Možnosti ovlivnění pevnosti lepených spojů u vybraných typů polymerů

Ing. Martin BEDNAŘÍK

Doctoral thesis

Possibilities of Influencing the Strength of Bonded Joint at Selected Types of Polymers

Abstract:

Lepení patří ke stále více používaným a rozvíjejícím se metodám tvorby nerozebíratelných spojů. Pevnost lepeného spoje, která do značné míry determinuje možnosti aplikací této technologie je ovlivněna mnoha faktory. Vedle druhu použitého lepidla hrají významnou roli vlastnosti povrchové vrstvy, a proto je velká pozornost věnována jejich úpravám a modifikacím. Mezi důležité metody modifikace vlastností polymerů patří radiační síťování. V současné době nejvíce využívaným zářením k síťování polymerů je ionizační beta záření, které ovlivňuje mimo mechanických vlastností také povrchové vlastnosti a chemickou a teplotní odolnost. Disertační práce se zabývá vlivem ionizačního beta záření na vlastnosti povrchové vrstvy u materiálů LDPE, HDPE a PP a také na výslednou pevnost lepených spojů. V teoretické části jsou popsány základní teorie adheze a také možnosti modifikace povrchových vlastností za účelem zvýšení pevnosti lepeného spoje. Značná část je věnována problematice ozařování polymerů se zaměřením na ionizační beta záření. Z teorií adheze bylo mimo jiné zjištěno, že pro vytvoření kvalitního lepeného spoje by měla mít povrchová vrstva lepeného materiálu dobrou účinnost smáčení, což je charakterizováno nízkými hodnotami kontaktních úhlů smáčení, měli by se na ní vyskytovat reakceshopné funkční skupiny (karbonylové, hydroxylové aj.) a lepený materiál by měl mít vyšší povrchovou energie než smáčecí kapalina (lepidlo). V experimentální části práce byly nejdříve popsány základní vlastnosti použitých materiálů a lepidel a následně byl zkoumán vliv ionizačního beta záření na povrchové vlastnosti a výslednou pevnost lepených spojů. Za účelem posouzení změn vlastností povrchové vrstvy v důsledku ozáření bylo využito měření kontaktních úhlů smáčení, volné povrchové energie a také bylo zkoumáno relativní zastoupení kyslíkatých funkčních skupin (karbonylových a hydroxylových), k jejichž posouzení byla použita infračervená spektrometrie. Z výsledků měření kontaktních úhlů smáčení bylo zjištěno, že se zvyšující se dávkou záření dochází k jejich výraznému poklesu. Pokles kontaktních úhlů smáčení sebou přináší enormní zlepšení smáčecího účinku povrchové vrstvy. Pokles byl zaznamenán u všech použitých kapalin i zkoumaných materiálů. Nejnižších hodnot kontaktních úhlů a tím i nejlepší smáčivosti povrchové vrstvy bylo dosaženo u materiálů LDPE a HDPE dávkou 165 kGy. U materiálů PP to byla dávka 66 kGy. U volné povrchové energie došlo se zvyšující se dávkou záření k extrémnímu navýšení. Tento nárůst sebou přináší markantní zlepšení adhezních vlastností, které měli zásadní vliv na konečnou pevnost lepených spojů. U materiálu LDPE a HDPE se jako nejvhodnější dávka, z hlediska volné povrchové energie, jeví 165 kGy, díky které její hodnoty vzrostly až téměř o 90 % vůči nemodifikovanému materiálu. U materiálu PP to byla opět dávka 66 kGy u které byl zaznamenán nárůst o přibližně 60 %. Výsledky z infračervené spektrometrie prokázaly, že modifikace ionizačním beta zářením zvyšuje zastoupení kyslíkatých funkčních skupin (karbonylových, hydroxylových) u všech zkoumaných materiálů. Při měření pevností lepených spojů bylo zjištěno, že se zvyšující se dávkou záření jejich pevnost roste. U materiálů LDPE a HDPE byly zjištěny nejvyšší nárůsty v pevnosti při vyšších dávkách záření (99 až 198 kGy), kdežto u materiálů PP bylo maximálního navýšení dosaženo v některých případech již při nejnižší dávce záření (33 kGy). Z naměřených výsledků lze konstatovat, že ionizační beta záření výrazně zlepšuje smáčivost, zvyš

Abstract:

uje volnou povrchovou energie a relativní zastoupení kyslíkatých skupin. V důsledku změn vlastností povrchové vrstvy dochází k enormní nárůstu výsledné pevnosti lepených spojů u materiálů LDPE, HDPE a PP.

Abstract:

Bonding is and increasingly used, evolving method for the permanent joints formation. Strength of bonded joint determining the application of this method depends on many factors. Besides the type of adhesive used, properties of the surface layer have considerable influence and therefore a great importance is dedicated to their adjustments and modifications. Radiation crosslinking belongs among important methods for modification of polymers properties. Currently, the most used radiation for crosslinking polymers is ionizing beta radiation, which affects the mechanical properties but also surface properties and chemical and heat resistance. This doctoral thesis examines the influence of ionizing beta radiation on the properties of surface layer of LDPE, HDPE, and PP and on the final strength of bonded joints. The theoretical part describes the basic theory of adhesion and also possibilities of surface properties modification to increase the strength of bonded joints. A significant part is devoted to irradiation of polymers with a focus on ionizing beta radiation. From adhesion theories it follows that to create a good quality bonded joint the surface layer should have a good effectiveness of wetting. This is characterized by low values of the contact angle of wetting. Functional groups (carbonyl, hydroxyl, and others) should exist on the surface layer and bonded material should have a higher surface energy than the wetting liquid (adhesive). In the experimental part of this thesis are described the basic properties of the used materials and adhesives, subsequently, the influence of ionizing beta radiation on the surface properties and on the final strength of bonded joints were studied. In order to assess changes in the properties of the surface layer due to irradiation, contact angle of wetting, surface free energy were measured, and also relative abundance of functional groups (carbonyl and hydroxyl) was examined. Infrared spectrometry was used for their assessment. From the result of the contact angle measurements it was found that with an increasing radiation dose their values significantly decline. Decrease of the contact angle of wetting brings enormous improvement of the wetting effect of surface layer. Such a decrease was recorded for all the liquids and researched materials. The lowest values of contact angles and the best wettability of the surface layer of LDPE and HDPE were achieved with a dose of 165 kGy. For PP it was a dose of 66 kGy. Values of surface free energy increased extremely with an increasing radia-tion dose. This increase brought an enormous improvement of adhesive properties that had fundamental influence on the final strength of bonded joints. For LDPE and HDPE the most suitable dose, in terms of surface free energy, seems to be 165 kGy due to which its value increased by almost 90 % compared to the unmodified material. For PP it was a dose of 66 kGy for which there was an increase of approximately 60 %. The results of infrared spectroscopy showed that modification by ionizing beta radiation increased the representation of the functional groups (carbonyl, hydroxyl) for all the studied materials. When measuring the strength of bonded joints it was found that with an increasing radiation dose increases their strength. For LDPE and HDPE the biggest increases in strength were detected at higher doses of radiation (from 99 to 198 kGy), while for PP the maximum increase already was reached at the lowest dose of radiation (33 kGy). From the measured results it can be stated that ionizing beta radiation significantly improves wettability, increases the surface free energy and the relative abundance of functional groups. As a consequence of changes in the properties of the surface layer, an enormous increase in the final strength of bonded joints of LDPE, HDPE and PP occurs.

Keywords

Lepení, lepený spoj, adheze, ionizační beta záření, radiační síťování, kontaktní úhel smáčení, volná povrchová energie, oxidace, LDPE, HDPE, PP.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 4. 2015

Accessible from:: 6. 4. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 3. 6. 2015
• Supervisor: doc. Ing. David Maňas, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Process Engineering / Tools and Processes