Åldring av limfogar

Av vad åldras limfogar?

I de flesta fall har din slutprodukt en viss livslängd och du vill att förstås att åldring av limfogar i din konstruktion ska ske så pass långsamt att den inte går sönder i förtid. Lim är egentligen bara en plast (som råkar vara bra på vidhäftning) och plaster åldras på grund av olika faktorer som vi går igenom lite längre ner i inlägget. När du konstruerar en limfog så är det bra att ta hänsyn till två olika åldringseffekter: åldring av själva limmet (även kallat kohesion) och åldring av vidhäftningen mot ytan av det material som du limmar (adhesion).

Ju längre en limfog kan motstå kemisk och fysisk belastning i kombination med mekanisk belastning, desto mer åldringsbeständig är fogen. Åldringen ställer man mot kraven för själva applikationen. Det vill säga att det inte får bli oacceptabla förändringar i limfogen när det gäller de egenskaper som är speciellt viktiga. Det kan till exempel vara styrkan, motstånd mot deformering eller liknande.

Det finns tre huvudsakliga faktorer som påverkar åldring:

Kemisk
Fysisk
Mekanisk belastning

Dessa påverkar både limfogens kohesion och adhesion och beror dessutom på vad det är som limmats, typen av lim som valts och förbehandlingen som utförts. De är också i hög grad kombinerade med tid och hastighet – och av varandra.

Kemisk belastning

Kemisk belastning bidrar mer till åldring av limfogar vid högre koncentration och högre temperatur. Effekten varierar självklart också beroende på typen av kemikalie och typen av lim och material du limmat. Några exempel på kemisk belastning på en limfog:

Fukt och vattenkondensation.
Atmosfäriskt syre.
Gaser, lösningsmedel, rengöringsmedel, salter i omgivande i miljö.

Fysisk belastning

Fysisk belastning inkluderar till exempel ljus och värme. Effekterna av denna typ av belastning ökar om det dessutom finns annan typ av belastning som bidrar. Det är också viktigt att notera hastigheten som temperaturen förändras och under vilken typ och hur mycket mekanisk belastning fogen utsätts för vid förändringen. Exempel på fysisk belastning på en limfog:

Temperatur
UV-ljus

Mekanisk belastning

Kanske den enklaste att förstå sig på. Limfogen ska klara att hålla uppe en viss vikt, ska klara att bli tappad i golvet eller att bli böjd på ett visst sätt. Mekanisk belastning är påverkad av övriga belastningstyper. Exempel på mekanisk belastning som bidrar till åldring av limfogar:

Statisk belastning.
Dynamisk belastning.
Cyklisk belysning.
Slagbelastning.

Kombinationer av belastningar – se hela bilden

Säg att du har valt ett lim som ska tåla en viss temperatur. Allt är fint, limmet ligger inom rekommenderat temperaturområde som du ser på det tekniska databladet. Men sen kyler du slutprodukten ner väldigt snabbt av någon anledning och plötsligt så släpper limfogen. Då är det alltså kombinationen av temperatur och tid som är problemet (prova att välja ett lite mer flexibelt lim i fall som detta). Kanske är det två olika material du limmat ihop? Skillnaden i expandering (CTE) vid olika temperaturer ger upphov till en mekanisk belastning.

Eller så kanske temperaturen i sig är inget problem men så kommer limfogen i kontakt med en kemikalie samtidigt (även vatten räknas in som kemikalie!). Då kan det uppstå synergieffekter. Dvs kemikalien i sig är inga problem och temperaturen i sig är inga problem men kombinationen av de båda kan ge en mångdubbling av effekten och blir helt enkelt för mycket.

Vad är det som händer med limmet under åldring?

I princip handlar åldringen om att kemiska bindningar i limmet och i gränsskiktet mellan lim och yta bryts. Alla organiska material åldras genom oxidation, det vill säga genom reaktioner med syre från luften. Vissa reagerar snabbare än andra och som vi beskrivit ovan, beroende på vad limfogen mer utsätts för. Lim, som består av polymerer (långa molekylkedjor) som alltså bryts av. I och med detta, så minskar molekylvikten kontinuerligt. Till en början gör det inte så stor skillnad, kanske märker du inget på flera år. Men med tiden så kan limfogen nå den punkt där både kohesion och adhesion blir negativt påverkade.

För svagare bindningar än inom molekylen så sker åldring på liknande sätt. Det kan till exempel handla om att vatten smyger sig in i gränsskikt och konkurrerar ut de kemiska bindningar som skapat vidhäftning från början.

Metoder för att förutspå åldringen under specifika förutsättningar som slutprodukten kommer att utsättas för under sin livstid, kan alltså vara viktigt för att utvärdera ett lim, designen av en limfog etc.

Även kemin på det lim du väljer har ju en stor inverkan och kan vara bra att förstå grunderna av. Som exempel kan vi ta cyanoakrylat-lim som blir negativt påverkat av vatten som kryper sig in i limmet. Just denna typ av lim kommer att genomgå hydrolys, vilket innebär nedbrytning av polymerkedjor genom en kemisk reaktion med vatten. Hydrolys sker dock inte för till exempel silikoner eller epoxi, vilket visar på vikten av att välja rätt lim för rätt applikation och miljö.

Att förutspå åldring av limfogar

De flesta testmetoder utgår ifrån konceptet att en högre temperatur ökar hastigheten på nedbrytningen av polymeren och även minskning av vidhäftning. På så sätt kan man accelerera den åldring som skulle ske naturligt. I många fall utför man också värmecykling för att få med effekten av hastighet.

För att inte tester ska ta allt för lång tid, och – vilket vi nu har lärt oss – för att det är så många faktorer som påverkar åldring så att det är svårt att förutspå teoretiskt, så behöver vi utföra accelererade åldringstest. Därför så utsätter man limfogen under kortare perioder för relativt hög belastning (kom ihåg: allt från temperatur, fuktighet till kemikalier räknas in här). Vanligt är att man cyklar denna belastning för att simulera verkligheten.

Det är återigen viktigt att ta hänsyn till flera faktorer vid test i laboratoriemiljö som i verkligheten sen kommer att påverka livslängden av limfogen.

Testmetoder för av accelererad åldring av limfogar

Det finns ett flertal standarder för åldrings-testning av limfogar. Vissa inriktar sig mot speciella limtyper eller applikationer, elastiska lim till exempel. Tester kan utformas efter speciella standarder (ASTM osv) eller utifrån erfarenhet. Efter själva åldringen, så testar man provet mekaniskt för att utvärdera resultatet. Alla exempel nedan går också att kombinera och kanske till och med kombinera med att applicera mekanisk belastning samtidigt för att verkligen få veta om det finns några synergieffekter.

Några vanliga metoder för accelererad åldring i laboratoriemiljö är

1) Klimatskåp med konstant klimat:
Förvaring i ett konstant klimat (temperatur och luftfuktighet) under längre tid som man anpassar efter användningsmiljön för slutprodukten. Ett vanligt exempel inom elektronik-industrin är 85 ᵒC och 85 % luftfuktighet i 2000 timmar (även kallat 85/85-test).

2) Klimatskåp med cykling
I denna typ av test så försöker man simulera effekten av temperatur- och fuktförändringar över tid, till exempel för en utomhusapplikation där slutprodukten ska tåla variationer över dygnet och över året. En klimatkammare är vanlig att använda för att ställa in ett program med specifika tider för varje klimat. Denna cykel upprepas ett antal gånger för att simulera åldring.

Cykeln repeteras ett antal gånger.

Cykling kan avslöja intressanta fenomen som en konstant temperatur inte alltid visar. Det finns fall där en produkt med betydligt lägre styrka och sämre vidhäftning presterar bättre tack vare sin större elasticitet och töjbarhet. Mer flexibla egenskaper kan agera stötdämpare under temperaturväxlingar, inte minst när du limmar ihop två olika material.

3) Kataplasma:

Lägg provet med limfog, till exempel en överlappsfog, i en stängd atmosfär genom att försegla den i PE-plast. Inuti har du lindat in provet i vattendränkt bomull. Sedan utsätter man provet för både höga och låga temperaturer enligt ett schema. Testet gör att eventuella korrosions-biprodukter inte har möjlighet att transporteras bort och kan påverka limfogens åldring ytterligare. Dessutom får man med effekten av frost.

4) Saltspray:
Saltspray-tester är vanliga att utföra när slutprodukten kommer att befinna sig i miljöer där risk för korrosion förekommer. Till exempel kan det handla om limmad metall i marina miljöer. Kontrollerade variabler så som temperatur, tryck och koncentrationer på själva saltsprayen (NaCl-lösning) simulerar verkligheten. En slags kombination av klimatcykling och saltspray är vanligt.

5) UV-beständighet:
Förutom klimatcykling kanske du vill veta att limfogen kommer att klara av att belysning av UV-ljus. Då kan du placera provet i en kontrollerad kammare och utsätta den för en viss dos strålning.

6) Kemikaliebeständighet:
Dränka provet i en viss (flytande) kemikalie (vatten inkluderat) under en viss tid och temperatur och mäta styrkan innan och efter eller kanske mäta absorptionen/hur mycket limmet sväller.

Många metoder finns det och ovan är bara några exempel. Det viktiga är att fundera på vad slutproduktens limfog kommer att utsättas för under sin livstid. Därefter kan du komma fram till vad som är lämpligt att testa och hur du ska bedöma resultatet (exempelvis genom mekanisk testning, läcktest eller liknande). Endast i få fall är det bara en faktor som påverkar åldring av limfogar.