Limning av sandwichmaterial

Transkript

1 Limning av sandwichmaterial Department of Aeronautical and Vehicle Engineering Division of Lightweight Structures Royal Institute of Technology (KTH) SE Stockholm, Sweden Monica Norrby Stockholm 29 Augusti

2 INNEHÅLL Inledning Adhesionskraft (Varför limmar lim?)... 4 Vätning En förutsättning för limning... 4 Viskositet och torktid Limning av termoplaster Limning av metaller Limning av kompositer Att välja lim Förbehandling av ytor som ska limmas Olika appliceringstekniker av lim Olika presstekniker vid härdning av lim Efterbearbetning Referenser

3 INLEDNING Ett sandwichmaterial består av två ytskikt och ett kärnmaterial. De vanligast förekommande materialen i ett ytskikt är en metall, plast eller fiberkomposit. Ett kärnmaterial utgörs i allmänhet av något icke organsikt material med låg densitet som är uppbyggt av små eller stora celler. Om de olika skikten redan är tillverkade och därmed färdighärdade finns det bara ett sätt att tillverka en sandwichpanel på och det är genom att limma ihop de olika skikten. Ska man vidare skapa ett förband mellan olika paneler är limning en utmärkt metod även för detta arbetsmoment. Både vid tillverkning och sammanfogning av sandwichpaneler gäller dock att det är viktigt att man använder ett lim som är anpassat för specifik produkt samt att komponenterna som ska limmas är preparerade på bästa sätt. Detta dokument ger en kort beskrivning av olika tillverknings- och limningstekniker vid produktion av sandwichpaneler. En kort beskrivning av limningens fysikaliska bakgrund och vad man framförallt bör tänka på vid limning av olika material finns också beskrivet i dokumentet. 3

4 1. ADHESIONSKRAFT (VARFÖR LIMMAR LIM?) Det finns olika teorier om varför limning ger vidhäftning [1]. En kallas mekanisk adhesion och den förklarar limning som en mekanisk bindning mellan skikt, detta till följd av att limmet kryper in i materialens håligheter och på så sätt skapar en bindning mellan ytorna. Denna teori kan förklara bindning mellan trä men ej limning av plast och metall. Som förklaringsmodell för limning av dessa material används här en senare teori som kallas termodynamisk adsorptionsteori och den bygger på att material med olika ytspänning skapar en molekylär bindning. Vid sammanfogning av två material med olika ytspänning är det materialens adhesionskraft som skapar bindningen mellan ytorna. En adhesionskraft är en naturlig dragningskraft och attraktionskraft som verkar mellan två atomer av olika slag, under förutsättning att atomerna 10 är belägna på ett avstånd som är mindre än 5 Å = 5 10 m. Detta avstånd kan jämföras med profildjupet på den slätaste ytan av ett homogent material som är känd, flampolerat glas, vilken har ojämnheter som motsvarar cirka 200 Å. Så för att åstadkomma ett avstånd om 5 Å över lite större yta mellan två homogena material måste därför ett tredje material som väter ytorna tillföras, ett så kallat lim. VÄTNING EN FÖRUTSÄTTNING FÖR LIMNING En förutsättning för adhesion är vätning. I detta sammanhang är vätning ett begrepp som beskriver om en vätska integrerar och tränger ner i ett material med en fast yta. Ett lims förmåga att väta ett homogent material är beroende av materialens ytspänning γ. Ett material i flytande form med lägre ytspänning än ett fast material väter det fasta materialet, Figur 1(a). Medan ett flytande material med högre ytspänning än det fasta materialet ej väter det fasta materialet utan snarare bildar små droppar på ytan, Figur 1(b). γ flytande lim γ homogent material flytande lim homogent material γ γ (a) Vätning av yta (b) Ej vätning av yta Figur 1: Vätning respektive ej vätning av yta. En förutsättning för limning är således att det material som används till lim har en lägre ytspänning än materialen som ska limmas. En lista över ytspänning för olika fasta och flytande material är illustrerad i Figur 2. 4

5 Ytenergi / Ytsp änning [mn/m] Fasta Flytande 5000 Diamant Glas Vatten Glycerol Platina Stål Aluminium Tenn Bly Natrium Is Tr ä Härdplaster Termoplaster Epoxy PVC 40 Polystyren Polyester(linj är) 30 Polypropylen Polyetylen Teflon 20 Epoxy limmer Polyuretan limmer Cyanoakrylat limmer Aromatiska kolv äten Bensin Etylalkohol Etyleter Figur 2: Ytspänning för fasta och flytande material. [2] VISKOSITET OCH TORKTID Två andra faktorer som påverkar vätning är limmets viskositet och dess torktid. Där viskositet betecknar hur lätt- eller trögflytande en vätska är och torktid anger tiden innan limmet stelnar. För att uppnå bästa vätning och därmed största kontaktytan mellan lim och underlag ska limmets viskositet helst vara låg och dess torktid lång. Tillverkningstekniska aspekter sätter oftast gränsen för hur lättflytande och vilken torktid ett lim i praktiken kan ha. 5

6 2. LIMNING AV TERMOPLASTER Termoplaster som är den materialgrupp med lägst ytspänning är i allmänhet svåra att limma, se Figur 2. Det finns olika metoder för att höja ytspänningen hos dessa material och därmed förbättra dess limegenskaper. Bland dessa metoder kan nämnas: coronabestrålning, behandling med lågtrycksplasma och olika kemiska behandlingar beroende på vilken termoplast som avses limmas [3]. Om möjlighet till ytspänningshöjande förbehandling saknas kan en tvångsvätning av termoplasten innan limning avsevärt förbättra hållfastheten i limfogen [3]. Tvångsvätning innebär att vått, ohärdat lim slipas in i ytskiktet med hjälp av ett grovt slipmaterial eller slipnylon. Efter tvångsvätning appliceras mer lim och limning slutförs på sedvanligt vis. 3. LIMNING AV METALLER Metaller har i allmänhet högre ytspänning än limmer och går därför bra att limma utan någon ytspänningshöjande förbehandling, se Figur 2. Däremot behöver även dessa ytor vara rena och släta. Viss förbehandling kan krävas för att skapa korrosionsresistenta ytor, så att ytan ej korroderar under limmet. 4. LIMNING AV KOMPOSITER En komposit består av ett matrismaterial (plast) och ett förstärkningsmaterial (fiber). Vid limning av kompositer är det framförallt matrismaterialet som integrerar med limmet och i störst utsträckning påverkar limbarhet och hållfasthet i limfogen [3]. Fibrer och fiberorientering kan ha viss inverkan då hållfastheten i en limfog ökar med en ökad styvhet hos ett laminat. Hållfastheten i limfogen ökar också med en minskad styvhet hos limmet varpå ett mer elastisk lim kan vara att föredra vid limning av kompositer. 5. ATT VÄLJA LIM Swerea IVF har genom ett flertal industrisammarbeten och industriprojekt utvecklat ett webbbaserat verktyg för val av lim. Utifrån inmatade data, på tex adherander och miljö föreslås lämpliga val av lim, se Vilken typ av indata som krävs finns beskrivna i Limma med kvalitet, se Figur 3 [1] utgiven av IVF. 6

7 Figur 3: Handbok från IVF. 6. FÖRBEHANDLING AV YTOR SOM SKA LIMMAS På alla ytor som ska limmas finns någon form av förorening, damm, fett eller olja till följd av tidigare bearbetning av ytan eller bara på grund av att ytan exponerats öppet en tid. För att minimera mängden förorenad yta och åstadkomma god vätning vid limning krävs därför (oftast) förbehandling av ytan. Att torka av ytan med någon form av lösningsmedel är en dålig metod att försöka rengöra en yta. Detta kan till och med försämra förutsättningarna för vätning då föroreningen smetas ut över en större yta. Goda exempel på förbehandlingsmetoder av förorenade ytor är till exempel [3]: - Tvättning med rengöringsmedel och vatten Tvättning med varmt vatten och ett rengöringsmedel är en enkel rengöringsmetod som är väsentligt bättre än tvättning med lösningsmedel. Ett rengöringsmedel av typen disk- eller tvättmedel bildar föreningar med smutspartiklar på ytan som sedan kan sköljas bort med rent vatten. Sköljning bör göras flera gånger. För optimal verkan kan den sista sköljningen innan torkning utföras med avjoniserat vatten. Torkningen skall ske i ren luft med en temperatur om högst 65ºC. Mindre detaljer kan på detta sätt tvättas i en diskmaskin. (Om ett lösningsmedel används smetas oftast smutspartiklarna ut över en större yta) - Slipning Genom att slipa materialet avlägsnas föroreningar och beläggningar på ytskiktet. Slipning ska ske med ett finkornigt material, så att ytan förblir jämn och slät. Ett slipnylon (av typ Scotch-Brite) med grovleken 320 till 600 är ett utmärkt slipverktyg. Slippapper eller borstar med slipmaterial kan också användas vid bearbetning av ytan. Om slipmaterialet innehåller plastfibrer (polyamid) bör periferhastigheten vid maskinbearbetning inte överstiga 20 m/s då en högre hastighet kan medföra att plasten smälter och skapar en beläggning på ytan. - Blästring Som alternativ till slipning kan torrblästring användas. Vid blästring av aluminium används ofta aluminiumoxider som blästermaterial och vid blästring av stål används ofta kiselsand. Både blästermaterial och trycklyft måste vara fri från föroreningar. Bortförande av slipdamm görs genom dammsugning eller borstning. 7

8 7. OLIKA APPLICERINGSTEKNIKER AV LIM Om de olika skikten till en sandwichpanel redan är förtillverkade är limning den bästa sammanfogningsmetoden av delarna. Limmet kan appliceras manuellt eller maskinellt på en sida av ett skikt. Vilken metod som väljs påverkas av storlek och typ av panel, antalet paneler och kostnader vid inköp av ny utrustning. Som olika metoder för applicering av lim kan nämnas: - Limrulle Vid manuell applicering av lim används en limrulle med eller utan skaft för att fördela limmet jämnt över ytan, vilket illustreras i Figur 4. Limningskapaciteten för plana paneler är i storleksordningen 40 m 2 per 15 minuter. (a) (b) Figur 4: Limning med limrulle, (a) Limning av plastlaminat på EPS [ (b) Limrulle med behållare [ - Valsning Valsning är en automatiserad limningsprocess där en betydligt större limrulle, s.k. vals används för applicering av lim. Valsen har samma bredd som materialets och applicerar lim parallellt med att skiktet automatiskt matas fram. - Limning med sprutmunstycke, Limkratta En automatiserad limspridning kan utföras med flera sprutmunstycken som är placerade i rad, se Figur 5. Appliceringsbredden kan varieras från ett sprutmunstycke till flera meters bredd. Vilka och antalet munstycken som används i maskinen kan varieras under en limcykel, varför geometrin för ett objekt inte behöver vara konstant. Limningskapaciteten för en automatiserad utrustning med sprutmunstycken som är anpassad för limning av större paneler är cirka 40 m 2 per 3 minuter [4]. 8

9 Figur 5: Automatiserad limspridning med många sprutmunstycken [ 8. OLIKA PRESSTEKNIKER VID HÄRDNING AV LIM Efter det att limmet applicerats skall de olika skikten i en panel läggas samman. Vid valsning sker detta i direkt samband med limappliceringen. Vid användning av limrulle eller automatiserad limspridning staplas skikten (oftast) direkt på det bord där pressning sedan kan ske, se Figur 6. För att säkerställa panelens form, fördela limmet jämnt över ytorna och få bort luft mellan skikten vid härdning av limmet sätts därefter panelen under presstryck. (a) Placering av kärnmaterial och insert. (b) Placering av ytskikt. Figur 6: Stapling av olika skikt i sandwichpanel [4]. 9

10 Det finns olika metoder för att åstadkomma ett tryck över en yta vid härdning av lim: - Pressbord Om panelerna är små eller medelstora (<5m 2 ) kan pressning utföras i en fanerpress, se Figur 7. Denna typ av pressbord utgörs av två släta och parallella plan. Det ena planet är fast medan det andra är höj och sänkbart. Många pressbord av denna typ har även värmeelement inbyggt i bordsytorna. Figur 7: En fanerpress med höj och sänkbart bord [ - Vakuumbord Vakuum betyder att man skapar ett undertryck runt panelen med hjälp av en tätslutande form och en vakuumpump. En vakuumpump skapar ett undertryck som är cirka mbar vilket motsvarar ett yttryck om kn/m 2 ( kg/m 2 ). Vilket tryck som ska användas för specifik produkt måste anpassas till materialen som används och bestäms av det material med lägst tryckhållfasthet. För en sandwichpanel är detta i allmänhet kärnmaterialet. Presstiden beror av vilket lim som används samt temperaturen vid limning. En rekommenderad presstid anges ofta av limleverantören. Ett exempel på vakuum bord se i figur 6. 10

11 9. EFTERBEARBETNING Figur 8: Vakuumbord för limning av släta paneler [4]. Efter härdning kan en panel kapas till önskat mått med hjälp av en bandsåg, klinga eller CNCfräs, se Figur 9 (a) (c). Dessa maskiner är desamma som används vid bearbetning av trä men skärverktygen behöver väljas efter det material som ska bearbetas. Det går också att skära till materialet med hjälp av en CNC-Vattenjet-Maskin, se Figur 9 (b). En sådan formskär material med hjälp av en koncentrerad stråle med vatten eller något slipande material som anbringas med högt tryck. (a) Bandsåg (b) CNC Waterjet Cutting Machine [ 11

12 (c) Specialkonstruerad såg [ Figur 9: Olika maskiner för efterbearbetning av sandwichpaneler. REFERENSER [1] Karlsson, H., Limma med kvalitet en handbok, IVF Industriforskning och utveckling AB, 2001, ISBN [2] Marie Sjöberg, Ytkemiska Institutet, YKI [3] Svettskommisionens kursverksamhet kurs 2719, Industriell limning Ett snabbt växande industrisegment, KTH i Stockholm, 2007 [4] Sandwich Panels in Vehicle Construction, Verlag Moderne Industrie, Handbook issued by DOW, HENKEL, PECOLIT, SIKA,