Water contact angle and related measurements to qualify surface treatments

Abstract

The purpose of this work is to determine if water contact angle (WCA) and other measurements can be used to qualify the surface treatments for adhesive bonding in composites. In adhesive bonding, the surface condition is critical in order to form a good bond. This work will focus on adhesive bonding of carbon fibre reinforced plastic (CFRP) structures and the use of WCA to determine if the surface conditions are acceptable and the WCA measurement repeatable and reliable.

The first thing to consider is if WCA measurements can indicate distinguishable measure for differently treated surfaces. This was done by conducting contact angle (CA) measurements on surface treated CFRP surfaces with four different probe liquids. This provides information on the surface conditions such as the surface energy and its components.

For the WCA to be accurate, the aspects affecting WCA value should be scouted. This one was done using drop shape and time relation testing. Also, it was studied how does the measurement location affect WCA. This was done by changing the view angle on a selected sample surface and by increasing the measurement time – to see when the water droplets will evaporate from the surface at some point. In practice, the time between surface preparation and the actual bonding process can vary in reality. For this, laboratory environment contamination testing was used. WCAs were measured using eight hours of observation time in total.

Based on the results, CA measurements were able to distinguish the surface treatments from one another. The difference in the polar component of surface energy was substantial between untreated and treated surfaces. This made it possible to use water as probe liquid since water is affected by the change in polar component – noting that this is favoured for good bonding. Other tests proved that CA values depend on the view angle, proving unideal droplet shapes. The evaporation behaviour seemed to be linear and in line with standard surfaces, such as glass. A long observation time provided data with a slight fluctuation of CA values over time, but they were still in line with the standard deviation.

Tämän työn tarkoituksena on määrittää, mikäli veden kontaktikulmaa tai muita mittauksia voidaan käyttää apuna pinnan muokkauksissa komposiittien liimaliitoksia varten. Onnistunut pinnanmuokkaus liimaliitosta varten on äärimmäisen tärkeää lujan liitoksen varmistamiseksi. Tämä diplomityö keskittyy hiilikuituvahvistettuihin komposiitteihin ja mahdollisuuteen käyttää veden kontaktikulmaa pinnan tilan varmistamiseksi liimausta varten.

Ensimmäiseksi varmistetaan, että veden kontaktikulmamittauksella voidaan erotella eri pintakäsittelyin muokattuja pintoja toisistaan. Tämä toteutettiin käyttämällä neljää eri mittausnestettä kontaktikulmien määrittämiseen. Näistä tuloksista voitiin myös määrittää pinnalle sen kokonaispintaenergia sekä pintaenergian komponenttien arvot, jotka antavat tarkkaa tietoa pinnan muokkauksen tilasta.

Oleellista on tarkastella, onko veden kontaktikulmamittaus tarpeeksi tarkka, toistettava ja luotettava menetelmä ja mitkä tekijät vaikuttavat sen absoluuttiseen lukuarvoon. Pisaran muodon sekä ajan vaikutusta mittauksiin tutkittiin seuraavaksi. Lisäksi pisaroiden mittauspaikat pinnalla taltioitiin mittauspaikan tarkan sijainnin (jolla eksakti karheus, materiaali) vaikutuksen määrittämiseksi. Mittauksen katselukulmaa varioitiin pisaran muodon ja kontaktikulman yhteyden löytämiseksi. Myös seuranta-aikaa tarkasteltiin, jotta nähtäisiin, millainen vaikutus sillä on kontaktikulmaan. Laboratorio-olosuhteissa seurattiin kahdeksan tunnin ajanjaksona kontaktikulman muuttumista olosuhteiden vaikutuksesta ja suhteessa pinnan muokkauksen tekemisestä.

Tulosten perusteella kontaktikulmamenetelmä pystyy erottelemaan eri hiilikuitukomposiittien pinnan muokkaukset toisistaan. Pinnan polaarikomponentti kasvaa työssä tehtyjen pinnanmuokkauksien seurauksena, mikä parantaa yleisesti liimaliitoksia. Vesi reagoi vahvimmin polaarikomponentin muutoksiin, joten vesi sopii nesteenä mittauksiin hyvin. Saadut kontaktikulman arvot riippuvat katselu- eli mittauskulmasta. Mitatuissa materiaaleissa, pinta ei näytä imevän vettä, vaan kulmamuutos johtuu lähinnä haihtumisesta, koska sen muutos ajan suhteen oli sama kuin lasipinnoilla.