forskellige egenskaber Egenskaberne afhænger af længden af prepolymerene Hovedkædens sammensætning Aromatiske/alifatiske segmenter i kæden Tværbinderne Esbjerg, december

60 Melaminplast og phenolplast Phenolplast fremstilles gennem trinvis polymerisation af phenol og formaldehyd Melaminplast fremstilles gennem trinvis polymerisation af melamin og formaldehyd Tværbindingen sker ved trinvis polymerisation af prepolymererne og formaldehyd Esbjerg, december

62 Polyurethan Der findes mange forskellige slags polyurethaner De fremstilles ved trinvis polymerisation af isocyanter og polyoler Isocyanterne er oftest MDI og HDI (TDI kan anvendes) Polyurethaner er enten estere eller ethere Esbjerg, december

63 Polyurethan Esbjerg, december

64 Ophærdning af PUR Esbjerg, december

65 Polyimid Polyimider er hærdeplastiske materialer med imidgrupper De er alle højstyrkematerialer De er temperaturresistente materialer De er dyrere end de fleste af de andre hærdeplastiske materialer Esbjerg, december

66 Acrylater Acrylater anvendes i høj grad som matricer, da de hærder hurtigt op Esbjerg, december

67 Termoplastiske matricer Her kan næsten alle termoplatiske materialer anvendes Eksempler herpå er Polyamid nylon polyamidaramid Polyester PET og PBT POM acetalplast ABS PP Esbjerg, december

69 To komponent PUR Esbjerg, december

70 En komponent PUR Esbjerg, december

71 Befugtning Overfladen af materialet skal befugtes, så malingen kan komme i kontakt med substratet Esbjerg, december

72 Overfladespænding Esbjerg, december

73 Befugtning af overflade Esbjerg, december

74 Overflader Esbjerg, december

75 HSP HSP er en metode til at vurdere, om en overflade kan befugtes med en væske. HSP kan anvendes til at vurdere kompatibilitet mellem materialer HSP kan anvendes til at vurdere permeabilitet mellem materialer Esbjerg, december

76 Opløselighedsparametre Den en dimensionale opløselighedsparameter er defineret som δ tot2 = E vap /V l, δ tot er den totale opløselighedsparameter, E vap er fordampningsvarmen, og V l er den molære volumen. Esbjerg, december

77 HSP Den en dimensionale opløselighedsparameter kan opdeles i tre dele til den tre dimensionale opløselighedsparameter, HSP δ tot2 = δ d2 + δ p2 + δ h2, δ d er bidraget fra dispersionskræfterne, δ p er bidraget fra de polære kræfter og δ h er bidraget fra hydrogenbindingskræfterne. Esbjerg, december

78 RED number Den relative energidensitet, RED number, er defineret som RED = R a /R 0 hvor R 0 er aktionsradius for opløsningen/malingen eller substratet og R a er afstanden mellem de to emner, for hvilke kompatibilitet ønskes analyseret Esbjerg, december

79 RED For kompatible materialer vil RED number være < 1 Når RED number er > 1, er der ingen kompatibilitet mellem de to substrateter eller opløsningsmidler Der er en korrelation mellem HSP og ovefladespændingen γ = 0,0688V 1/3 [δ D2 + k (δ P2 + δ H2 )] Esbjerg, december

80 HSP for DP460 Esbjerg, december

81 HSP for DP610 Esbjerg, december

82 HSP Esbjerg, december

83 Forbehandling Forbehandling kan være Affedtning Mekanisk behandling Coronabehandling Kemisk behandling af overfladen Esbjerg, december

84 Vedhæftning Der er forskellige teorier om vedhæftning af lim. Det kan være Mekanisk interlocking Kemisk binding Diffusion fysisk adsorption Esbjerg, december

85 Mekanisk interlocking Mekanisk interlocking vil altid være muligt. Ved mekanisk interlocking er overfladen større end det simple areal og en højere styrke opnås derved Esbjerg, december

86 Kemisk binding Den kemiske binding i interfasen er at foretrække,da den stærkeste binding herved dannes Esbjerg, december

87 Diffusion Ved diffusion i interfasen mellem malingog substrat vil overfladen, der befugtes være forøget Esbjerg, december

88 Udfordringer Overfladens beskaffenhed Overfladespændingen af overfalden Afrensning Oparbejdning af god overflade Vedhæftning Kompatibilitet af overflade Langtidseffekter Esbjerg, december

89 Additiver Additiver i plast og komposittet kan vandre HSP kan anvendes til at vurdere dette Additiver kan vandre til overfladen i substratet og kan evt. påvirke overfladebelægningen Esbjerg, december

90 Procesbetingelser Der skal tænkes på Temperaturbestandighed Termisk udvidelseskoefficient Kemikaliefølsomhed Mekaniske egenskaber såsom styrke og krybehastighed Tid og temperatur Esbjerg, december

91 Malinger De skal være Mulige at hærde op under de givne forudsætninger Opløsningsmidler og evt. rester deraf må ikke kunne vandre ind i substratet Skal kunne vedhæfte overfladen og gerne kunne danne en god interfase Esbjerg, december

92 Permeabilitet ogmigration Migration er en vandring ind i eller ud af et stof Permeabilitet er vandring gennem et stof I begge tilfælde er koncentrationsforskel den drivende kraft Esbjerg, december

93 Permeabilitet og migration Processerne er Adsorption Absorbtion Diffusion Absorbtion Desorption Chemiesorption Esbjerg, december

94 Interfasen For en god vedhæftning skal der dannes en god interfase af en vis størrelse Interfasen skal være min. 2 4 nm og helst mere end 10 nm Esbjerg, december

95 Genbrugsmaterialer Genbrugsmaterialer er oplagte til maling Der kan være problemer med dem pga. mange forskellige materialer deri Esbjerg, december

97 Tak for I hørte på God jul! Esbjerg, december