Łączenie elastomerów z tworzywami sztucznymi - wyroby kompozytowe

Łączenie elastomerów z tworzywami…

Nowe koncepcje technologiczne, uwzględniające energooszczędność i odzysk/przerób surowców oraz rosnące wymagania konsumenckie wymuszają poszukiwanie coraz to nowszych rozwiązań materiałowych. Innowacyjne produkty muszą cechować się m.in. mniejszą wagą i zwiększoną wytrzymałością, a w wielu przypadkach również określonym stylem i estetyką wykonania, aby wpisywać się w aktualne trendy mody i oczekiwania rynkowe. Wszystkie wymienione właściwości występują w wyrobach kompozytowych, w których elastomery zespolone są z różnorakimi tworzywami sztucznymi. Wokół siebie bez trudu odnajdziemy szeroką gamę towarów, w których występują tego typu połączenia - od produktów związanych z transportem, poprzez urządzenia elektroniczne, do drobnych artykułów higienicznych (jak szczoteczki do zębów, czy maszynki do golenia).

W niektórych zastosowaniach, jak ma to miejsce chociażby w przypadku drobnego sprzętu RTV, wystarczy połączenie mechaniczne. Elastyczny element gumowy mocowany jest na specjalnie zaprojektowanej, sztywnej części wykonanej z tworzywa. W większości przypadków wymagane jest jednak wprowadzenie dodatkowych czynności technologicznych, substancji poprawiających adhezję i klejów.

W celu usieciowania mieszanki kauczukowe trzeba ogrzewać, natomiast aby uformować element termoplastyczny, należy go chłodzić. Dlatego jednoczesne formowanie tych materiałów w celu wytworzenia złącza jest skomplikowanym zadaniem. Można przyjąć 2 sposoby podejścia do zagadnienia połączeń elastomerów z tworzywami konstrukcyjnymi. W pierwszym przypadku, element z tworzywa sztucznego musi być przyklejony do wstępnie uformowanego wulkanizatu. Uzyskanie właściwego połączenia w ten sposób może okazać się trudne, ze względu na brak wzajemnej dyfuzji.

Rozwiązanie problemu leży po stronie projektanta, który właściwie zaplanuje kształt złącza (wykorzystując m.in. skurcz procesowy i ułatwione wiązanie mechaniczne w postaci otworów umożliwiających przepływ stopionego tworzywa wokół gumy lub przez nią). Drugi sposób zakłada, że element z tworzywa sztucznego został wstępnie uformowany i to właśnie on zostanie potraktowany środkiem wiążącym, a doklejana do niego będzie guma kształtowana w procesach formowania (tłocznego, przetłocznego, wtryskowego), wytłaczania, czy wulkanizacji w autoklawie. Wybór tworzywa termoplastycznego w tym przypadku w dużej mierze zależny będzie od temperatury wulkanizacji i może być mocno ograniczony. Z pewnością jest to wyzwanie dla inżynierów projektujących dany wyrób tworzywowo-elastomerowy.

Wstępnie uformowane elementy wykonane z gumy i tworzywa sztucznego łączy się zazwyczaj za pomocą specjalnych klejów, bądź systemów adhezyjnych sieciujących pod wpływem temperatury i ciśnienia. Może to być jedyna droga do wytworzenia niektórych produktów. Dostępnych jest wiele klejów do tworzyw sztucznych. Kleje do łączenia tworzyw sztucznych z gumą obejmują m.in. cyjanoakrylany, dwuskładnikowe uretany, dwuskładnikowe żywice epoksydowe, topliwe reaktywne prepolimery uretanowe.

Cyjanoakrylany są jednymi z najczęściej stosowanych klejów do łączenia małych części z tworzyw sztucznych i wulkanizatów. Technologia cyjanoakrylanowa jest dostępna od wczesnych lat 60. XX w. i szeroko rozpowszechniona zarówno w przemyśle, jak i wśród konsumentów. Wszyscy znamy niewielkie tubki lub polietylenowe buteleczki zabezpieczające „superkleje” przed wnikaniem do nich wilgoci. Wilgoć neutralizuje bowiem stabilizator i klej utwardza się na większości powierzchni w ciągu kilku sekund.

Istnieje wiele różnych rodzajów cyjanoakrylanów, ale najbardziej rozpowszechnionymi i najczęściej wykorzystywanymi są prawdopodobnie cyjanoakrylany etylu. Nadają się one do łączenia ze sobą większości tworzyw sztucznych i elastomerów. Charakteryzują się doskonałą przyczepnością m.in. do poliwęglanu, akrylonitrylo-butadieno-styrenu (ABS), poli(chlorku winylu) (PVC). W przypadku tworzyw o niskiej energii powierzchniowej, jak polietylen, polipropylen czy politetrafluoroetylen, oprócz kleju cyjanoakrylowego stosuje się primery/aktywatory powierzchni, którymi są zazwyczaj alifatyczne aminy.

Z pomocą cyjanoakrylanów można łatwo związać wulkanizaty kauczuków: naturalnego (NR), chloroprenowego (CR), akrylowo-nitrylowego (NBR), butadienowo-styrenowego (SBR) i butylowego (IIR). Wulkanizaty kauczuków etyleno-propylenowo-dienowych (EPDM) i fluoroelastomery (takie jak Viton) wymagają zastosowania odpowiednich preparatów cyjanoakrylanowych. Kauczuki silikonowe i elastomery termoplastyczne (TPE) zwykle wymagają użycia odpowiedniego podkładu, ale też wiążą się z cyjanoakrylanami.