ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ ПО КЛЕЕВЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ

Теоретическая часть

ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ ПО КЛЕЕВЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ

Структура технологии производства клеев подобна любой другой структуре: в основе лежат соответствующее планирование и всестороннее знание используемых материалов.

Первоначально склеивание разрабатывалось наряду со сваркой, пайкой, клепкой и т.д., как промышленный метод соединения. Для оценки наиболее важных параметров соединения было проведено много исследований и разработок.

Адгезивы (клеи) - это своеобразные соединительные мосты между материалами, независимо от типов их поверхности. Механизм соединения зависит от:

Прочности соединения клея с поверхностью, называемой адгезией; и
Прочности самого клея, называемой когезией (см. рис. 1).

Адгезия

" Адгезия" (от лат. adhaesio - прилипание)- сцепление поверхностей разнородных тел. Физические силы притяжения и адсорбции, которые описаны как Ван-дер-Ваальсовые силы, имеют огромное значение в процессе склеивания. Прочность этих межмолекулярных сил значительно ниже, если адгезивный материал не входит в близкий контакт со склеиваемой поверхностью из-за шероховатости механически обработанной детали.

Адгезив должен быстро и полностью проникать в микронеровности поверхности. На увлажненной клеем поверхности достигается наиболее полный межмолекулярный обмен. Прочность сцепления, таким образом, зависит и от смачивания поверхности (чтобы достичь наиболее полного межмолекулярного взаимодействия), и адгезионных свойств поверхности. При данном поверхностном натяжении клея, смачивание зависит от поверхностной энергии материала, вязкости клея и чистоты поверхности. Смачиваемость также снижается при наличии загрязнения поверхности.

Рис. 1: Склеивающие силы в клеевых соединениях.

" Когезия" (от лат. cohaesus - связанный, сцепленный)- сцепление (притяжение) молекул внутри клея, скрепляющего материалы. Эти силы включают в себя:

межмолекулярные силы притяжения (Ван-Дер-Ваальсовы силы)
сцепление между собой молекул полимеров.

Согласно правилу, что цепочка настолько же сильна, насколько сильно ее самое слабое звено, силы адгезии и когезии в склеиваемом соединении должны быть относительно равны.

Механизм полимеризации клеев

Большинство клеев - реактивные полимеры. Они переходят из жидкого состояния в твердое посредством различных полимеризационных реакций.. В зависимости от механизма полимеризации отверждения клеев можно классифицировать следующим образом:

анаэробная реакция
воздействие ультрафиолетовых (УФ) лучей (также как второй способ полимеризации)
анионная реакция (цианоакрилаты)
активация (модифицированные акрилы)
влажностное отверждение (силиконы, уретаны)
тепловое отверждение (эпоксиды)

Клеи, отверждаемые по анаэробной реакции

Анаэробные клеи - это однокомпонентные материалы, которые отверждаются при комнатной температуре при условии отсутствия контакта с кислородом. Жидкий компонент отверждения остается неактивным до тех пор, пока он находится в контакте с атмосферным кислородом. Если клей лишен доступа атмосферного кислорода, например, при соединении деталей, происходит быстрое отверждение - особенно при одновременном контакте с металлом.

Капиллярный эффект позволяет проникать адгезивам даже в очень маленькие зазоры. Отвержденное клеящее вещество вклинивается в шероховатые поверхности деталей. Процесс полимеризации также стимулируется контактом клея с металлическими поверхностями, выступающими в качестве катализатора. Так как пассивные материалы имеют нулевой или минимальный каталитический эффект, то для ускорения и достижения окончательной полимеризации требуются активаторы. В таких случаях на одну или обе склеиваемые поверхности предварительно наносится жидкий активатор, а затем - клеящее вещество. Заранее смешивать компоненты неактивного клея и активатора нельзя.

Анаэробные клеи обладают следующими свойствами:

очень высокая прочность
хорошая термостойкость (от -55^oC до +230 ^oC)
быстрое отверждение
легкость нанесения автоматическим дозатором, т.к. они однокомпонентны
не требуется финишная обработка частей; допустимая шероховатость поверхности 8 - 40 мкм (Ra)
одновременный эффект герметизации и высокой химостойкости
хорошая вибростойкость
хорошая стойкость к динамическим нагрузкам

Отверждение, особенно скорость отверждения анаэробных продуктов, главным образом, зависит от:

типа склеиваемых поверхностей
величины зазора между деталями
температуры
типа применяемого активатора

Области применения анаэробных клеев

Применение

Фиксация резьбы

Герметизация резьбы

Прокладки (уплотнение фланцев)

Вал-втулочная фиксация (цилиндр. детали)

Склеивание

Объемная полимеризация

Для достижения максимальной глубины полимеризации длина излучаемых УФ волн должна находиться в диапазоне от 300 до 400 нм (ближний ультрафиолет).

Поверхностная полимеризация

Полимеризация поверхности особенно важна при герметизации или склеивании с помощью ультрафиолетовых материалов. Если источник ультрафиолета подобран неправильно, то поверхности могут остаться неотвержденными. Для предотвращения этого источник УФ излучения должен интенсивно излучать в полосе волн ниже 280 нм (Это в значительной степени эффективно для предотвращения нежелательного контакта склеиваемой поверхности с атмосферным кислородом, который не дает продукту полимеризоваться на поверхности.

Силиконы: Эти материалы вулканизируются при комнатной температуре под воздействием атмосферной влажности (вулканизация при комнатной температуре). В сравнении с анионной реакцией цианоакрилатов, где влажность нейтрализует стабилизатор, силиконы для межмолекулярных связей используют молекулы воды. Это означает, что молекулы воды должны проникать в силикон к месту, где будет происходить вулканизация. Когда молекулы воды вступают в связь с молекулами силикона, получается побочный продукт.

В зависимости от химического состава компонентов полимеризации полученный побочный продукт может быть кислотным (например, уксусная кислота), основным (например, амин) или нейтральным (например, оксид или спирт).

Скорость полимеризации этих клеев, прежде всего, зависит от относительной влажности.

Из-за характера механизма полимеризации силикон вулканизируется от верхнего слоя в глубину склеиваемого шва. Вследствие необходимости поступления влаги к месту межмолекулярных связей, глубина полимеризации ограничена 10-15мм.

Типичные области применения силиконов:

Область применения

Формирование прокладок и уплотнителей в автомобильной промышленности

Герметизация для высокотемпературных режимов

Герметизация и склеивание (небольшие детали)

Герметизация и заливка (нейтральный)

Защитное покрытие для печатных плат

Полиуретаны:

Полиуретаны (в большинстве случаев) формируются посредством механизма реакции воды с присадками, содержащими изоцианатные группы. Что касается силиконов, то для сшивки молекулы воды должны мигрировать в клей. Такой же характер процесса полимеризации имеют и полиуретаны, за исключением образования побочных продуктов в результате реакции. Скорость полимеризации полиуретанов также зависит от относительной влажности.

Полиуретаны обычно имеют следующие особенности:

превосходная прочность
эластичность, высокая растяжимость
превосходная заполняемость зазоров
возможность окрашивания после отверждения
хорошая химостойкость

Для достижения наилучшей и наибольшей прочности адгезии рекомендуется использовать соответствующие очистители и праймеры (промоторы адгезии). В зависимости от типа поверхности применяются различные праймеры.

Клеи, отверждаемые теплом

Для тепловой полимеризации обычно используются однокомпонентные клеи. Типичные примеры - теплополимеризация эпоксидных смол. Температура полимеризации зависит от типа продукта. Обычно, минимальная температура полимеризации - 100^oC.

Время полимеризации связано с температурой полимеризации, а чем выше температура, тем короче время полимеризации. Обычно, для активизации отвердителя и начала процесса полимеризации необходима минимальная температура.

Типичные области применения полиуретанов:

Область применения

Склейка

Уплотнение

Кроме клеящих веществ, отвердевающих чисто под воздействием тепла, имеются также другие клеи, которые используют теплополимеризацию в качестве дополнительного механизма. Например, анаэробные клеи могут отверждаться при температуре 120 ^oC.

Теплополимеризующиеся клеевые вещества имеют широкий диапазон свойств в зависимости от химического состава (например, эпоксидные смолы, метакрилаты).

Типичные, полимеризующиеся при нагреве, эпоксидные смолы имеют следующие основные особенности:

прочность от средней до высокой
хорошая адгезия к различным материалам
хорошая заполняемость зазоров
хорошая стойкость к воздействию агрессивных сред

Типичные области применения:

Область применения

Чипбондеры (электроника)

Герметизация реле

Пропитка

Фиксация резьбы, уплотнение резьб, формирование прокладок, вал-втулочная фиксация

Склеивание

Протравка

Для протравки поверхностей используются относительно агрессивные химикаты. В зависимости от поверхности используются сильные кислоты или щелочи. Протравка приводит к изменению структуры поверхности, т.к. добавляются реактивные группы и образуются полости, которые обеспечивают места для механической фиксации клея. Результаты такой обработки варьируются в зависимости от типа поверхностей. Промышленное применение метода протравки ограничено из-за своей дороговизны.

Праймеры

Праймеры, как правило, содержат растворимые реактивные химические соединения. Праймер наносится кисточкой или распыляется на поверхность материала. Оставшиеся после обработки частицы растворителя можно нейтрализовать. В зависимости от типа праймера поверхность может быть немедленно готова для склеивания, как в случае полиолефиновых праймеров для цианоакрилатов. Поверхностные праймеры улучшают склеиваемость поверхности, действуя как химический мостик между поверхностью и клеем. Обычно, реагирующая составляющая в праймере многофункциональна с одним набором реактивных групп, вступающих в реакцию с поверхностью и дополнительными группами, которые имеют высокое сродство с клеем.

Рекомендации по подготовке поверхности к склеиванию для различных материалов

Материал	Методы обработки
	Обезжиривание	Механическая обработка	Травление	Праймеры (зависит от клея)	Коронирующий разряд	Плазма низкого давления
Металлы	xxx	xxx	x	x		x
Стекло	xxx	x	x	x	x	x
Керамика	xxx		x	x	x	x
Пластмассы	xxx	xxx	x	x	xxx	xxx
Резина	xxx	x		x	x	x
Дерево	x	xxx		x		x

xxx = предпочтительный метод
x = альтернативный метод или дополнительный метод

Испытание на смачиваемость

Подготовленность поверхности для склейки можно определить методом отталкивания воды. Несколько капель чистой воды наносится на очищенную поверхность. На недостаточно очищенной поверхности сферическая форма капли сохраняется, следовательно, поверхность надлежит очистить еще раз. Если вода растекается по обработанной поверхности, значит склеиваемая поверхность достаточно чистая.

Данный способ не применим для анодированных алюминиевых и магниевых поверхностей.

Преимущество метода испытания на водоотталкивание состоит в его легкодоступности.

Однако, этот метод бывает не всегда приемлем из-за жесткости воды, что приводит к разному поверхностному напряжению. В некоторых случаях даже дистиллированная вода не может дать надежных результатов в испытании на водоотталкивание. Следовательно, в особых случаях рекомендуются использовать поверхностно напряженные жидкости, поверхностное напряжение которых известно. Необходимо учесть, что испытание на водоотталкивание дает возможность проверить только подготовленность поверхности, но не саму возможность склейки.

Рис. 4: Подготовка поверхности может быть проверена методом " отталкивания воды"
или тестовыми поверхностно активными жидкостями

Активаторы

В дополнение к клеям также имеются активаторы. Для некоторых клеев (например, модифицированные акрилы) необходимы активаторы, инициирующие отверждение. Что касается других клеев (например, анаэробные), активатор является дополнительным средством улучшения и ускорения полимеризации. В отличие от праймеров активаторы обычно улучшают не адгезию, а когезию клеев, гарантируя надлежащее отверждение.

Основа	Типичное применение
Углеводород/Спирт/Диметоксиметан	Идеально для очистки металла, керамики, стекла, большинства пластмасс - быстрое испарение
Углеводород/d-Лимонен	Идеально для всех материалов, также пластмасс, удаляет минеральные и синтетические масла, включая силиконовые масла

Растворитель	Используется с клеем	Типичное применение
Изопропанол	Все цианоакрилат	Наносят на поверхность до склеивания для увеличения скорости полимеризации Наносят на не застывшую каплю или излишек цианоакрилата, чтобы избежать образования ореола
Ацетон	Все цианоакрилат	Наносят на поверхность до склеивания для увеличения скорости полимеризации Наносят на не застывшую каплю или излишек цианоакрилата, чтобы избежать образования ореола
Гептан	Все цианоакрилат	Наносят на поверхность до склеивания для увеличения скорости полимеризации Наносят на не застывшую каплю или излишек цианоакрилата, чтобы избежать образования ореола
Ацетон/Изопропанол	Все клеи анаэробного отверждения	Наносят на неактивные поверхности для поддержания процесса полимеризации
Ацетон	Все клеи анаэробного отверждения	· Наносят на одну поверхность для ускорения отверждения

Старение клеевых соединений

Эффект временного старения может быть предсказан только при тщательном рассмотрении многих взаимодействующих переменных, включая параметры проекта.

Сборка плоских поверхностей

Существует три основных метода сборки:

Механическая - с применением болтов, шурупов и заклепок
Термическая - сваркой и пайкой твердыми и мягкими припоями
Химическая (клеевая) - с использованием клеящих веществ.

Клеевая сборка

Клеевая сборка расширяет область промышленного применения, давая много преимуществ:

Распределение нагрузки: равномерное распределение нагрузки по всей поверхности. Устранение концентраторов напряжения просверленных отверстий.
Не требуется никаких структурных изменений: в отличие от термосборки при склейке все свойства материалов сохраняются.
Отсутствует деформация поверхности: в отличие от сварной сборки детали при склейке не нагреваются, поэтому компоненты с различными массами и размерами могут легко собираться.

Комбинирование различных материалов: это позволяет конструкторам выбирать и объединять материалы так, чтобы свойства каждого использовались с наибольшей эффективностью.
Герметичность соединения: клей также имеет герметизирующие свойства. Соединенные болтами или склепанные соединения часто необходимо герметизировать, что требует дополнительных трудовых и денежных затрат.
Изолирующие свойства: при клеевой сборке могут быть соединены металлы с различными электрохимическими свойствами, при этом коррозия, фрикционная эрозия и фреттинг исключаются
Уменьшение количества компонентов: отпадает необходимость в использовании шплинтов, болтов, заклепок, фиксаторов и т.д.
Улучшение внешнего вида изделия: клеевые соединения более гладкие. В отличие от сварной сборки швы после соединения клеящим веществом остаются невидимыми. Это преимущество дает конструкторам много возможностей для улучшения внешнего вида изделия.

Конструкция клеевых сборок

Цель оптимальной конструкции клеевого соединения заключается в достижении наиболее равномерного распределения нагрузки. Следовательно, инженеры должны иметь четкое представление о распределении нагрузки, которому подвержено соединение. При проектировании клеевого соединения необходимо руководствоваться следующими основными принципами.

Увеличение площади склейки.

Другой простой, но очень эффективный способ усилить клеевое соединение или его конструкцию, состоит в увеличении площади склейки. Обычно, слишком маленькая область склейки испытывает увеличенные нагрузки на отслаивание или расщепление. Жесткость компонентов и тип клея влияют на прочность соединения. Вообще, чем жестче сборочная единица, тем меньше влияние конфигурации сборки на прочность соединения.

Рис. 5: Наиболее распространенные типы нагрузок
и их распределение по линии склейки.

Рис. 6: Отслаивающие нагрузки и их преобразование
посредством изменения конструкции.

Рис. 7: Благоприятные и менее благоприятные нагрузки на клеевые
сборки. Чем больше склеиваемая поверхность, тем лучше.

Прочность при сдвиге.

В практике для испытания клеевых соединений металлов предусматривается растяжение образцов в виде двух пластин размером 2х20х60 с одинаковой нахлесткой длиной 15 мм. ( ГОСТ 14756-69. Клеи. Метод определения прочности при сдвиге). Аналогичные испытания могут быть применены также для испытания и других листовых конструкционных материалов. Образец испытывают в специальном приспособлении. Концы полосы жестко закрепляют с помощь винтов. Испытание производят при скорости движения нагружающего зажима 10 мм/мин.

!!!! Техника безопасности при работе с клеями.

Работа с клеями требует соблюдения мероприятий по технике безопасности и охране труда, так как многие клеи в большей или меньшей степени токсичны и огнеопасны. При работе с клеями повышенной токсичности на рабочих местах должны быть установлены дополнительные вытяжные устройства. В случае попадания токсичных клеев или компонентов на кожу необходимо немедленно удалить загрязнения. Изоционаты удаляют с кожи тампоном из ваты, смоченным ацетоном или этилацетатом. Фенол смывается спиртом, мыльной водой или слабым раствором питьевой соды, после чего кожу тщательно промывают водой. Формалин смывается водой.

При работе с клеями, содержащими растворители или другие легковоспламеняемые вещества необходимо строгое соблюдение специальных мер противотивопожарной безопасности.

Фенолкаучуковые, фенолполивинилацетатные и другие модифицированные клеи менее токсичны.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

К выполнению экспериментально-теоретической части работы приступают после выполнения п.п. 1, 2 и получения разрешения преподавателя.

1. По заданию преподавателя разработать наиболее оптимальную конструкцию для клеевого соединения 2-х плоских деталей.

2. Разработать технологический процесс склеивания в зависимости от материала заготовок и типа клея.

3. Рассчитать прочность клеевого соединения в зависимости от технических характеристик клея.

τ = P/F

где P- разрушающая нагрузка (МПа)

F- площадь склеивания (мм.)

4.Изготовить клеевое соединение.

5. Испытать клеевое соединение.

6. Определить вид разрушения, проанализировать характер разрушения, сделать выводы и дать рекомендации.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1 Цель работы.

2. Основные теоретические сведения.

3. Расчет прочности клеевого соединения в зависимости от технических характеристик клея.

4. Анализ характера разрушения, выводы и рекомендации.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение адгезии и когезии.

2. Типичные области применения клея и способы полимеризации клея.

3. Назовите типовые операции технологического процесса склеивания.

4. Назовите наиболее распространенные типы нагрузок
и их распределение по линии склейки

5.Назовите методы испытания механической прочности клеевых соединений

ЛИТЕРАТУРА

1 1 Егоров М.Е. Технология машиностроения. М., Высш.шк., 1976,

с. 81-85.

2. Справочник технолога приборостроителя.Под общей редакцией П. В. Сыроватченко Том 2 М. Машиностроение 1980

3.www.loctite.com.

Теоретическая часть

ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ ПО КЛЕЕВЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ

Прочности соединения клея с поверхностью, называемой адгезией; и
Прочности самого клея, называемой когезией (см. рис. 1).

Адгезия

Рис. 1: Склеивающие силы в клеевых соединениях.

межмолекулярные силы притяжения (Ван-Дер-Ваальсовы силы)
сцепление между собой молекул полимеров.

12 3 4