Surface treatments and adhesive bonding on high performance thermoplastics

Nowadays, polymeric materials cover a wide range of applications in the aerospace industry, thanks to their capability to reduce weight, improve quality, and lower manufacturing and maintenance costs. High performance thermoplastic material represent a worth substitute for metals, mainly for structural purposes, thanks to their peculiar properties (lightweight, resistance to chemicals and temperature) and so, their employment is expected to grow in the coming years. Therefore, more specific materials and production techniques must be developed in order to meet the high demand of military and civil aircrafts. This thesis work, is focused on the study of adhesion of high performance polymeric thermoplastic materials, investigating how specific surface treatments would be able to functionalize their surfaces, making them capable to form strong adhesive bonding. This latter, would contribute in the aircraft weight reduction, avoiding the use of mechanical joints (i.e. metallic screws, bolts and rivets) during assembly and, thus, resulting in an increase in the overall weight of the vehicle. For this purpose, three polimeric substrates, provided by Leonardo S.p.A., have been investigated, namely PEEK, PEI and PPS, each of them in combination with five epoxy-based adhesives, named Adhesive A, B, C, D and E supplied by Leonardo S.p.A. too. At the beginning, characterization of both materials and adhesives has been performed, taking advantage of differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis, optical contact angle and pull-off tests. Afterwards, an optimization of plasma and UV treatments have been carried out taking advantage of optical contact angle analyses and pull-off tests, together with ATR, rheological tests and DSC, in order to select the parameters to be used to have the best adhesive condition for all the tested substrates. In the end, single lap shear tests have provided indications regarding the effectiveness of the previous treatments, allowing to define which was the best polymer-adhesive combination among the tested ones.

I materiali polimerici, al giorno d'oggi, giocano un ruolo fondamentale all'interno del settore aerospaziale, andando a coprire una vasta gamma di applicazioni. Le caratteristiche di quest'ultimi, rispondono infatti ai requisiti tecnici necessari per la realizzazione dei componenti impiegati nei velivoli moderni, dove l’utilizzo di composti più leggeri, rispetto ai metalli, si traduce nella produzione di aerei che consentono un ridotto consumo di carburante e basse emissioni. A ciò si aggiunge una vita operativa più lunga dei pezzi impiegati, grazie alla loro elevata resistenza chimica e meccanica, seguita da un'eccellente resistenza all’usura. Questo lavoro di tesi, è volto allo studio dell'adesione di materiali termoplastici, e nello specifico, allo studio di come specifici trattamenti superficiali siano in grado di migliorare le proprietà superficiali di quest'ultimi, conferendo quindi elevate proprietà di adesione. L'uso di giunzioni adesive tra materiali polimerici, risulterebbe in una notevole riduzione del peso del veicolo, poichè innanzitutto materiali ceramici e metallici verrebbero sostituiti da materiali piu leggeri; inoltre l'utilizzo di questo tipo di giunzioni permetterebbe l'eliminazione di componenti meccanici quali rivetti, viti e bulloni, necessari per le giunzioni di tipo meccanico, i quali olte a gravare sulla struttura, sono sede di concentrazione di stress e di processi corrosivi. In questo studio, tre materiali termoplastici, quali PEEK, PEI e PPS, e cinque adesivi epossidici, denominati Adesivo A, B, C, D e E, sono stati investigati. Una caratterizzazione sia dei materiali che degli adesivi, è stata inizialmente esguita, avvalendosi di tecniche quali calorimetria differenziale a scansione, analisi termogravimetrica, test di angolo di contatto e di prove pull-off. Successivamente, il progetto è stato dedicato all'ottimizzazione dei trattamenti plasma e UV al fine di capire quali fossero i parametri in grado di fornire le più elevate proprietà adesive per tutti i termoplastici testati. A tal fine, sono state impiegate analisi dell'angolo di contatto, prove pull-off, calorimetria differeniale a scansione, ATR e analisi reologiche. Per ultime, prove di single lap shear hanno fornito indicazioni circa l'efficacia dei trattamenti precedenti, consentendo anche di definire quale fosse, tra quelle testate, la miglior combinazione tra polimero e adesivo.