 |
Основы теории склеивания материалов
|
|
|
|
Клеевые материалы
Клеевыематериалы (адгезивы) – это композиции на основе полимеров или олигомеров, которые способны соединять, склеивать различные материалы благодаря образованию прочного сцепления, иначе адгезионной связи, между поверхностями материала и клеевым слоем.
Под понятием «адгезия» (в переводе с латинского - прилипание) подразумевается сцепление поверхностей разнородных тел, приведенных в контакт. Материал, на который наносится клеевой слой, называется «подложка» или «субстрат». Клеевой состав, наносимый на подложку, называют «адгезив».
Отрасль упаковки потребляет около 40% всех адгезивов, выпускаемых промышленностью.
Основы теории склеивания материалов
Прочность склеивания материалов определяется тремя основными факторами: адгезией, когезией и аутогезией.
Адгезия – прилипание, сцепление адгезива с субстратом на поверхности их соприкосновения.
Когезия -взаимное сцепление между молекулами (частицами) в слое адгезива (клея).
Аутогезия — явление самослипания однородных материалов, приведенных в контакт.
Известно несколько теорий, объясняющих процесс склеивания материалов: механическая, адсорбционная (молекулярная), диффузионная, электрическая, химическая, деформационная и др..
Согласно механической теории адгезии при склеивании клей затекает в поры субстрата (подложки), отверждается или просто затвердевает и прочно удерживается в них. Образовавшиеся при этом «заклепки» или «шипы» обеспечивают прочное соединение пленки клея со склеиваемым материалом. Согласно этой теории прочность склеивания зависит от двух основных факторов: степени шероховатости материала, площади поверхности контакта и когезионных свойств клея. Сила (c), необходимая для разрушения соединения, Н, равна:
|
|
|
где – a – постоянный коэффициент; M – компонент механического взаимодействия (пора, трещина); S – площадь взаимодействия поверхностей компонентов соединения, м 2.
Практика подтверждает, что материалы, имеющие шероховатую поверхность и пористую структуру, склеиваются лучше.
Однако с позиции механической теории адгезии нельзя объяснить склеивание гладких поверхностей. Кроме того, эта теория не раскрывает физико-химической сущности процесса склеивания.
Адсорбционная (молекулярная) теория склеивания основывается на том, что между веществом клея и склеиваемой поверхностью возникают такие же межмолекулярные силы сцепления, как и внутри слоя самого клея (силы Ван дер Ваальса, водородные связи, p-взаимодействие). На первой стадии адгезии полимеров происходит миграция больших молекул адгезива к поверхности субстрата, при этом полярные группы и группы, способные образовывать водородные связи и др. виды связей с энергией f, приближаются к соответствующим группам субстрата. На второй стадии, когда сближение достигнет величины 0,4-0,5нм, устанавливается адсорбционное равновесие.
Интенсивность сцепления на поверхности контакта можно теоретически оценить по работе адгезии Wа. Wа – работа, необходимая для разделения двух конденсированных фаз, приведенных в контакт, по площади единичного сечения. Ее можно представить в следующем виде:
Wа = f× N,
где f – средняя энергия единицы связи, обеспечивающей адгезию, N – число связей, приходящихся на единицу площади контакта адгезива и субстрата. Число физических связей N зависит от площади фактического контакта между адгезивом и субстратом. Интенсивность сцепления повышается, если возрастает полярность и количество взаимодействующих групп.
Таким образом, согласно этой теории для улучшения склеивания необходимо увеличивать поверхность контакта и полярность клея и склеиваемого материала.
|
|
|
Поверхность контакта адгезива и субстрата зависит от вязкости клея и смачиваемости поверхности субстрата клеем. Смачиваемость, как известно, зависит от соотношения величин поверхностного натяжения контактирующих веществ и связанного с этим краевого угла смачивания (рис. 54).
Рис. 54. Зависимость поверхностного натяжения от угла смачивания
Самопроизвольное растекание жидкости на твердой поверхности возможно при условии, когда поверхностное натяжение жидкости (клея) и натяжение на границе жидкость(клей)/твердое тело(подложка) будут меньше поверхностного натяжения самой подложки (твердого тела): sж + sт-ж £ sт
где sт - равновесное поверхностное натяжение твердого тела;
sж - - равновесное поверхностное натяжение жидкости;
sт-ж - равновесное межфазное поверхностное натяжение на границе твердое тело - жидкость.
Другими словами, растекание жидкости на твердой поверхности будет лучше, если краевой угол смачивания J меньше 90градусов.
В упрощенном варианте для растекания и смачивания подложки клеем нужно, чтобы величина поверхностного натяжения клея s должна быть меньше или равна поверхностному натяжению подложки G: s £ G.
 |
Рисунок 55. Условия смачивания твердого тела жидкостью
Следовательно, для повышения прочности склеивания необходим подбор клея, растворителя для клея, удовлетворяющих данному условию s £ G..
Кроме этого для увеличения поверхности контакта применяют механические методы:
· воздействие абразивом на поверхность,
· вакуумирование для удаления воздуха из пор,
· обработка растворителями.
Для повышения полярности поверхности субстрата на практике применяют разнообразные способы активации:
· окисление,
· адсорбция активного субстрата на поверхности,
· обработка коронным разрядом и другими видами излучений и т.д.
Адсорбционная теория является более полной, чем механическая, и раскрывает физико-химическую сущность процесса склеивания.
Диффузионная теория адгезии основывается на том, что при склеивании происходит взаимная диффузия молекул клея (адгезива) и склеиваемого материала (субстрата). Согласно этой теории на границе клей — склеиваемый материал образуется «спайка» — слой, в который входят молекулы клея и склеиваемого материала.
|
|
|
Авторы диффузионной теории считают, что для получения прочного соединения при склеивании необходимо, чтобы как клей, так и склеиваемый материал были либо полярные, либо неполярные. Однако наблюдаемая в отдельных случаях высокая адгезия между неполярным клеем и полярным материалом не согласуется с основным положением диффузионной теории и требует других объяснений.
Электрическая теория адгезии основывается на следующих двух положениях: адгезия твердых пленок обусловливается электрическим притяжением зарядов двойного электрического слоя (микроконденсатора), образованного на поверхности системы пленка клея —подкладка (1 ). Отрыв пленки клея от подкладки в области больших скоростей представляет собой процесс разведения обкладок микроконденсатора, сопровождающийся наступлением газового разряда.
Опытным путем было доказано, что, во-первых, при расслаивании системы пленка — подкладка появляется электрический разряд; во-вторых, фактическая работа отрыва пленки от подкладки превышает энергию ван-дер-ваальсовых сил, водородных и химических связей. При этом сторонники электрической теории адгезии не отрицают существования адсорбционных явлений при склеивании (2), но считают, что они имеют второстепенное значение.
Теория химического взаимодействия предполагает, что помимо физического сцепления
· могут возникать химические связи между молекуламиклея и подложки, так какпочти все они- полимеры, содержащие активные функциональные группы,
· между молекулами клея и молекулами поверхности металлов, стекла и др., в особенности, если последние покрыты окисной пленкой или слоем продуктов эрозии.
Надо также учитывать, что в молекулах каучуков имеются двойные связи, обусловливающие в определенных условиях их химическую активность.
Таким образом, ни одна из рассмотренных выше теорий адгезии не дает всестороннего объяснения сущности процессов склеивания разнообразных материалов различными клеями. Многие исследователи считают, что в большинстве случаев склеивания наблюдается суммарный эффект от проявления механической, адсорбционной, диффузионной, электрической адгезии и др. с возможным преимущественным проявлением одной из них.
|
|
|
7.2. Классификация клеев и требования к ним
Клеи бывают однокомпонентными, поставляемыми в готовом виде, и многокомпонентными, которые приготавливаются в основном на месте потребления (в частности, эпоксидный клей). Многокомпонентные имеют следующий с остав: основа (клеящее вещество - полимер или олигомер) + растворитель (или разбавитель) + добавки (отвердители, катализаторы, наполнители, загустители и др.).
По происхождению клеи делят на природные и синтетические.
Природные клеи могут быть животного, растительного и минерального происхождения. Исходным сырьем для клеев животного происхождения служат: 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. Клеи минерального происхождения- это силикатные, асфальтовые, битумные.
Синтетические клеи представляют собой растворы синтетических или искусственных полимеров или олигомеров в органических растворителях или в воде.
В качестве основы синтетических клеев применяют: карбамидоформальдегидные смолы (КФС), фенолоформальдегидные смолы (ФФС), поливинилацетат ПВА, полиуретаны ПУ, полиамиды ПА, эпоксидные смолы ЭС, полиакрилаты и др.
По реакционной способности и поведению при нагревании клеи подразделяются на термореактивные, термопластичные и дисперсионные.
Термореактивные клеи под действием тепла, катализаторов или при их одновременном воздействии переходят необратимо в неплавкое и нерастворимое состояние. Это происходит за счет протекания химических реакций сшивания (отверждения) по механизму поликонденсации или полимеризации. Образующиеся клеевые соединения отличаются высокой прочностью, твердостью, химстойкостью, низкой ползучестью.
К термореактивным клеям относятся карбамидоформальдегидные, меламиновые, эпоксидные, резольные феноло-формальдегидные, полиуретановые, полиэфирные и др.
Термопластичные клеи способны неоднократно размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении. Химические реакции при этом не протекают и структура основного клеящего вещества (олигомера или полимера) - не меняется. Клеевые соединения, формируемые термопластичными клеями, менее прочные и твердые, чем термореактивными клеями, и при больших нагрузках они склонны к ползучести.
|
|
|
К термопластичным клеям относятся: мездровый, костный, клеи-расплавы на основе полиамидов, нитроцеллюлозные, поливинилацетатные, поливинилхлоридные и др.
Каучуковые клеи являются разновидностью природных, но их частовыделяют в самостоятельный класс клеящих материалов. К ним относятся латексные и резиновые клеи.
Клеящие материалы подразделяются в зависимости от склеиваемых материалов:
· обувные — для склеивания кожи, резины, кожзаменителей;
· для склеивания металлов и неметаллов;
· тканей теплоизоляции и приклеивания их к другим материалам;
· для полимеров;
· для склеивания древесины, при изготовлении фанеры и т. д.
В зависимости от состава и агрегатного состояния клеевые материалы делят на (смотри схему):
.
В качестве растворителей клеев используют:спирты, ацетон, толуол, бутилацетат, уайт-спирит, этилацетат, скипидар, бензин-калоша и др. (смотри табл. 52)
Таблица 52. - Растворители и разбавители, используемые
для приготовления клеевых материалов
| Растворитель | Формула молекулы растворителя | Температура кипения растворителя, 0С |
| Ацетон | 
| |
| Этилацетат | 
| 70-80 |
| Бутилацетат | 
| 112-135 |
| Амилацетат | 
| 115-150 |
| Этанол | 
| |
| Бутанол | 
| 114-118 |
| Бензин ”калоша” | 
| 80-120 |
| Бензин лаковый (уайт-спирит) | Смесь углеводородов | 165-200 |
| Ксилол | 
| 136-143 |
| Толуол | 
| 109-111 |
| Скипидар | Смесь терпенов, получаемых при отгонке живицы. | 150-170 |
Ко всем клеям предъявляются следующие требования: обеспечение высокой прочности клеевых соединений; высокая стабильность и жизнеспособность при хранении; высокая влаго-, водостойкость; нетоксичность; сохранение механической прочности во времени.
Водостойкость клеев — самое главное требование, предъявляемое практически ко всем клеям. По этому показателю клеи делятся на водостойкие, повышенной водостойкости, ограниченно водостойкие и неводостойкие. Водостойкие клеи в основном синтетические, ограниченно водостойкие — казеиновые, неводостойкие — глютиновые.
|
|
|
