NuSil Silicone Technology
מידע נוסף: הדבקת סיליקון - בחירת דבק ותהליך הכנת שטח
Patrick Peignot & Kyle Rhodes, Nusil Technology
עם ההקטנה הרציפה של ההתקנים והעליה באמינות הקישור ביניהם, בחירת מערכת ההדבקה המתאימה עשויה להתגלות קריטית לעתיד המוצר. מאמר זה בוחן מספר מערכות הדבקה ותהליכי הכנת שטח המשמשים להדבקה למשטחים "קשים", לאור ממצאי מחקר עכשווי.
תהליך ההדבקה
מגוון התהליכים והאמצעים להצמיד שני חומרים זה לזה הוא גבוה מאוד, עד כדי כך שיהיה זה לא מעשי לבחון את כל הצירופים האפשריים שבין משטחים ומערכות דבק. עם זאת, בחינת ההידבקות למספר חומרים/משטחים הנחשבים "קשים להדבקה" יכולה לשמש לצורך הגדרת הנחיות לבחירת מערכת הדבקה ותהליך הכנת שטח מתאימים.
שיפור האדהזיה
ישנם לא מעט סוגי פלסטיק המעמידים קושי רב בפני הידבקות, וזאת בשל אנרגיית פני השטח הנמוכה שלהם.
אנרגיית פני השטח משפיעה באופן ישיר על ה"הרטבה" של השטח וללא הרטבה זאת, לא ניתן יהיה להשיג הדבקה (ערכי אנרגיית פני שטח אופיניות - ראה טבלה מס' 1). לעומת זאת, ככל שהרטבת פני השטח תהיה גבוהה יותר, אחוז יותר מן השטח יכוסה על-ידי חומר ההדבקה ולמעשה, ההדבקה תבוצע באמצעות מספר גדול של קבוצות פונקציונליות ודרך זו - חוזקה יעלה. לא רק זאת, כי אם הרטבה טובה מבטיחה חדירה של חומר הדבק גם לתוך רמות החספוס אשר במשטח במטרה לתת עיגון להדבקה.
שיפור יכולת ההדבקה למשטחים מסוימים מושגת הודות למשפרי הדבקה מבוססי סילאן המבצעים הידרוליזה של פני השטח ובכך, למעשה, מכינים אותו להדבקה בדבקים סיליקוניים. אופי תהליך הכנת השטח הוא זהה, בין אם משפר ההדבקה מיושם באופן עצמאי (כ Primer) או אם הוא מוכל בתוך חומר הדבק (Self priming). לדוגמא, עבור פוליקרבונאט, אתרי ההדבקה הסבירים ביותר עבור הסילאן הם אלו המכילים קבוצות C=O ואילו בניילון 6/6, סביר כי הריאקציה תתרחש דרך קבוצות הקרבוניל. מספר אתרי הקישור במולקולה, יחסית לגודלה, משפיעה על חוזק ההדבקה לחומר.
פריימר (Primers)
תהליכי השנים האחרונות הפכו את הפריימרים ל"רע הכרחי" בתהליך ההדבקה. על אף הצורך לשימוש בהם לצורך שיפור חוזק ההדבקה, יישומם מוסיף שלב לתהליך ההדבקה, כאשר חומרים סילאניים משמשים כמקדמי הדבקה למשטחים קשים להדבקה. הפריימרים מורכבים, לרב מסוג סילאן פעיל אחד או יותר, קטליסט וסולבנט.
הסילאנים עצמם מכילים, בדרך-כלל שתי קבוצות פונקציונליות עיקריות - אחת המתאימה למצע ושניה - המתאימה לחומר הדבק, חלקן יכולות להיות הידרופיליות וחלקן - הידרופוביות. הרכב מיוחד זה של המולקולות מאפשר להן ליצור את הגשר (והקשר) בין שני משטחים שאינם דומים זה לזה מבחינה כימית וממילא לא היו נדבקים.
הסילאנים מתווספים לתערובת, לרב, כחלק ממולקולות רגישות ללחות וכך, בנוכחות מים וקטליזטור יוצרים את פני השטח להדבקה. המרכיבים הפעילים נמצאים, לרב, בריכוז של 5-20% בתמיסה אשר מיושמת בשכבה דקה ביותר על פני השטח. בשלב זה מתחילים הסילאנים לעבור הידרוליזה בהשפעת הלחות האטמוספרית והקטליזטור יוצר שכבת פריימר מכל המולקולות הנוצרות.
תיאורטית, שכבת הפריימר האופטימלית הינה מונומולקולרית כאשר הקבוצות המתאימות מקושרות לפני השטח וקבוצות נגדיות "בולטות", במטרה לקלוט את הדבק הסיליקוני. בפועל, לא ניתן ליצור שכבות מונומולקולריות אך ביישום דק ניתן להגיע קרוב מאוד לכך. שכבות עבות מדי של פריימר עלולות להוות שכבה בפני עצמן, שכבה היכולה להיות מקור לכשל ההדבקה.
טיפול בלהבה (Flame Treatment)
ניסיונות הראו כי פני שטח קשים להדבקה במקרים כמו פוליקרבונאט, פוליסולפון או פוליאימיד הראו שיפור קטן מאוד בחוזק ההדבקה גם לאחר טיפול בפריימר. נבחנו שיטות הכנת שטח שונות כמו ניקוי מכני או תקיפה בממיסים שונים אך השיטה שהוכחה כטובה מכולן הייתה הטיפול בלהבה. במהלך טיפול זה מכוונת להבת מבער ישירה אל פני השטח אשר גורמת לחימצון פני השטח ויצירת אלפי אתרי קישור פנויים לקליטת הדבק. תוך כדי כך, מסלקת הלהבה (באופן טבעי) כל שאריות לחות אשר נמצאים עדיין על פני השטח. יחד עם יעילות הטיפול יש לתת תשומת לב לצורך לשמור כי הלהבה לא תגרום לנזק בפני השטח כתוצאה מיתר חשיפה או חימום מוגזם.
טיפול דומה בעיקרו, אך ללא להבה הוא טיפול הפלסמה אשר אף הוא מבטיח כי לאחר טיפול פריימר והדבקה - חוזק הקשר יהיה גבוה.
פילמור
תרכובות סיליקון ניתנות לחלוקה כללית לשתי קטגוריות: אלו העוברות פילמור "דחיסה" (One part condensation) ואלו העוברות פולימריזצית סיפוח על פלטינה (Two part addition). הסיליקונים העוברים פילמור בדחיסה הם, לרב, בעלי חוזק הדבקה גבוה ופילמור מהיר בשכבות דקות, אם כי שכבות דבק עבות עלולות לדרוש שלושה עד חמישה ימים לפילמור מלא. מערכות אלו עוברות פילמור בהשפעת הלחות האטמוספירות ומשחררור חומצה אצטית תוך כדי התהליך. חומצה זו מסייעת לעיתים לשיפור האדהזיה אך מהווה בעיה במקרים של משטחים החשופים לקורוזיה (שיתוך).
חלק ממערכות הסיפוח דורשות פריימר לקבלת חוזק הדבקה מספק כשזמן הפילמור שלהם יכול להיות 4-8 שעות בטמפרטורת החדר (אך יכול להיות מואץ מאוד בהשפעת חימום). ניתן לראות מתוך הדיאגרמה המצורפת כי ריאקציה זו לא מצריכה ויתור על קבוצה פונקציונלית כלשהי ועל כן היא יכולה להתרחש גם בסביבות אטומות.
שיפור חוזק ההדבקה
שיפור חוזק ההדבקה במערכות Two part platinum cure נבדק בסדרת ניסיונות שיטתיים.
בשלב הראשון בוצעה השוואה בחוזק ההדבקה בין פני שטח אשר עברו פריימר לכאלו שלא עברו ונמצא כי חוזק ההדבקה השתפר בממוצע ב 250% במקרים בהם בוצע שימוש בפריימר.
השלב השני של הניסוי בדק את יכולת ההידבקות לחמישה משטחים אשר נחשבים "קשים להדבקה" - אקרילי, פוליאימיד, פוליאמיד, פוליאתר-אימיד ופוליסולפון.
מערכות הכנת השטח אשר נבדקו כללו:
· ללא פריימר
· שימוש בפריימר
· טיפול בלהבה + פריימר
· טיפול בפלסמה
· טיפול בפלסמה ופריימר
התוצאות הראו כי טיפול בפריימר יכול להעלות את חוזק ההדבקה ב 250% לפחות גם בחומרים אלו והצירוף של טיפול להבה או פלסה לפני הפריימר יכול להביא לעליה של 200-600% בחוזק ההדבקה.
סיכום
פיתוח מכשיר רפואי חדש נאלץ להתמודד עם כמות אדירה של פרמטרים ולכן ההחלטה על אופן ביצוע הצימוד וההדבקה דורש הבנה מעמיקה של האפשרויות השונות ותכונותיהן. אף שפעולות הכנת שטח מוסיפות שלבים לתהליך יצור ארוך ממילא, פעמים רבות הן מהוות חוליה חשובה ולאף קריטית לאמינות המוצר.
הגם שמאמר זה נראה כמצביע על היתרונות שבאופן ביצוע הכנת שטח לחומר זה או אחר אין תחליף לחקר וניסיונות אשר יתאימו לכל חומר ולכל אפליקציה את הכנת השטח האופיטמלית.
בחירת חומרי ההדבקה המתאימים ותהליך העבודה הנכון יכולים להוות את ההבדל בין כשלון להצלחה מסחררת.
|
מידע נוסף:
אתר חברת NuSil
|
