Сущность клеев и их функциональный состав

Клеи  (адгезивы) – вещества (смеси веществ) органической или неорганической природы, обладающие хорошей адгезией, когезионной прочностью, эластичностью, минимальной усадкой.

Современные клеи склеивают практически любые материалы: металлы, пластические массы, каучуки, резины, древесину, керамику, графит.

Большинство выпускаемых промышленностью клеев (примерно 1200 наименований по всему миру) из-за сложности химического состава правильнее называть клеевыми композициями.

Клеевая композиция может включать в себя составляющие, обеспечивающие необходимые технологические и эксплуатационные характеристики. Сюда следует отнести связующее, растворители, отвердители, катализаторы, замедлители, ускорители, ингибиторы, наполнители, модификаторы, пластификаторы, стабилизаторы, антипирены и т. п. Присутствие в составе клея всех перечисленных элементов не обязательно. Часто один ингредиент выполняет одновременно несколько функций.

В качестве клеев используются также растворители (для склеивания некоторых видов пластмасс), сами по себе не имеющие клеющих свойств. Соединение получается за счет растворения слоев склеиваемых поверхностей. В растворитель можно ввести некоторое количество соединеяемого материала (или другого, способного к адгезии с соединяемыми поверхностями). При этом образуется двухкомпонентный клей.

Рассмотрим функции некоторых составляющих клеевой композиции.

Связующее (основа клея) – вещество (смесь веществ) твердого или жидкого состояния с высокой адгезией к склеиваемому материалу. Если связующее – жидкость, то в ней растворяются другие компоненты клея. Если связующее – твердое вещество, то для склеивания его нужно либо расплавить, либо перевести в раствор. В последнем случае используются растворители. Химический состав связующих рассматривается при классификации клеев.

Растворители служат для растворения твердых веществ клея (в первую очередь связующего) и создают его необходимую вязкость и способность к смачиванию. Растворителями являются вода и органические жидкости, выбираемые в зависимости от вида связующего. Раствор или расплав должен обладать способностью к смачиванию подложки и в определенных случаях - к растеканию и капиллярному течению. К органическим растворителям относятся кетоны, эфиры гликолей, бутиловый спирт, ацетон, метанол, бензин, толуол, ксилол, диметилформамид и т. д.

Активаторы вводят в клей (или наносят на поверхность заготовки), если раствор (расплав) связующего не проявляет достаточной адгезионной способности. Иногда используются растворители с функцией активаторов, участвующие и в процессе отверждения клея.

Отвердители – вещества, способные при химической реакции со связующим вызвать образование сетчатой структуры в клее, т. е. реализовать процесс отверждения. К ним относятся алифатические амины (диэтилентриамин (ДЭТА), триэтилентетрамин (ТЭТА), полиэтиленполиамин (ПЭПА), триэтаноламин (ТЭА)), низкомолекулярные полиамиды – соединения, полученные при конденсации полиэтиленполиаминов метиловыми эфирами жирных кислот льняного, соевого, таллового масел и этиленгликоля (Л-18, Л-20, С-18, С-19, Т-19, ЛТ-13, ПО-200, ПО-300), изоцианаты (толуилендиизоцианат, полиметиленфениленизоцианат, уретан ДГУ), дициандиамид (ДЦДА), ангидриды карбоновых кислот (малеиновый (МА), фталевый (ФА), тетрагидрофталевый (ТГФА), эндиковый (ЭА), хлорэндиковый (ХЭТ)), полиангидриды себациновой кислоты (УП-607), адипиновой кислоты (УП-608) и т. д. В качестве отвердителей применяются также смеси различных химических веществ.

Катализаторы вводят для ускорения отверждения, успешное протекание которого зависит от количества этих веществ.

Отвердители и катализаторы вводят клеи, твердеющие только при химических реакциях.

Управление скоростью отверждения клея осуществляется с помощью замедлителей и ускорителей. Химический состав используемых для этих целей веществ многообразен и определяется видом клея. Например, в качестве ускорителей отверждения для эпоксидных клеев используются фенол, бутанол, циклогексанол, м-нитрофенол, бензилдиметиламин и т. д.

Для предотвращения вредной химической активности в процессе склеивания используются ингибиторы. Необходимость в этом может возникнуть в случае химической агрессивности компонентов клея по отношению к соединяемому материалу, например, при использовании отвердителей на кислотной основе.

Наполнители улучшают механические и теплофизические свойства клеевого соединения. С их помощью можно, например, увеличить упругость, прочность, сделать шов электропроводным и т. д. Виды наполнителей и их назначение приведены в табл. 11.1.

Кроме того, существенное повышение прочности соединений достигается введением кварцевой муки, молотого фарфора, молотого стекла, эбонитовой пыли.

Пластификаторы делают клеевой шов менее хрупким. К ним относятся дибутилфталат, дибутилсебацинат, диоктилфталат, хлорированный дифенил и т. д. Введение этих веществ в клей с высокой вязкостью улучшает его клеющие свойства, а для композиции с низкой вязкостью это снизит прочность будущего соединения и способность к адгезии. Во всех случаях введение пластификатора ухудшает теплостойкость клея.

Полимерное связующее подвержено естественному старению. Для его замедления (или полного устранения) вводятся стабилизаторы, например, оксихинолин, триацетилацетонат алюминия, н-пропилгаллат, ацетилацетонат цинка и т. д.

Таблица 11.1

Наполнители и их назначение

Наполнители	Назначение
Алюминий (порошок, пудра)	Повышение прочности и теплопроводности, уменьшение усадки и термического коэффициента расширения
Оксид алюминия	Повышение диэлектрических показателей
Асбест	Повышение прочности и теплостойкости
Оксид сурьмы (III)	Придание негорючести
Стеклянное волокно	Повышение прочности
Углекислый кальций	Уменьшение усадки и термического коэффициента расширения, снижение стоимости
Графит	Повышение электропроводности, в виде волокна - повышение модуля упругости
Железо	Придание теплостойкости, теплопроводности
Оксиды железа(III),	Повышение теплостойкости, придание цвета
Оксиды свинца, никеля	Повышение теплостойкости
Свинец	Придание радиационной стойкости
Слюда	Улучшение диэлектрических свойств
Песок	Снижение стоимости
Сажа	Упрочнение, придание черного цвета
Серебро	Придание электропроводности
Диоксид титана	Придание белого цвета
Цинк	Повышение коррозионной стойкости
Диоксид кремния	Придание тиксотропных* свойств, повышение прочности

* Тиксотропия – обратимое изменение вязкости, предела прочности (текучести), деформационных характеристик полимерных систем при механических воздействиях на них в изотермических условиях.

Большинство клеевых композиций включают в себя довольно дорогие и дефицитные ингредиенты. Для снижения стоимости клеев в целом используют разбавители. К ним относятся реакционноспособные вещества: аллилглицидиловый эфир, фенол, фуриловый спирт, бутиролактон, трифенилфосфат и т. д. Следует отметить, что введение в клеи разбавителей способствует некоторому снижению их теплостойкости и механической прочности соединений.

Антипирены вводят в клеевые композиции для придания им негорючести или способности к самозатуханию. Наиболее широко для этого используются соединения сурьмы, а также пентабромфторбензол, борат цинка и т. д.

Классификация клеев

Основным фактором классификации клеевых композиций является природа связующего (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Классификация связующих

Независимо от принадлежности к термопластичным (с возможностью многократного изменения состояния) или термореактивным (с необратимо изменяющимся состоянием) клеи по температуре отверждения делятся на клеи холодного (до 298 К), умеренного (298 - 373 К) и горячего (373 - 523 К) отверждения. По физическому состоянию это могут быть жидкие мономеры, растворы, суспензии, эмульсии, пленки или прутки, порошки.

По функциональному назначению клеи делят на конструкционные, неконструкционные и специальные.

Швы на основе конструкционных клеев имеют прочность соединения, соизмеримую с прочностью склеиваемого материала, и используются для создания силовых конструкций.

Неконструкционные клеи применяются для швов, не подверженных большим усилиям.

Конструкционные клеи имеют в качестве связующего термореактивные полимеры, а неконструкционные – термопластичные полимеры.

Специальные клеи обладают какими-либо специфическими свойствами (электропроводностью, термостойкостью и т. д.).

По количеству составляющих различают клеи однокомпонентные и многокомпонентные. Первая группа производится на химических заводах и поступает потребителю в готовом виде. Вторая группа изготавливается на месте использования из компонентов, способных храниться по отдельности длительное время.

По консистенции клеи подразделяют на жидкие (растворы, жидкие мономеры, эмульсии), твердые (порошки, прутки), пастообразные (суспензии), пленочные.

Термопластичные и термореактивные клеи по температуре отверждения делятся на клеи холодного (до 298 К), умеренного (298 – 373 К) и горячего (373 – 523 К) отверждения.

Свойства клеев

Свойства клеевой композиции необходимо знать во многих случаях. Они учитываются при расчетах клеевых швов, определении технологии склеивания, оценке эксплуатационных возможностей полученного соединения. Следует помнить, что поведение клеевой массы зависит в конкретном изделии от конфигурации и размеров шва, состояния склеиваемых поверхностей, их материала и т. д. Содержание справочной информации и документации заводов-производителей по свойствам клеев часто определяются в результате испытаний образцов указанных размеров и форм в определенных режимах, которые могут и не отвечать условиям изготовления и существования конкретного шва, в связи с чем ориентироваться на эти данные можно не всегда, кроме того необходимо учитывать вероятность изменения свойств клеев в период транспортировки или хранения, что осуществляется с помощью входного контроля свойств на предмет их соответствия сертификату.

Различают технологические (вязкость, сухой остаток, содержание летучих веществ, жизнеспособность, однородность, адгезия к склеиваемым материалам и др.) и эксплуатационные (прочность, тепло-, водо-, атмосферо-, химическая стойкость и т. д.) характеристики клеев.

Известно около 70 способов испытаний по различным свойствам, многие из которых регламентированы стандартами. Рассмотрим некоторые из них.

Способ определения вязкости зависит от консистенции клея: маловязкая жидкость, вязкая жидкость, расплав. Для маловязкого клея применяют вискозиметры, принцип действия которых основан на определении условной вязкости через оценку времени истечения заданного количества вещества (50 см³) через отверстие диаметром 5, 4 мм при (20 ± 0, 5) °С (значения величин даны для вискозиметра ВЗ-1). Значения условной вязкости для некоторых клеев при 20 °С приведены в табл. 11.2. В вязкие клеи, налитые в вертикально расположенную стеклянную трубку, погружается стальной шарик и фиксируется время преодоления им заданного расстояния в жидкости. Для клеев с высокой вязкостью испытание то же, но с использованием конуса. Вязкость пленочного клея оценивается по изменению площади вырезанного из него диска, сжимаемого с определенным усилием между нагретыми металлическими пластинками в течение указанного времени. Существуют и другие способы оценки.

Таблица 11.2

Показатели вязкости, полученные на вискозиметре ВЗ-1

Наименование клея	Условная вязкость, с
БФ-2, БФ-4, МПФ-1	30 – 60
ВС-10Т, ВС-350	50 – 120
ФР-12	40 – 60
ВИАМ Б-3	18 – 40
ВК-32-200	15 – 70
ВК-3	15 – 100
ВК-4	Не более 350
ВК-13	Не более 200
ВК-13М	Не менее 200
БФР-2	Не более 90
БФР-4	40 – 80

Жизнеспособность – длительность сохранения номинальных технологических характеристик (отсутствие «желатинизации»). Для реакционноспособных клеев она определяется временем сохранения клеем нужной для нанесения на склеиваемую поверхность вязкости, а для клеев, твердеющих по мере испарения растворителя, – временем сохранения нанесенным на заготовку клеем способности к соединению с сопрягаемой поверхностью. Указанное время определяется в процессе при перемешивании клея. Сведения о жизнеспособности некоторых клеев приведены в табл. 11.3.

Таблица 11.3

Жизнеспособность некоторых клеев

Наименование клея	Жизнеспособность, ч
ФР-12	2 – 3
ВИАМ Б-3	2 – 4
ВК-3	6 – 24
ВК-32-200, ВК-4, ВК-13, ВК-13М	24
ВИАМ Ф-9	2 – 5
КБ-3	2, 5 – 4
КЛН-1	1, 5 – 2
К-17 (отвердитель – щавелевая кислота)	3 – 5
МФ	2 – 15
М-60	2, 8
МФСМ	10 – 30
ПУ-2	2 и более

Более удобными для работы являются клеи с повышенной жизнеспособностью, но они долго отвердевают.

Сухой остаток оценивается взвешиванием порции клея в исходном состоянии и после испарения растворителя при принудительной сушке (сушильном шкаф, термостате и т. д.). Количество сухого остатка равно отношению разности масс навески клея до и после сушки к массе навески до сушки, выраженному в процентах. Нормы сухого остатка для некоторых клеев приведены в табл. 11.4.

Таблица 11.4

Нормы сухого остатка для некоторых клеев

Наименование клея	Сухой остаток, %
БФ-2	14 – 17
БФ-4	10 – 13
МПФ-1 (жидкий)	25 – 30
ВК-32-200, ВК-32-250	26 – 29
ВК-4	33 – 36
ВС-10Т	20 – 25
ВС-350	30 – 35
ВК-2	35 – 45
ВК-8	40 – 50

Оценка качества клея по внешнему виду и цвету производится после размещения его тонким слоем в специальных сосудах – чашках Петри. Цвет оценивается колориметром. Показателем внешнего вида нормального клея является отсутствие комков.

Оценка адгезионной способности большинства клеев производится по пределу прочности при сдвиге. Для этого замеряются усилия разрушения соединения склеенных образцов (рис. 11.6, а) при их взаимном сдвиге до разрушения при различных температурах нагрева. Прочность соединения на основе оцениваемого клея определяется путем испытаний образцов на отрыв (рис. 11.6, б), отслаивание (рис. 11.6, в) и расслаивание (рис. 11.6, г). Для перечисленных испытаний форма, размеры, количество, подготовка образцов (зачистка, обезжиривание поверхности, количество слоев клея и их толщина, условия сушки, усилие сжатия при склеивании и т. д.), условия испытания и замеров, оценка результатов определены нормативной документацией. В табл. 11.5 приведены значения предела прочности при сдвиге для некоторых клеев при температуре испытания 20 °С. Проверке подлежит также длительная прочность клеевого соединения, основанная на измерении времени, в течение которого оно сохраняет целостность при приложении определенной величины усилия.

Оценка водостойкости, атмосферостойкости, маслостойкости и химической стойкости клея осуществляется при сравнении свойств клеевых швов, проверенных после получения соединения и после пребывания его в соответствующей среде.

Рис. 11.6. Схемы испытаний клеевого соединения на расслаивание (а); растяжение или срез (сдвиг) (б); прочность при неравномерном отрыве (в); отслаивание (г)

Таблица 11.5

Минимальный предел прочности при сдвиге некоторых клеев

Наименование клея	Предел прочности при сдвиге, МПа
БФ-2, БФ-4	0, 10
ВК-3	0, 17
МПФ-1, ВК-32-200, ВС-10Т, КЛН-1, ВК -4, ВК-8	0, 15
ПУ-2, ВС-350	0, 14
ВК-32-250	0, 16
ФРАМ-30	0, 18
ФЛ-4С	0, 07
ВК-2	0, 075

Теплостойкость оценивается по величине температуры, при которой твердый элемент под определенным усилием входит на заданную глубину в нагреваемый материал шва.

Морозостойкость соединения оценивается при сравнении прочности образцов соединений, находящихся при комнатной температуре в охлажденном состоянии.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: