В последние годы все более широкое распространение получают клеевые неразъёмные соединения элементов конструкций из пластмасс и металлов. В ряде случаев склеивание является единственно возможным способом соединения материалов с точки зрения технологии и требуемой прочности.
Прочность клеевого соединения характеризуется силами адгезии и когезии. Адгезия представляет собой сцепление между частицами самого клея. В зависимости от соотношения сил когезии и адгезии разрыв клеевого соединения может происходить по массе клеящего вещества или по поверхности раздела клей-подложка. Разрыв по поверхности раздела указывает на неудачный выбор клея для данной подложки или же на плохую подготовку ее поверхности. Разрыв по массе клеящего вещества объясняется значительной толщиной клеевого слоя и его недостаточной механической прочностью. Кроме того, на клеящие вещества полимера значительное влияние оказывают величина молекулярного веса, структура молекулы, плотность упаковки и др. факторы.
Адгезию чаще всего определяют эмпирической величиной работы, затрачиваемой для разъединения склеенных поверхностей. Известны следующие теории адгезии клеящего состава: адсорбционная, электрическая, диффузионная и химическая.
Электрическая теория адгезии предполагает наличие двойного электрического слоя, образующегося при контакте двух различных субстрактов. Согласно этой теории соединение является конденсатором, различно заряженные пластины которого притягиваются. Если их разделить, то конденсатор заряжается, причем должна наблюдаться электронная эмиссия.
Согласно диффузионной теории, адгезия полимеров происходит вследствие диффузии линейных молекул в склеиваемый материал и образования тем самым прочной связи между клеем и материалом. Отправная точка диффузионной теории — линейное строение высокополимеров и гибкость их молекул, позволяющая им микробрауновское движение. Способность к диффузии характерна только для адгезивов (клеев).
Однако в случае нанесения клеящих материалов из растворов, сами склеиваемые материалы могут набухать или растворяться под действием растворителя, вследствие чего молекулы основного материала приобретают значительную подвижность, а отсюда возможна диффузия молекул свариваемого материала в клей.
Адсорбционная теория адгезии рассматривает адгезию как поверхностный процесс воздействия на поверхности раздела клей — склеиваемый материал межмолекулярных сил Ван-дер-Ваальса. Адсорбционные силы отличаются от других видов молекулярного взаимодействия тем, что они происходят на поверхности раздела фаз между разными молекулами. Основой адсорбиционной теории адгезии является представление о молекулярном взаимодействии субстрата и клея при условии, что они имеют функциональные группы, способные к взаимодействию. Процесс возникновения адгезионных связей происходит в два этапа: транспортировка молекул клея к поверхности субстрата и межмолекулярные взаимодействия после сближения молекул клея и субстрата на расстояние меньше 0,5 нм.
Адсорбция на границе раздела фаз жидкость газ
... уравнений коллоидной химии, справедливого для любой границы раздела фаз. Широкое применение этого уравнения для исследования адсорбции на поверхности жидкости с газом (или паром) обусловлено относительно легким ... них g <0 и Г <0 (отрицательная адсорбция). К ПИНАВ относятся растворы сильных электролитов. Положительная адсорбция играет огромную роль в природных и промышленных процессах. ...
В соответствии с химической теорией адгезии для получения прочного соединения необходимо, чтобы соединяемые материалы взаимодействовали между собой с образованием химических связей через границу раздела фаз.
2. Классификация и основные компоненты клеев
Склеивание производится специальными веществами — клеями, представляющими собой вещества или смеси веществ органического происхождения, которые благодаря сочетанию в них таких свойств как хорошее прилипание, механическая прочность в требуемом интервале температур, отсутствие хрупкости и т.д., пригодны для прочного соединения пластмасс и др. материалов.
К основным компонентам клеев относятся связующие, носитель, катализаторы и отвердители, ингибиторы и замедлители, модифицирующие добавки.
Связующие — это основа клея, свойства которой обуславливают свойства клеевого соединения. Прочность, долговечность, химическая стойкость клеевого соединения зависят от химической структуры, молекулярной массы, степени кристалличности, растворимости клея.
Носителем клея может быть растворитель, пленка, бумага, различные ткани. В случае жидких клеев растворитель обеспечивает требуемую вязкость, возможность нанесения равномерного слоя.
Катализаторы и отвердители — компоненты, обеспечивающие протекание реакций отверждения, при которой катализаторы остаются без изменения, а отвердители вступают во взаимодействие со связующими и способствуют образованию сетчатой структуры.
Ускорители, ингибиторы и замедлители — вещества которые контролируют процесс отверждения клея. Ускоритель убыстряет реакцию отверждения под действием катализатора, ингибитор ее тормозит и прекращает, а замедлитель замедляет, тем самым, обеспечивая сохранение готового клея вплоть до момента его использования.
К модифицирующим добавкам относятся наполнители, разбавители, пластификаторы, пигменты, красители, стабилизаторы. Одни модификаторы добавляют для снижения стоимости клеев (разбавители), другие для повышения стойкости к действию окружающей среды (стабилизаторы), для изменения внешнего вида клея (красители), для снижения хрупкости клеевого соединения (пластификаторы).
Широкое распространение клеевых соединений в различных отраслях техники привело к созданию большого количества марок клея и необходимости их классификации:
а) по химической природе основных компонентов клеев их можно разделить на природные и синтетические.
Синтетические клеи подразделяются в основном на две группы:
1) клеи, изготовленные из термопластических полимеров;
2) клеи, изготовленные из термореактивных полимеров, при изготовлении или перед употреблением которых вводят отвердитель.
|
Основа клея |
Природные клеи |
Синтетические клеи |
||
|
Термопластичные |
Термореактивные |
|||
|
Клеи |
Органические: кровяной альбумин, казеин, крахмал, декстрин, асфальт, канифоль, каучук. Неорганические: жидкое стекло, гипс, цемент. |
На основе ПВА и его дисперсии, акрилатов, поливинилбутираля, производных нитрата целлюлозы, полистирола, полисульфонов. |
Фенольные, карбамидные, резорциновые, эпоксидные, меламиновые, алкидные, полиэфирные, изоцианатные, полиамидные |
|
|
Физическое состояние и вид |
Жидкости, пасты, порошки |
Жидкости, пленки, гранулят |
Жидкости, порошки, пленки |
|
|
Основная характеристика |
Широкий интервал прочности, относительно хорошая теплостойкость, ограниченная водостойкость |
Хорошая прочность, склонность к ползучести, низкая химическая стойкость, хорошая водостойкость, теплостойкость до 85 0 С |
Высокая прочность, отличная водостойкость и химическая стойкость, хорошая теплостойкость, часто образуется хрупкий шов |
|
|
Применение |
Бумажная промышленность, делопроизводство, использование в быту |
Игрушки, тара, приборы, автомобильная промышленность, машиностроение |
Сложные строительные и химически стойкие конструкции, самолетостроение. |
|
|
Типичные субстраты |
Древесина, бумага, пробка, кожа, керамика |
Пластики, металлы, древесина, стекло и их комбинации |
Металлы, древесина, стекло, пластики, кожа |
|
б) в зависимости от способности выдерживать тепловые нагрузки:
- клеи, выдерживающие длительное воздействие температур порядка 60-80 0 С;
- теплостойкие клеи, выдерживающие длительное или кратковременное воздействие температур порядка 160-350 0 С;
- высокотеплостойкие клеи, выдерживающие кратковременное воздействие температур до 1000 0 С;
в) в зависимости от температуры склеивания клеи можно разделить на 2 группы:
- клеи, склеивание которыми можно производить без подогрева, т.к. при введении специальных отвердителей и катализаторов, химические реакции протекают быстро;
- клеи, которыми можно склеивать, подогревая соединения до 150-250 0 С;
г) в зависимости от агрегатного состояния клеев в процессе их нанесения на материал клей можно разбить на 4 группы:
- жидкие;
- пастообразные;
- пленочные;
- твердые и порошкообразные, наносимые только на предварительно подогретые поверхности соединяемых деталей.
Жидкие и пастообразные клеи, делятся на:
1) клеи, остающиеся жидкими и хорошо текучими в начале прессования;
2) клеи, подвергающиеся с целью удаления растворителя предварительной сушке до получения твердого клеевого слоя и размягчающиеся при подогреве в процессе склеивания до состояния большей или меньшей текучести.
3. Подготовка поверхностей к склеиванию
Прочность клеевого соединения, помимо правильного выбора типа клея, зависит от соответствующей подготовки поверхности. Подготовка поверхности к склеиванию предусматривает тщательную подгонку склеиваемых деталей друг к другу, очистку от масла, жиров и других загрязнений. Это необходимо для получения тонкой равномерной по толщине клеевой прослойки без разрывов. Адгезия клеев с пластмассами, металлами и др. материалами есть результат сложных физико-химических процессов, происходящих при взаимодействии клея со склеиваемыми поверхностями, что может быть только при хорошем контакте между ними, т.е. когда поверхности совершенно чистые. При склеивании материалов рекомендуемая чистота поверхности должна соответствовать шестому или восьмому классу.
В основном применяются три способа подготовки поверхности изделий:
1) химический;
2) физический;
3) механический.
Химический способ заключается в обработке поверхностей пластмасс или металлов растворами спец. состава или растворителями. Для обезжиривания рекомендуется применять бензин или ацетон. Очень эффективно омывание металлических заготовок горячими парами растворителей.
В ряде случаев для получения прочных клеевых соединений обезжиривание металлов недостаточно. Помимо обезжиривания, поверхности подвергают травлению в водных растворах серной кислоты при температуре 60-70 0 С, в растворе хромового ангидрида при той же температуре, в водном растворе фосфорной кислоты, а также в смесях минеральных кислот и их солей.
Физический способ подготовки поверхности предусматривает создание спец. промежуточных слоев на деталях, подлежащих склеиванию, которые имеют повышенное сцепление с поверхностью материала и к которым клеи имеют более высокую адгезию. Такие слои, как анодное, оксидное покрытие, увеличивают коррозионную стойкость металла.
При механическом способе подготовки увеличивается площадь склеивания, способность материалов к адгезии. Это достигается пескоструйной, дробеструйной или механической обработкой, а также протиранием наждачной бумагой или шкуркой.
склеивание адгезия пластмасса металл
4. Технологический процесс склеивания
Технологический процесс склеивания состоит из следующих операций:
1) выбор клеевого соединения, зависящий от назначения детали, условий ее работы, вида нагрузки на шов и т.д.
2) подготовка поверхности под склеивание;
3) тщательная подгонка обработанных поверхностей друг к другу;
4) нанесение тонкого равномерного слоя клея на обе склеиваемые поверхности, производимое с помощью кисти, шпателя или пульверизатора;
5) открытая выдержка на воздухе поверхностей с нанесенным клеем, чтобы удалить растворители из нанесенного слоя клея, т.к. при прессовании с подогревом они вызывают вспенивание клея и образование клеевой прослойки с пористой структурой;
6) сборка склеиваемых деталей и выдержка под прессом;
7) выдержка после соединения склеиваемых поверхностей в течение определенного времени в зависимости от вида клея;
8) термообработка клеевых соединений с целью полного отверждения клеевого слоя;
9) испытание клеевого соединения.
