Waar de temperatuurgrenzen van lijmverbindingen liggen
De temperatuurgrens van een lijmverbinding wordt zelden bepaald door verbranding of ontleding, maar door de glasovergang van het uitgeharde polymeer en door spanningen die ontstaan als twee substraten verschillend uitzetten. Een verbinding die bij 20 graden 25 MPa haalt, kan bij 100 graden nog maar een fractie daarvan dragen. Onderstaande uitleg zet de mechanismen en de bandbreedtes per lijmfamilie op een rij.
De glasovergang als werkelijke bovengrens
Elke uitgeharde lijm is een polymeernetwerk met een glasovergangstemperatuur, aangeduid als Tg. Onder die temperatuur zitten de ketens vast in een glasachtige toestand met hoge stijfheid. Boven de Tg krijgen ketensegmenten bewegingsvrijheid en zakt de elasticiteitsmodulus met een factor honderd tot duizend binnen een bereik van soms twintig graden.
Voor structureel belaste verbindingen wordt daarom een marge aangehouden: continu bedrijf blijft bij voorkeur 20 tot 40 graden onder de Tg. Bij elastische kitachtige lijmen ligt de Tg juist ver onder nul en is de glasovergang eerder een ondergrens dan een bovengrens.
De Tg is bovendien geen vaste materiaalconstante. Onvolledige uitharding verlaagt hem aanzienlijk. Een epoxy die bij kamertemperatuur uithardt haalt vaak 50 tot 80 graden, terwijl dezelfde hars na naharding bij 120 tot 180 graden een Tg van 120 tot 200 graden kan bereiken. Opgenomen vocht werkt als weekmaker en drukt de Tg met enkele tot tientallen graden.
Piekbelasting versus continubelasting
Fabrikantopgaven noemen doorgaans twee waarden. De piektemperatuur geldt voor blootstelling van minuten tot enkele uren en ligt vaak 30 tot 80 graden boven de continuwaarde. De continutemperatuur geldt voor duizenden uren en wordt begrensd door thermische oxidatie, verbrossing en nasplitsing van het netwerk.
Het verschil is een kwestie van tijd maal temperatuur. Bij een korte piek verweekt de lijm en herstelt de sterkte bij afkoeling grotendeels. Bij langdurige blootstelling verandert de chemische structuur onomkeerbaar: de verbinding wordt bros, verkleurt en verliest hechting aan de randen waar zuurstof toetreedt. Belasting tijdens de piek is daarbij doorslaggevend, want een onbelaste verbinding overleeft een korte oververhitting veel makkelijker dan een belaste.
Sterkteverloop bij oplopende temperatuur
Tot ruim onder de Tg daalt de schuifsterkte geleidelijk, in de orde van enkele procenten per tien graden. In de buurt van de Tg volgt een steile knik: het verlies kan daar 50 tot 80 procent bedragen over een traject van dertig graden. Boven de Tg gedraagt het netwerk zich rubberachtig, met sterk toenemende kruip onder statische last.
Kruip verdient aparte aandacht. Een verbinding kan bij verhoogde temperatuur nog een acceptabele kortstondige sterkte tonen en toch onder een constante last van enkele procenten van die waarde langzaam doorschuiven. Voor permanent belaste constructies is de kruipgrens dus maatgevend, niet de trekbanksterkte.
Gedrag bij vorst
Bij dalende temperatuur neemt de stijfheid toe en de rekbaarheid af. Elastische lijmen die bij kamertemperatuur 300 procent rek halen, kunnen bij min 30 graden onder de honderd procent zakken. De verbinding wordt sterker in schuif maar aanzienlijk gevoeliger voor slag en schok, met kans op brosse breuk zonder waarschuwing.
Daarnaast bouwt afkoeling zelf spanning op. Wie bij 20 graden lijmt en de constructie tot min 30 graden laat afkoelen, legt de naad een krimpverschil op dat blijvend in de verbinding zit. Silicone en polyurethaan verdragen dat het best, hoogverknoopte epoxy het slechtst.
Verschil in uitzettingscoëfficiënt
Elk materiaal heeft een lineaire uitzettingscoëfficiënt, uitgedrukt in miljoenste per kelvin. Staal ligt rond 12, roestvast staal rond 16, aluminium rond 23, glas rond 8, beton rond 10 en de meeste thermoplasten tussen 60 en 90. Koolstofvezelcomposiet zit in vezelrichting dicht bij nul.
De verplaatsing volgt uit lengte maal temperatuurverschil maal het verschil in coëfficiënt. Een aluminium profiel van een meter op staal beleeft bij 50 graden opwarming een onderling verschil van ruim een halve millimeter, en die beweging moet ergens heen. Een stijve lijmnaad van 0,2 mm kan dat niet opnemen en scheurt aan de uiteinden, waar de afschuifspanning het hoogst is.
De oplossing is een dikkere, elastische naad. Een laag van 2 tot 5 mm met een rekbare lijm verdeelt de beweging over meer materiaal en houdt de rek per millimeter binnen het toelaatbare. Dat verklaart waarom beglazing en paneelbevestiging met elastische lijmen worden uitgevoerd en niet met epoxy.
- Staal: circa 12 per miljoen per kelvin
- Aluminium: circa 23 per miljoen per kelvin
- Glas: circa 8 per miljoen per kelvin
- Thermoplasten: circa 60 tot 90 per miljoen per kelvin
Bereik per lijmfamilie
De onderstaande bandbreedtes gelden voor continubelasting en verschuiven per formulering. Speciale varianten binnen elke familie halen hogere waarden, meestal ten koste van taaiheid of verwerkingsgemak.
- Cyanoacrylaat standaard: tot ongeveer 80 graden, thermisch gestabiliseerd tot circa 120 graden
- Polyurethaan: circa min 40 tot 90 graden
- Hybride polymeerlijm: circa min 40 tot 100 graden
- Tweecomponenten methacrylaat: circa min 40 tot 120 graden
- Epoxy koud uitgehard: circa min 40 tot 80 graden
- Epoxy warm nagehard: tot circa 150 tot 200 graden
- Silicone: circa min 60 tot 200 graden, kortstondig hoger
- Anorganische en polyimide systemen: boven 250 graden
Kern
- De glasovergangstemperatuur bepaalt de bruikbare bovengrens, niet het ontledingspunt.
- Continubelasting ligt doorgaans 30 tot 80 graden onder de opgegeven piektemperatuur.
- Rond de Tg kan de schuifsterkte binnen dertig graden meer dan de helft verliezen; kruip is dan maatgevend.
- Vorst verhoogt de stijfheid en verlaagt de slagvastheid, met kans op brosse breuk.
- Bij ongelijke uitzetting is een dikke elastische naad de enige werkbare oplossing.
Een lijm die op papier vier keer zo sterk is, houdt het in de praktijk niet wanneer de belasting op pel staat.
Vorige: Lijmen of mechanisch bevestigen, een technische afweging | Volgende: Waarom polyetheen en polypropeen zo slecht te lijmen zijn