Nghiên cứu về năng lượng bề mặt trong lĩnh vực keo dán

Polyolefin (TPO), Polypropylen (PP) và Polyethylene (PE) ngày nay được sử dụng nhiều hơn bao giờ hết để giảm trọng lượng, cải thiện hiệu suất, độ bền và tính thẩm mỹ, cũng như kiểm soát chi phí trong các sản phẩm tiêu dùng và công nghiệp. Tuy nhiên, do một hiện tượng được gọi là năng lượng bề mặt thấp, khiến các vật liệu này trở nên khó kết dính – một đặc điểm có thể tạo ra thách thức lắp ráp cho các kỹ sư thiết kế sản phẩm, những người thích chất kết dính hơn là ốc vít cơ học. Bài viết dưới đây chúng ta cùng nghiên cứu về năng lượng bề mặt trong lĩnh vực keo dán

Năng lượng bề mặt là gì?

Năng lượng bề mặt là khái niệm quan trọng trong việc nghiên cứu về bề mặt vật liệu. Hãy tưởng tượng bạn có một thanh sô cô la. Khi bẻ đôi thanh sô cô la, bạn đã tạo ra hai bề mặt mới. Để làm được điều này, bạn cần một lực nhất định để phá vỡ các liên kết giữa các phân tử sô cô la. Năng lượng bề mặt chính là năng lượng cần thiết để tạo ra các bề mặt mới này.

Trong thế giới vật chất, các nguyên tử ở bên trong phần lõi được bao quanh bởi các nguyên tử khác và có mức năng lượng thấp hơn. Tuy nhiên, các nguyên tử ở bề mặt lại không được bao quanh hoàn toàn, dẫn đến mức năng lượng cao hơn. Chính sự chênh lệch năng lượng này tạo ra năng lượng bề mặt.
lượng bề mặt có thể được hiểu là năng lượng dư thừa ở bề mặt so với phần lõi bên trong, hoặc là công cần thiết để tạo ra một đơn vị diện tích bề mặt mới.
Khi cắt một vật rắn, chúng ta không chỉ đơn giản là tách nó ra làm đôi. Quá trình này còn làm thay đổi cấu trúc bề mặt, khiến các nguyên tử ở bề mặt mới dễ dàng phản ứng với môi trường xung quanh. Điều này có thể dẫn đến các hiện tượng như thụ động (tạo lớp màng bảo vệ) hoặc hấp phụ (các phân tử khác bám vào bề mặt), làm giảm năng lượng bề mặt.
Đối với lĩnh vực keo dán, năng lượng bề mặt là một yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn đúng loại keo dán. Để liên kết bất kì vật liệu nào năng lượng bề mặt của keo dán phải nhỏ hơn năng lượng bề mặt của vật liệu cần liên kết.

Phân loại năng lượng bề mặt

Để dễ hình dung hơn, chúng ta có ví dụ: Khi một giọt nước được đặt trên một bề mặt, ở một mức độ nào đó, giọt nước sẽ kết hạt. Về mặt lý thuyết, nếu năng lượng bề mặt bằng 0, giọt nước sẽ là một hình cầu hoàn hảo. Ngược lại, nếu năng lượng bề mặt cao vô hạn, giọt sẽ tạo thành một màng hoàn toàn đồng nhất. Chúng ta có thể đo góc tạo ra ở cạnh của giọt. (Đối với hình cầu, góc đó sẽ là 0°, đối với màng đồng nhất, nó sẽ là 180°.)

Năng lượng bề mặt cao – High Surface Energy (HSE)

Các phân tử trên bề mặt bị hút vào nhau mạnh đến mức kể cả các phân tử chất lỏng. Do đó, các vật liệu này tương đối dễ kết dính. Vật liệu năng lượng bề mặt cao (HSE) được chia mức năng lượng theo thứ tự 100 hoặc 1000  dyne/cm và bao gồm nhiều vật liệu kim loại và thủy tinh.

Năng lượng bề mặt trung bình – Medium Surface Energy (MSE)

Đây là những vật liệu thường có 36 dynes/cm đến khoảng 300 dynes/cm. Nhiều loại nhựa được chế tạo có năng lượng bề mặt trong phạm vi này, cũng như các vật liệu tự nhiên như gỗ, đá hoặc bê tông.

Năng lượng bề mặt thấp Low Surface Energy (LSE)

Các phân tử trên bề mặt của vật liệu năng lượng bề mặt thấp có lực hút khá thấp. Có rất ít lực hút đối với bất kỳ phân tử nào, đặc biệt là các phân tử kết dính. Các vật liệu có năng lượng bề mặt dưới 36 dynes/cm được coi là năng lượng bề mặt thấp và rất khó liên kết. Chúng bao gồm nhựa polyolefin như polypropylene và polyethylene cũng như các bề mặt chống dính như polytetrafluorethylene (PTFE).

Đơn vị đo của năng lượng bề mặt là gì?

Trước đây, năng lượng bề mặt được đo bằng một đơn vị gọi là “dynes” trong đó 1 dyne/cm tương đương với 1 mJ/m. Hiện nay, dynes không còn phổ biến và được thay thế bằng mN/m (millinewton trên mét), chúng ta có thể quy đổi: 1 dyne/cm = 1 mN/m

Bảng năng lượng bề mặt các loại vật liệu phổ biến

Tại sao vật liệu năng lượng bề mặt thấp lại khó kết dính?

Năng lượng bề mặt là một đại lượng mô tả mức độ các phân tử trên bề mặt vật liệu hút nhau và hút các phân tử khác. Vật liệu có năng lượng bề mặt cao (như kim loại, thủy tinh) dễ dàng bị thấm ướt bởi keo và tạo liên kết tốt. Ngược lại, vật liệu có năng lượng bề mặt thấp (như một số loại nhựa) khó thấm ướt và liên kết kém với keo.

Để keo dán hoạt động tốt, nó cần phải thấm ướt bề mặt vật liệu, nghĩa là lan rộng và tiếp xúc gần gũi với bề mặt. Tuy nhiên, các bề mặt năng lượng bề mặt thấp thường cản trở quá trình này. Ngoài ra, kết cấu bề mặt, độ xốp và các chất bẩn cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng liên kết của keo.

Tóm lại, việc dán keo lên bề mặt năng lượng bề mặt thấp là một thách thức do khó thấm ướt và liên kết kém. Để giải quyết vấn đề này, cần phải có các phương pháp xử lý bề mặt đặc biệt hoặc sử dụng các loại keo chuyên dụng.

Làm thế nào để kết dính vật liệu năng lượng bề mặt thấp?

Để kết dính vật liệu bề mặt thấp chúng ta cần sử dụng các loại keo dán chuyên dụng hoặc tăng năng lượng bề mặt của vật liệu bằng các cách sau:

Xử lý bằng UV Ozone

Bức xạ UV sẽ ion hóa oxy trong không khí để tạo thành các gốc oxy, sau đó tiếp tục phản ứng và tạo thành ozone. Bức xạ có bước sóng khác sẽ tác động lên các phân tử hữu cơ, kích thích hoặc tạo thành các gốc tự do, cho phép phản ứng với ozone. Điều này tạo thành các phân tử dễ bay hơi, có thể dễ dàng tách ra khỏi bề mặt, giúp bề mặt sạch khỏi các chất bẩn và tăng năng lượng bề mặt.

Xử lý bằng Plasma

Xử lý bằng plasma cũng là một phương pháp phổ biến để làm sạch bề mặt và tăng năng lượng bề mặt. Trong phương pháp này, một loại khí hoặc hỗn hợp khí được ion hóa bằng điện áp cao tần để tạo thành plasma khí phản ứng. Đây là hỗn hợp gồm các gốc tự do, ion, electron và phân tử khí.

Plasma sẽ tương tác với bề mặt theo nhiều cách:

• Loại bỏ các chất bẩn: Có thể thông qua quá trình bóc mòn, bắn phá bằng electron và ion, hoặc qua các phản ứng với các thành phần trong plasma.
• Tạo thành các phân tử hữu cơ dễ bay hơi: Các phân tử này sẽ tách ra khỏi bề mặt (và đôi khi thay thế) các chất bẩn bằng các nhóm chức năng có năng lượng bề mặt cao, ví dụ như C=O và HO-.

Xử lý bằng Corona

Xử lý bằng corona tương tự như xử lý plasma, nhưng sử dụng mật độ plasma thấp hơn. Trong phương pháp này, khí ion hóa được tạo ra bằng cách phóng điện áp cao tần qua một điện cực trên một bề mặt tiếp địa. Màng phim được đưa qua dưới điện cực và bề mặt được oxy hóa để loại bỏ các chất bẩn và tăng năng lượng bề mặt.

Các loại keo dán chuyên dụng để tăng năng lượng bề mặt

• WEICON Easy-mix RK 7300
• WEICON VA 1401 + WEICON CA Primer
• WEICON VA 8406 + WEICON CA Primer
• WEICON Easy-Mix PE-PP 50

Kết luận

Năng lượng bề mặt đóng vai trò quan trọng trong ngành keo dán, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng bám dính và hiệu quả của quá trình liên kết. Vật liệu có năng lượng bề mặt cao thường dễ dàng thấm ướt và liên kết tốt với keo dán, trong khi vật liệu có năng lượng bề mặt thấp đòi hỏi xử lý bề mặt đặc biệt để cải thiện khả năng bám dính.