مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون

عملیات های شیمیایی بر روی سطوح فلزی

هدف عملیات های شیمیایی بر روی یک سطح فلزی، عموماً هم موجب حذف لایه ی اکسیدی ناخواسته می شود و هم موجب حذف لایه ی مرزی تضعیف شده می شود. عملیات های شیمیایی همچنین موجب ایجاد زبری های سطری در مقیاس میکروسکوپی می شود که این مسئله موجب می شود تا ساختار اتصال بهتر ایجاد گردد.
سطوح فلزی عموماً دارای ترکیبی از اکسیدها، سولفیدها، کلریدها، نمک های اسیدی، رطوبت جذب شده، روغن و گازهای جذب شده، می باشد. این لایه های مرزی ضعیف در طی فرایند تولید فلز و همچنین فرایندهای متعاقب، بر روی سطح ایجاد شده اند. ساختارهای سطحی منتج شده، معمولاً به طور ضعیف بر روی فلز پایه ایجاد شده اند و از این رو، مستعد ترک خوردن و متورق شدن، هستند. در بسیاری از زیرلایه های فلزی، این کافی نیست که تنها لایه های مرزی تضعیف شده را بزداییم. سطوح فلزی خالص و تهی از اکسید، ممکن است فعالیت بالایی داشته باشد و از این رو، لایه های ناخواسته و محصولات خوردگی می تواند به سرعت تشکیل شود. بنابراین، آماده سازی سطحی باید تنها سطوح اولیه را از بین ببرد و می توان پوشش های سطحی مناسبی بر روی سطح ایجاد گردد تا بدین صورت، از سطح در فاصله ی زمانی عملیات سطحی تا ایجاد اتصال، محافظت شود.
بهترین روش برای زدایش مواد سطحی، روش مکانیکی است که قبلا در مورد آن صحبت شده است. به هر حال، استفاده از مواد شیمیایی و روش های شیمیایی موجب می شود تا مواد سطحی سطحی زدایش یابد. با این فرایندها، اکسیدهای فلزی سطحی به طور مؤثر و سریع حل می شود و سطح بالک عاری از اکسید تشکیل می شود. شستشو با اسید، ممکن است از یک سیستم اسپری و یا غوطه وری استفاده کند. اسید هیدروکلریک، سولفوریک و نیتریک، اغلب برای این کار استفاده می شود. اسیدهای خاص برای سطوح خاص استفاده می شوند. البته نوع اکسید ایجاد شده بر روی سطح نیز موجب می شود تا نوع اسید مورد استفاده تغییر کند. شستشو و خشک کردن زیرلایه مراحل بسیار مهمی می باشند به نحوی که تمام اسیدها و محصولات فرعی حاصل از واکنش اسید با سطح، به طور کامل با استفاده از این فرایند خارج می شوند. یک حد از رسوب شویی با اسید باید به گونه ای باشد که تغییرات ابعادی چشم گیر، ایجاد نگردد.
فرایندهای اچ شیمیایی مشابه فرایندهای اسیدشویی هستند به جز اینکه محلول های پیچیده تری در فرایند اچ شیمیایی، استفاده می شود. این فرایندهای آماده سازی سطحی نه تنها موجب حذف لایه های سطحی می شود، بلکه موجب می شود تا سطح تغییر ماهیت دهد و از لحاظ شیمیایی فعال گردد. در این حالت، سطح برای ایجاد اتصال مناسب تر است. فرایندهای اچ معمولی برای آلومینیوم شامل استفاده از اسید کرومیک- سولفوریک و یا اسید فسفریک می باشد. فرایندهای بر پایه ی اسید سولفوریک به طور متداول برای فولادها استفاده می شوند. فرایندهای چند مرحله ای نیازمند توجه به کنترل دقیق، توجه به مسائل ایمنی و موضوعات محیط زیستی می باشد.
خوردگی بسیاری از سطوح فلزی فوراً بعد از حذف روغن های محافظ و یا آلودگی ها، شروع می شود. خوردگی می تواند به سرعت اتصال را تحت اثر قرار دهد و موجب تشکیل یک لایه ی مرزی تضعیف شده می شود. این لایه ی تضعیف شده، چسبندگی را کاهش می دهد. خوردگی می تواند بعد از ایجاد اتصال نیز رخ دهد و از این رو، در صورت تشکیل خوردگی در سطح چسبندگی، عمر مفید اتصال کاهش می یابد. سایش مکانیکی و تمیزکاری با حلال می تواند موجب تشکیل اتصال چسبندگی مناسبی شود که در شرایط خشک، اتصال بسیار خوبی دارند. به هر حال، این مسئله وقتی اتصال تحت محیط رطوبت دار باشد، مد نظر نمی باشد. این حقیقت در شکل 1 نشان داده شده است.
یک تعداد از روش ها، برای کاهش واکنش پذیری سطحی، پیشنهاد شده اند. سه فرایند تبدیل متداول، فسفاته کردن سطحی، آنودایزینگ و کروماته کردن سطحی می باشد. این فرایندها موجب حذف غیر یکنواختی های سطحی و لایه های تضعیف شده می شود و موجب می شود تا این سطوح، به سطوحی مستحکم، با ثبات و با قابلیت تولید مجدد، تبدیل شوند. نوع فرایندهای تبدیل به زیرلایه، طبیعت لایه ی اکسیدی و نوع چسب یا ماده ی آب بندی، وابسته می باشد. تشکیل پوشش های غیر رسانا بر روی سطوح فولادی، اثر خوردگی گالوانیکی را مینیمم می کند.

طبیعت کریستالی یک پوشش فسفاتی، به طور نرمال، موجب افزایش خواص اتصال دهی یک سطح می شود. دو نوع متداول تر از پوشش های فسفاتی، پوشش های آهنی و روی می باشد. این سطوح با عملیات سطحی با محلول های حاوی فسفات روی و آهن، انجام می شود. پوشش های فسفات آهن به سهولت اعمال می شوند و از لحاظ محیط زیستی، پوشش های زیست سازگاری هستند. پوشش های فسفات روی محافظت خوردگی بهتری مهیا می کنند. این کار بوسیله ی انجام آزمون های واقعی بر روی قطعات نهایی، انجام می شود.
برای آلومینیوم، آنودایزینگ بهترین دوام را برای اتصال های چسبی، ایجاد می کند. این فرایند بوسیله ی صنعت اتومبیل و هواپیما، استفاده می شود. محافظت خوردگی بوسیله ی آنودایزینگ یک سطح آلومینیومی تمیز با استفاده از حمام فسفریکی و یا الکترولیتی، ایجاد می شود. در آمریکا، آنودایزینگ با فسفریک اسید اغلب استفاده می شود زیرا سمیت این اسید پایین تر می باشد. در فرایند آنودایزینگ یک لایه ی اکسیدی تحت ولتاژ و شرایط دمایی مناسب، ایجاد می شود و از این رو، لایه ی حفاظتی بهتری ایجاد می شود. البته ضخامت پوشش باید به نحو خوبی تنظیم شود.
پوشش های تبدلی کروماتی، در برخی فلزات مانند آلومینیوم، روی، منیزیم و آلیاژهای مس، مناسب می باشند. این پوشش ها موجب افزایش چسبندگی و محافظت از سطح می شود. این پوشش ها، تافنسی بالا دارند و ساختار ژله ای هیدراته ی آنها با غوطه وری این فلزات در داخل محلول های حرارت داده شده از ترکیبات کروم دار، تشکیل می شود. ترکیبات کروم دار همچنین به صورت الکترولیتی بر روی فولاد اعمال می شود.

عملیات های شیمیایی بر روی سطوح پلیمری

اصلاح شیمیایی سطوح پلیمری با انرژی پایین ممکن است با عملیات حرارتی این سطوح با اسید کرومیک، و محلول های کمپلکس سدیم دار، عوامل شوینده، پتاسیم یدات/ سولفوریک اسید و سایر مخلوط ها، انجام شود. مواد شیمیایی مورد استفاده و شرایط عمل آوری نیز به نوع پلیمر و میزان چسبندگی مورد نیاز، وابسته می باشد.
عمل اوری سطحی شیمیایی سطوح پلیمری عموماً سخت تر از سطوح فلزی است و این کار نیازمند در نظر گرفتن ملاحظات بیشتر می باشد. محصولات پلیمری اغلب حاوی پیگمنت ها، آنتی اکسیدان ها، عوامل لغزنده، عوامل جداساز قالب و ... می باشد و این افزودنی ها می توانند به سطح مهاجرت کنند و در فرایندهای سطحی، دخالت کنند. تغییرات اندکی که در فرمولاسیون پلیمری و در طی فرایند تولید ایجاد می شود، ممکن است موجب تغییر در شرایط سطحی و اثربخشی عملیات های سطحی شود. بسته به فرمولاسیون دقیق و روش های تولید، سطوح می توانند به طور قابل توجهی از قطعه ای به قطعه ی دیگر، متفاوت باشد. پلیمرهایی که بوسیله ی سطوح فلزی گرم و قالب، شکل دهی شده اند، ممکن است دارای ویژگی های سطحی بسیار متفاوتی داشته باشند. دمای ذوب و نرخ سرد کردن، می تواند بر روی ویژگی های سطحی پلیمر، اثرگذار باشد. کنترل کریستالیزاسیون سطحی در طی فرایند تولید پلاستیک، بسیار مهم می باشد. شرایط قالب گیری می تواند میزان کریستالینیتی پلیمر را تغییر دهد. نواحی کریستالی نرمال استعداد اچ شدن کمتری نسبت به نواحی آمورف دارند.
به هر حال، از این مهم تر، این حقیقت است که عملیات های سطحی بر روی مواد پلیمری به زمان عملیات سطحی، وابسته می باشند. عملیات های سطحی خاص می تواند با سایش و یا برخورد قطعات با دمای بالا، انجام شود. این بهتر است که قطعات پلیمری را به محض انجام عملیات سطحی، بچسبانیم. عمر مفید واقعی قطعات پلیمری عمل آوری شده، به طبیعت قطعه، میزان عمل آوری و شرایط ذخیره سازی و نوع عملیات سطحی، وابسته است.
عوامل اچ مایع می تواند برای اصلاح شیمیایی و حل کردن آلودگی های سطحی، استفاده شود. عوامل اچ کننده به طور مؤثر می توانند قطعات با شکل غیر منظم را عمل اوری کنند. انتخاب عوامل اچ کننده ی مایع به نوع پلیمر وابسته می باشد. پلی اولفین ها عموماً با اسیدهای اکسید کننده مانند اسید کرومیک، سولفوریک، نیتریک و یا مخلوطی از آنها، عمل آوری می شوند. فلئوروکربن ها معمولا با محلول های اچ کننده ی سدیم نفتالن عمل آوری می شوند.
برای تسهیل فرایند اچ کننده، حذف آلودگی های آلی باید ابتدا با عوامل تمیزکننده ی شیمیایی و به صورت پسیو انجام می شود. برخی اوقات، چربی زدایی با حلال پیش از اچ کردن مورد استفاده قرار می گیرد تا بدین صورت سطح پلیمری نرم شود و متورم شود. محلول های اچ کننده ی شیمیایی برای زیرلایه های پلیمری می تواند براساس دستورالعمل های خاص انجام شود. دمای این عملیات های اچ شیمیایی سطحی، عموماً بین 122 تا 140 درجه ی سانتیگراد می باشد تا بدین صورت اطمینان حاصل شود که فرآوری سریع بر روی سطح انجام گردد. اسید های مورد استفاده موجب می شوند تا سطح پلیمری تغییر کند و حتی سطوحی زبر و متخلخل تشکیل گردد. طبیعت این اصلاح سطحی به پلیمر و ماده ی اچ کننده ی مورد استفاده، وابسته می باشد. برای مثال اسید کرومیک سطوح پلی اولفین را اکسید خواهد کرد. این در حالی است که فرایند اچ با سدیم نفتالن موجب می شود تا اتم های کلر از سطح فلئوروکربن ها، حذف شود. با افزایش زمان اچ کردن، یک ساختار سطحی تضعیف شده می تواند تشکیل شود که برای اهداف اتصال دهی، مناسب نمی باشد. به عنوان یک نتیجه، فرایند عمل آوری سطحی باید به سادگی انجام شود. حذف کامل عوامل شیمیایی اچ کننده با استفاده از فرایند شستشو انجام می شود. در واقع فرایند شستشو برای این کار الزامی است. عوامل اچ کننده ی فعال می توانند به طور پیوسته با سطح واکنش دهند و از این رو، برخی اوقات، ماندن بیش از حد این مواد بر روی سطح، موجب تخریب سطحی می شود.
چندین روش عمل اوری شیمیایی جدید برای زیرلایه های پلیمری توسعه یافته اند. بیشتر این توسعه ها، به دلیل استفاده ی روز افزون از پلاستیک های مهندسی در کاربردهای خاص می باشد. فرایندهای جدیدتر، شامل عمل آوری کلر، گرافت کردن ایجاد سایش چسبنده می باشد.
عمل آوری کلر پلاستیک ها برای چسبندگی بهبود یافته، یک فرایند نسبتا جدید می باشد. در این فرایند، یک سطح جدید برای پلیمر ایجاد می شود. این سطح جدید که در برخی جاها، در تماس با چسب هستند، یک سطح قطبی است که دارای انرژی سطحی بالاتری است. یک چنین عملیات های سطحی مهندسی شده ای که بر روی پلی پروپیلن و پلی اتیلن ایجاد شده است، موجب شده است تا استحکام پوسته ای این مواد در زمانی که این قطعات با چسب اپوکسی به هم متصل می شوند، افزایش یابد. شواهد نشان می دهد که تشکیل پیوند کوالانسی میان سطوح فلئور دار و اجزای آمین دار هاردنر چسب اپوکسی، یکی از عوامل افزایش استحکام این قطعات می باشد. این ادعا شده است که تمام سطوح پلاستیکی را می تواند به صورت مؤثر با عملیات فلئوردار کردن، اصلاح کرد.
یکی دیگر از روش های عملیات سطحی فعال، گرافت کردن مونومرهای قطبی بر روی سطوح با انرژی پایین و در نتیجه تغییر سطحی با استفاده از ایجاد سطوح قطبی می باشد. پوشش های خیلی نازک می تواند بوسیله ی تکنولوژی پلاسمایی بر روی سطح، ایجاد گردد. بهبودهای قابل توجه در استحکام پیوند بر روی زیرلایه های پلی اولفینی و چسب های اپوکسی انجام شده است. به هر حال، در مقیاس تجاری، این رویه ها، نیازمند سرمایه گذاری های قابل توجه هستند و همچنین در این فرایندها، نیاز به استفاده از مواد شیمیایی خطرناک می باشد. استفاده از پرایمرهای سطحی و افزایش دهنده های قابلیت چسبندگی بر روی سطوح پلیمری، مناسب ترین راه برای خطوط تولید صنعتی می باشد.
سایش چسبندگی فرایندی است که برای زیرلایه های پلیمری مانند فلئوروکربن ها، کاربرد دارد. این روش در اصل در صنعت میکروالکترونیک، استفاده می شود. با استفاده از این فرایند، سطوح پلاستیکی در زمان غوطه وری در مایع چسب، ساییده می شود. زیرلایه های سایش یافته سپس به سرعت جفت شده و عمل آوری می شوند. سایش در حضور مایع چسب، موجب می شود تا رادیکال های آزادی تشکیل شود که به صورت مستقیم با چسب واکنش می دهند و اتصال را بهبود می دهند.
اگر چه استحکام پیوند می تواند به طور قابل توجهی با استفاده از روش های شیمیایی بهبود یابد، بیشتر این فرایندها، فرایندهای زمان بری هستند و اغلب ساعت های زیادی برای فرایند عمل آوری مورد نیاز است. همچنین مشکلات زیست محیطی نیز از جمله مشکلات روش های شیمیایی می باشد. بنابراین، استفاده از اکثر این روش ها، در مقیاس بزرگ، مناسب نمی باشد.
بسیاری از صنایع وجود دارد که نیازمند اتصال سریع زیرلایه ها، می باشند. بسیاری از کاربردهایی که در آنها، حجم تولید بالاست و از پلیمرهای ترموپلاست استفاده می شود، جوشکاری گرمایی و یا فرایند مونتاژ با کمک حلال، می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
عملیات های سطحی فیزیکی و فعال برای مواد پلیمری
به دلیل محدودیت های اصلی عملیات های شیمیایی، یک تعداد از عملیات های سطحی فعال دیگر برای مواد پلیمری توسعه یافته است. این فرایندها، از واکنش پذیری سطح پلیمری استفاده می کنند و بدین صورت تغییراتی ایجاد می شود که برای چسبندگی مناسب است. به جای محلول های شیمیایی، این اصلاحات سطحی عموماً از طریق روش های فیزیکی مانند روش شعله ای، تخلیه ی الکتریکی، اشعه ی UV و یا لیزر، انجام می شود.
تخلیه کرونا (Corona discharge)
تخلیه ی کرونا یک روش متداول در عملیات های سطحی خشک برای لایه های پلیمری می باشد. هدف این عملیات ها، ایجاد یک سطح پلیمری است که میزان دریافت جوهر یا پوشش آن، بیشتر است. به هر حال، این روش به طور مؤثر برای ایجاد اتصال، مورد استفاده قرار می گیرد. این اعتقاد وجود دارد که این عملیات سطح پلیمرها را به نحوی اکسید می کند که جوهر، پوشش و یا چسب، می توانند در داخل سطح آن نفوذ کند. متداول ترین روش های مورد استفاده در عمل اوری سطحی با اکسیداسیون، عملیات تخلیه ی کرونا و عمل آوری با شعله می باشد. برای لایه های نازک، روش کرونا، روش ترجیح داده شده می باشد.
شماتیک شکل 2 نشاندهنده ی دو فرایند عمل آوری لایه های نازک و کاغذ پوشش دار با استفاده از ادوات عمل اوری کرونا می باشد. ادوات الکتریکی، در اصل شامل یک ژنراتو فرکانس بالا (10-20 kHz)، یک الکترود متحرک که به ژنراتور متصل می شود و یک غلطک خاص می باشد که به عنوان الکترود ارت عمل می کند. موادی که مورد عمل اوری قرار می گیرند، بر روی این غلطک حرکت می کنند. یک ولتاژ مناسب مثلا 20 kV میان دو الکترود ایجاد می شود. این مسئله موجب می شود تا یک تخلیه ی جرقه ای یا کرونا با یونیزاسیون هوای میان شکاف میان الکترودها، ایجاد شود. ذرات یونیزه شده در شکاف هوایی ساختار سطحی را بمباران کرده و در آن نفوذ می کنند. الکترون های آزاد و یون های به زیرلایه برخورد به نحوی که پیوندهای مولکولی سطح بیشتر مولکول ها، شکسته می شوند. این مسئله موجب می شود تا رادیکال های آزادی تشکیل شوند که به سرعت با اکسیژن واکنش می دهند و موجب تشکیل گروه های شیمیایی قطبی بر روی زیرلایه می شوند. این مسئله موجب افزایش انرژی سطحی در نقاطی می شود که باید اتصال ایجاد شود.

ادوات عملیات کرونا ارزان قیمت و تمیز هستند و کار با انها ساده می باشد. پارامترهایی که به صورت مثبت بر روی بازده این فرایند عمل اوری، مؤثر می باشند، شامل توان ورودی و دما می باشد. در حالی که سرعت خط و میزان رطوبت اثر منفی بر روی بازده این فرایند دارند. لایه های ذخیره شده عموماً با سختی بیشتری عمل آوری می شوند (نسبت به فیلم هایی که دقیقا پس از فرآوری، عمل اوری شده اند). برای لایه های ذخیره سازی شده، فرصت حرکت و مهاجرت افزودنی ها و حرکت آنها به سمت سطح فیلم، بیشتر است. این آلودگی های سطحی موجب می شود تا بازده عملیات کرونا، افت کند.
عملیات کرونا در اصل برای لایه ها مناسب است اگر چه ظرف ها نیز می توانند با این روش عمل آوری شوند. حداکثر ضخامت صفحه ای که می تواند با فرایند کرونا، عمل اوری شود، 0.025 اینچ می باشد. به هر حال، عملیات های قوس الکتریکی نیز برای برخی از قطعات اتومبیل استفاده می شوند که ضخامت برخی از آنها به یک هشتم اینچ نیز می رسد. بهبودهای مربوط به استحکام در قطعات پلی پروپیلن محتوی پرکننده ی تالک، که با چسب های با قابلیت ذوب حرارتی به هم متصل شده اند، نیز چشم گیر است.
عملیات تخلیه ی کرونا، به صورت تجاری برای عمل اوری زیرلایه هایی مانند کاغذهای پوشش داده شده با فیلم ها و پلیمرها، مورد استفاده قرار می گیرد. بعد از اعمال این فرایندها، بر روی فیلم های پلیمری، چاپ انجام می شود. پلیمرهایی که به طور متداول با استفاده از این فرایند عمل اوری می شوند، عبارتند از پلی اتیلن، پلی پروپیلن و پلی اتیلن ترفتالات. سطوح لایه های فلئوروکربن ها نیز در محیطی به غیر از هوا، با روش کرونا، عمل اوری می شود. سطوح فویل های فلزی نیز با فرایند کرونا عمل اوری می شود اما اثر آن متوسط است. احتمالا این مسئله به دلیل آلودگی های آلی ایجاد می شود که به دلیل اکسیداسیون سطحی، ایجاد می شود.
منبع:
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.