Обзор клеев и их применение

Клеи на основе органических связующих естественного происхождения используются в машиностроении редко в связи с тем, что механические свойства их соединений не отвечают требованиям данной сферы деятельности. Наибольшее распространение получили клеи с неорганическими, а также органическими синтетическими связующими. Рассмотрим их основные характеристики и применение.

Клеевые композиции с термореактивной органической основой. Эпоксидные клеи созданы на базе целой группы смол с различной химической основой (эпихлоргидрин, дифенилолпропан, резорцин, эпоксиноволачные, циклоалифатические, алифатические, эпоксикарборановые соединения, феноксисмолы и т. д.), в которые для улучшения свойств могут вводить различные модификаторы (синтетические каучуки, ацетали поливинилового спирта и т. д.). При этом обязательно используются вещества – отвердители, например: Л-4, Д-6, Д-9, ЭПЦ-1, К-153, Д-10, ВК-9, К-300-61, К-400, СКДА, Д-2, ВК-32-ЭМ, ТКМ-75, ТКС-75, ТФЭ-9, Т-111. Основные характеристики эпоксидных клеев приведены в табл. 11.7.

Среди эпоксидных клеев есть и специальные композиции: электропроводящие (К-8, К-12а, ЭНКС-2); для клеесварных соединений (ВК-1, ВК-1М, К-4С, Л-4 и т. д.); для клеезаклепочных, клеевинтоых и клееболтовых соединений (ВК-37, комбинация ВК-9+ВК-25).

Таблица 11.7

Характеристики эпоксидных клеев

Наименование	Основа	Максимальная рабочая температура, °С	Разрушающее напряжение при сдвиге при 20 °С, МПа	Склеиваемые материалы
Л-4	Э-40	60 - 80	6, 0 - 9, 0	Металлы, керамика, пластмассы, пенопласты и другие неметаллы
Д-6	ЭД-16
Д-9
ЭПЦ-1	ЭД-20	65	12, 0	Металлы и асбоцемент в конструкциях
ВК-9	ЭД-20	125	15, 0 - 23, 0	Металлы, стеклопластики, керамика и другие неметаллы
Д-2	ЭД-16	100	26, 0	Металлы, керамика стекло
ВК-32-ЭМ	ЭД-16, Э-40	60 - 85	16, 5 - 27, 0
ТКМ-75	ТК-75	300	2, 0	Режущие части интрумента
ТКС-75	ТК-75	350	1, 8	Части инструмента
ТФЭ-9	ТФЭ-9	300	9, 0	Металлы, керамика, пластмассы
Эпоксид П и ПР	Э-40	100	20, 0	Металлы, керамика, пластмассы, стекло
МАТИ К-2	ЭД-16, ЭДЛ	50 - 100	-	Металлы (в частности, сталь)
Д22	ЭДЛ	100	Около 20, 0	Металлы и конструкционные неметаллы

Фенолформальдегидные клеи имеют в качестве основы новолачные соединения и резольные смолы, которые могут быть модифицированы или немодифицированы. При немодифицированных основах отвержденные композиции характеризует повышенная хрупкость, и этот вариант используется лишь для древесины, пенопластов, текстолитов, а также различных пористых материалов.

В качестве модификаторов используются бутадиен - нитрильные каучуки, карбоксилсодержащие сополимеры бутадиена с акрилонитрилом, поливинилацетали, элементоорганические соединения. При этом улучшаются свойства клеевого соединения, особенно теплостойкость.

Немодифицированные композиции имеют холодное отверждение, а модифицированные – горячее, например: ВИАМ Б-3, КБ-9, ВИАМ Ф-9, ВЗ1-Ф9, ВК-32-200, ВК-3, ВК-4, ВК-13, ВК-13М, БФ-2, БФ-4, БФР-2, БФР-4, ВС-350, ВК-8, ВК-18, ВК-18М, ФФК. В обоих случаях оно осуществляется под давлением.

Основные характеристики фенолоформальдегидных немодифицированных клеев приведены в табл. 11.8, а модифицированных – в табл. 11.9.

Таблица 11.8

Характеристики фенолоформальдегидных немодифицированных клеев

Наименование	Состав			Разрушающее напряжение при сдвиге при 20 °С, МПа	Склеиваемые материалы
	Основа	Растворитель	Отвердитель
ВИАМ Б-3	ВИАМ Б	Ацетон	Сульфонафтеновые кислоты	13, 0	Древесина, фанера, текстолит, пенопласт
КБ-3	Б
ВИАМ Ф-9	ВИАМ Ф-9	Спирт			Древесина, пенопласт

Резорцинформальдегидные клеи (табл. 11.10) изготавливаются на основе резорциновых и алкилрезорциновых соединений (дифенольные смолы ДФК), в которые могут добавляться модификаторы (поливинилацетали, полисульфиды, капролактам и т. д.), например: ФР-12, ФРАМ-30, ДТ-1, ДТ-2, РАФ-10, ФЭН-1.

Карбамидоформальдегидные клеи на основе карбамидных соединений с наполнителями (древесная мука, крахмал, декстрин и т. д.) бесцветны, светостойки и имеют малую токсичность. В то же время их соединения имеют небольшую водостойкость и прочность (под воздействием воды она снижается на 20 – 30 %). Наполнители вводятся для устранения усадки, внутренних напряжений и растрескивания при отверждении. Отвердителями для карбамидоформальдегидных клеев служат щавелевая и молочная кислоты, аммониевые соли. Отверждение производится при нагревании или без него. Основа этих клеев подвергается вспениванию, что позволяет снизить их расход, а также может модифицироваться латексами (каучуковый, метилметакрилатный) и поливинилацетатной эмульсией для повышения эластичности, прочности и водостойкости швов.

Таблица 11.9

Характеристики фенолоформальдегидных модифицированных клеев

Наименование	Основа	Разрушающее напряжение при сдвиге при 20°С, МПа	Склеиваемые материалы
ВК-32-200	Лак ИФ с бутадиен-нитрильным каучуком	15, 0 – 23, 0	Металлы, стеклопластики, стекловолокно; соединения, действующие в водной среде
ВК-13	Резол 300 с бутадиен-нитрильным каучуком	11, 7 – 20, 0
БФ-4	Резольная смола с поливинилбутиралем	20, 0	Термопластичные материалы
БФР-2	Резольная смола с поливинилбутиральфурфуралем		Металлы, пластмассы, печатные схемы в производстве фольгированных материалов
ВК-8	Фенолокремнийорганическая смола с каучуком	15, 5	Стеклотекстолиты, графит, теплоизоляторы для температуры 1000 °С

Таблица 11.10

Характеристики резорцинформальдегидных клеев

Наименовние	Основа	Разрушающее напряжение при сдвиге при 20 °С, МПа	Склеиваемые материалы
ФР-12	Резорциновое соединение ФР-12	Не менее 13	Древесина
ФРАМ-30	Резорциновое соединение с фторкаучуком	5, 9 – 35	Металлы и фторопласт - 4

 

Существуют меламиноформальдегидные клеи (основа – меламиновые смолы), а также карбамидомеламиноформальдегидные клеи на комбинированной основе (например, ММС). Данные композиции более водостойки по сравнению с карбамидоформальдегидными и служат для склеивания древесных материалов и для получения из них изделий горячим прессованием, например: К-17, МФ, М-4, М-60, М-70, МФСМ, ММС. Характеристики карбамидоформальдегидных и карбамидомеламиноформальдегидных клеев даны в табл. 11.11.

Таблица 11.11

Характеристики карбамидоформальдегидных и карбамидомеламиноформальдегидных клеев

Наименование	Основа	Разрушающее напряжение при скалывании при 20 °С, МПа	Склеиваемые материалы
К-17	Смола МФ-17	1, 5 – 4, 0	Древесина, фанера
МФ	Смола МФ
М-4	Смола М-4
ММС	Смола ММС		Различные древесные материалы

Клеи на основе полиуретанов и изоцианатов (табл. 11.12) универсальны. Клеевые соединения на их основе стойки к старению, отличаются высокими прочностью, теплостойкостью и отличными усталостными характеристиками. Они довольно токсичны. Хотя основой этих клеев являются модифицированные или немодифицированные полиуретаны, очень часто композиции в исходном состоянии содержат лишь полуфункциональные изоцианаты и продукты их реакций с многоатомными спиртами, содержащие свободные изоцианатные группы. При этом сами полиуретаны, являющиеся продуктами реакций указанных соединений с многоатомными спиртами или полиэфирами, образуются на стадии склеивания. В качестве основ наиболее часто используются толуилендиизоцианаты (ТДИ), полиметиленфениленизоцианат, а также продукт ДГУ - результат реакции толуилендиизоцианатов с многоатомными спиртами, например: ПУ-2, ВК-5, 301, ВК-20, ВК-20М.

Таблица 11.12

Характеристики полиуретановых и изоцианатных клеев

Наименование	Основа	Разрушающее напряжение при сдвиге при 20°С, МПа	Склеиваемые материалы
ПУ-2	ТДИ с полиэфиром 24К	20	Металлы и все неметаллы
ВК-5	ДГУ с полиэфиром 24К	11	Металлы, стеклотекстолиты, пенопласты
ВК-20	Полиуретан	19, 7	Сталь, титан, латунь, стеклопластики

Полиэфирные клеи создаются на основе смол ненасыщенных полиэфиров (наибольшее использование имеют полиэфиры на основе малеиновой кислоты). Кроме того, в эти композиции добавляются различные мономеры, например, стирол, метилметакрилат, винилацетат и т. д. Эти клеи предназначены для склеивания стеклопластиков в строительной технике, металлов со неметаллами (стеклом, асбестом и т д.). Получаемые клеевые соединения хорошо выдерживают циклическое нагружение в сочетании с различными внешними воздействиями (влажность, нагревание, замораживание и оттаивание). Разрушающее напряжение при сдвиге для них при 20 °С составляет 7, 0 – 8, 4 МПа. Представителями данной группы клеев являются композиции на основе полиэфирной смолы ПН-1 и клей ТМ-60.

Клеи на основе элементоорганических соединений (табл. 11.13) имеют высокую стойкость к старению при действии атмосферных явлений и радиации. Они - хорошие диэлектрики. Вместе с тем, они имеют небольшую адгезионную прочность. Эти клеи предназначены для соединения металлов и теплостойких неметаллов, работающих при температурах 300 – 600 °С (длительно) и 1000 °С (кратковременно). Основой их служат полиорганосилоксаны и органосилазаны. Для повышения адгезии и эластичности основы модифицируют полиэфирами, каучуками, поливинилацеталями и т. д., например: ВК-15, ВК-15М, КТ-15, КТ-25, КТ-30, КХС, ВК-22, МАС-1В, ВКТ-2, ВКТ-3, ИП-9, ПФ-41, ПФ-59, ПФ-73, ЭДС-250, а также ВН-76/13 и НТ-1 (для приклеивания тензорезисторов, работающих при температуре до 400 °С).

Таблица 11.13

Характеристики элементорганических клеев

Наименование	Основа	Разрушающее напряжение при 20 °С, МПа		Склеиваемые материалы
		сдвиг	неравномерный отрыв
ВК-15	Кремнийорганический полимер с асбестом	11, 0	–	Сталь и титановые сплавы с неметаллами
КТ-15	Кремнийорганический полимер с толуолом	-	0, 4 – 1, 0	Полисилоксановые резины (между собой и с металлами)
КТ-30	Поливинилсилазан с толуолом	-	1, 2
КХС	Органосилазан	-	2, 0 – 3, 0	Теплоизоляционные материалы (между собой и с металлами)

К этой же группе композиций относятся клеи-герметики  на основе элементоорганических каучуков (полидиметилсилоксановый СКТН, полиметилфенилсилоксановый СКТНФ, полиметилтрифторпропилсилоксановый СКТНФТ-50 и полиметилнитрилсилоксановый НСКТ-60), служащие для создания герметичных, теплостойких и эластичных соединений. Склеиваемые материалы - кремнийорганические резины, стекло, полиамидная пленка, металлы: виксинт У-2-28, эластосил 137-83, эластосил 1102, эластосил 2103. Для их соединений характерно разрушающее напряжение при сдвиге при температуре 20 °С, составляющее 1, 3 – 3, 0 МПа.

Клеевые композиции с термопластичной органической основой.

Основой винилхлоридных клев являются поливинилхлориды, перхлорвиниловая смола. Эти клеи используются для склеивания пластиков и пленок на той же основе, фарфора, стекла, дерева и фанеры, тканей, а также приклеивания этих материалов к металлу и бетону, например: Ц-1, Марс, ХВК-2а, ПЭД-Б, ПН-Э, ПВХ, МВ-1, Виникс. Некоторые из данных клеев используются для склеивания металлов (например, стальных деталей кузова автомобиля). В этом случае разрушающее напряжение при сдвиге при 20 °С достигает 9 – 11 МПа.

Клеи на основе поливинилового спирта и поливинилацетата. Клеи на основе поливинилового спирта используются для склеивания тканей и целлюлозных материалов. Их соединения непрочны и неводостойки, но применяюся в среде бензина и керосина. Для склеивания стекла могут использоваться ацетали поливинилового спирта, но соединения на их основе имеют низкую теплостойкость (до 60 °С). Наибольшее распространение получили поливинилацетатные клеи, используемые для склеивания тканей, стекла, дерева, полистирола, картона и металлов. Основой их являются бесцветные, светостойкие, прозрачные винилацетатные полимеры. Для растворения полимера в них служат летучие органические (ацетон, толуол, метилацетат) или реактивные (винилацетат) растворители. Могут добавляться канифоль, щеллак и ряд других смол. Используются также водно-эмульсионные клеи, содержащие до 60 % винилацетатных полимеров. Недостатками поливинилацетатных клеев являются низкая водостойкость, а также возможность стимулирования коррозии в металлах (из-за выделения паров уксусной кислоты). Примеры клеев: поливинилацетатная эмульсия (НВ, СВ, ВВ), ГИПК-61, ГИПК-141.

Клеи на основе полимеров акриловой и метакриловой кислот  применяются для склеивания различных неметаллических материалов, особенно теплоизоляторов и термопластов. Они содержат органические растворители, которые отрицательно воздействуют на поверхность склеиваемых материалов (например, метакриловые клеи вызывают появление трещин на поверхности органического стекла). Среди них известны полиакрилатные представители: КС-609 (для клеесварных соединений), бутакрил (приклеивание абразивных материалов), ПММ, ГИПК-234. Теплостойкость соединений данной группы клеев не превышает 80 °С. Но это не касается широко используемых для склеивания стекла, дерева, резины, пластмасс цианакрилатных (на основе эфиров цианакриловой кислоты) клеев (табл. 11.14). Теплостойкость их соединений более 100 °С. Эти клеи с высокой адгезионной способностью не содержат растворителя. Для них характерна быстрота склеивания, хорошая стойкость к воздействию воды, бензина, топлива и масел. Примеры клеев: циакрин-ЭО, циакрин-ЭД, циакрин-ЭП, циакрин-ЭПЗ, КМ-200.

Таблица 11.14

Характеристики цианакрилатных клеев

Наименование	Основа	Разрушающее напряжение при сдвиге при 20 °С, МПа
Циакрин-ЭО	Этиловый эфир цианакриловой кислоты	18, 0
Циакрин-ЭД	Этиловый эфир цианакриловой кислоты с диаллилфталатом	16, 5

Анаэробные клеи  (табл. 11.15) не содержат растворителей и отверждаются без доступа воздуха. Они предназначены для стопорения резьбовых соединений, герметизации сварных швов и литых изделий, устойчивы к агрессивным средам. Основой их являются сложные эфиры акриловой и метакриловой кислот и эфиры этиленгликолей с фталевой, себациновой, малеиновой кислотами, а также олигоэфиракрилаткарбонаты. В клеи данной группы для улучшения свойств вводятся аэросил, оксид титана, мел. Теплостойкость их достигает 200 °С (250 °С при кратковременном функционировании). Примеры клеев: Анатерм-2, Анатерм-5, Анатерм-6, Анатерм-8, Анатерм-35ВТ, ВАК.

Таблица 11.15

Характеристики анаэробных клеев

Наименование	Разрушающее напряжение при 20 °С, МПа		Склеиваемые материалы
	при сдвиге	при сдвиге с трением
Анатерм-2	8, 0 – 15, 0		Стопорение резьбовых соединений в агрессивных средах
Анатерм-6	11, 0	10, 0	Стопорение и уплотнение резьбовых соединений, труб, фланцев
Анатерм-35ВТ	8, 0 – 9, 0	0, 2	Уплотнение фланцев

Клеи-расплавы не содержат растворителей и служат для склеивания неметаллов. Основой их служат полиэфиры и полиамиды этилена и его сополимеры с винилацетатом. Теплостойкость соединений около 200 °С. Примеры клеев: полиамидные (69Т, Ктилол-11), сополимерные (КГ-16-20).

Клеи с ароматическими полимерами в качестве основы имеют различные гетероциклические полимерные соединения (полибензимидазолы, полиимиды, полихиноксалины, политриазолы и т. д.). Соединения на этих клеях обладают довольно высокой теплостойкостью (свыше 500 °С при кратковременной работе). Они применяются для склеивания нержавеющих сталей, сплавов на основе бериллия, алюминия и титана, для приклеивания пластиков. Полибензимидазольные клеи дают соединения с довольно высокой для этой клеевой группы прочностью (разрушающее напряжение сдвига порядка 14 – 16 МПа при 20 °С), стойкостью при низких температурах и к воздействию агрессивных сред, водостойкостью. Однако они не приспособлены к нагреву свыше 300 °С. Пример обозначения клея – ПБИ-1К. Полиамидные клеи имеют теплостойкость до 350 °С, но более низкую, чем у полибензимидазольных, прочность соединения (разрушающее напряжение сдвига до 12, 5 МПа при 20 °С). Примеры клеев: СП-3, СП-6, СП-95, СП-97, СП-6К.

Резиновые клеи изготавливаются на основе синтетических каучуков (полихлоропрена (наирита), бутадиен-нитрильных, бутадиен-стирольных, карбоксилсодержащих, полисульфидных и др.) с добавлением вулканизирующих веществ для улучшения механических свойств соединений (табл.11.16).

Таблица 11.16

Характеристики резиновых клеев

Наименование	Основа	Разрушающее напряжение при отслаивании при 20 °С, МПа	Склеиваемые материалы
Хлоропреновые клеи
88Н	Хлоропрен с бутилфенолоформальдегидным полимером 101К	0, 7 – 0, 9	Вулканизованные резины с металлами, стеклом и другими материалами
88НП	Наирит	Не менее 2, 3
4НБув		Не менее 0, 28	Вулканизованные резины и резинотканевые материалы на основе наирита и нитрильных каучуков
Клеи на основе бутадиен-нитрильных каучуков
КР-5-18р	Каучук СКН-40 со смолой ФР-12	2, 4	Вулканизованные резины и резинотканевые материалы на основе нитрильных каучуков
КР-6-18	Каучук СКН-40Т	0, 5	Химически стойкие невулканизованные резины на основе нитрильных каучуков с резинотканевыми материалами на основе нитрильных и фторкаучуков
ВКР-7		0, 6	Вулканизованные резины резинотканевыми материалами на основе нитрильных фторкаучуков

Данные клеи служат для склеивания резины, а также для приклеивания ее к металлам и неметаллам (дереву, пластмассам и т. д.). Полихлоропреновые клеи вулканизируются с нагревом и без него, стойки к старению, хорошо ведут себя под воздействием многих химических веществ, но не выдерживают сильного охлаждения. Например: 88Н, 88НП, 4НБув, ЛН, 88НП-35, 88НП-43, 88НП-130, ИРП-1268, ГИПК-237, ГИПК-241, ГИПК-21-11. Клеи с основой на бутадиен-нитрильных каучуков (СКН-18, СКН-26, СКН-40) служат для склеивания невулканизованных резин и резиносодержащих материалов. Примеры клеев: КР-5-18, КР-5-18р, КР-6-18, ВКР-7, КН-15, ГИПК-23-10. Значительно реже применяются клеи на основе бутадиен-стирольных, хлорированных каучуков, бутилкаучуков.

Клеевые композиции на неорганической основе.

Фосфатные клеевые композиции изготавливаются на основе фосфорной кислоты (при этом они называются цементами) или на основе фосфатных связующих (в этом случае они называются клеями) (табл. 11.17). В цементы добавляются наполнители – оксиды металлов, фосфаты и гидрооксиды титана, алюминия, железа, а также некоторые нитриды, силициды, карбиды и т. д. Используются алюмофосфатный, алюмосиликатфосфатный, магнийфосфатный, медьфосфатный, силикофосфатный, титанфосфатный, феррифосфатный цементы.

Таблица 11.17

Характеристики фосфатных клеев и цементов

Наименование	Основа	Разрушающее напряжение при сдвиге при 20 °С, МПа	Склеиваемые материалы
Клеи
ВК-21К	Алюмохромфосфатное связующее с коррундом	3, 4	Приклеивание тензорезисторов, контровка резьбовых соединений, работающих при 400 °С
ВК-21Т	Алюмохромфосфатное связующее с диоксидом титана	4, 8
Цементы
АСФ-3	Продукт совмещения оксидов алюминия, хрома и кремния с ортофосфорной и хромовой кислотами	2, 0	Приклеивание тензорезисторов, работающих при температурах до 750 °С
МАТ-1	Продукт совмещения диоксида циркония с ортофосфорной кислотой	-	Приклеивание тензорезисторов и уплотнительных материалов

Прочность соединений на основе фосфатных клеев выше, чем на основе цементов. Для фосфатных клеев используются алюмофосфатное, алюмохромфосфатное, магнийфосфатное и кальцийфосфатное связующие, а наполнителями являются корунд, измельченный кварцевый песок, диоксид титана, нитрид алюминия, оксид хрома, стекла специального состава и т. д. Примеры клеев: ВК-21К, ВК-21Т, АСФ-3, МАТ-1, МАТ-01, ВЗ-1, В-52, В-144.

Силикатные клеи изготавливаются на основе жидкого стекла или натрийборсиликатов. Наполнителями являются глина, аэросил, карбонаты кальция или бария, оксиды фосфора и ванадия. Данные клеи применяются для склеивания керамики, асбеста, металлов (например, хромовых и хромоникелевых сталей, титановых сплавов с алюминием и ванадием) и других материалов. Соединения выдерживают температуру в среднем до 1000 °С. Следует отметить, что для этих клеев характерны гигроскопичность и снижение диэлектрических свойств при нагреве. Например, силикатный клей, используемый в электротехнике: состоит из оксида меди – 20 %, наждачного порошка №60 – 20 %, жидкого стекла – 60 %. Соединения на его основе выдерживают нагрев до 400 °С.

Керамические клеи выпускают на основе фриттов (продукт, полученный при резком охлаждении расплава стекла), оксидов магния, кремния, щелочных металлов с примесями борной кислоты или селитры. Добавляют также металлы в порошках, в результате чего соединение способно выдержать нагрев до 3000 °С. Данные клеи используются для склеивания стекла, кварца, керамики, графита, стеклопластиков, металлов. Разрушающее напряжение при сдвиге в соединениях при 20 °С достигает 7 – 10 МПа. При нагреве наблюдается рост этого параметра до 18 МПа, но до некоторого предела (около 500 °С), после чего начинается его снижение. Примеры клеев: КФ-550, КФ-580.

Металлические клеи имеют основу из жидкого металла (ртуть, галлий) с добавлением порошка меди или вольфрама. Пластичность соединений на их основе определяется количеством жидких оставляющих. От них же зависит и теплостойкость. Соединение достигается за счет образования интерметаллических соединений и твердых растворов. Данные клеи используются для склеивания металлов (выводов деталей радиоэлектроники), крепления вибродатчиков, поверхностей изделий, находящихся в воде, и т. д. Примеры металлических клеев: а) смесь галлия, индия, порошка меди; б) смесь галлия, порошков меди и серебра. Соединения на их основе выдерживают нагрев до 800 °С, разрушающее напряжение при отрыве при 20 °С составляет до 30 МПа.

Клеевые соединения

При проектировании клеевого соединения учитываются следующие эксплуатационные параметры: назначение соединения, тип нагружения в нем, величина нагрузки, среда функционирования соединения, надежность.

Основными типами нагружения являются срез (сдвиг), равномерный отрыв, неравномерный отрыв, отслаивание, расслаивание.

Допустимая в еличина нагрузки измеряется при испытании моделей клеевых соединений. Она существенно обуславливается склеиваемыми материалами, маркой клея и условиями испытания (влажность, нагрев, охлаждение, присутствие агрессивных сред и т. д.), размерами шва, подготовкой поверхности под склеивание. Следует заметить, что точный учет влияния на систему всех этих факторов практически невозможен.

Классификация клеевых соединений достаточно многообразна. По взаимному расположению склеиваемых поверхностей различают следующие группы соединений: угловые, стыковые, тавровые, нахлесточные (рис. 11.7). Отдельно следует выделить соединения полых профилей и труб.

Рис. 11.7. Схемы стыкового (а); углового (б), таврового (в) и нахлесточного (г) клеевых соединений

Соединения внахлестку являются наиболее эффективными и распространенными. Их несущая способность увеличивается с увеличением размеров нахлесточной зоны, что происходит до определенного предела (существует размерный порог, после которого геометрия соединения почти не оказывает влияния на его прочность). Тем не менее, именно в этом соединении, работающем на срез, адгезионный механизм проявляет себя наилучшим образом. Таким способом можно склеивать как толстые, так и тонкие (листовые) заготовки.

Существуют различные модификации нахлесточных соединений (рис. 11.8). Кромки заготовок под склеивание могут иметь разделку (изгибы, скосы).

Рис. 11.11. Разновидности нахлесточных соединений

В асимметричных нахлесточных соединениях в местах перехода «деталь – деталь» при нагружении возникает концентрация напряжений, что снижает несущую способность шва. Поэтому желательно использовать симметричные нахлесточные соединения, а в местах перехода у деталей делать скосы.

Стыковые соединения (рис. 11.9) применяются в основном для заготовок, имеющих значительные поперечные размеры, если по каким-либо соображениям нельзя применять нахлесточное соединение. В основном, они работают на отрыв. Образующей шва в этом случае может быть прямая (см.рис. 11.7, а) или кривая (ступенчатая) линия (рис. 11.9, а, б). В последнем случае имеет место шпунтовое (врезное) соединение с увеличенной площадью поверхности и прочностью, представляющее собой комбинацию стыкового и нахлесточного вариантов. Более высокие результаты дает шпунтовое соединение с двумя нахлесточными поверхностями (рис. 11.9, в), хотя изготовить его сложнее, и применение его возможно для довольно толстых заготовок.

Рис. 11.9. Стыковые клеевые соединения: а, б, в – шпунтовые; г, д – «на ус»; е, ж, з – с накладками

При использовании врезных соединений «на ус» (рис. 11.9, г, д) поверхность шва также увеличивается за счет разделки кромок (скос, угол). Для усиления стыкового шва, увеличения его жесткости могут применяться накладки наружные двухсторонние (рис. 11.9, е) или односторонние (рис. 11.9, ж). Реже применяется схема с утопленными накладками (рис. 11.9, з), так как разделка кромок для нее сложнее.

Комбинацией нахлесточных и стыковых схем являются угловые и тавровые соединения.

Угловые соединения требуют раздела кромок заготовок: скосом (см.рис. 11.7, б) или загибом (рис. 11.10). При этом возможно соединение толстых и тонких заготовок под любым углом, который определяется углом разделки кромок. Разделка кромок на скос осуществляется для двух заготовок, а разделка на изгиб – для одной (рис. 11.10, а-г) или для двух (рис. 11.10, д). Схема склеивания с разделкой кромок предпочтительнее, так как она более близка к схеме нахлесточного соединения. В зависимости от расположения шва и характера приложенной к нему нагрузки он может работать на расслаивание, срез, отслаивание или отрыв.

Рис. 11.10. Угловые клеевые соединения с загибом кромок вертикальные (а, б), горизонтальные (в, г), наклонные (д)

Тавровые соединения похожи на угловые и выполняются с разделкой или без разделки кромок, а также с использованием усиливающих накладок. Схема без разделки кромок применима лишь при достаточной толщине заготовки и предусматривает получение стыкового соединения (см. рис. 11.1, в). Разделка кромок может иметь различный вид. На толстой заготовке может быть предусмотрена ступень, увеличивающая площадь шва (рис. 11.11, а). Шов для более тонких заготовок усиливают накладками–уголками (рис. 11.11, б, в) или накладками–брусками (рис. 11.11, г, д) с одной или с двух сторон. В этих случаях получается комбинация стыкового, нахлесточного и углового соединений. Реже применяется тавровая схема соединения в паз (рис. 11.11, е) из-за трудоемкости изготовления пазов. Тавровые швы могут работать на срез, отрыв и отслаивание.

Рис. 11.11. Угловые клеевые соединения с уширением (а), с накладками-уголками (б, в), с накладками–брусками (г, д), с пазом (е)

Соединения труб выполняются в основном по нахлесточной схеме. Для труб разного диаметра применяется телескопическое соединение (рис. 11.12, а). Трубы одного диаметра соединяются без разделки кромок с помощью гладких муфт (рис. 11.12, б) или с разделкой кромок на скос двухраструбной муфтой (рис. 11.12, в). Могут изготавливать трубы с раструбами, выполняющими роль муфт (рис. 11.12, г).

В связи с малой поверхностью шва (толщина стенок) стыковые соединения труб используются достаточно редко. В этом случае для усиления шва используется разделка кромок «на ус» (рис. 11.12, е).

Рис. 11.12. Клеевые телескопическое (а), с гладкой муфтой (б), с двухраструбной муфтой (в), с формованным раструбом (г), стыковое «на ус» (е) соединения труб

Общие рекомендации по проектированию клеевых соединений. При нагружении клеевого соединения различные участки шва работают неодинаково. Рекомендовать определенные числовые параметры невозможно из-за большого разнообразия клеевых композиций, а также сочетаний склеиваемых материалов.

Самым распространенным типом соединений являются нахлесточные. Концентрация напряжений присутствует в них по краям зоны нахлестки, не зависит от ее ширины, что характерно также для заклепочных и сварных соединений. Прочность соединения зависит от длины этой зоны.

При большой нахлестке утяжеляется конструкция, повышается расход клея и увеличиваются другие затраты, связанные с обработкой большей поверхности. При этом не достигается никакой выгоды, так как средняя часть шва практически не работает, поэтому затрудняется отвод из клеевой пленки растворителя и продуктов, выделяющихся в процессе отверждения, что ведет к появлению дефектов.

Чем ближе клеевая пленка по своим механическим свойствам к склеиваемому материалу, тем меньше может быть величина нахлестки.

Толщина клеевой пленки оказывает существенное влияние на прочность соединения. При уменьшении толщины прочность возрастает, но до определенного предела. Оптимальная величина клеевой прослойки в пределах 0, 05 – 0, 15 мм.

Разрушение соединения может идти по основному материалу, по клеевой пленке, по границе склеивания и захватывать основной материал и клеевой шов.

При расчете швов, представляющих собой комбинацию нахлесточных и стыковых соединений, несущая способность шва должна определяться как сумма показателей для каждого из элементов шва.

Шероховатость поверхности играет существенную роль в формировании клеевого соединения. С ростом шероховатости прочность соединений растет.

При склеивании замкнутой конструкции необходимо предусматривать зону для выхода воздуха и свободного движения клея во избежание образования воздушной подушки.

Выбор марки клея представляет собой многоплановую задачу: необходимо не только удовлетворить требования, обеспечивающие получение заданных эксплуатационных свойств соединения, но и учесть требования, предъявляемые самой технологией и техникой склеивания. Необходимо обращать внимание на близость молекулярной природы и совпадение полярности адгезива и субстрата, вязкость клея в момент нанесения, когезионную прочность клеевой пленки, его термического расширение при нагреве, упругость отвердевшей пленки, а также величину усадки при отверждении. В клеевой композиции не должно быть элементов, агрессивных по отношению к материалу склеиваемых заготовок. Эксплуатационные свойства клеевой пленки должны соответствовать условиям функционирования готового изделия.

Технология склеивания

Технологический процесс склеивания в общем случае включает следующие операции: приготовление клеевого состава, подготовка поверхности деталей, нанесение клея, подсушивание (открытая выдержка), сборка, отверждение клея, контроль качества соединения.

Приготовление клея. Клеи изготавливают в самых различных видах: пастообразный, жидкий, пленочный, одно- и многокомпонентный, с растворителем.

Вначале осуществляется пробное приготовление клеев. Для однокомпонентных клеев оно заключается в их перемешивании до однородного состояния, а для многокомпонентных – в тщательном смешивании компонентов с соблюдением рецептуры и определенной последовательности (например, для клеев холодного отверждения отвердители вводятся в последнюю очередь перед нанесением на заготовки).

На предприятиях, где потребление клея велико, их приготовление осуществляется на отдельных клееприготовительных участках. Если же клеи применяются мало, то их готовят в заводских химических лабораториях.

Клееприготовительный участок включает в себя секции: дозировочную и клеесмесительную – для взвешивания и смешивания компонентов согласно рецептуре; раздаточную – для выдачи клея потребителям; моечную – для мытья используемой посуды, приспособлений и т. д.; промежуточный склад – для хранения запаса клеевых компонентов и запасного инвентаря. Весь участок должен быть оборудован приточно-вытяжной вентиляцией.

Основным оборудованием для смешивания компонентов в больших количествах являются механические смесители и клеемешалки различных конструкций (вертикального или горизонтального типов, со встречным или планетарным вращением месильных лопаток и т. д.), напоминающие по конструкции бытовые миксеры, а для ручного смешивания малых масс (1 – 2 кг) – баки с водяной рубашкой охлаждения или без нее. Частота вращения лопаток клеемешалок не должна быть очень большой (не более 80 об/мин), так как это вызывает сильное вспенивание клея. При смешивании необходимо поддерживать определенную температуру, поэтому стенки бака снабжены системой для движения горячей или холодной воды. Наилучшим материалом для изготовления баков и лопаток является нержавеющая сталь.

После смешивания проводится контроль физико-химических и технологических свойств полученного состава: внешний вид, концентрация, вязкость, жизнеспособность и т. д. При удовлетворительных результатах приступают к смешиванию клеев и заливке в специальные к л е я н к и  различных видов (с крышками – для клеев с растворителями, окрашенные, с бирками; с системой охлаждения – для клеев с короткой жизнеспособностью). После разливки посуда и инвентарь промываются растворителями (ацетоном, спиртом, растворителем РДВ) с нагревом в специальных нагревательных шкафах или без него. Кисти для клеев отмываются растворителями, входящими в состав клея.

Композициями, требующими смешивания, являются следующие клеи: эпоксидные КЛН-1, Л-4, ВК-32-ЭМ, К-153, ВК-1, полиуретановые ПУ-2, ВК-5, резорциноформальдегидные ФР-12, ФРАМ-30, фенолоформальдегидные ВК-32-200, ВИАМ Б-3, ВК-3, ВК-4 и ряд других. Среди них низкую жизнеспособность имеют клеи ПУ-2, Л-4, ВИАМ Б-3, ФР-12, К-153.

Пример технологии приготовления клея. Клей ПУ-2 смешивается в следующем составе: продукт № 24 (50 %-й раствор в ацетоне) – 200 весовых частей (в. ч.), продукт № 102Т – 100 в. ч., портландцемент 400 (просеянный через сито № 01В или 009В) – 25 в. ч. Сначала в бак загружается продукт № 24, включается мешалка и в рубашку бака пускается вода для поддержания температуры 18 – 20 °С. Постепенно вводится продукт № 102Т и смесь перемешивается в течение 1 – 2 мин. Затем вводится цемент и смесь снова перемешивается 2 – 3 мин. Мешалка выключается и периодически включается до тех пор, пока не образуется паста. Эта паста выгружается в сборники с поддержанием температуры 18 – 20 °С и периодическим (через 20 – 30 мин) помешиванием деревянной лопаткой. Данный клей рассчитан для использования в течение 2 ч.

Подготовка поверхности. Подготовка поверхности при склеивании имеет особое значение вследствие адгезионной природы клеевого соединения. Задача состоит в том, чтобы создать условия для физического и химического взаимодействия по возможно большей площади с высокими значениями энергии связи.

Подготовка поверхности может включать следующие операции:

1) обеспечение размерной точности сопрягаемых деталей для получения необходимых технологического зазора и площади склеивания (механическая обработка на станках);

2) удаление с поверхности слоя материала, претерпевшего нежелательные для склеивания изменения (механическая обработка);

3) создание на поверхности определенного микрорельефа (шероховка) для увеличения фактической площади контакта адгезива с основой с одновременным удалением части загрязнений (механическая обработка абразивными материалами, металлическими щетками, травление и т.д.);

4) удаление с поверхности веществ, препятствующих смачиванию клеем твердой поверхности и образованию прочной адгезионной связи (обезжиривание, травление);

5) нанесение на поверхность специального состава, имеющего высокую адгезию к основному материалу и клею, с целью выравнивания теплофизических свойств адгезива и субстрата, создания барьера, препятствующего непосредственному контакту компонентов клеевой композиции с деталью (нанесение грунтов);

6) создание на поверхности деталей пленки вещества, адгезия которой к клею высока (оксидирование, фосфатирование, цинкование и другие);

7) активация поверхности – создание в поверхностном слое ненасыщенных связей, активных радикалов для повышения адгезионной прочности сцепления клея с основой (электрическим разрядом, радиоактивным и ультрафиолетовым облучением, газопламенной обработкой, озонированием).

Выбор способов подготовки поверхности и последовательности ее выполнения в каждом случае решается индивидуально в зависимости от материалов склеиваемых деталей и их свойств, типа используемого клея, требований к эксплуатационным характеристикам изделия, масштабов и условий производства. При организации операций по подготовке поверхности необходимо исключить возможность случайного вторичного загрязнения от неосторожного обращения с заготовками или вследствие неправильных условий хранения, а также под действием материалов, используемых при обработке.

Подготовка поверхности механическими способами производится посредством шлифования, зачистки шкуркой, стальными вращающимися щетками. Высокой производительностью отличается обработка металлическими опилками, кварцевым песком, абразивными частицами при подаче их на деталь струей воздуха.

Обезжиривание поверхности производится:

1) в органических растворителях (ацетон, бензин, бензол, спирты, эфиры, этилацетат, метилэтилкетон и другие нехлорированные жидкости, а также хлорированные жидкости - трихлорэтилен, тетрахлорэтилен, хлороформ);

2) в водных щелочных составах.

Хорошие результаты дает обработка поверхности венской известью (смесь MgO и СаО). Наибольшее распространение получило щелочное обезжиривание в связи с низкой стоимостью материалов, пожаро- и взрывобезопасностью, простотой регенерации, меньшей токсичностью.

Обезжиривание растворами производят окунанием, протиркой, обрызгиванием и в парах (для пористых материалов). При обезжиривании пластмасс необходимо учитывать возможность их растворения. При процессах обезжиривания широко применяется ультразвук. В моющем составе за счет кавитации происходит энергичное удаление загрязнений. Этот прием особенно эффективен для деталей сложной формы и небольших размеров.

Травление производят в кислотных составах, в которые могут входить H₂SO₄, HNO₃, HF, НСl, Н₃РО₄ и др. Для травления используют специальные ванны. Процесс ведут при нормальных и повышенных температурах (до 90 °C). Составы для травления пластмасс могут быть аналогичны тем, которые используются для металлов. Химическое травление пластмасс дает более стабильные результаты, чем физические способы обработки. Травлению должно предшествовать обезжиривание, в противном случае не будет обеспечен контакт травильного состава со всей поверхностью.

После щелочного обезжиривания и травления необходимы тщательная промывка дистиллированной водой и сушка горячим воздухом, так как наличие влаги сильно ухудшает адгезию клея к подложке, снижая прочность и долговечность швов.

Подготовленные поверхности следует незамедлительно склеивать во избежание существенной потери прочности соединения. Если это по каким-либо причинам невозможно, то на склеиваемые поверхности наносят адгезионные грунты (СПМ-102, СПМ-21, СПМ-70 и др.). Грунт выбирают таким, чтобы его окончательное отверждение совпадало с отверждением клея. Большинство грунтов – растворы полимеров и олигомеров, входящих в клеи. После нанесения грунта его подвергают воздушной сушке или частичному отверждению. В таком состоянии заготовки могут храниться до 30 сут. Адгезионные грунты наносят на металлические и неметаллические поверхности. Они применяются главным образом при соединении разнородных материалов, где играют роль подслоев, барьерных покрытий. При склеивании эпоксидными клеями грунтами могут служить силаны и феноло-формальдегидная смола, модифицированная виниловыми полимерами.

Под воздействием различного рода облучения, электрического разряда, ультразвуковой, газопламенной обработки способность к адгезионному взаимодействию с клеем у металлов, пластмасс и других конструкционных материалов возрастает. Положительный эффект от ультрафиолетового или радиационного воздействия на поверхность трудносклеиваемых пластмасс обусловлен тем, что энергия лучей соизмерима с энергией химических связей в полимерных молекулах, что ведет к появлению активных радикалов в результате разрыва химических связей.

Представляет интерес бомбардировка подготавливаемой поверхности ионами инертного газа в вакууме (10^–2 – 10^–1 Па), при которой происходит «ионное травление». При этом достигаются высокая чистота, особая структура поверхности и, как следствие, повышение стабильности качества швов. Разброс значений показателей прочности составляет около 8 % вместо 25 – 30 % при обычной подготовке. В этом случае возможно получение соединений такой пары материалов, как полиэтилен с металлом.

При нанесении клея решаются три задачи – дозировка, равномерное распределение и обеспечение контакта клея с поверхностью.

Дозирование  клея должно быть достаточно точным, так как избыток или недостаток клея ведет к низкому качеству соединения. Обычно клеи наносятся на обе склеиваемые поверхности. Одностороннее нанесение допускается для хорошо текучих клеев (например, ВК-1, ВК-32-ЭМ, Л-4) и при склеивании плоских заготовок под высоким давлением. Расход для жидких, пастообразных, порошкообразных клеев и клеев в виде прутков рассчитывается по массе на единицу площади (в среднем 100 – 300 г/м²), а для пленочных – по толщине и площади пленки. Расход клеев с малой концентрацией (БФ-4, БФ-2, ВС-10Т, ВК-3, ВК-32-200, ВК-4 и т.д.) назначается большим, чем для клеев с высокой концентрацией. Если клей имеет высокую плотность (например, ВК-32-ЭМ), его расход также повышенный. Увеличивается он и при склеивании пористых поверхностей (например, пенопласт), при частом многослойном нанесении (с подсушиванием слоев).

От распределения клея (обеспечение равномерной толщины клеевого слоя на всей склеиваемой поверхности, отсутствие «сухих» и «мокрых» участков) зависит качество будущего соединения. Оно, как и дозировка, в значительной мере определяется способом нанесения клея на заготовку.

Нанесение кистью осуществляется при использовании жидких клеев. Способ применяется для склеивания заготовок сложного профиля, он малопроизводителен, этим способом трудно получить равномерный слой, качество которого определяется жесткостью и длиной (в пределах 15 – 20 мм) ворса кисти. Очень длинный ворс вызывает вспенивание клея, а короткий затрудняет проникновение в сложные участки. Производительность нанесения определяется шириной кисти (она соответствует ширине склеиваемой поверхности).

Если позволяют размеры и форма заготовки, жидкий клей можно наносить окунанием ее в клеевую ванну. Способ высокопроизводителен, дает хорошее омывание поверхности, равномерную толщину слоя, но отличается большим расходом клея.

Нанесение шпателем позволяет получить слой клея равномерной толщины, снижает его расход, но при этом снижается производительность, а также невозможно нанести клей на сложные участки. Применяется при использовании вязких пастообразных клеев.

Нанесение валиками служит для склеивания плоских листовых заготовок отличается высокой производительностью, умеренным расходом клея, получением слоя равномерной толщины. Способ основан на пропускании заготовок между валками, один из которых тянущий, а другой – наносящий. Наносящий валок получает клей из специальной ванны.

Нанесение поливом используется для склеивания плоских поверхностей крупногабаритных деталей. Клей подается под давлением через сопловые устройства. Способ отличается высокой производительностью, дает возможность получить клеевую пленку равномерной толщины.

Нанесение распылением применяется в основном для жидких клеев с вязкостью 7 – 15 с по вискозиметру ВЗ-1 или 20 – 30 с при использовании воздуха с температурой 50 – 60 °С. Оно осуществляется с помощью специальных пульверизаторов (рис. 11.13).

Рис. 11.13. Схема процесса распыления клея (пульверизации)

Пример режима пульверизации. Распыление клея МПФ-1 осуществляется при нагреве 50 – 60 °С, при этом его вязкость составляет 25 – 30 с. Сопло пульверизатора имеет круглую насадку с диаметром 1, 8 – 2, 0 мм. Давление воздуха 0, 2 МПа, расстояние до склеиваемой поверхности 100 – 150 мм, направление струи примерно под углом 45°.

Способ позволяет наносить тонкий равномерный слой клея на поверхность любой конфигурации, отличается высокой производительностью. Следует отметить, что образующийся при распылении клеевой туман вредно влияет на органы дыхания человека.

Можно использовать пульверизацию и для нанесения порошкообразных и клеев на предварительно нагретую поверхность, что обеспечит расплавление порошка и последующее растекание расплава. Так можно наносить, например, клеи эпоксид П и эпоксид Пр, при этом поверхность разогревается до 100 – 120 °С.

Существует технология нанесения порошкообразного клея способом газопламенного ацетилено–воздушного напыления  (скорость движения порошка 60 – 70 м/с, температура пламени 2100 –2400 °С).

Клеи-расплавы намазывают на нагретые поверхности или используют специальные пистолеты с электрическим обогревом, из которых клей выдавливается принудительно через сопло с насадкой.

Пленочные клеи в виде штучных заготовок прикатываются холодным (если они обладают липкостью) или горячим валиком.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: