Limmet och dess möjligheter för industriella applikationer

Limmet och dess möjligheter för industriella applikationer
Sammanfattning av PP Polymers temadag 2001

Limmet och dess möjligheter för industriella applikationer var huvudämnet för PP Polymers
temadag 2001. Trots att de tragiska terrorist attackerna mot USA till viss del fanns i allas
medvetande och tvingades oss till en del mindre omdisponeringar i det ursprungliga programmet
blev årets temadag intensiv, fokuserad och mycket informationsrik.
Drygt 50 deltagare och 7 olika föreläsare hade attraherats till Södra Paviljongen vid Stockholms
Centralstation torsdagen den 13 september. Dagen började med registrering och fika invid
Konungens väntsal, vilket förgyllde atmosfären. Inledningsvis hälsade vår VD Ann-Christin Paul
välkommen och gav en fin överblick över dagens tema. Hon presenterade även PP Polymers
huvudområden: analyser, produktutveckling och tillverkning av nischprodukter i dotterföretag. ppm
MiljöTech KB, ett nytt partnerföretag till PP Polymer är analyslabb och sysslar med
inneluftkvalitet, innemiljö och materialprovningar.
Vår förste föredragshållare doc. Swaraj Paul berättade om ”Hur man väljer lim - provningar och
praktiska exempel”. Limning som sammanfogningsteknik har en rad fördelar som att den är snabb
och rationell produktionstekniskt och att den resulterande fogen även kan ha ytterligare funktioner
som ljuddämpning och barriäregenskaper utöver att endast sammanfoga två komponenter.
På grund av det mycket stora utbudet av olika limtyper finns det också en stor möjlighet att
optimera lösningen för det aktuella sammanfogningsproblemet mot kravprofilen för fogen. Trots
dessa fördelar utnyttjas ändå inte limningen fullt ut inom industrin, vilket kan bero på att mycket
komplex kemi är inblandad samt att det krävs förståelse av fysikaliska fenomen i själva limfogen,
men även i angränsande material och ytor. När det gäller limning finns heller inga
universallösningar, men Swaraj Paul visade en mycket användbar lista på tumregler som kan vara
till stor hjälp.
”Val av lim måste helt och hållet vara baserat på limningskriterier och kravprofilen för den
färdiglimmade slutprodukten”, betonade Doc. Swaraj Paul. I kravprofilen ingår naturligtvis olika
kriterier beroende på hur det aktuella problemet ser ut, men det kan t.ex. vara nödvändigt att väga
in krav på fogstyrka, temperaturbeständighet och miljöaspekter.
I den följande processen att utifrån kravprofilen hitta rätt limtyp krävs limprovning. Det är mycket
viktigt för att på ett rationellt sätt kunna jämföra olika lims kvalitet och inte minst för att säkerställa
funktionskraven. I limprovning behövs avancerade instrument som bl.a. Fourier Transform Infra
Röd spektroskopi (FTIR), dragprovare, differential scanning caloimetry (DSC) och dynamic
mechanical analysis (DMA) kombinerat med kunskap om hur instrumenten skall användas och
analysresultaten skall tolkas.
I föreläsning nummer två berättade Civ. Ing. Rein Jansson (VD, Sikema AB) utifrån Mike
Firmstones (Thermoset Lord CPD) orginalföredrag om nya lim relaterade till elektronik industrin.
Inledningsvis presenterade Reine Jansson sitt företag Sikema AB och Mike Firmstones Thermoset.
Rein Jansson belyste därefter tre delområden för limapplikationer inom elektronik industrin: värmeutjämningslim, ytmonteringslim och lim för att skapa elektrisk kontakt mellan komponenter på kretskort. Traditionellt har grease och lim använts för att åstadkomma värmeutjämning på elektroniska kretskort. Var och en dessa två typlösningar har sina tekniska för- och nackdelar, men i en ny produkt, Thermoset Gelease, har man lyckats kombinera de bästa egenskaperna i ett system, menade Reine Jansson. Nyckelparametern termisk ledningsförmåga för Gelease ligger nära motsvarande för lim, men system där Gelease använts kan eftermodifieras, vilket inte är möjligt när lim använts. När det gäller lim för ytmontering på kretskort (SMA, surface mount adhesive) visade Rein Jansson på vilka egenskaper man bör fästa särskilt avseende på. Det är t.ex. dispenserbarhet, printability och reproducerbarhet, stabilitet och färgkontrast. När det gäller appliceringen bör man titta på rheologin och det pseudoplastiska uppträdandet. I den avslutande delen berörde Rein Jansson användningen av epoxylim fyllda med upptill 85% ädelmetall som t.ex. silver eller guld för att kunna låsa fast komponenter på elektroniska kretskort och skapa elektrisk kontakt mellan dessa. Efter en paus med kaffe och nybakade bullar, presenterade Swaraj Paul en översikt av UV-härdande lim för optiska system av Dr. Vadim V Krongauz från DSM Desotech Inc. Exempel på optiska system är optiska fibrer, CD, DVD och linser. För att kunna använda UV-härdande lim är det nödvändigt att de delar som skall sammanfogas är transparenta för UV-ljus. Polykarbonat är ett exempel på en polymer med den egenskapen. Frånsett denna begränsningen har UV-härdande system en rad uppenbara fördelar som att härdning med ljus är lätt att kontrollera, snabbt, lösningsmedelsfritt och möjliggör mycket precisa sammanfogningar i små utrymmen. UV-ljuset ger i inledningen av härdningen upphov till antingen radikaler eller joner. Dessa två huvudtyper av kemiska reaktionsvägar för härdningen har avgörande inverkan på hur systemet kommer att uppträda under härdningsprocessen. Härdning med hjälp av radikaler är mycket snabbt, känslig för närvaro av syre och kräver belysning under hela tiden som härdningen pågår. Vanligen används benzoyl derivat för att bilda radikalerna, som sedan gör att polymeriserbara grupper som akrylat, metakrylat och epoxy sammanfogas till ett hållbart nätverk. Katjonpolymerisation är däremot avsevärt långsammare, mindre syrekänsligt och kommer att fortsätta även sedan ljuskällan avlägsnats. Med utgångspunkt från fotokemins första lag som säger att ”endast ljus som kan absorberas av molekylen kan effektivt åstadkomma en fotokemisk förändring av molekylen” kan man förstå att våglängden för UV-ljuset måste matchas till kemin i polymerisationen. Ett trick för att bemästra kemin kan dock vara att tillföra särskilda additiv, sensitizers. Andra faktorer som påverkar härdningsförloppet är limtjockleken och viskositeten. Ju tjockare limfog och ju lägre viskositet desto långsammare härdning. Det är nödvändigt att vara medveten om hur det fungerar för att åstadkomma en effektiv UV-härdning. Under den följande diskussionen till detta föredrag berördes frågan om stabilitetsproblem för UV-härdade lim. Med tiden kan denna typ av fogar nämligen gulna på grund av kemiska reaktioner som sker efter den egentliga härdningen. Förutom själva gulningen förändras de mekaniska egenskaperna något, främst blir fogen sprödare. I det fjärde föredraget visade Paul Wombwell och Michael Rhodes från Vantico på hur UV-härdande lim används i produktionen av CD och DVD skivor. Paul Wombwell gav en företagspresentation av Vantico, men fokuserade på lim- och tooling segmenten. Vanticos produktfamilj Araldite för OEM och SME kan sammanfoga substrat baserade på såväl metall, komposit, keramer som konstruktionsplaster. Material för tooling används som bearbetningsgrund för att ta fram fullskalemodeller av t.ex. bilar innan dessa tillverkas i plåt. Ett viktigt användningsområde för UV-härdande Araldite är sammanfogning av de två skivorna med mellanliggande datalagringsmedium i digital versatile discs (DVD:s). Processen består av de fyra huvudstegen: limapplicering, sammanföring av de två polykarbonat skivorna, rotationsutspridning av limmet och avslutande härdning genom belysning med UV-ljus. Ytligt sett kan detta förefalla mycket enkelt. Datalagringskapaciteten för DVD-skivor är otroliga 4.7 GB jämfört med 0.7 GB för ordinära CD-skivor, vilket gör att det ställs extrema krav på kvalitet och precisionen när det gäller geometrin. Michael Rhodes pekade på limfogegenskaper som t.ex. krypmning under härdningen, brytningsindex och härdningshastighet som särskilt viktiga att ta hänsyn till. Förutom dessa faktorer tillkommer hårda toleranser när det gäller geometrin som kommer att påverka de optiska egenskaperna. Här måste planaritet, axiell- och radiell symmetri liksom limfogstjocklek vägas in. Limfogen har i detta fallet även en skyddande funktion för datalagringsmediet. Om fukt tränger in kan den optiska vägen till det reflektiva skiktet bli dimmigt eller själva lagringsmediet kan korrodera, vilket gör att data blir otillgängligt. Vid produktion av DVD- och CD-skivor testas även själva datalagringsmediet. En viss andel fel upptill en kritisk gräns kan tolereras, eftersom data kodas på ett sådant sätt att fel kan korrigeras automatiskt (paritets kontroll). Överskrids den kritiska gränsen av fel för en del av skivan, blir även tillförlitligt lagrad data i följande områden otillgängligt, vilket naturligtvis är helt förödande. Paul Wombwell gav avslutningsvis en vision av den framtida utvecklingen inom detta området. Alternativa, billigare substrat kommer att kunna användas, även DVD-skivor blir läs- och skrivbara obegränsat antal gånger, med blå laser (405 nm) och 100 micron spårvidd kommer datalagringskapaciteten att öka upp till kanske 20-24 GB, menade Paul Wombwell. Efter förmiddagens inspirerande föredrag serverades en två-rätters lunch. Civ. Ing. Henrik Mikaelsson från Akzo Nobel inledde eftermiddagens föreläsningssekvens genom att illustrera hur ”Fogning med MS-polymerer kan lösa miljöproblemen”. Efter problematiken med polyklorerade bifenyler (PCB) som mjukgörare i fogmassor har hela området med fogmassor fått en negativ klang. Detta förhållande är inte berättigat menade Henrik Mikaelsson, eftersom det finns miljövänliga s.k. MS-polymerer som fungerar långt bättre än gamla miljöfarliga fogmassor. MS-polymerer innehåller inga lösningsmedel, isocyanater eller ftalater. Fogmassorsfunktioner att t.ex. dämpa vibrationer, värmeisolera och utgöra elastiska bufferzoner när byggelementen rör sig på grund av längdutvidgning eller krympning vid ändrade temperaturförhållanden kan uppnås av MS-polymerer. Kemiskt sett är dessa baserade på polypropyleneglykol där ändgrupperna har modifierats till reaktiva silylgrupper. I närvaro av vatten ombildas silylgrupperna till silanolgrupper under det att metanol avges. Silanolgrupperna knyts därefter ihop till stabila siloxanbindningar i tredimensionella nätverk. I åldringsstudier på upptill 10 år har denna typen av fogmassor visats behålla sina extremt goda egenskaper. Eftermiddagens andra föredrag hölls av Dr. Roger Hagen från 3M och handlade om nya möjligheter att sammanfoga olefin-plaster med konstruktionslim. Olefinplaster som polypropylen (PP) och polyetylen (PE) används till att framställa en rad olika produkter, eftersom dessa material är lätta att processa, dimensionsstabila, har låg densitet, är återvinningsbara och inte minst är billiga. Traditionella tekniker för att sammanfoga PP och PE material är t.ex. ultraljudssvetsning och mekaniska förband. Svetsning kräver dock att materialen har samma smälttemperatur och mekaniska förband kan påverka produktens utseende negativt. Konventionella metoder för att limma olefinplaster har krävt ett inledande förbehandlingssteg med t.ex. primning, coronabehandling eller kemisk etsning för att sänka materialets ytenergi så att det kan limmas. Med en ny produkt, Scotch-Weld DP-8005 från 3M skall det gå att även limma material med låg ytenergi utan någon förbehandling, hävdade Dr. Roger Hagen. Scotch-Weld DP-8005 är ett två komponent system med en amin accelerator och en polymeriserbar akrylat komponent. Öppettiden är 150 till 180 sekunder och fullständig uthärdning kräver 8 till 24 timmar, men härdningstiden kan förkortas avsevärt om värme tillförs under härdningsprocessen. Fogar med god styrka erhålls med en skjuvstyrka på 6-7 MPa. Kemikaliebeständigheten är utmärkt, varken syror eller baser påverkar fogen negativt, men toluen och bensin bör undvikas. Uppenbara fördelar är att billigare konstruktionsplaster kan användas även för tillämpningar där limning behöver ske. Särskilt intressant är möjligheten att kunna limma olefin-plaster mot andra material som trä och metall. Material med lägre ytenergi än polyolefiner som teflon, silikon, polyimid och polyamid samt material med rester av formsläppmedel kan dock inte limmas med DP-8005. De senaste produkterna inom området från 3M som lanseras i dagarna är ytterligare förfinade. DP80XX ROS har en kortare härdningstid på 2 timmar och DP80XX PTFE kan till och med användas för att limma teflon. Stora användningsområden för denna typen av lim är t.ex. inom bilindustrin för att fästa kofångare eller sammanfoga delar till högtalare av Santoprene som innehåller 60% PP. Säkring av gas-, vatten- och telekommunikationsanslutningar är andra viktiga tillämpningsområden. I pausen innan eftemiddagens två avslutande föredrag erbjöds kaffe och tårta till de mer informella diskussionerna kring dagens tema. ”Hur påverkar den kemiska sammansättningen limegenskaperna hos snabblim?”, var grundfrågeställningen i Doc. Swaraj Pauls avslutande presentation för dagen. Med utgångspunkt från ett konkret utvecklingsprojekt med cyanoakrylat lim belyste Swaraj Paul formuleringsprinciper, samband mellan kemisk struktur och egenskaper, tillverkare av cyanoakrylater, hur datorsimuleringar med den mycket sofistikerade mjukvaran Polymer Design Tools (PDT) kan vara till hjälp samt även hur utvärdering av egna potentiella formuleringar utvärderats. Fördelarna med cyanoakrylat baserade lim är att de endast består av en komponent, härdar nästan ögonblickligen även vid rumstemperatur och har en god vidhäftning. Till nackdelarna hör att de även mycket lätt limmar ihop mänsklig hud, luktar redan i låga ppm-halter och ger en spröd fog. Vid formulering med cyanoakrylater kan man variera strukturen för kolvätekedjan som är bunden till den reaktiva cyanoakrylat gruppen och på detta sättet moderera kemisk reaktivitet och luktproblemen. För att erhålla en fungerande produkt är det vidare nödvändigt att tillsätta förtjockare och kanske även stabiliseringsmedel som mineralsyror för att minska bildningen av radikaler och därmed dämpa reaktiviteten. Ett relativt stort antal återförsäljare av cyanoakrylat baserade lim finns (omkring ett 40-tal) även om den kemiska sammansättningen skiljer marginellt i vissa fall, eftersom de har sitt ursprung hos samma tillverkare. Bland de återförsäljare som utvärderades i detta projektet fanns Chemence, Devcon, Permabond och Lord Corp. Produkterna var baserade på metyl-, etyl-, propyl- samt metoxyetyl cyanoakrylat. De hade stora skillnader i egenskaper, vilket tydligt illustrerades både praktiskt experimentellt och genom teoretiska beräkningar med hjälp av programmet Polymer Design Tools från DTW Assoc. I praktiska limningsförsök identifierades även andra nyckelparametrar: lämplig limappliceringsteknik, fixering av acetate/polyester film ändarna vid limningen, temperatur och limmängd. Exemplet visade tydligt hur effektivt de kan vara med teoretiska beräkningar för att få fram relationer mellan kemisk struktur och egenskaper för att minska antalet praktiska försök som behöver göras för att få fram en bra lösning på sammanfogningsproblemet. I det presenterade fallet eliminerades sprödheten i fogen genom att optimera strukturen i polymerkedjan och använda lämpliga additiv. Vidare undveks luktproblem genom val av nya monomerer och reaktiviteten kunde styras genom addition av lämpliga acceleratorer. Dagens avslutande föreläsning hölls av Dr. Luca Marchese från Henkel Loctite Adesivi s.r.l. och handlade om miljövänliga Hot-Melt system för ingjutning av elektroniska komponenter. Av skäl som elektrisk isolering, säkerhet och skydd mot industrispionage kan det vara nödvändigt att innesluta kretskort och kablar. Hot-Melt system har visat sig ha en rad fördelar i dessa sammanhang. De gör att man kan undvika två komponent system och lösningsmedel samt endast behöver hantera fasta produkter och därigenom kan öka produktiviteten genom kortare cykeltider. Produkten Macromelt är ett exempel på ett användbart Hot-Melt system för denna typen av tillämpningar. Kemiskt sett baseras produkten på en icke-linjär fettsyra amid som ger upphov till en amorf struktur som absorberar vatten i lägre grad (0.5%) än vanliga produkter grundade på linjär polyamid 66 (omkring 8%). De avgörande fördelarna med Macromelt är låg vattenabsorption, god resistens mot fett, oljor och en rad kemikalier samt funktion inom ett brett temperaturintervall (- 40 grader C till 140 grader C), betonade Dr. Luca Marchese. Dessutom krävs ett lågt injektionstryck eftersom viskositeten är låg vid injektionstemperaturen 190 till 220 grader C. Detta medför att risken för att skada eller förskjuta komponenter vid gjutningen minimeras. Ur miljösynpunkt är produkten relativt attraktiv då råmaterialen till framställningsprocessen består av vegetabilier och inga lösningsmedel eller isocyanater används. Därtill ställs modesta krav kring lagringen av produkten och hållbarheten är lång. Efter Dr. Luca Marcheses engagerande föredrag avslutades därefter PP Polymers 10:de temadag av VD Ann-Christin Paul. 2001-09-28 Fil mag Håkan Schulz

Source: http://www.pppolymer.se/upload/fil_20020902085023.pdf