Клеевое соединение

Применение  клеев в промышленности дает большой  экономический эффект и способствует ускорению научно-технического прогресса  в стране.

Клеи  классифицируются (рис.2) по областям их преимущественного применения: для  склеивания металлов друг с другом и с неметаллическими материалами; для склеивания неметаллических  материалов; для склеивания резин  между собой и приклеивания их к металла; для склеивания силикатных оптических стекол и органических стекол между собой и приклеивания их к металлам.

Факторы, влияющие на прочность клеевого соединения

ключевые слова: 

• Факторы влияющие на прочность клеевого соединения

Прочность клеевого соединения обусловлена адгезионным взаимодействием соединяемых поверхностей с клеевой прослойкой, а также негезионной прочностью этой прослойки и соединяемого материала к конструкцией соединительного шва. 
Прочность клеевого соединения, его качество зависит от ряда факторов, многие из которых являются взаимоисключающими или одновременно изменяющими несколько характеристик клеевого соединения. К этим факторам относятся: свойства склеиваемого материала (структура и полярность его макромолекул, растворимость и смачиваемость, состояние поверхности и др.), а также форма соединяемых деталей и площадь контакта, режим склеивания.

Адгезионное взаимодействие

 
 
Молекулярная теория адгезии, согласно которой, сцепление между разнородными телами обусловлено действием межатомных (химических) и (или) межмолекулярных (физических) сил, имеющих электрическую природу. 
В соответствии с этой теорией, для обеспечения высокой адгезионной прочности необходимо присутствие в клее и на склеиваемых поверхностях химически активных, полярных или способных поляризоваться групп. В этом случае между соединяемыми поверхностями возникают соответственно химические, ориентационные связи. 
Положительное влияние полярности на прочность склеивания подтверждается тем, что хорошими клеящими свойствами по отношению к полярным полимерам и пластмассам на их основе обладают полимеры, макромолекулы, которых содержат уретановые, изоцинатные, гидроксильные, эпоксидные, карбоксильные, и другие полярные группы (полиуретаны, карбоксилсодержащие каучуки и др.) 
Повышение полярности клея приводит к росту его адгезии, но повышение полярности клея при неполярном или слабополярном склеиваемом материале приводит к снижению прочности соединения. Основной путь повышения адгезии к таким неполярным полимерам, как полиэтилен, полиизобутилен, политетрафторэтилен, - применение клеев менее полярных, чем склеиваемые материалы. 
Высокая прочность сцепления клея со склеиваемым материалом, различающихся полярностью, достигается, если поверхностная энергия первого равна или меньше поверхностной энергии второго. При соединении материалов различной полярности высокая прочность достигается при использовании клея на основе полимера, макромолекулы которого содержат различные по полярности и реакционной способности группы. 
Одной из причин снижения прочности после достижения максимального значения можно считать повышение хрупкости клеевой прослойки. Таким образом, усиление внутри и межмолекулярного взаимодействия в пределах одной фазы препятствует взаимодействию на границе раздела фаз. Следовательно, применение клея, в состав которого входят соединения с оптимальным содержанием активных групп, - один из эффективных способов регулирования прочности клеевых соединений. 
Клеевые соединения в большинстве случаев эксплуатируются в условиях действия высоких температур, а межмолекулярные связи в этих условиях оказываются недостаточно устойчивыми. Наиболее высокую прочность соединения достигают с помощью такого клея, который обеспечивает образование межатомных связей между ним и склеиваемым материалом. 
Если скорость растекания клея оказывается ниже, чем скорость его отверждения, то на склеиваемых поверхностях остаются незаполненные клеем полости. 
При склеивании, например, отвержденных реактопластов желательно, чтобы поверхность была по возможности более гладкой. 
Адгезия, которая была достигнута на стадии формирования клеевого шва, может изменяться в процессе отверждения и (или) затвердевания клеевой прослойки. Усадка полимера в этом случае может привести к увеличению расстояния между взаимодействующими молекулами или атомными группами и снижению в результате этого адгезионной прочности или к возникновению остаточных напряжений. 
В процессе эксплуатации соединения адгезионная прочность может изменяться под влиянием окружающей среды (агрессивные среды, температура, постоянно действующие нагрузки и др.), а также в результате различия деформационных теплофизических и других характеристик клеевой прослойки и соединяемых материалов или химических и физических процессов, протекающих внутри клеевого шва и на поверхности его контакта с соединяемыми материалами.

Кагезионная прочность соединяемых материалов

 
 
Прочность клеевого соединения, зависит  от состояния склеиваемых поверхностей. В общем случае свойства поверхности  полимеров корригирует с их когезионной прочностью. Однако возможны и отклонения в случае соединения полимеров, поверхность которых либо покрыта веществами с низкой поверхностной энергией и (или) низкой кагезионной прочностью. 
Существенное влияние на прочность клеевых соединений деталей из термопластов оказывает морфология их поверхности, которая, в свою очередь, определяется технологией изготовления деталей. 
Прочность склеивания полимерных материалов, считающихся плохо склеивающимися – таких, как полиамид, можно в десятки раз увеличить, если пленки этих полимеров получать на подножках из материалов с высокой поверхностной энергией(например, на алюминии), а затем металл удалять не механически, а растворением, поскольку при этом образуется пленка с высокой прочностью поверхностного слоя. 
Аморфные не ориентированные термопластичные полимеры склеиваются легче, чем частично ил полностью кристаллические, так как у последних остается больше функциональных групп, способных взаимодействовать с функциональными группами клея. Кроме, того поскольку диффузия компонентов клея возможна только в более разрыхленные аморфные участки, повышение степени кристалличности снижает суммарную эффективную площадь контакта клея со склеиваемым материалом. 
Прочность склеивания полимеров с низкой адгезией и поверхности полимерных материалов возрастает в десятки и сотни раз при увеличении степени шероховатости последней. 
Если полимер набухает в растворителе или пластификаторе клея, то их действие на склеиваемую поверхность может привести к ее растрескиванию. В свою очередь, пластификатор из пластика может мигрировать и границе раздела, следовательно, влиять на процесс отверждения или затвердения клея.

Склеивание. Краткая  историческая справка

Техникой склеивания человек  стал пользоваться еще с первобытных  времен. Наблюдения и навыки древних  позволяли им выделять клеящие составы  из растительного и животного  материала, которые до сих пор  широко используются при работе с  пористыми материалами, например бумагой.

В XVII веке производство клеев  было поставлено на промышленную основу. Были построены первые заводы, вырабатывающие клей из костей, мездры и отходов  рыбного промысла. В начале XX века начали производство казеинового (на основе молочного белка) клея. Недостатки клеев  животного происхождения заключались  в ограниченной стойкости к действию влаги и в достаточно быстром  грибковом заражении. Это стало  важным стимулом для создания новых  клеев, основой которых являлись синтетические смолы и другие искусственные материалы.

Быстрое развитие этой отрасли  началось в 30-е годы. Фенолоформальдегидные  смолы явились первыми синтетическими смолами, сыгравшими важную роль в технике  склеивания. Первоначально их использовали для дерева и фанеры. Затем требования, связанные с необходимостью создания клеев для соединения металлов, привели  к разработке модифицированных композиций на основе фенольных смол, содержащих в своем составе синтетический  каучук, позволяющий снизить угрозу расслоения клеевых соединений. В 50-е  годы в качестве основы клея были предложены эпоксидные смолы, что дало возможность  исключить растворитель из состава  клея. Затем начали применяться клеи на основе полиуретановых, акрлилатных (в том числе цианакрилатных) смол, появились мономерные, водорастворимые и другие клеи.

В настоящее время сфера  применения клеев обширна и разнообразна. Они находят применение в промышленных процессах, где используются в больших  количествах, и в таких сборочных  процессах, где требуется лишь небольшое  количество клея. Переработка бумаги, упаковка, деревообрабатывающая промышленность все еще являются главными потребителями  клеев, но в то же время возросло их применение в строительстве, на транспорте, в наружной рекламе. В последние десятилетия было разработано много новых синтетических смол, послуживших основой для создания более простых, эластичных и долговечных клеев, соединяющих самые разнообразные материалы. Разработка новых клеев сопровождается и совершенствованием оборудования и технологии склеивания.

Факторы, определяющие целесообразность склеивания

Основная функция клея - скрепление деталей или элементов  конструкции между собой и  сохранение соединенных частей в  эксплуатационных условиях в соответствии с конструктивными требованиями. Выполняя эту роль, адгезивные материалы позволяют решать многие проблемы, связанные с формированием соединения, упрощают и ускоряют процессы сборки, создают возможности для самого разнообразного конструирования. Несомненно, процесс склеивания во многих случаях является более рациональным и экономичным, чем традиционные методы неразъемного соединения деталей.

При рассмотрении клеев с  точки зрения их применения необходимо обращать внимание на следующие аспекты.

Склеивание может оказаться  единственным возможным способом образования  соединения. Применение механических методов соединения (например, клепка, пайка, сварка, крепление винтами  или гвоздями) часто приводит к  короблению, изменению цвета, коррозии или ухудшению качества материалов, вследствие проявления других отрицательных  факторов или дефектов.

Склеивание может быть предпочтительным перед другими  способами с точки зрения сокращения затрат и улучшения качества изделия  за счет снижения объема механической обработки.

В некоторых случаях при  изготовлении клееных конструкций  может потребоваться дополнительное подкрепление с помощью других методов  сборки. Области применения, в которых  клеи рациональны, следующие:

·  соединение разнородных материалов (сочетание металлов, резин, пластиков, вспененных материалов, древесины, стекла и т.д.);

·  соединение разнородных металлов, образующих коррозионно-опасные пары (железо с медью, например);

·  склеивание многослойных конструкций, в частности трехслойных с заполнителем (сотовым или пенным), изготовление листовых слоистых материалов (пластиков, сочетания древесины с металлом);

·  приклеивание усиливающих элементов конструкции - элементов жесткости;

·  конструкционное склеивание - создание элементов, испытывающих напряжения на сдвиг и сжатие, полностью исключая механические способы крепления;

·  герметизация соединений - стыков, швов, технических отверстий, образующихся при клепании, винтовых и болтовых соединений;

·  крепление малопрочных хрупких элементов (тонких пленок, фольги и т.д.);

·  склеивание элементов конструкций специальной формы, если площадь склеивания велика или соединение осуществляется во многих точках одновременно, либо требуется точная подгонка между сопрягаемыми элементами конструкции;

·  временное крепление элементов конструкции, целью которого является использование клеевого соединения по истечении некоторого времени. Оно осуществляется с помощью клеящих лент, а также клеями для закрепления и фиксации различных деталей (вместо механических устройств перед использованием других средств сборки).

Преимущества склеивания

Способность соединять самые  разнообразные металлы, которые  могут существенно отличаться по свойствам, модулю упругости и толщине. Склеиванием можно соединять  тонколистовые детали, тогда как  другие способы соединения обычно неприемлемы.

Более равномерное распределение  напряжений в склеиваемых элементах, чем при сварке, клепке, резьбовых  соединениях. Это обусловлено значительной концентрацией напряжений, возникающих  при сварке, а также отсутствием  отверстий под заклепки и болты.

Возможность экономичной  и быстрой сборки, замены нескольких видов сборки единым способом склеивания, одновременной сборки многих элементов  конструкции.

Многообразие адгезивных материалов по форме и способам нанесения позволяет приспособить их ко многим производственным процессам.

Прочность клееной конструкции  часто выше, а стоимость ниже, чем прочность и стоимость  той же конструкции, выполненной  альтернативными методами сборки. Применение клееных соединений вместо заклепочных и болтовых может привести к значительному снижению веса конструкции.

Деформационная способность  многих адгезивных материалов обеспечивает возможность поглощать, перераспределять или более равномерно передавать напряжения от одного элемента конструкции к другому.

Возможность соединять чувствительные к нагреву материалы, деформирующиеся  или разрушающиеся от сварки или  пайки.

Клеи могут служить  герметизирующим материалом, предотвращающим  воздействие влаги и химических реагентов. Во многих случаях клеевой  шов является тепло-, звуко- и электроизолятором, а также может существенно уменьшить электролитическую коррозию между разнородными материалами.

Специальные клеи позволяют  выполнять работы по склеиванию в  различных климатических условиях без применения сложного оборудования и подвода тепла.

Недостатки склеивания

Процесс склеивания может  оказаться сложным из-за необходимости  осуществлять тщательную подготовку поверхности  склеиваемых элементов и сохранять  их в чистоте, приготавливать и наносить клей на склеиваемую поверхность, поддерживать определенную температуру, давление и  влажность в процессе склеивания, а также вследствие длительного  времени отверждения (иногда с обеспечением длительного нагрева и приложения нагрузки) и применения различных  приспособлений.

Необходимо весьма тщательно  проектировать клеевое соединение, устранять воздействие на него отслаивающих и растягивающих нагрузок, а также  напряжений, возникающих в результате различия в коэффициентах термического расширения склеиваемых элементов  и клеевого шва.

Недостаточная теплостойкость клеевого шва ограничивает применение клеевых конструкций до определенных температур, в то время как клепаные, сварные и паяные соединения удовлетворительно  работают при более высоких температурах. Некоторые клеи недостаточно стойки к тепловому и механическому  удару.

Невозможно сразу получить оптимальную прочность соединения, как это, например, можно сделать  при сварке. Часто очень трудно обеспечить требуемый уровень контроля качества клеевых соединений.

Возможное ухудшение прочностных  характеристик соединения при действии тепла, холода, биосреды, химических реагентов, пластификаторов, радиационного облучения и других эксплуатационных факторов, несовместимость клея с материалом склеиваемых элементов и, как следствие, возможность появления коррозии.