Lijmverbindingen van Aluminium (deel 2)

In dit artikel zal nader worden ingegaan op de beide hoofdsoorten lijm: de thermoplasten en thermoharders, die veel worden toegepast voor het verbinden van aluminium en zijn legeringen.

Leveringsvormen

Lijm is beschikbaar in zeven algemene vormen, te weten:
- op basis van een oplosmiddel
- op basis van water
- vloeibaar
- poeder
- film
- vaste geëxtrudeerde vorm, zoals staafjes of draad
- pasta
De gebruikte vorm hangt af van de uiteindelijke toepassing. Zo kan de viscositeit van een vloeibare lijm worden gevarieerd al naar gelang de porositeit van de te lijmen delen. Een lijmfilm kan het best van pas komen voor het aanbrengen van vlakke, gelijkmatige, continue hechtlijnen. Om wat voor soort lijm het gaat blijkt meestal wel uit de specificaties van de fabrikant. Het zij benadrukt dat een verdere controle van de eigenschappen van een lijm doorgaans noodzakelijk is om zijn geschiktheid voor een nieuwe toepassing na te gaan.
Lijm kan ook ingedeeld worden in thermoplasten en thermoharders. Omdat in een enkele formulering zowel thermoplasten als thermoharders aanwezig kunnen zijn is het praktisch om lijm te classificeren aan de hand van de chemische grondstoffen.

Thermoplasten

 
Thermoplasten zijn hoog-polymere moleculen, in feite lange lineaire ketens met betrekkelijk weinig onderlinge verbindingen. Deze harsen kunnen zacht worden gemaakt door verwarmen, terwijl ze weer harden door koelen. Deze eigenschap blijft behouden zolang de polymeer niet wordt verhit tot boven zijn ontledingstemperatuur. Deze harsen zijn in het algemeen minder rigide en bezitten lagere weerstand tegen oplosmiddelen dan thermohardende harsen. Ze bezitten een lagere elasticiteitsmodulus en vertonen onder belasting kruip.
Thermoplastische harsen worden veel gebruikt voor het verbinden van metalen wegens hun uitstekende hechtende eigenschappen. Voor niet-constructieve doeleinden zijn hun overige eigenschappen toereikend. Voor belaste constructieve doeleinden moeten de thermoplastische harsen doorgaans worden gemengd met thermohardende harsen. Een aantal van de belangrijkste thermoplastische harsen die worden gebruikt bij de formulering van lijm zijn acrylen, cellulosen, polyamiden, polykoolwaterstoffen, polystyrenen en polyvinylen (esters, acetalen, ethers, alcoholen en chloriden). Veel van deze harsen bevatten polymeren met lagere molecuulgewichten die vrij zacht zijn bij gewone temperaturen. De harsen met hogere molecuulgewichten zijn sterk en aanzienlijk beter bestand tegen warmte. Hun sterkte ontlenen deze thermoplastische polymeren aan fysische verstrengeling van de lange lineaire ketens. De moleculen met hoger molecuulgewicht vertonen een sterkere mate van verstrengeling die weerspiegelt in een hogere sterkte. Scheiding van deze verstrengeling onder spanning is de oorzaak van de sterke kruip bij dit materiaal, hetgeen ze in het algemeen ongeschikt maakt voor constructieve lijmverbindingen. De hechteigenschappen van thermoplastische harsen voor aluminium kunnen verder worden versterkt door het inbouwen van additionele polaire groepen in de polymeerketen. Thermoplastische lijmen worden gebruikt in grote tonnages voor verpakkingsdoeleinden wegens hun lage prijs en hun geschiktheid voor snelle productietechnieken en omdat veel aluminiumtoepassingen in de verpakkingsindustrie weinig hinder ondervinden van een lijm die kruip vertoont onder belasting of die delamineert bij blootstelling aan temperaturen boven die van de omgeving.
Thermoplastische harsen kunnen worden gebruikt voor het formuleren van constructielijm door ze te mengen met thermohardende harsen. Hiermee wordt een nieuwe lijm verkregen met goede sterkte, die wordt ontleend aan de thermohardende hars, in combinatie met goede flexibiliteit en weerstand tegen schokken, die op hun beurt worden ontleent aan de thermoplastische hars. Lijmcombinaties van vinyl- en fenolharsen zijn in het bijzonder toepasbaar voor het verbinden van aluminium. De hechting bezit uitstekende weerstand tegen weersinvloeden. Vinylen gecombineerd met epoxyharsen verhogen de buigzaamheid van dit normaal starre thermohardende materiaal.
Elastomere polymeren zijn thermoplasten die een brede toepassing vinden in lijmen voor aluminium, met name voor niet-constructieve toepassingen. Ze kunnen worden gecombineerd met thermohardende harsen om verbeterde weerstand tegen schokken en trillingen te verkrijgen en grotere veerkracht en afpelsterkte. De gangbaarste elastomeren voor lijm zijn synthetische en natuur rubbers. Neopreen en acrylonitril rubber worden in grote volumes gebruikt voor lijm. Butadieen-isobytyleen (butyl) of polysulfide rubbers worden minder vaak gebruikt. Natuur rubber speelt nog steeds een grote rol omdat het lijm een hoge mate van initiële hechting, hechtretentie en buigzaamheid verschaft. Gespecialiseerde elastomere eigenschappen worden verkregen door middel van chloreren, ringvorming, enzovoort. De goedkoopste lijmen worden gefabriceerd door gebruik te maken van teruggewonnen rubber.
Neopreen, acrylonitril, styreen-butadieen en teruggewonnen rubber, worden veel gebruikt om de thermohardende harsen te modificeren tot constructielijm met middelmatige sterkte voor het verbinden van aluminium in sandwichpaneel constructies. De resulterende lijm is een hybride materiaal, dat noch de zuiver thermoplastische eigenschappen van de elastomeer, noch de starre, brosse eigenschappen van de thermohardende hars vertoont. Door de relatieve verhoudingen van elastomere en thermohardende harsen te variëren, kunnen lijmsoorten worden verkregen met sterk uiteenlopende fysische en chemische eigenschappen. Een lijm met een hoog percentage elastomeer vertoont sterke kleefkracht en is zeer buigzaam, maar heeft een lagere warmteweerstand. Door de hoeveelheid thermohardende hars te verhogen nemen de kleefkracht en buigzaamheid juist af terwijl de warmteweerstand toeneemt. Sommige van de duurzaamste, sterke aluminium-aluminium verbindingen worden verkregen met fenolharslijm die is gemodificeerd met nitrilrubber.

 

Tabel 1. Karakteristieken van epoxy- en fenollijmsystemen voor gebruik in constructieve toepassingen.



Tabel 2. Kenmerkende epoxy- en fenollijm eigenschappen.



Tabel 3. Mechanische eigenschappen van polyimidefilm.
 

Thermoharders

Dit zijn polymeren met een hoog molecuulgewicht die verder reageren tot een starre, kruiselings verbonden moleculaire structuur. Na dit uitharden van de hars kan de permanent harde, nagenoeg onsmeltbare vaste stof die daarvan het resultaat is niet weer door verwarmen zacht worden gemaakt maar hij kan bij bepaalde temperaturen wel uiteenvallen in specifieke chemicaliën. Fenol- en epoxyharsen worden het vaakst gebruikt voor lijmformuleringen die moeten dienen voor het verbinden van metalen tot constructies. Tabellen 1 en 2 geven een overzicht van eigenschappen en kenmerken van dit materiaal. Polyurethanen, polyesters, ureamalaminen, recorcinol-formaldehyden en siliconen worden minder extensief gebruikt.
Thermohardende harsen worden in het algemeen gehard door toevoeging van een chemisch hardingsmiddel, warmte, of beide. De hoge polariteit van de fenol en epoxy chemische groepen bevorderen hechting aan aluminiumoppervlakken. De gemodificeerde epoxylijmen die worden gebruikt om aluminium te lijmen zijn verkrijgbaar als enkelvoudige formuleringen, waarbij de hardingsreactie op gang wordt gebracht door hoge warmte, en als tweevoudige formuleringen, waarbij het chemische hardingsmiddel grondig moet worden gemengd met de hars net voor het aanbrengen. Voor het lijmen van aluminium met de meeste gemodificeerde epoxyformuleringen is krachtig aandrukken niet nodig. Met vinyl of met nitril gemodificeerde fenolen zijn gewoonlijk in enkelvoudige voorgemengde vorm leverbaar, die onder invloed van warmte en druk uitharden.
Lijmen op basis van siliconenhars worden ook wel voor aluminium gebruikt, maar hun hoge prijs staat een breed gebruik in de weg. Hun vrij hoge buigzaamheid bij zeer lage temperaturen is echter een aantrekkelijke eigenschap, vooral voor cryogene toepassingen. In de verpakkingsindustrie worden ze ook wel gebruikt, omdat sommige siliconenharsen drukgevoelige eigenschappen hebben. Polyurethaanlijmen zijn ontwikkeld voor het maken van gelijmde constructies tussen aluminium en andere materialen. 

Geavanceerde lijmsystemen

Deze lijmen kunnen continu worden gebruikt bij temperaturen tussen 250° en 350°C en ze bezitten uitstekende elektrische en mechanische eigenschappen. Daar komt nog bij dat ze bestand zijn tegen vochtige milieus. Lijmen in deze categorie omvatten:
- polyimiden
- polyfenylquinoxalinen
- polybenzimidazolen (afkorting: PBI)
Het polyimide systeem (niet te verwarren met polyamide) wordt het vaakst gebruikt van de geavanceerde hoge-temperatuur lijmen. Tabel 3 geeft een lijst van de mechanische eigenschappen van polyimide film.
In tegenstelling tot andere systemen vereisen ze speciaal aangepaste hardingsformuleringen. Vaak moet er stapsgewijze worden gehard bij oplopende temperaturen die kunnen gaan tot 350°C en sommige typen moeten nog een naharding ondergaan bij hoge temperatuur om hun optimale eigenschappen te bereiken. Hoewel ze eigenlijk zijn ontwikkeld voor het verbinden van staal met titanium zijn ze ook te gebruiken voor het verbinden van aluminium. 
 

Voor deel 1 uit deze serie klikt u hier