Размещено на http://allbest.ru/

1. Общие сведения. Достоинства и недостатки клеев

Клеями обычно называют коллоидные растворы пленкообразующих полимеров, способные при затвердевании образовывать прочные пленки, хорошо прилипающие к различным материалам.

Склеивание - это метод получения неразъемного соединения деталей при помощи адгезионного взаимодействия клея с подложкой с последующим отверждением клеевой прослойки. Клеевой шов способен выдерживать и передавать нагрузку.

Клеевые соединения по сравнению с другими видами неразъемных соединений (заклепочными, сварными и др.) имеют ряд преимуществ:

-атмосферостойкость и стойкость к коррозии клеевого шва;

-возможность соединения тонких материалов;

-возможность соединения разнородных материалов;

-сохранение исходных свойств склеиваемых материалов;

- герметичность клеевого шва;

- равномерное распределение нагрузок по площади клеевого шва;

- экономичность технологии.

К недостаткам склеивания относят:

-пониженную по сравнению с другими способами соединениями прочность и теплостойкость, обусловленная органической природой пленкообразующего;

невысокая прочность склейки с подогревом;

необходимость изменения конструкции деталей для оптимального размещения клеевых швов;

склонность к старению;

токсичность.

Однако имеется ряд примеров длительной эксплуатационной стойкости клеевых соединений. Новые клеи на основе кремнийорганических и неорганических полимеров обеспечивают работу до 1000°С и выше, однако большинство из них не обладают достаточной эластичностью пленки.

Прочность склеивания зависит от явления адгезии, когезии и механического сцепления пленки с поверхностью склеиваемых материалов. Адгезией (прилипаемостью) называется способность клеевой пленки прочно удерживаться на поверхности склеиваемых материалов.

Для объяснения физико-химической сущности адгезионных явлений предложены следующие теории: адсорбционная, электрическая и диффузионная. Адсорбционная теория рассматривает адгезию как чисто поверхностный процесс, аналогичный адсорбции; пленка удерживается на поверхности материала в результате действия межмолекулярных сил.

В основе электрической теории (работы Б. В. Дерягина и Н. А. Кротовой) лежат электрические силы. Адгезия - результат действия электростатических и ван-дер-ваальсовых сил. Электростатические силы определяются двойным электрическим слоем, всегда возникающим при контакте разнородных тел. Если взаимодействие ограничено только силами Ван-дер-Ваальса, то прочность адгезии не может обеспечить требуемое качество клеевого шва. При склеивании пластиков лучшим клеем является раствор или расплав этого же пластика. Если пластики неполярны и не растворяются в растворителях (полиэтилен, фторопласт-4, полипропилен), то характер их поверхности изменяют механическим или химическим путем, указанным ранее.

Для усиления адгезии и улучшения смачиваемости поверхности склеивания специально обрабатывают. Различают физические и химические операции обработки поверхности. Первые включают шлифование, ионную бомбардировку, обработку режущим инструментом, ультразвуком, растворителями. Вторые предусматривают травление, фосфатирование или анодирование. Физические операции сглаживают грубые неровности на поверхности, удаляют ржавчину и грязь. И физические, и химические операции увеличивают концентрацию центров адгезии. Например, поверхность полиэтилена после облучения электронами содержит свободные радикалы и хорошо склеивается. После химической обработки создаются условия для химического взаимодействия. Так, при вулканизации сырой резины с помощью серы молекулы каучука соединяются химически с медью через серные мостики. Это используют для приклеивания резины к стальным деталям, которые предварительно покрывают слоем латуни для усиления адгезии. Поверхность склеивания неполярных полимеров специально активируют перед склеиванием.

Диффузионная теория, развиваемая С. С. Воюцким, предполагает, что при образовании связи между неполярными полимерами электрический механизм адгезии невозможен, и адгезия обусловливается переплетением макромолекул поверхностных слоев в результате их взаимодиффузии.

Когезия представляет собой собственную прочность пленки. Работа когезии - это работа, затрачиваемая на преодоление сил сцепления между частицами внутри однородного тела. Кроме полярных функциональных групп на клеящие свойства полимеров оказывают влияние молекулярная масса и структура макромолекул. Прочность склейки можно повысить путем механического сцепления пленки клея с шероховатой поверхностью материала; для этого перед склейкой часто поверхности деталей фрезеруют; опескоструивают или зачищают наждачной бумагой.

На процесс склеивания влияет природа склеиваемых материалов. Так, полярные материалы требуют применения полярных клеев. Адгезионные свойства металлов различны. По мере убывания этих свойств металлы можно расположить в следующем порядке: сталь, бронза, алюминиевые сплавы, медь, железо, латунь.

2. Состав клеев

Для обеспечения требуемых свойств используют многокомпонентные клеевые композиции, в состав которых входят: связующее, носитель, катализаторы, отвердители, ускорители, ингибиторы, замедлители, а также различные модифицирующие добавки.

Связующее - это основа клея, которая определяет свойства клеевого соединения и его физико-химические характеристики.

Катализаторы и отвердители обеспечивают отверждение клея, при этом катализаторы остаются без изменений, а отвердители реагируют со связующим и обеспечивают образование сетчатой структуры. Количество катализатора должно быть выше некоторого критического значения. Присутствие катализатора и отвердителя не требуется в термопластичном клее. Например, анаэробные клеи отверждаются по механизму полимеризации при отсутствии кислорода. Кислород является ингибитором полимеризации, поэтому схватывание клея происходит после сборки соединения в узком зазоре, где формируется клеевой шов. Анаэробные клеи поставляют в виде жидкого мономера с органическим оксидом, действующим как отвердитель при отсутствии кислорода. Металлические порошки повышают теплопроводность клеевых соединений, а серебро, медь, никель и графит сообщают пленке токопроводимость.

Ингибиторы и замедлители используют для предотвращения нежелательного отверждения при хранении клея, увеличивая тем самым его сроки годности. Срок годности (срок хранения) - время, в течении которого клей сохраняет пригодность для применения. При превышении срока хранения изменяется способность клея отверждаться, его вязкость и другие свойства, что отрицательно сказывается на прочности клеевого шва. Ускорители смешивают с клеем перед его употреблением, нейтрализуя тем самым действие ингибиторов и замедлителей.

Разнообразные модифицирующие добавки - наполнители, пластификаторы, стабилизаторы и другие - вводят для улучшения технологических свойств, уменьшения остаточных напряжений и снижения хрупкости клеевого шва.

3. Основные технологические параметры клеев

Клей характеризуется концентрацией, вязкостью, жизнеспособностью, адгезией (после склеивания), механической прочностью, водостойкостью, химической прочностью, горючестью, токсичностью, взрывоопасностью.

Вязкость клея является важнейшим технологическим параметром. Для обеспечения вязкости клеи наносят в виде растворов, дисперсий (эмульсий), расплавов. Используют водные растворы и эмульсии, растворы на основе мономеров, жидкие олигомеры (полимеры с низкой молекулярной массой). После нанесения клея на поверхность склеивания требуется открытая выдержка для удаления растворителя. Полное удаление растворителя означает схватывание (затвердевание) клея, часть растворителя нужно оставить, чтобы обеспечить формирование клеевого шва. Неполное удаление растворителя понижает прочность шва, является причиной появления пор. Этот недостаток ограничивает применение клеев - растворов, особенно с органическими растворителями, огнеопасными, часто токсичными и, безусловно, экологически вредными.

Схватывание клея сопровождается усадкой и появлением напряжений в клеевом шве. Для уменьшения усадки в клеевой композиции используют наполнители, которые, кроме того, сближают значения коэффициента теплового расширения клея и подложки (металла, керамики, пластмассы). Уменьшение усадки и близость коэффициентов расширения клея и склеиваемого материала означают снижение остаточных напряжений в клеевом шве и повышение его надежности.

Жизнеспособность клея - это время с момента смешивания компонентов клея до начала желатинизации, когда клей невозможно наносить. Клеящие материалы со временем «стареют». В условиях эксплуатации и при хранении склеенных изделий наступает охрупчивание клея, которое протекает тем быстрее, чем выше температура. Увеличение жесткости клея вызывает возрастание концентрации напряжений, вследствие чего прочность падает. Наиболее высокой термостабильностью обладают полиимидные и полибензимидазольные клеи. Некоторые клеи при действии переменных температур теряют 8 -- 20% прочности.

Выносливость -- число циклов до разрушения клеевого шва -- зависит от вида клея. В среднем при несимметричном цикле нагрузки число циклов нагружения 106 --107.

Адгезию клея оценивают по сопротивлению равномерному отрыву или срезу специальных образцов. Прочность на срез ; прочность равномерного отрыва , при неравномерном отрыве резко понижается до 1-5 Мпа. Прочность адгезии не меньше прочности когезии, т.е. собственной прочности материала клея. Разрушение клеевых швов носит как правило смешанный адгезионный характер. На поверхности подложки, где был нанесен клей, после разрушения остаются островки и крупинки клея. Прочность склейки существенно зависит от температуры, причем большое влияние оказывает вид клея и характер напряженного состояния. Коэффициент Пуассона клея м = 0,3; модуль сдвига G = О,38Е; модуль упругости Е = 200 - 400 кгс/кв.мм; удлинение отвержденной пленки около 3,5%.

Клеевые соединения наиболее эффективно работают на сдвиг (ф = 0,6 - 3 кгс/кв.мм). В клеевых соединениях может происходить равномерный и неравномерный отрыв и отдирание (отслаивание) у кромки шва.

В случае неравномерного отрыва прочность соединения в несколько раз меньше, чем при равномерном отрыве. При сжатии прочность клея больше в 10--100 раз, чем при растяжении.

Теплостойкость клеев различна. Фенолокаучуковые и эпоксидные клеи работают длительно (до 30000 ч) при температуре 150°С и выше. Полиароматические и элементоорганические клеи выдерживают температуру 200 --400сС в течение 2000 ч; карборансодержащие клеи -- до 600°С в течение сотен часов.

4. Классификация клеев

Клеи классифицируют по ряду признаков. Различают следующие клеи: по пленкообразующему веществу --натуральные, в том числе животные, растительные и минеральные, и синтетические (смоляные и резиновые); по адгезионным свойствам -- универсальные, склеивающие различные материалы (например, клеи БФ) и с избирательной адгезией (белковые, резиновые); по отношению к нагреванию -- обратимые (термопластичные) и необратимые (термостабильные) пленки; по условиям отверждения -- холодной склейки и горячей склейки; по внешнему виду -- жидкие, пастообразные и пленочные; по назначению -- конструкционные силовые и несиловые. Чаще используют классификацию по пленкообразующему веществу. Смоляные клеи могут быть термореактивными и термопластичными. Термореактивные смолы (фенолоформальдегидные, эпоксидные и др.) дают прочные, теплостойкие пленки, применяемые для склейки силовых конструкций из металлов и неметаллических материалов. Клеи, на основе термопластичных смол (поливинилацетата, акрилатов и др.) имеют невысокие прочностные характеристики, особенно при нагревании, и применяются для несиловых соединений неметаллических материалов.

Резиновые клеи, в которых основным пленкообразующим является каучук, отличаются высокой эластичностью и. применяются для склеивания резины с резиной или резины с металлами.

Смоляные клеи. В качестве пленкообразующих веществ этой группы клеев применяют термореактивные смолы, которые отверждаются в присутствии катализаторов и отвердителей при нормальной или повышенной температуре. Клеи холодной склейки, как правило, обладают недостаточной прочностью, особенно при повышенных температурах. При горячей склейке происходит более полное отверждение смолы, и клеевое соединение приобретает прочность и теплостойкость. Теплостойкость повышают также введением минеральных наполнителей. Термостойкие клеи получают на основе ароматических полимеров, содержащих гетероциклы (полибензимидазолов, полиимидов), а также на основе карборансодержащих полимеров. Карбораны представляют собой борорганические соединения общей формулы В„С2Н„ + 2, по свойствам они близки к ароматическим системам. В настоящее время созданы карборансодержащие фенольные, эпоксидные, кремнийорганические и другие клеи.

Рассмотрим основные виды клеев. Клеи могут быть получены на основе чистых смол, например резольной, но учитывая что образующийся при склейке резит хрупок, смолу совмещают с каучуком, термопластами и др.

Формальдегидные клеи делятся на две группы: немодифицированные и модифицированные. Немодифицированные формальдегидные клеи (ВИАМ Б-3,ВИАМ Ф-9, ЦНИИМОД -1, ИНИИПС-2 и др.) представляют собой композиции из резолов и отвердителей. Твердеют при нормальной температуре, а ее повышение ускоряет склеивание. Применяются для склеивания древесины, древесных пластиков, фанеры. Общий недостаток этих клеев - гидролизующее действие на целлюлозу древесины и других материалов, приводящее к ускорению старения.

Клеи на основе модифицированных фенолоформальдегидных смол. Это клеи применяют преимущественно для склеивания металлических силовых элементов, конструкций из стеклопластиков и т. п.

Феноло-каучуковые композиции являются эластичными теплостойкими пленками с высокой адгезией к металлам. К этому виду относятся клеи ВК-32-200, ВК-3, ВК-4, ВК-13 и др. Клеевые соединения теплостойки, хорошо выдерживают циклические нагрузки, благодаря эластичности пленки обеспечивается прочность соединения при неравномерном отрыве.

клей смоляной вулканизация адгезионный



Размещено на http://allbest.ru/

Рис. 1. Зависимость предела прочности при сдвиге (-- ) и равномерном отрыве (- - - - ) клеевых соединений на фенолкаучуковых клеях oт температуры

На рис.1 приведена температурная зависимость прочности этих клеев. Клеи водостойки и могут использоваться в различных климатических условиях.

Фенолополивинилацеталевые композиции наиболее широко используются в клеях БФ. Клеи БФ-2 и БФ-4 представляют собой спиртовые растворы фенолоформальдегидной смолы, совмещенной с поливинилбутиралем (бутваром). Клеи БФ-2 и БФ-4 применяют для склеивания металлов, пластмасс, керамики и других твердых материалов, Теплостойкость клеевых соединений невысокая, водостойкость удовлетворительная.

Более теплостоек клей ВС-10Т, который отличается высокими характеристиками длительной прочности, выносливости и термостабильности при склеивании металлов и теплостойких неметаллических материалов.

Фенолокремнийорганические клеи содержат в качестве наполнителей асбест, алюминиевый порошок и др. Клеи являются термостойкими, они устойчивы к воде и тропическому климату, обладают хорошей вибростойкостью и длительной прочностью. Клеи ВК-18 и КК-18М способны работать при температуре 500~600°С. Клей КК - 18М применяют для склеивания инструментов. Он позволяет увеличить стойкость инструмента в 1,5 -- 4 раза.

Клей на основе эпоксидных смол. Отверждение клеев происходит при помощи отвердителей без выделения побочных продуктов, что почти не дает усадочных явлений в клеевой пленке.

Отверждение смол можно вести как холодным, так и горячим способом. В результате полярности эпоксидные смолы обладают высокой адгезией ко всем материалам. К клеям холодного отверждения относятся Л-4, ВК-9, КЛН-1, ВК-16, ЭПО. Эпоксидные клеи горячего отверждения ВК-32-ЭМ, К-153, ФЛ-4С, ВК-1 и др. являются конструкционными силовыми клеями. Их применяют для склеивания металлов, стеклопластиков, ферритов, керамики. Клеи ВК-1 и ФЛ-4С используют в клеесварных соединениях. Эпоксидно-кремнийорганические клеи ТКМ-75, ТКС-75, Т-73 применяют для приклеивания режущих частей при изготовлении инструментов.

Для всех эпоксидных клеев характерна хорошая механическая прочность, атмосферостойкость, устойчивость к топливу и минеральным маслам, высокие диэлектрические свойства.

Полиуретановые клеи. Композиции могут быть холодного и горячего отверждения. В состав клея входят полиэфиры, полиизоцианаты и наполнитель (цемент). При смешении компонентов, происходит химическая реакция, в результате которой клей затвердевает. Клеи обладают универсальной адгезией (полярные группы NHCO), хорошей вибростойкостью и прочностью при неравномерном отрыве, стойкостью к нефтяным топливам и маслам. Представителями полиуретановых клеев являются ПУ-2, ВК-5, ВК-11, лейконат. Такие клеи токсичны.

Клеи, модифицированные карборансодержащими соединениями, обладают высокой термостойкостью. Клей ВК-20 выдерживает длительно 350 -- 400°С и кратковременно 800°С, имеет высокую длительную прочность.

Клеи на основе кремнийорганических соединений. Эти клеи являются теплостойкими. Кремнийорганические полимеры не обладают высокими адгезионными свойствами вследствие блокирования полярной цепи Si -- О органическими неполярными радикалами, поэтому часто эти соединения совмещают с другими смолами. Многие клеи содержат минеральные наполнители. Клеи ВК-2, ВК-8, ВК-15 и др. отверждаются при высокой температуре. Клеи устойчивы к маслу, бензину, обладают высокими диэлектрическими свойствами, не вызываю: коррозии металлов и применяются для- склейки легированных сталей, титановых сплавов, стекло- и асбопластиков, графита, неорганических материалов.

Клеи на основе поликарборансилоксанов обладают стойкостью к термоокислительной деструкции, способны длительно работать при 600°С. кратковременно при 1200°С, имеют высокую адгезию к различным материалам.

Клеи на основе гетероциклических полимеров. Полибензимидазольные и полиимидные клеи обладают прочностью, высокой стойкостью к термической, термоокислительной и радиационной деструкции, химически стойки. Клеевые соединения могут работать в течение сотен часов при 300С, а также при криогенных температурах. Полибензимидазольный клей выпускают под маркой ПБИ-1K, полиимидный -- СП-6. Этими клеями можно склеивать коррозионно-стойкие стали, титановые сплавы, стеклопластики и различные композиционные материалы.

Термостойкие клеи получают на основе ароматических полимеров, содержащих гетероциклы (полибензимидазолов, полиимидов), а также на основе карборансодержащих полимеров. Карбораны представляют собой бороорганические соединения, имеющие общую формулу , по свойствам они близки к ароматическим полимерам. В настоящее время созданы карборансодержащие фенольные, эпоксидные, кремнийорганические и другие клеи.

Еще более теплостойкие клеи (фосфатные, силикатные, керамические, металлические) получают на основе неорганических соединений. Некоторые из них могут выдерживать температуру до 3000°С. Однако по прочности они уступают смоляным клеям. Фосфатные клеи являются растворами фосфатов. Эти клеи могут изготовляться с инертными или активными наполнителями. Температура твердения 20…250 градусов. Огнеупорность - 1000-1800 градусов. Эти клеи водостойкие и кислотостойкие. Они применяются для склеивания различных металлов, графита и др. Термообработка фосфатных клеев с активными наполнителями (например, клей АФС с наполнителями и Ti) может существенно (до 250 Мпа) повышать предел прочности при сжатии.

Керамические клеи (фритты) являются тонкими суспензиями оксидов щелочных металлов (MgO, и др.) в воде. Такие клеи после нанесения подсушиваются, затем при небольшом давлении нагреваются до температуры плавления компонентов и выдерживаются в течении 15…20 мин. Прочность соединения сохраняется при температуре 500…1000С.

Силикатные клеи (жидкое стекло) могут изготовляться с различными наполнителями. Твердение происходит при температуре 120 градусов за 1…2 ч. они предназначены для склеивания разнородных материалов (металлов, стекла, керамики, асбеста, стекла с металлом). Прочность соединения металлов: При введении углеродистого волокна .

Алюмохромсиликатофосфатные композиции обеспечивают достаточную прочность соединения при 1250 --1500°С.

Резиновые клеи. Резиновые клеи предназначены для склеивания резины с резиной и для крепления резины к металлу, стеклу и др. Резиновые клеи представляют собой растворы каучуков или резиновых смесей в органических растворителях.

В состав клеев горячей вулканизации входит вулканизующий агент. Склейку проводят при температуре вулканизации 140--150"С. Соединение получается прочным, подчас не уступающим прочности целого материала.

При введении в состав клеевой композиции активаторов и ускорителей получают самовулканизующийся клей (процесс вулканизации протекает при нормальной температуре). Для увеличения адгезии вводят синтетические смолы (пример такой композиции клей 88Н). Соединение получается достаточно прочное. Недостатком клея 88Н является нестойкость пленки к керосину, бензину и минеральным маслам. Клей 88НП образует соединение, стойкое к морской воде. Хорошей склеивающей способностью и стойкостью к действию масел и топлив обладают клеи 9М-35Ф, ФЭН-1 и др.

В случае необходимости склеивания теплостойких резин на основе кремнийорганического каучука и приклеивания их к металлам применяют клеи, содержащие в своем составе кремнийорганические смолы (клей КТ-15, КТ-30, MAC-IB). Клеевые соединения могут работать при температурах от -60 до 200-300°С.

Клей-герметик Виксинт применяется для склеивания резин, стекла, полиимидной пленки, стеклянных тканей.

Таблица 1 Физико-механические свойства конструкционных смоляных клеев

Тип клея	Предел прочности, кгс/мм	Тепл-сть, С	t склеивания, °С
	при сдвиге	при равномерном отрыве	при неравномерном отрыве
Фенолофор-мальдегидный	1,3-1,5	-	__	60-100	20 или 50-60
Фенолкаучуковый	1,4-2,5	1.7-2,0	0,30-0,50	200-350	165-205
Фенолополи-винилацеталевые	1,7-1,8	3,6-6	0,08-0,12	200-350	180
Фенолополи-винилбутиральный	2,2	3,2-3,5	0,30	60-80	120-140
Фенолокрем-нийорганические	1,2-1,7	2,8-3,0	-	250-600	180-200
Эпоксидный	1-3	1-6	0,1-0,15	60-350	20 или 80-210
Полиуретановый	1,1-2,0	2,2 - 3,5	0,25 - 0,30	60-100	18-25
Полиуретан-вые карборансодержащие	1,0-2,0	-	_	350-1000	или 105 150
Кремнийорганический	0,90-1,75	1,5-2,2	0,08-0,20	350-1200	180-270
Карбамидный	1,3	--	--	60	15-30
Полибензимидазольный	1,5 -- 3,0	_	_	350-540	150-400
Полиимидный	1,5-3,0	--	--	300-375	180-260

5. Применение клеев

Клеи применяют в различных областях промышленности. В машиностроении склеивание применяют для соединения металлических деталей, деталей из пластмасс, а также при ремонте машин. В самолетостроении склеивают обшивку самолета с элементами каркаса крыла. В автомобилях приклеивают обивку салона, панели, металл склеивают со стеклом и пластмассами при креплении ветровых стекол, сборке фар и сигнальных фонарей. Клеевые швы, испытывающие значительные статические и динамические нагрузки, получают горячим отверждением термореактивных клеев. Типичными примерами являются склеивание вала и шестерни, тормозных накладок с подложками, режущих вставок из твердых сплавов или быстрорежущих сталей с корпусами из конструкционных сталей. Анаэробные клеи, не требующие очистки поверхности склеивания от масляных пленок и смазочно-охлаждающих жидкостей и отличающиеся быстротой отверждения, применяют при сборочных операциях, для фиксации резьбовых соединений, приклеивания порошковых изделий, который из-за пористости невозможно обезжирить.

Библиографический список

1. Арзамасов Б.Н., Макарова В.И. и др.: «Материаловедение», М.: Издательство МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2004

2. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П.: «Материаловедение», М.: «Машиностроение», 1990

3. Ржевская С. В., «Материаловедение», М.: Издательство Московского Государственного Горного Университета, 2003

Размещено на Allbest.ru

...