В неустанном стремлении к повышению эффективности производства, улучшению характеристик материалов и инновациям в дизайне, способ соединения компонентов имеет решающее значение. Клеи играют ключевую роль, предлагая преимущества по сравнению с традиционными механическими креплениями. На протяжении десятилетий УФ-отверждение и термоотверждение были основными технологиями. УФ-отверждение, корни которого уходят к изобретению фотографии в 1826 году, обеспечило невероятную скорость производственных линий. Термоотверждение предлагало прочность и глубокое склеивание. Но что, если бы можно было использовать лучшие качества обоих методов? Наступает эра клеев двойного УФ/термического отверждения – сложная технология, разработанная для преодоления ограничений методов однократного отверждения и открытия новых возможностей в сборке.
В этой статье мы погрузимся в мир систем двойного УФ/термического отверждения. Мы рассмотрим, почему они становятся все более важными, как они работают, их сложный химический состав, разнообразные области применения и захватывающие будущие тенденции, определяющие их развитие. Если вы сталкиваетесь с проблемами скорости отверждения, затененными участками, термочувствительными компонентами или высокими требованиями к производительности, понимание этой технологии может стать ключом к вашему следующему прорыву.
Хотя как УФ-отверждение, так и термическое отверждение хорошо зарекомендовали себя в промышленности, каждое из них имеет свои ограничения, особенно по мере усложнения конструкции изделий и повышения требований к их характеристикам.
Клеи, отверждаемые УФ-излучением, полимеризуются, или затвердевают, практически мгновенно при воздействии УФ-излучения определенной длины волны. Это дает значительные преимущества:
Быстрое отверждение: секунды, а не минуты или часы.
Высокая эффективность производства: идеально подходит для автоматизированных сборочных линий с большим объемом производства.
Экономия энергии: Меньшее потребление энергии по сравнению с длительным процессом отверждения в печи.
Экологические преимущества: Часто содержит низкое или нулевое количество летучих органических соединений (ЛОС).
Однако УФ-отверждение не является идеальным решением для всех случаев:
Зависимость от прямой видимости: ультрафиолетовый свет должен достигать клеевого слоя напрямую. Участки, скрытые компонентами (затененные области), не будут должным образом затвердевать, что может привести к нарушению сцепления.
Неполное отверждение: В более толстых слоях клея или в системах с высоким содержанием наполнителей/пигментации интенсивность УФ-излучения уменьшается по мере проникновения, что потенциально может привести к тому, что нижние слои останутся неотвержденными или недостаточно отвержденными. Непрозрачные или темные материалы могут значительно препятствовать поглощению света, резко снижая эффективность отверждения.
Ингибирование кислородом: Свободнорадикальная полимеризация, характерная для многих УФ-систем (особенно на основе акрилатов), может быть подавлена атмосферным кислородом на поверхности. Это приводит к образованию липкого или недостаточно отвержденного поверхностного слоя, что влияет на конечные свойства и потенциально может потребовать продувки инертным газом (например, азотом) во время отверждения, что усложняет процесс и увеличивает стоимость.
Ограничения по типу подложки: УФ-излучение должно проходить как минимум через одну подложку, если склеивание двух непрозрачных материалов невозможно.
Термоотверждаемые клеи, часто эпоксидные, полиуретановые или силиконовые, образуют прочные и долговечные соединения с превосходными антикоррозионными свойствами. Они являются незаменимыми помощниками во многих сложных областях применения.
Превосходная прочность и долговечность соединения: часто достигаются превосходные механические свойства и устойчивость к воздействию тепла, воды и химических веществ.
Широкие технологические возможности: позволяет заполнять зазоры и склеивать сложные геометрические формы без проблем с видимостью.
Универсальность: Широкий выбор рецептур, отвечающих различным требованиям к эксплуатационным характеристикам.
Однако термическая обработка также имеет существенные недостатки:
Низкая скорость отверждения: время отверждения может варьироваться от нескольких минут до многих часов, что создает узкие места в производстве.
Высокое энергопотребление: Печи потребляют значительное количество энергии для поддержания температуры отверждения, что увеличивает эксплуатационные расходы.
Тепловые напряжения: Циклы нагрева и охлаждения могут вызывать напряжения в компонентах, что особенно проблематично для чувствительной электроники или материалов с различными коэффициентами теплового расширения (КТР).
Ограничения, связанные с транспортировкой: во время длительного цикла отверждения детали часто требуют размещения на стеллажах или в специальных приспособлениях, что усложняет процесс и увеличивает занимаемое пространство.
Учитывая эти индивидуальные ограничения, исследователи и разработчики рецептур искали гибридный подход, что привело к созданию клеев двойного действия, отверждаемых УФ-излучением и теплом.
Представьте, что для первоначальной фиксации используется скорость света, а для достижения максимальной прочности — мощь тепла. Это основной принцип технологии двойного УФ/теплового отверждения. Эти системы разработаны таким образом, чтобы проходить двухэтапный процесс отверждения:
Этап 1: УФ-отверждение (этап «прилипания и фиксации»): Клей подвергается воздействию УФ-излучения. Фотоинициаторы в составе поглощают энергию света и запускают быструю полимеризацию УФ-реактивных компонентов (например, акрилатов). Это быстро затвердевает клей, фиксируя компоненты на месте, отверждая открытые участки и обеспечивая начальную прочность при работе. На этом этапе используется главное преимущество УФ-отверждения – скорость.
Этап 2: Термическое отверждение (этап «Прочность и долговечность»): После первоначального УФ-отверждения сборка подвергается нагреву. Это активирует скрытые термоотверждающие агенты в составе, инициируя вторичную реакцию, часто с участием различных функциональных групп (например, эпоксидных смол). Этот процесс, обусловленный нагревом, обеспечивает полное отверждение по всей длине склеиваемого участка, включая затененные области, недоступные для УФ-излучения, и формирует окончательные, прочные механические свойства и устойчивость к внешним воздействиям.
Представьте себе строительство из современных строительных блоков. Ультрафиолетовое излучение действует как быстротвердеющий раствор, мгновенно удерживая блоки (компоненты) точно в нужном месте. Последующая термообработка подобна стальной арматуре, проходящей через всю конструкцию, обеспечивая глубокую, непоколебимую прочность и долговременную стабильность.
Этот двухэтапный подход обеспечивает замечательный контроль. Тщательно подбирая состав, производители могут достигать определенных свойств на каждом этапе. Промежуточное состояние после УФ-отверждения может быть разработано с учетом конкретных требований к обращению или обработке, в то время как конечное состояние после термоотверждения обеспечивает максимальные эксплуатационные характеристики, необходимые для конкретного применения.
Для создания успешного клея двойного действия (УФ/термоотверждение) требуется сложная смесь ингредиентов, каждый из которых играет решающую роль. Синергия между компонентами, отверждаемыми УФ-излучением и термоотверждением, имеет первостепенное значение.
Смола образует основную структуру затвердевшего клея, определяя многие его ключевые свойства, такие как прочность, гибкость и химическая стойкость.
Полиуретанакрилаты (ПУА): широко используемые в УФ-отверждении, ПУА остаются ценными компонентами в системах двойного отверждения. Они обеспечивают универсальность – выбирая различные полиолы, изоцианаты и концевые акрилатные группы, разработчики рецептур могут регулировать такие свойства, как гибкость, прочность и адгезия. Они вносят значительный вклад в быстрое УФ-отверждение.
Эпоксидные смолы: Будучи классическими термореактивными смолами, эпоксидные смолы часто являются предпочтительным выбором для термоотверждаемой части системы благодаря своей исключительной термической стабильности, механической прочности, химической стойкости и адгезии к широкому спектру оснований.
Наиболее распространенные типы: эпоксидные смолы на основе бисфенола А (BPA) и бисфенола F (BPF) широко используются благодаря сбалансированному сочетанию свойств и экономической эффективности.
Специальные эпоксидные смолы: Для повышения эксплуатационных характеристик (например, повышения термостойкости, улучшения прочности) все чаще используются специальные эпоксидные смолы, такие как новолаковые эпоксидные смолы или эпоксидные смолы на основе глицидиламина.
Гибридные структуры: Некоторые поставщики предлагают инновационные «полумодифицированные» эпоксидные акрилаты. Эти молекулы содержат как двойную акрилатную связь (для УФ-реакции), так и эпоксидную группу (для термической реакции) на одной и той же основной цепи. Такая структура способствует эффективному сшиванию между двумя механизмами отверждения, потенциально приводя к образованию более однородных и прочных сетей.
Это катализаторы для первой стадии отверждения. Фотоинициаторы — это молекулы, которые поглощают определенные длины волн УФ-излучения и генерируют реакционноспособные частицы (свободные радикалы или катионы), которые инициируют полимеризацию УФ-реактивных смол (например, акрилатов).
Типы: К распространенным типам относятся свободнорадикальные фотоинициаторы, которые, в свою очередь, подразделяются на:
Расщепление типа I: Поглощает ультрафиолетовый свет и распадается на два радикальных фрагмента.
Тип отрыва водорода (тип II): Для генерации инициирующих радикалов необходим соинициатор (например, амин).
Критерии выбора: Ключевым моментом является соответствие спектра поглощения фотоинициатора спектру излучения источника УФ-излучения (например, ртутных ламп, светодиодов). Выбор также влияет на поверхностное или сквозное отверждение, пожелтение и общую эффективность отверждения.
Усовершенствованные инициаторы: Для решения специфических задач, таких как отверждение более толстых участков или пигментированных систем, а также для использования с УФ-А или даже видимыми светодиодами, иногда применяются специализированные крупномолекулярные или полимерные фотоинициаторы.
Эти компоненты остаются в неактивном состоянии на стадии УФ-облучения и активируются под воздействием тепла для запуска вторичного отверждения, обычно вступая в реакцию с эпоксидными группами или другими термореактивными функциональными группами. Критически важной характеристикой является латентность – они не должны преждевременно реагировать при комнатной температуре, а должны надежно активироваться при желаемой температуре отверждения.
Производные имидазола: Имидазолы могут выступать в качестве катализаторов или отверждающих агентов для эпоксидных смол. Модифицированные имидазолы (например, инкапсулированные или аддуктные) обеспечивают улучшенную стабильность при хранении (латентный период) при комнатной температуре, а также эффективное отверждение при нагревании. Их мелкий размер частиц также может привести к более равномерному отверждению без остаточных частиц, повышая надежность.
Тиолы (меркаптаны): Тиолы играют удивительную двойную роль.
В УФ-отверждении: они являются превосходными агентами переноса цепи в свободнорадикальной полимеризации акрилатов. Они легко отдают атом водорода распространяющимся радикалам, что помогает преодолеть кислородное ингибирование на поверхности, улучшая скорость и полноту отверждения поверхности. Образующийся тиильный радикал затем может продолжить полимеризационную цепь. Это значительно повышает адгезию, прочность и степень превращения двойных связей, особенно при низкоинтенсивном УФ-облучении. Распространенными примерами являются тетракис(3-меркаптопропионат) пентаэритрита (PETMP) и трис(3-меркаптопропионат) триметилолпропана (TMPTMP).
В термоотверждении: тиольные группы также могут эффективно реагировать с эпоксидными группами, особенно в сочетании с третичными аминными ускорителями (например, DMP-30). Эта тиол-эпоксидная реакция может происходить при относительно низких температурах и протекает быстро, предлагая способ быстрого термоотверждения при одновременном повышении адгезии и прочности на разрыв.
Гидразиды (дигидразиды): Такие соединения, как адипиновый дигидразид (ADH), себациновый дигидразид (SDH) и изофталевый дигидразид (IDH), являются латентными отверждающими агентами для эпоксидных смол. Они обычно имеют высокие температуры плавления, что способствует хорошей стабильности при хранении. Хотя их температура активации, как правило, ниже, чем у дициандиамида (DICY), для достижения приемлемой скорости отверждения часто требуются ускорители (аналогичные тем, которые используются с DICY).
Помимо основных реакционноспособных компонентов, для точной настройки свойств используются различные наполнители и добавки:
Неорганические наполнители: широко распространены такие материалы, как карбонат кальция (CaCO3), осажденный или пирогенный диоксид кремния (SiO2) и диоксид титана (TiO2). Они могут:
Повышает вязкость и придает тиксотропию (сопротивление течению, хорошо подходит для заполнения зазоров).
Улучшение механических свойств, таких как модуль упругости и износостойкость.
Уменьшить усадку в процессе полимеризации.
Снижение общей стоимости.
Модификация поверхности: Важно отметить, что наполнители часто подвергаются обработке поверхности (например, силанами или акрилатами) для улучшения их совместимости с органической смоляной матрицей. Плохая совместимость может привести к осаждению частиц, ослаблению межфазных границ и снижению эффективности. Модифицированные наполнители лучше диспергируются и более эффективно связываются в отвержденной адгезивной сетке.
Другие добавки: в зависимости от конкретных требований к применению могут также включаться усилители адгезии, упрочняющие агенты, стабилизаторы и модификаторы реологии.
Уникальный двухэтапный механизм отверждения обеспечивает ощутимые преимущества, которые способствуют его внедрению в самых требовательных отраслях промышленности.
Основные преимущества:
Скорость и прочность: сочетает в себе быструю фиксацию УФ-излучения с надежностью полного термического отверждения. Гипотетические данные предполагают потенциальное сокращение времени цикла на 50-80% по сравнению с системами, использующими только нагрев, на определенных этапах сборки.
Полная гарантия отверждения: эффективно отверждает затененные участки, недоступные для УФ-излучения, обеспечивая целостность соединения в сложных геометрических формах.
Снижение термического напряжения: Начальная УФ-отверждение обеспечивает прочность при обработке, что потенциально позволяет использовать более низкие температуры термического отверждения или более короткие циклы нагрева по сравнению с традиционными термореактивными полимерами, минимизируя нагрузку на чувствительные компоненты.
Гибкость процесса: позволяет изменять положение или проводить проверку после первоначального УФ-отверждения перед окончательным, постоянным термоотверждением.
Улучшенные характеристики: Благодаря образованию взаимопроникающих полимерных сетей (IPN) можно достичь свойств, потенциально превосходящих свойства любой из систем отверждения по отдельности.
Применение в различных отраслях:
Электроника: это одна из основных областей применения.
Склеивание компонентов: Прикрепление компонентов к печатным платам, особенно чувствительных к нагреву. УФ-излучение мгновенно фиксирует компонент, предотвращая его смещение во время последующих операций или процессов оплавления, после чего следует низкотемпературная термообработка для достижения максимальной прочности.
Заливка компаундом и герметизация: защита чувствительных схем или датчиков от воздействия окружающей среды. Ультрафиолетовое излучение быстро отверждает поверхность, а нагрев обеспечивает глубокое отверждение основного материала.
Сборка модуля камеры: точное выравнивание и склеивание линз и датчиков в тех случаях, когда скорость и стабильность имеют решающее значение.
Пример/тематическое исследование 1: Производителю носимых медицинских мониторов потребовалось приклеить миниатюрный термочувствительный биометрический датчик к гибкой печатной плате. Только УФ-отверждение оставляло незатвердевшими затененные участки под датчиком. Только термоотверждение грозило повредить датчик и занимало слишком много времени для их автоматизированной линии. Решением стал двухкомпонентный УФ/термоотверждаемый клей: 3-секундное УФ-облучение идеально закрепило датчик, после чего последовало 30-минутное отверждение при 80°C (значительно ниже порога повреждения датчика), что обеспечило полное и надежное склеивание, значительно повысив выход годной продукции и производительность.
Медицинские изделия: биосовместимость часто является здесь ключевым требованием.
Сборка катетера: соединение баллонов, соединительных муфт и компонентов трубки.
Фиксация иглы: закрепление металлических канюль в пластиковых втулках.
Сборка диагностических устройств: сборка многокомпонентных устройств, требующих точного выравнивания и прочных, стерилизуемых соединений.
Пример/тематическое исследование 2: Производитель внутривенных катетеров столкнулся с проблемой склеивания иглы. УФ-отверждение было быстрым, но не обеспечивало достаточной долговременной устойчивости к циклам стерилизации. Термоотверждение было слишком медленным. Переход на биосовместимый двухкомпонентный УФ/термоотверждаемый клей позволил быстро закрепить изделие с помощью УФ-излучения для высокоскоростной сборки, после чего последовало пакетное термоотверждение, обеспечивающее превосходную прочность соединения и устойчивость к многократному автоклавированию, что соответствует строгим нормативным требованиям.
Оптоэлектроника: Точная юстировка имеет решающее значение.
Склеивание линз: крепление линз в оптических узлах.
Выравнивание оптоволоконных кабелей: точная фиксация оптических волокон перед их постоянным соединением. УФ-отверждение обеспечивает стабильность выравнивания на субмикронном уровне за миллисекунды, после чего следует термоотверждение для обеспечения долговременной стабильности в условиях окружающей среды.
Автомобильная и аэрокосмическая промышленность: Высокоэффективные методы склеивания и герметизации, где необходима надежность в суровых условиях.
Упаковка: Высокоскоростные процессы герметизации, возможно, для защиты от несанкционированного вскрытия или для специализированной функциональной упаковки.
Хотя мощные системы двойного отверждения сопряжены с определенными трудностями, которые требуют квалифицированного подхода к разработке рецептур:
Оптимизация эффективности отверждения: Для обеспечения эффективного протекания как УФ-, так и термического этапов требуется тщательный подбор фотоинициаторов, соответствующих источнику УФ-излучения, и подходящих термоотверждающих агентов с правильной задержкой и температурой активации. Компоненты смолы должны быть совместимы и эффективно участвовать в соответствующих реакциях. Наполнители и пигменты должны быть выбраны и обработаны тщательно, чтобы минимизировать помехи проникновению УФ-излучения.
Управление ингибированием кислородом: Как уже упоминалось, ингибирование кислородом может осложнить процесс поверхностного отверждения в системах УФ-отверждения с участием свободных радикалов. В составах с двойным отверждением часто входят такие стратегии, как:
Использование тиол-енной химии, которая менее чувствительна к кислороду.
Использование фотоинициаторов, эффективно работающих даже в присутствии кислорода.
Использование последующего термического отверждения: даже если непосредственная поверхность испытывает незначительное ингибирование на стадии УФ-облучения, термическое отверждение обеспечивает полное сшивание и затвердевание всей клеевой массы, включая поверхностный слой. Это существенное преимущество по сравнению с системами, использующими только УФ-излучение, где липкость поверхности может оставаться постоянной проблемой.
Область клеев двойного действия (УФ/термоотверждение) динамично развивается, и постоянные исследования направлены на расширение границ их характеристик и областей применения.
Более быстрые профили отверждения: Разработка термоотверждающих агентов, которые активируются при более низких температурах или быстрее при умеренных температурах, что дополнительно снижает термическое напряжение и энергопотребление. Одновременно ведется поиск более эффективных фотоинициаторных систем для еще более быстрого УФ-склеивания, возможно, с использованием низкоэнергетических УФ-светодиодных источников.
Улучшенные характеристики и долговечность: Исследования в области новых химических составов смол и направлений их модификации направлены на повышение адгезии к труднообрабатываемым основаниям, улучшение прочности и гибкости, повышение термической стабильности и химической стойкости. Модификация эпоксидных или уретановых основ силиконовой нитью — один из путей, изучаемых для придания большей гибкости и улучшения характеристик при высоких и низких температурах.
Повышение экологичности: Активное стремление к созданию составов на основе возобновляемого сырья (биооснованные смолы), систем без растворителей и химических составов, требующих меньших энергозатрат для отверждения, соответствует более широким отраслевым целям в области экологической ответственности.
Расширение области применения: разработка рецептур для нишевых применений в таких областях, как гибкая электроника, микрофлюидика, современные композитные материалы и 3D-печать/аддитивное производство. Могут ли специально разработанные клеи двойного УФ/термического отверждения стать оптимальным решением для сборки сложных многокомпонентных устройств будущего?
Для решения сложных задач, связанных с клеями двойного действия (УФ/термоотверждение) – от понимания рецептур до устранения проблем при нанесении – необходимы экспертные знания. Компания Sinocurechemical обладает обширным опытом в анализе и разработке этих передовых материалов.
Благодаря обширной внутренней библиотеке спектральных данных и полному набору современных аналитических приборов, мы используем специализированные методы пробоподготовки и анализа. Это позволяет нам идентифицировать составляющие компоненты двухкомпонентных клеев, в том числе:
Определение структуры и мономеров различных олигомеров и смол.
Выявление разнообразных реактивных разбавителей и фотоинициаторов.
Количественная оценка термоотверждающих агентов и следовых количеств добавок.
Компания Sinocurechemical всегда находится в авангарде рыночных разработок, активно исследуя и анализируя новые клеи двойного действия (УФ/Т) в различных отраслях. Мы можем проводить сравнительный анализ для оценки производительности продукции и помогать вашей компании преодолевать трудности в области исследований и разработок. Независимо от того, нужно ли вам понять продукт конкурента, разработать новую рецептуру или оптимизировать процесс отверждения, наш опыт поможет сократить цикл разработки и повысить производительность и надежность вашей продукции.
Клеи двойного действия, отверждаемые УФ-излучением и теплом, представляют собой значительный шаг вперед в технологии склеивания. Благодаря интеллектуальному сочетанию скорости УФ-излучения с тщательностью и прочностью термического отверждения, они предлагают универсальное и эффективное решение для современных производственных задач. Они позволяют ускорить производство, работать со сложными конструкциями с затененными участками, снижают термическое напряжение на чувствительных компонентах и обеспечивают прочные и надежные соединения для сложных применений в электронике, медицине, оптике и других областях.
По мере развития материалов и дизайна изделий спрос на адаптируемые высокоэффективные клеи будет только расти. Технология двойного отверждения УФ-излучением и теплом готова удовлетворить этот спрос, предлагая путь к повышению эффективности, улучшению качества продукции и большей свободе проектирования.
У вас есть вопросы о том, как клеи двойного действия (УФ/термоотверждение) могут быть полезны в вашем конкретном случае? Вы сталкиваетесь с трудностями в текущем процессе склеивания?
Специалисты компании Sinocurechemical готовы помочь. Приглашаем вас связаться с нами для консультации. Наши аналитические возможности и знания в области рецептур ускорят ваши инновации. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы обсудить ваши потребности в клеях!
