Sammenføying av plast

I denne artikkelen skal vi se nærmere på tre metoder for å sammenføye plastmaterialer og plast med andre materialer. Disse tre metodene er liming, mekanisk sammenføying og sveising.

Vi kan oppnå vedheft mellom like og ulike materialer på tre måter. Disse er mekanisk heft, termodynamisk heft og kjemisk sveising.

Mekanisk heft

Mekanisk heft får man ved at et limmateriale kryper inn i porene i materialoverflaten og herder der. Limet «griper seg fast» i overflatene og har liten eller ingen vedheft utenom. Denne typen limforbindelse kan oppnås hvis materialoverflaten er poret eller kraftig opprubbet. Men forbindelsen er svak, og metoden har liten praktisk anvendelse ved liming av plast.

Termodynamisk heft

Termodynamisk binding er binding (tiltrekningskrefter) mellom molekylene i lim og materiale. Det krever kort avstand mellom molekylene, og for å oppnå en slik binding må limet krype helt inn i materialoverflaten. Forutsetningen for at limet skal trenge inn i og fukte overflaten, er at det har lavere overflatespenning enn materialet det skal lime. Plastmaterialene har relativt lav overflatespenning, og derfor er plastmaterialer spesielt krevende å lime. Valg av riktig lim til plasttypen er veldig viktig.

Kjemisk sveising

Kjemisk sveising foregår ved at overflaten til plastmaterialene løses opp og presses sammen, slik at materialoverflatene «blandes». Når løsemidlet er dampet bort, synes ikke det markerte grensesjiktet mellom de to materialene – man har fått tilnærmet helt gods.

Forutsetningen for en god forbindelse er at løsemidlet løser opp plasten raskt, og at det fordamper så sent at flatene er løst opp før de blir sammenføyd, men samtidig så raskt at ikke ventetiden som flatene må være i ro, blir for lang. Det er også viktig at det ikke er for mye løsemiddel på limflatene. Løsemidlet må nemlig diffundere ut gjennom materialet/limfugen for at man skal oppnå fullstyrkeliming.

Adhesjon og kohesjon

Det er to hovedbegreper knyttet til lim og liming: adhesjon og kohesjon. Adhesjonsliming er sammenføying av materialer ved hjelp av et limstoff som «kleber» materialene sammen, altså termodynamisk heft. Fordelen med denne typen lim er at ulike materialer kan sammenføyes, både ulike plasttyper og plast mot andre materialer. Videre er det mulig å oppnå fyllende og fleksible limfuger som både gir tette og holdbare forbindelser.

Ulemper med disse limtypene er at de i utgangspunktet ikke har samme egenskaper som materialene som skal limes, og at de derfor må velges spesielt ut fra belastningen det aktuelle produktet skal utsettes for.

Mange av limtypene er også utsatt for fuktighet, noe som kan medføre gradvis dårligere vedheft eller en hurtig svekkelse av limforbindelsen. Styrken i limforbindelser blir ikke like stor som ved løsemiddelliming. Et viktig kriterium for en god limforbindelse med denne typen lim er at det blir god vedheft mellom lim og materiale.

Kohesjon er sammenbindingskreftene i selve limet – kreftene som holder limet sammen. For at limet skal virke, må det fukte det materialet det skal lime. Skal limet fukte et materiale, må det ha lavere overflatespenning enn materialet. Dersom limet har lavest overflatespenning, vil det spre seg utover og trenge inn i mikrosprekker og dekke hele overflaten på materialet. Det er nødvendig for å få godt vedheng. Skal limet spre seg på overflaten, må det være flytende.

De ulike limsortene kan vi dele inn i de følgende gruppene:

Kjemisk herdende lim

Kjemisk herdende lim finnes både som enkomponent- og tokomponentlim. Tokomponentlimet herder ved at to reaktive stoffer blir blandet sammen. Enkomponentlim kan utnytte fuktigheten i luften som herder. Det kan herde ved oppvarming eller ved en katalytisk påvirkning fra materialet.

Fysisk tørkende lim

Fysisk tørkende lim klistrer seg fast ved at et løsemiddel fordamper. Løsemidlet kan være vann.

Fysisk størknende lim

Fysisk størknende lim må påføres mens det er smeltet. Virkningen av limet kommer når limet størkner.

Forbehandling av limflatene kan deles inn i disse tre operasjonene:

Sliping

Sliping av overflaten har til hensikt å fjerne urenheter, oksidbelegg og øke kontaktflatene. Sliping er en grov og radikal måte å bearbeide en limflate på. Normalt bør man bruke en fin korning på slipeverktøyet eller finslipe flaten før liming. En grov overflate gir ikke bedre heft enn en finslipt – den øker bare limforbruket, da man må påføre en større mengde lim for å få dekket «toppene» av overflaten.

Rengjøring

Rengjøring av limflaten har til hensikt å fjerne urenheter og fett som kan hindre fukting og god kontakt mellom lim og plast. Vasking av flatene med en klut eller en fille fuktet i løsemiddel er ikke noen god metode. Fett og urenheter vil da bare bli tynnet ut og så bli «fylt» ned i porene i materialet. Dypping av materialet i løsemiddel kan være mer effektivt, men da vil det dannes en hinne av løst fettholdig smuss som vil sette seg på overflaten og sørge for dårlig heft.

Den beste metoden er antakelig vasking av overflaten i varmt vann tilsatt et fettløsende vaskemiddel. Da løsner smusset fra overflaten og kapsler det inn, slik at det kan skylles av. Metoden krever at flatene må tørkes før lim kan påføres.

Overflatebehandling

Overflatebehandling av limflaten har til hensikt å gjøre den lettere å lime, for eksempel ved å øke overflatespenningen og dermed sørge for bedre fukting. Etsing, flammebehandling eller elektronbombardering av overflaten er behandlingsmetoder som øker plastens polaritet og overflatespenning. Det er helst plaster med lav overflatespenning, for eksempel PP, PEH og PVDF, som må forbehandles for å lette limeprosessen.

Film fra YouTube som viser liming av plast

Skrueforbindelser

Med skrueforbindelser kan vi føye sammen deler av ulike materialtyper, som to ulike termoplaster, termoplast og herdeplast, og plast og metall. Skrueforbindelsen kan være med gjennomgående bolter eller med gjenger i plasten.

Gjennomgående bolter

Når vi skal lage en sammenføying med gjennomgående bolt, må vi ta hensyn til at plast har større utvidingskoeffisient enn stål eller metall. Det vil si at hullet ikke må være for trangt. Plast er, som vi vet, svakere enn stål. Derfor må vi fordele kreftene rundt hode og mutter på en større flate. Det gjør vi ved å bruke store skiver.

Vi må ikke bruke skruer med senkehode i plast. De sprenger materialet. Dersom materialet har liten bruddforlenging, slik det er med for eksempel PMMA, kan vi få brudd. Er det et materiale med stor bruddforlenging, vil det over tid gi etter, og forbindelsen løsner.

Gjengeforbindelse

Forbindelse med gjenger i plasten er mest aktuelt for små skruer, og selvgjengende skruer blir mest brukt. De kan deles inn i to grupper: gjengeskjærende og gjengeformende skruer.

Gjengeskjærende skruer er herdet og utformet slik at de skjærer gjenget med enden av skruen. De krever liten tildragingskraft og gir liten sprengvirkning og stuking av materialet rundt skruehullet. Gjengeskjærende skruer er mest benyttet på herdeplast.

Gjengeformende skruer er herdet og utformet slik at de former gjenget ved å trenge unna materialet rundt skruehullet. Disse skruene blir mest brukt til termoplast. De tåler vanligvis bedre at materialet blir presset unna rundt skruehullet. Tendensen til å løsne er liten, og de har også mindre tendens til å ødelegge gjengene når de blir skrudd inn og ut flere ganger. Det kreves større kraft når vi skrur inn disse skruene.

Generelt

Sveising av termoplast kan vi definere slik: å føye sammen termoplaster ved å smelte kontaktflatene sammen, med eller uten bruk av tilsatsmateriale eller sveisetråd.

Sveising er en sammenføyingsmetode der grunnmaterialet blir smeltet i sammenføyingsflatene. For at vi skal kunne sveise et materiale, må vi derfor kunne smelte det. Termoplastene kan sveises, mens herdeplastene ikke kan sveises.

I prinsippet kan alle termoplaster sveises. Men molekylstørrelsen og molekylstrukturen til materialet avgjør hvor lett det lar seg gjøre i praksis.

Når vi sveiser, varmer vi materialet opp til smeltetemperatur eller til termoplastisk tilstand. Dette er et generelt vilkår for sveising av alle materialer. Men det er to materialegenskaper ved termoplast som skiller plastsveising fra metallsveising.

1. På grunn av de lange, trådformede molekylene er plasten seigtflytende i smeltet tilstand.
2. Fordi plasten har dårlig varmeledningsevne, smelter vi bare et tynt overflatesjikt, både på grunnmaterialet og sveisetråden.

På grunn av disse to egenskapene bruker vi et visst trykk når vi sveiser termoplast. Dette gjør vi for å få de trådformede molekylene i grensesjiktet til å «filtre seg sammen». For å få en god sammenfiltring må materialet ha omtrent samme viskositet.

I praksis vil det si at de delene vi vil sveise sammen, må være av samme type. Men det finnes mange varianter av det samme materialet. Vi har derfor ingen garanti for å få en god sveis selv om delene vi sveiser sammen, begge er av for eksempel PE. For å være sikret en god sveis må materialet ha omtrent samme molekylvekt (smelteindeks, viskositet). Det gjelder selvsagt både grunnmaterialet og sveisetråden.

Vi har disse parametrene ved termoplastsveising:

1. Temperatur. Med riktig temperatur gir vi materialet den gunstigste viskositeten.
2. Trykk. Med trykket filtrerer vi molekylene sammen i grensesjiktet.
3. Tid. På grunn av at plast leder varme dårlig, størkner materialet sent. Vi må derfor holde sveisetrykket oppe en tid.

Den generelle framgangsmåten ved sveising er å

• forberede sveisefugen i henhold til den sveisemetoden vi skal benytte
• rengjøre sveiseflatene, varme sveiseflatene til sveisetemperatur (egentlig gi materialet rett viskositet)
• presse delene sammen
• kjøle ned mens vi holder trykket