The effect of methods of surface treatment of metal elements on their surface free energy, with a view to the formation of polymer–metal hybrid elements

• Autorzy: Trzaska Oliwia , Wróblewski Roman , Czekaj Alina , Czyż Joanna , Kaczmar Jacek W.

Identyfikatory

DOI

10.14314/polimery.2020.11.9

Warianty tytułu

PL

Wpływ metod przygotowania powierzchni elementów metalowych na ich swobodną energię powierzchniową w aspekcie wytwarzania elementów hybrydowych typu polimer-metal

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

An analysis was made of methods of chemical surface treatment of metal elements made of DC04 steel and Al6061 alloy, for the formation of polymer–metal joints in injection molding technology. The surface characterization included determination of surface free energy (SFE) by the OWRK (Owens–Wendt–Rabel–Kaelble) method, and determination of its polar and dispersive components. Depending on the chemical treatment applied, the highest values of the polar constant for DC04 and Al6061 sheets were 26.4 and 39.2 mJ/m², respectively, the highest values of the dispersion constant were 55.6 and 53.5 mJ/m², respectively, for DC04 and Al6061 sheets. In the case of the surfaces of sheets made of the Al6061 alloy, the increase in the polar component value was most favorably influenced by the etching with 15% NaOH solution for 5 minutes, and the increase in the dispersive component – by the etching with 15% NaOH solution with the addition of thiourea for 2 minutes. In the case of the surface of DC04 sheets, the increase of the polar component was most favorably influenced by chemical cleaning for 10 minutes (in a solution with the composition: Na₂CO₃ 50 g/mol, Na₃PO₄ × 12 H₂O 50 g/mol, NaOH 50 g/mol). The highest value of the dispersive component of the surface DC04 sheets was obtained after etching with 15% HCl solution with the addition of thiourea for 5 minutes.

PL

Analizowano wpływ sposobu obróbki chemicznej powierzchni na właściwości adhezyjne elementów metalowych (blach) wykonanych ze stali DC04 oraz ze stopu Al6061, przeznaczonych do wytwarzania połączeń polimer-metal w technologii wtryskiwania. Charakterystyka powierzchni obejmowała wyznaczenie swobodnej energii powierzchniowej (SEP) metodą OWRK (Owens-WendtRabel i Kaelble) oraz jej składowych polarnej i dyspersyjnej. W zależności od zastosowanej obróbki chemicznej największe wartości składowej polarnej SEP blach wykonanych ze stali DC04 oraz stopu Al6061 wyniosły, odpowiednio, 26,4 oraz 39,2 mJ/m², natomiast największe wartości składowej dyspersyjnej, odpowiednio, 55,6 oraz 53,5 mJ/m². W wypadku powierzchni blach ze stopu Al6061 na zwiększenie wartości stałej polarnej najkorzystniej wpłynęło trawienie 15% roztworem NaOH przez 5 minut, natomiast na zwiększenie stałej dyspersyjnej – trawienie 15% roztworem NaOH z dodatkiem tiomocznika przez 2 minuty. W wypadku powierzchni blach wykonanych ze stali DC04 na zwiększenie stałej polarnej najwyraźniej wpłynęło oczyszczanie chemiczne przez 10 minut (w roztworze o składzie: Na₂CO₃ 50 g/mol, Na₃PO₄ × 12 H₂O 50 g/mol, NaOH 50 g/mol). Największą wartość stałej dyspersyjnej powierzchni blach ze stali DC04 uzyskano po trawieniu 15% roztworem HCl z dodatkiem tiomocznika przez 5 minut.

Słowa kluczowe

EN

surface free energy (SFE); polymer–metal hybrid elements; polymer–metal interface; injection; molding

PL

swobodna energia powierzchniowa (SEP); hybrydowe elementy polimer-metal; powierzchnia międzyfazowa polimer-metal; technologia wtryskiwania

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Chemii Przemysłowej
• Czasopismo: Polimery
• Rocznik: 2020
• Tom: T. 65, nr 11-12
• Strony: 816--821
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., rys.

Twórcy

autor

Trzaska Oliwia

• Wroclaw University of Science and Technology, Department of Lightweight Elements Engineering, Foundry and Automation, Łukasiewicza 7/9, 50-371 Wrocław, Poland

autor

Wróblewski Roman

• Wroclaw University of Science and Technology, Department of Lightweight Elements Engineering, Foundry and Automation, Łukasiewicza 7/9, 50-371 Wrocław, Poland

autor

Czekaj Alina

• Wroclaw University of Science and Technology, Department of Lightweight Elements Engineering, Foundry and Automation, Łukasiewicza 7/9, 50-371 Wrocław, Poland

autor

Czyż Joanna

• Wroclaw University of Science and Technology, Department of Lightweight Elements Engineering, Foundry and Automation, Łukasiewicza 7/9, 50-371 Wrocław, Poland

autor

Kaczmar Jacek W.

• Wroclaw University of Science and Technology, Department of Lightweight Elements Engineering, Foundry and Automation, Łukasiewicza 7/9, 50-371 Wrocław, Poland

Bibliografia

• [1] Li S.M., Xu K., Wang J.R.: Modern Mechanical Engineering 2018, 8, 192. https://doi.org/10.4236/mme.2018.83013
• [2] Sattel M.: Lightweight Design worldwide 2018, 11, 36. https://doi.org/10.1007/s41777-017-0058-5
• [3] Luk J.M., Kim H.C., De Kleine R.D. et al.: Transportation Research Part D: Transport and Environment 2018, 62, 1. https://doi.org/10.1016/j.trd.2018.02.006
• [4] Subadra S.P., Yousef S., Griskevicius P., Makarevicius V.: Polymer Testing 2020, 86, 106480. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2020.106480
• [5] Faruk O ., T jong J ., S ain M .: “ Lightweight a nd Sustainable Materials for Automotive Applications”, CRC Press, Boca Raton 2017, p. 454.
• [6] Kühnert I., Maenz T., Rösner J., Schneider K.: “Assembly Injection Molding and Testing of Polymer-Metal-Hybrids”, materials of ANTEC 2012: 70th Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers, Orlando, Floryda USA, 2–4 April 2012, pp.1388–1393.
• [7] Vittinghoff J., Drummer D.: “Investigating the Full- Face Joining of Polymer-Metal Hybrid Structures”, materials of ANTEC 2014: 72th Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers, Las Vegas, Nevada, USA, 28–30 April 2014, pp. 1795–1800.
• [8] Kleffel T., Drummer D.: Journal of Polymer Engineering 2018, 38, 675. https://doi.org/10.1515/polyeng-2017-0432
• [9] Hopmann C., Schild J., Wurzbacher S. et al.: Journal of Polymer Engineering 2018, 38, 583. https://doi.org/10.1515/polyeng-2017-0354
• [10] Hoffmann L., Faißt B., Kose K., Eggers F.: Lightweight Design worldwide 2017, 10, 44. https://doi.org/10.1007/s41777-017-0014-4
• [11] Li L., Sun L., Dai Z. et al.: Journal of Materials Processing Technology 2019, 263, 385. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2018.08.039
• [12] Żenkiewicz M.: „Adhezja i modyfikacja warstwy wierzchniej tworzyw wielkocząsteczkowych”, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2000.
• [13] Awaja F., Gilbert M., Kelly G. et al.: Progress in Polymer Science 2009, 34, 948. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2009.04.007
• [14] Rudawska A.: „Wybrane zagadnienia konstytuowania połączeń adhezyjnych jednorodnych i hybrydowych”, Politechnika Lubelska, Lublin 2013, p. 27.
• [15] Barnat-Hunek D.: „Swobodna energia powierzchniowa jako czynnik kształtujący skuteczność hydrofobizacji w ochronie konstrukcji budowlanych”, Politechnika Lubelska, Lublin 2016, pp. 28, 30.
• [16] Baldan A.: International Journal of Adhesion and Adhesives 2012, 38, 95. https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2012.04.007
• [17] Akram M., Bhowmik S., Jansen K.M.B., Ernst Leo J.: “Surface modification of polyimide by atmospheric pressure plasma for adhesive bonding with titanium and its application to aviation and space”, materials of SAMPE 2010 – New Materials and Processes for a New Economy, Seattle WA, USA, 17–20 May 2010, pp. 326–335.
• [18] Żenkiewicz M.: Polimery 2005, 50, 365. http://dx.doi.org/10.14314/polimery.2005.365
• [19] Firlik S., Molenda J., Borycki J.: Chemik 2010, 64, 238. http://yadda.icm.edu.pl/yadda/element/bwmeta1.element.baztech-article-BPP1-0098-0016?q=bwmeta1.element.baztech-volume-0009-2886-chemik-2010-vol__64_nr_4;2&qt=CHILDREN-STATELESS.
• [20] Rogowska R.: Problemy Eksploatacji 2013, 1, 85. https://www.infona.pl/resource/bwmeta1.element.baztech-95b2b8ce-98c5-4530-8977-8ceb7712bc07.
• [21] Żenkiewicz M.: Polimery 2007, 52, 760. http://dx.doi.org/10.14314/polimery.2007.760
• [22] Bañon F., Sambruno A., Batista M. et al.: Metals 2020, 10, 290. https://doi.org/10.3390/met10020290
• [23] Ghanbari A., Attar M.M.: Surface and Coatings Technology 2014, 246, 26. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.02.057
• [24] Li X., Gong N., Yang C. et al.: Journal of Materials Processing Technology 2018, 255, 635. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2018.01.008
• [25] http://kbhakord.pl/pl/stal-informator-techniczny (access date 13.04.2020).
• [26] http://www.emetal.eu/aluminium/aluminium-EN--AW-6061-ISO_-AlMg1SiCu-EN_-AW-AlMg1SiCu-PN_-PA-45-DIN_-AlMg1SiCu-wnr_-3.3211/(access date 13.04.2020).
• [27] Bellon-Fontaine M.N., Mozes N., van der Mei H.C. et al.: Cell Biophysics 1990, 17, 93. https://doi.org/10.1007/BF02989805
• [28] Busscher H.J., van Pelt A.W.J., de Boer P. et al.: Colloids and Surfaces 1984, 9 (4), 319. https://doi.org/10.1016/0166-6622(84)80175-4
• [29] Jie‐Rong C., Wakida T.: Journal of Applied Polymer Science 1997, 63, 1733. h t t p s : / / d o i . o r g / 1 0 . 1 0 0 2 / ( S I C I ) 1 0 9 7 -4628(19970328)63:13<1733::AID-APP4>3.0.CO;2-H