Текст книги "Технология склеивания изделий из композиционных материалов"

3. Преимущества склеивания

Склеивание различных материалов синтетическими полимерными клеями значительно расширяет возможности применения пластмасс. Синтетические клеи – это своеобразные расплавы или растворы полимерных композиций, и поэтому склеивание по праву относится к технологии переработки пластмасс. С другой стороны, склеивание – это прогрессивный метод соединения различных деталей из металлов и неметаллических материалов, применяющийся во всех отраслях народного хозяйства и обеспечивающий прогресс этих отраслей (например, создание многослойных материалов, сотовых конструкций, труб, пространственных инженерных сооружений и др.). Основное преимущество склеивания заключается и том, что оно не ухудшает механических свойств соединяемых элементов, их внешнего вида. С высокой прочностью и надежностью можно склеивать изделия большой площади, и большое число малых элементов.

Все возрастающий спрос на полимерные клеи объясняется рядом преимуществ клеевых соединений по сравнению с механическими, сварными, паяными и др. Применение клеев повышает надежность конструкций, снижает их массу, обеспечивает герметичность швов. Производство и потребление клеев из года в год увеличивается в связи с возникновением новых областей их применения. В дальнейшем предусматривается постоянное увеличение выпуска клеев и широкое применение их в машиностроении, строительстве, в быту и т. д. Будет создан большой ассортимент клеев с заданными свойствами, отвечающих требованиям современной техники.

Накопленный опыт доказывает возможность эксплуатации клеевых соединений в различных условиях. Например, в автомобильной промышленности клеи применяют вместо заклепок, для приклеивания фрикционных накладок к тормозным колодкам. Клеевое соединение выдерживает повышенные температуры (до 250 °C), воздействие воды, бензина и масел, что позволяет увеличить срок эксплуатации фрикционных накладок на 50–60 %. При сборке автомобилей для крепления резьбовых соединений широко применяют специальные анаэробные клеи. Стекла для автомобилей изготовляют путем склеивания двух силикатных стекол поливинилбутиральной клеевой пленкой. Таким образом получают так называемые триплексные стекла. В случае аварии такое стекло растрескивается, но не разлетается на осколки.

Развитие авиации и космической техники невозможно представить без применения синтетических клеев. Клееные сотовые и слоистые конструкции получили применение в самолетостроении и в ракетно-космических системах. К применяемым клеям предъявляют высокие требования, так как они должны обеспечить достаточную прочность при температурах от –185 до +260 °C. Самолет состоит более чем наполовину из клееных конструкций; это позволяет уменьшить его массу за счет исключения большого числа крепежных элементов. Наилучшими для этой области техники оказались модифицированные эпоксидные и кремнийорганические клеи.

Применение склеивания в машиностроении и приборостроении позволяет в ряде случаев повысить производительность труда, сэкономить дорогостоящие материалы и добиться повышения надежности изделий. При изготовлении инструментов из твердых сплавов или синтетических сверхтвердых материалов применение склеивания модифицированными эпоксидными и фенольными клеями вместо пайки и сварки на 30–40 % снижает расход твердых сплавов и на 50–60 % – расход быстрорежущих сталей. Кроме того, склеивание повышает стойкость инструмента в 1,5–4 раза и улучшает качество обработанной поверхности.

Для заделки дефектов металлического литья, ремонта различных машин и оборудования применяют эпоксидные клеевые композиции холодного и горящего отверждения. В производстве приборов для крепления узлов и деталей применяют клеи типа БФ или Циакрин. Токопроводящие клеи могут быть использованы вместо пайки и сварки для соединения элементов электрических цепей.

Некоторым областям техники требуются клеевые материалы, способные отверждаться в неблагоприятных погодных условиях, например, в дождь, под водой. Они нужны для ремонта металлических, деревянных и пластмассовых изделий в полевых условиях или находящихся в плавании судов. Для этого выпускаются специальные эпоксидные клеи холодного отверждения. Применение этих клеев для ремонта конструкций корпусов судов, настилов палуб, надстроек и систем трубопроводов позволяет получить экономический эффект около 160 тыс. рублей в год. Одним из крупнотоннажных потребителей клеев является строительство. Разнообразные клеевые композиции используют для создания клееных конструкций из дерева, металла, пластмасс, что позволяет ускорить процесс строительства. В настоящее время построено около сотни мостов через реки, элементы конструкций которых склеены с помощью синтетических клеев.

Таким образом, преимущества склеивания очевидны и основные из них приведены ниже.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

4. Недостатки склеивания

Однако, синтетические клеи имеют недостатки, которые влияют на оценку надежности клееных изделий и конструкций и не позволяют применять их для многих конструкций.

Так, соединения на синтетических клеях обладают низкой прочностью при неравномерном отрывающем усилии, что ограничивает применение их в силовых узлах.

Технология склеивания требует большой точности в выполнении операций, поэтому необходим поэтапный или пооперационный контроль качества исходных материалов, параметров режима и т. п. Проверка готовых изделий не всегда позволяет выявить дефекты склеивания. Кроме того, в большинстве случаев качество готовых изделий часто нельзя проверить без их разрушения. Поэтому практическая оценка каждого нового вида клея обычно производится при помощи контрольных (ускоренных) испытаний, включающих жесткий режим термовлажной обработки образцов (выдерживание в холодной или горячей воде, замораживание, кипячение, высушивание), а затем сопоставление результатов испытаний с аналогичными данными ранее апробированных клеев, характеристики долговечности которых известны.

Для получения удовлетворительной прочности многие конструкционные клеи необходимо отверждать горячим способом, что не всегда возможно, например, при крупных габаритах конструкций.

Существенным недостатком синтетических клеев, и особенно мастик, является склонность их к старению, которое тем интенсивнее, чем более высокая температура действует на клеевое соединение. Некоторые клеи и мастики токсичны.

Из-за этого применение таких эффективных клеев, как, например, полиуретановые, ограничено. Многие клеи хрупки при низких температурах или имеют ограниченную теплостойкость.

Недостатки склеивания:

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

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

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

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

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

6. Трудность демонтажа соединения при необходимости полной разборки или ремонта конструкции.

7. Тенденция к ползучести под постоянной нагрузкой, характерная для термопластичных клеев; низкая прочность при отслаивании, присущая многим термореактивным клеям; часто неизвестная величина долговечности клеевых соединений в условиях воздействия жестких эксплуатационных факторов.

8. Некоторые конструкции более экономично изготавливать, используя другие методы сборки, особенно в тех случаях, когда для этих целей имеется необходимое оборудование [5].

5. Общие требования к клеям

В зависимости от вида склеиваемых материалов и условий эксплуатации к клеям предъявляются различные требования, но некоторые требования общие для всех клеев.

Ко всем клеевым соединениям предъявляются требования равнопрочности (равенства прочности клеевой прослойки и склеиваемых материалов), монолитности (соединенные клеем элементы должны быть единым монолитным элементом), долговечности и надежности. Долговечность и надежность клеевого соединения зависят от устойчивости адгезионных связей, вида клея и его качества, качества обработки склеиваемых поверхностей, технологии склеивания, условий эксплуатации.

Клеевой шов должен обеспечивать прочность соединения, не уступающую прочности соединяемых материалов на скалывание.

В зависимости от условий эксплуатации к клеям могут предъявляться требования водостойкости (сохранения прочности при воздействии влаги), теплостойкости (сохранения прочности при воздействии повышенных температур) и биостойкости (стойкости против гниения).

6. Классификация клеев

Клеи классифицируют по следующим основным признакам: по клеевой основе, по термическим свойствам основы, по консистенции, по назначению и т.д. [6]. Полная классификация клеев приведена на рис. 3.

По природе клеевой основы клеи разделяются на органические и неорганические. Первые в свою очередь могут быть природные: животного или растительного происхождения. Исходными материалами для клеев животного происхождения являются: ткани, кости, кровь и молоко животных. Из указанного сырья получают клеи глютиновые, казеиновые, альбуминовые. Сырьем для клеев растительного происхождения являются: белок семян бобовых растений, крахмал, природные смолы, каучук, декстрин. синтетические, полученные химическими методами – поликонденсацией, полимеризацией или реакциями в цепях полимеров.

Если основа клеев неорганическая, например цемент, гипс, растворимое стекло, то такие клеи называются неорганическими. Смешанные клеи получают при одновременном использовании органических и неорганических связующих. Например, клей, содержащий мочевиноформальдегидный олигомер и растворимое стекло, является смешанным.

Синтетические клеи – клеи, полученные химическими методами: поликонденсацией, полимеризацией или реакциями в цепях полимеров. Для изготовления клеев на основе синтетических полимеров используются синтетические каучуки и смолы.

Рис. 3. Классификация клеев

По термическим свойствам основы клеи подразделяются на термореактивные и термопластичные.

Термореактивные клеи – клеи на основе немодифицированных и модифицированных фенол-формальдегидных, полиэфирных, эпоксидных смол и т.д. Общим для этой группы является то, что отверждение клея происходит за счет процессов поликонденсации и полимеризации. Оно может сопровождаться усадкой и повышением хрупкости смолы. Во избежание этого в клеи на основе термореактивных смол вводят наполнители.

Термореактивные клеи могут быть однокомпонентными. Они образуют клеевой шов при отверждении под действием повышенных температур. Двух– или много компонентные термореактивные клеи отверждаются под действием катализатора или отвердителя при нормальной или повышенной температуре.

Как известно, термореактивные смолы в результате химических реакций отверждаются, превращаются в трехмерные сшитые твердые вещества. При нагревании они не плавятся, в растворителях не растворяются, а при перегревании разлагаются. К таким смолам относятся эпоксидные, полиэфирные, фенолоформальдегидные, мочевиноформаль-дегидные, полиуретановые, кремнийорганические и др. Они обладают невысокой молекулярной массой (200-6000), и поэтому их называют олигомерами.

Повышения эластичности термореактивных смол достигают совмещением их с термопластами или эластомерами, а теплостойкости – введением минеральных наполнителей. Отверждение может происходить без нагрева и с нагревом. В последнем случае клеевые соединения приобретают большую прочность и теплостойкость.

Клеи на основе термореактивных смол применяют для соединения деталей, работающих в нагруженных конструкциях из металла и неметаллических материалов.

К группе термопластичных клеев относятся композиции на основе полиэтилена, поливинилхлорида, полистирола, полиамидов, полиметилметакрилата и др. Эти клеи обладают хорошей эластичностью,но невысокими прочностными показателями и низкой теплостойкостью, что ограничивает область их применения. Обычно клеи на основе термополастов применяют для склеивания ненагруженных деталей из неметаллических материалов.

Термопластичные клеи могут быть в виде раствора. Они образуют клеевую пленку вследствие выделения из раствора воды или растворителей. Тормопластичные клеи в виде дисперсий становятся твердыми вследствие всасывания воды в подложку. К термопластичным относят также клеи-расплавы, которые склеивают после охлаждения склеиваемых друг с другом деталей до температуры ниже температуры размягчения клея.

Клеи на основе термопластичных полимеров, как правило, имеют большую молекулярную массу (выше 10000), при нагревании размягчаются, становятся вязкотекучими, а при охлаждении переходят в твердое состояние практически без изменения первоначальных свойств.

По условиям склеивания клеи делят на контактные (склеивание идет без давления) и липкие (склеивание происходит под давлением мгновенно).

Контактными клеями являются, как правило, все клеи, содержащие легколетучие растворители. В качестве растворителей обычно используются наименее токсичные легколетучие вещества: легкие углеводороды, циклогексан, метилэтилкетон, ацетон, ксилол, эфиры, хлорированные углеводороды. После нанесения клея на одну или обе поверхности и непродолжительного подсушивания происходит склеивание.

По характеру склеивания клеи и клеевые соединения делятся на обратимые и необратимые по отношению клеевого шва к нагреванию, воздействию воды или органических растворителей.

Некоторые из необратимых синтетических клеев не требуют для отверждения обязательного нагрева, а потому их подразделяют на клеи холодного (от 0 до 25 °C), умеренного (от 25 до 100 °C) и горячего (от 100 до 250 °C) отверждения. При этом в каждую группу могут попасть как термореактивные, так и клеи на основе термопластичных полимеров и эластомеров.

Полезной с практической точки зрения является классификация клеящих материалов по водостойкости клеевого соединения на высоководоупорные (клеевой шов выдерживает кипячение в воде), водоупорные (клеевой шов выдерживает пребывание в воде комнатной температуры) и неводоупорные (клеевой шов разрушается под воздействием воды). К высоководоупорным и водоупорным относятся почти все синтетические клеи, к ограниченно водоупорным – казеиновые клеи, а совершенно неводостойким – глютиновые клеи.

По консистенции клеящие материалы подразделяют на твердые (в виде плиток, чешуек, порошков, пленок и т.д.), растворные, дисперсионные, капсулированные и расплавы.

Растворные клеи представляют собой раствор какого-либо полимера в воде (водорастворимые) или органическом растворителе. Растворные клеи на воде имеют основу животного (костный клей), искусственного (метиловый, КМЦ-клей), синтетического (поливиниловый спирт, меламиноальдегидный клей) или неорганического (силикатный клей) происхождения. Такие клеи наиболее экологичны. Клеи на органическом растворителе имеют основу синтетической природы (раствор синтетического каучука в цианакрилате). Время их схватывания на порядок меньше, чем водорастворимых клеев, но испарение растворителя ухудшает их экологические свойства.

Дисперсионные (ПВА) клеи представляют собой дисперсию полимера в воде, в которую для усиления прочности склеивания могут добавляться водорастворимые полимеры с высокой адгезией – поливиниловый спирт, производные целлюлозы. Вода позволяет с успехом использовать такие клеи для склеивания пористых гигроскопичных поверхностей. К их недостаткам можно отнести длительное время схватывания и низкую микробиологическую стойкость клеевого шва (можно повысить введением фунгицидов).

Капсулированные клеи находятся в капсулах, чтобы предотвратить их преждевременное отверждение.

Расплавы – это термопластичные клеи, которые становятся текучими при повышенной температуре и остаются твердыми при комнатной. Термоплавкие клеи представляют собой твердые гранулы полимеров обычно в виде шариков или карандашей. Полимерным карандашом заряжается специальное приспособление – термопистолет, который подключается к электросети. Расплавленный полимер наносится на приклеиваемую поверхность точечным методом. Если клей изготовлен в виде шариков, то их помещают между склеиваемыми поверхностями, и одна из них нагревается до расплавления шариков.

Растворные и дисперсионные клеи могут быть густыми, средними, жидкими. Густые клеи выпускаются в тубах и имеют более длительное время высыхания. Средние клеи выпускаются во флаконах, снабженных аппликатором – кисточкой, закрепленной в пробке. Жидкие клеи выпускаются в полимерных флаконах с аппликатором – тонкой стальной иглой.

По степени готовности клеи бывают однокомпонентными и многокомпонентными. В первом случае они производятся на предприятиях и поступают в продажу в готовом виде. Многокомпонентные клеи (например, эпоксидный) готовят на месте потребления из составных частей.

По назначению бытовые клеи подразделяются на хозяйственные, специальные, канцелярские и универсальные (полууниверсальные).

На практике используются классификации по области применения клеев (например, обувные, мебельные, строительные, этикеточные), по специфическим признакам (например, по типам нагрузки, испытываемой клеевыми соединениями при эксплуатации).

6.1 Клеи животного происхождения

К клеям животного происхождения относятся коллагеновые (глютиновые) клеи, казеиновые и альбуминовые.

Коллагеновые (глютиновые) клеи в зависимости от сырья бывают мездровыми, костными и рыбьими.

Мездровый клей вырабатывается из мездры (подкожного слоя шкур животных), а также обрезков сырых шкур и обрезков кожевенного производства. Сырье обрабатывается в известковом молоке, а затем раствором соляной или серной кислоты. Для получения из мездры высококачественного клея ее варят при температуре 80–90 °C.

Сухой мездровый клей вырабатывается в виде плиток, дробленым и в чешуйках. Цвет клея от светло-желтого до темнокоричневого. В тонких слоях плитки клея должны просвечивать. По качеству клей выпускается пяти сортов: экстра, высший, 1-й, 2-й и 3й.

Клей приготавливается так же, как и костный. Раствор горячего клея не должен иметь гнилостного запаха.

Клеящая способность клеев: экстра – 100 кг/см², высшего – 100 кг/см², первого – 100 кг/см², второго – 75 кг/см² и третьего – 60 кг/ см².

Костный клей вырабатывают из очищенных и обезжиренных костей животных, рогов, копыт и отходов производства костных изделий. Их очищают, дробят, обезжиривают, обрабатывают слабым раствором сернистой кислоты для удаления минеральных солей и затем варят в специальных аппаратах, в которых кости подвергаются многократному воздействию пара и воды. В результате такой обработки, имеющийся в костях коллаген переходит в глютин, который является клеящим веществом.

Костный клей выпускают в виде сухих плиток от темно– желтого и до темно–коричневого цвета, и влажность – 17 %. Также выпускается твердый дробленый клей.

Чтобы из сухого клея приготовить жидкий, плитки разбивают на куски, дробят и замачивают на 24 часа в холодной воде, затем варят на водяной бане в течение 40–50 минут, последние 10 минут поддерживают температуру 60 °C. В процессе варки клей непрерывно перемешивают. В сваренный клей вводят антисептик, предварительно растворенный в воде, например пентахлорфенолонатрия или другие, в количестве от 0,5 до 1 % к весу сухого клея. Клей хранят при температуре +5–6° не более 7 дней.

Костный и мездровый клеи называются глютиноваыми, они в воде сильно набухают и из твердого состояния переходят в мягкую липкую студнеобразную массу.

Рыбий клей. К коллагеновым клеям относится также рыбий. Сырьем для его производства служат плавательные пузыри осетровых пород; более низкие сорта клея делают из голов, чешуи, костей рыб.

Плавательный пузырь почти целиком состоит из чистого коллагена.

Для получения рыбьего клея плавательный пузырь выдерживается в течение нескольких часов в 15-16 – процентном растворе соли, затем отмачивается в чистой воде и подсушивается на воздухе. Затем с пузыря сдирают наружную оболочку, а внутреннюю используют для клея, ее окончательно высушивают и прессуют пластины.

Чтобы приготовить жидкий клей для работы, пластинки клея замачивают целиком на 24 часа в холодной воде. Набухший клей размягчают и разминают, затем варят на водяной бане, как костный и мездровый, процеживают через марлю или сито и вводят антисептик. Рыбий клей применяется как для приготовления эмульсионного грунта, так и при реставрации картин. Для приготовления эмульсионного грунта берется 12–15 – процентный раствор клея.

При реставрационных работах, например для укрепления хрупкой, отслаивающейся от холста живописи, применяют 5–6 – процентный раствор рыбьего клея. В приготовляемый клей в качестве пластификатора вводят мед в соотношении 1: 2,5, т.е. на 1 м. ч. сухого клея берется 2,5 м. ч. меда.