Клеевые материалы, их виды и эксплуатационные свойства

  1. Клеящие материалы        

    Клеи — это коллоидные растворы пленкообра­зующих полимеров, способные при затвердевании образовывать прочные пленки, хорошо прилипаю­щие к различным материалам.

Клеевые соединения по сравнению с другими ви­дами неразъемных соединений (заклепочными, сварными и др.) имеют ряд преимуществ: возмож­ность соединения различных материалов как меж­ду собой, так и в различных сочетаниях; атмосферостойкость и стойкость к коррозии клеевого шва; герметичность соединения; возможность соедине­ния тонких материалов; снижение стоимости про­изводства; экономия массы и значительное упрощение технологии изготовления изделий. Недостатки — относительно низкая длительная теп­лостойкость (до 350°С), обусловленная органиче­ской природой пленкообразующего вещества; невы­сокая прочность склейки при неравномерном, отрыве; часто необходимость проведения склейки с подогревом; склонность к старению. Но имеется ряд примеров длительной эксплуатационной стой­кости клеевых соединений. Клеи на основе кремнийорганических и неорганических полимеров обеспечивают работу до 1000°С и выше, однако большинство из них не обладают достаточной эла­стичностью пленки. Прочность склеивания зависит от явления адгезии, когезии и механического сцеп­ления пленки с поверхностью склеиваемых мате­риалов.

Адгезией называется способность клее­вой пленки прочно удерживаться на поверхности склеиваемых материалов. Для объяснения физи­ко-химической сущности адгезионных явлений предложены следующие теории: адсорбционная, электрическая и диффузионная. Адсорбционная теория рассматривает адгезию как чисто поверхност­ный процесс, аналогичный адсорбции; пленка удер­живается на поверхности материала в результате действия межмолекулярных сил.

В основе электрической теории (работы Б.В. Дерягина и Н.А. Кротовой) лежат электрические силы. Адгезия — результат действия электроста­тических и ван-дер-ваальсовых сил. Электростати­ческие силы определяются двойным электрическим слоем, возникающим при контакте разнородных тел. Диффузионная теория, развиваемая С.С. Воюцким, при образовании связи между неполярны­ми полимерами электрический механизм адгезии невозможен, и адгезия обусловливается перепле­тением макромолекул поверхностных слоев в ре­зультате их взаимодиффузии.

Когезия — собствен­ная прочность пленки. Работа когезии — работа, затрачиваемая на преодоление сил сцепления меж­ду частицами внутри однородного тел а. На клеящие свойства полимеров оказывают влияние молеку­лярная масса и структура макромолекул. Прочность склейки можно повысить путем механического сцепления пленки клея с шероховатой поверхностью материала; для этого перед склейкой поверхности деталей часто фрезеруют или зачищают наждач­ной бумагой. Полярные материалы требуют приме­нения полярных клеев. Адгезионные свойства ме­таллов различны. По мере убывания этих свойств металлы можно расположить в следующем поряд­ке: сталь, бронза, алюминиевые сплавы, медь, железо, латунь. При склеивании пластиков лучшим клеем является раствор или расплав этого же пла­стика. Если пластики неполярны и не растворяются в растворителях (таких как полиэтилен, фторопласт-4, полипропилен), то характер их поверхности из­меняют механическим или химическим путем. В состав клеящих материалов входят: пленкообра­зующее вещество — основа клея, которое опреде­ляет адгезионные, когезионные свойства клея и основные физико-механические характеристики клеевого соединения; растворители, создающие определенную вязкость клея; пластификаторы для устранения усадочных явлений в пленке и повыше­ния ее эластичности.

  1. Классификация клеев

Клеи классифицируют по ряду признаков. Разли­чают следующие клеи: по пленкообразующему ве­ществу — смоляные и резиновые; по адгезионным свойствам — универсальные, склеивающие различ­ные материалы (например, клеи БФ) и с избиратель­ной адгезией (белковые, резиновые); по отношению к нагреванию — обратимые (термопластичные) и не­обратимые (термостабильные) пленки; по условиям отверждения — холодной склейки и горячей склейки; по внешнему виду — жидкие, пастообразные и пле­ночные; по назначению — конструкционные силовые и не силовые. Чаще используют классификацию по . пленкообразующему веществу. Смоляные клеи мо­гут быть термореактивными и термопластичными.

Термореактивные смолы (фенолоформальдегидные, эпоксидные и др.) дают прочные, теплостой­кие пленки, применяемые для склейки силовых конструкций из металлов и неметаллических мате­риалов.

Клеи на основе термопластичных смол (поливинилацетата, акрилатов и др.) имеют невысокие прочностные характеристики, особенно при нагрева­нии, и применяются для не силовых соединений не­металлических материалов.

Резиновые клеи, в которых основным пленкооб­разующим является каучук, отличаются высокой эла­стичностью и применяются для склеивания резины с резиной или резины с металлами.

В качестве пленкообразующего вещества в основ­ном применяют синтетические смолы, а также каучуки. Наилучшие показатели достигаются при приме­нении в качестве пленкообразующего вещества полярных термореактивных смол (фенолоформальдегидной, эпоксидной и др.). Растворителями служат спирты, ацетон, бензин, а наполнителями — порошки, волокна, ткани. В термостойкие клеи в качестве наполнителей вводят алюминий (порошкообразный), Al2O3 и SiO2.

Металлические порошки повышают теплопровод­ность клеевых соединений, а серебро, медь, никель и графит сообщают пленке токопроводимость.

Конструкционные смоляные и резиновые клеи

В качестве пленкообразующих веществ группы смоляных клеев применяют термореактивные смо­лы, которые подтверждаются в присутствии катализаторов и отвердителей при нормальной или повы­шенной температуре. Клеи холодной склейки, как правило, обладают недостаточной прочностью, особенно при повышенных температурах. При горячей склейке происходит более полное отверждение смо­лы, и клеевое соединение приобретает прочность и теплостойкость. Теплостойкость повышают также введением минеральных наполнителей. Термостой­кие клеи получают на основе ароматических полиме­ров, содержащих гетероциклы (полибензимидазолов, полиимидов), а также на основе карборансодержащих полимеров. Карбораны представляют собой борор­ганические соединения, по свойствам они близки к ароматическим системам. В настоящее время со­зданы карборансодержащие фенольные, эпоксидные, кремнийорганические и другие клеи.

Рассмотрим основные виды клеев. Клеи могут быть получены на основе чистых смол, например резольной, но учитывая, что образующийся при склей­ке резит хрупок, смолу сочетают с каучуком, термо­пластами и др.

Клеи на основе модифицированных фенолоформальдегидных смол — эти клеи применяют преиму­щественно для склеивания металлических силовых элементов, конструкций из стеклопластиков и т.п.

Феноло-каучуковые композиции являются эла­стичными теплостойкими пленками с высокой адге­зией к металлам. К этому виду относятся клеи ВК-32-200, ВК-3, ВК-4, ВК-13 и др. Клеевые соеди­нения теплостойки, хорошо выдерживают цикличе­ские нагрузки, благодаря эластичности пленки обес­печивается прочность соединения при неравномерном отрыве.

  1. Состав и разновидности клеев

Фенолополивинилацеталевые композиции наибо­лее широко используются в клеях БФ. Клеи БФ-2 и БФ-4 представляют собой спиртовые растворы фенолоформальдегидной смолы, совмещенной с поливинилбутиралем (бутваром). Они применяются для склеивания металлов, пластмасс, керамики и других твердых материалов. Теплостойкость клеевых соедине­ний невысокая, водостойкость удовлетворительная.

Более теплостоек клей ВС-10Т, который отличает­ся характеристиками длительной прочности, вынос­ливости и термостабильности при склеивании метал­лов и теплостойких неметаллических материалов.

Фенолокремнийорганические клеи содержат в качестве наполнителей асбест, алюминиевый по­рошок и др. Клеи являются термостойкими, они устойчивы к воде, обладают хорошей вибростойкос­тью и длительной прочностью. Клеи ВК-18 и ВК+18М способны работать при температуре 500-600°С. Клей ВК18М применяют для склеивания инструментов. Он позволяет увеличить стойкость инструмента в 1,5-4 раза.

Клей на основе эпоксидных смол. Отверждение клеев происходит при помощи отвердителей без вы­деления побочных продуктов, что почти не дает уса­дочных явлений в клеевой пленке.

Отверждение смол можно вести как холодным, так и горячим способом. В результате полярности эпок­сидные смолы обладают высокой адгезией ко всем материалам. К клеям холодного отверждения отно­сятся Л-4, ВК-9, КЛН-1, ВК-16, ЭПО. Эпоксидные клеи горячего отверждения ВК-32-ЭМ, К-153, ФЛ-4С, ВК1 и иные являются конструкционными силовыми клея­ми. Их применяют для склеивания металлов, стекло­пластиков, ферритов, керамики. Клеи ВК-1 ИФЛ-4С используют в клеесварных соединениях. Эпоксидно-кремнийорганические клеи ТКМ-75, ТКС75, Т-73 при­меняют для приклеивания режущих частей при изго­товлении инструментов. Для всех эпоксидных клеев атмосферостойкость, устойчивость к топливу и минеральным маслам, высокие диэлектрические свой­ства. Полиуретановые клеи, их композиции могут быть холодного и горячего отверждения. В состав клея входят полиэфиры, полиизоцианаты и наполнитель (цемент). При смешении компонентов происходит химическая реакция, в результате которой клей зат­вердевает. Клеи обладают универсальной адгезией (полярные группы NНСО), хорошей вибростойкостью и прочностью при неравномерном отрыве, стойкос­тью к нефтяным топливам и маслам. Представите­лями полиуретановых клеев являются ПУ-2, ВК-5, БК-11, лейконат. Такие клеи токсичны. Клеи, моди­фицированные карборансодержащими соединения­ми, обладают высокой термостойкостью. Клей ВК-20 длительно выдерживает температуру 350-400'С и кратковременно —- температуру 800°С, имеет вы­сокую длительную прочность.

Клеи на основе кремнийорганических соединений являются теплостойкими. Кремнийорганические полимеры не обладают высокими адгезионными свойствами вследствие блокирования полярной цепи Si — О органическими неполярными радикалами, поэтому часто эти соединения совмещают с други­ми смолами. Многие клеи содержат минеральные наполнители. Клеи ВК-2, ВК-8, ВК-15 и иные отверждаются при высокой температуре. Клеи устойчивы к маслу, бензину, обладают высокими диэлектриче­скими свойствами, не вызывают коррозии металлов и применяются для склейки легированных сталей, ти­тановых сплавов, стекло- и асбопластиков, графита, неорганических материалов. Клеи на основе поликарборансилоксанов обладают стойкостью к термоокислительной деструкции, способны длительно ра­ботать при температуре 600°С, кратковременно — при температуре 1200°С, имеют высокую адгезию к различным материалам.

Клеи на основе гетероциклических полимеров — полибензимидазольные и полиимидные клеи обла­дают прочностью и высокой стойкостью к термиче­ской, термоокислительной и радиационной деструкции.

  1. Резиновые клеи и свойства клеевых соединений

Клеевые соединения могут работать в течение сотен часов при температуре ЗОО'С, а также при крио­генных температурах. Полибензимидазольный клей выпускают под маркой ПБИ-1К, полиимидный — СП-6. Этими клеями можно склеивать коррозионно-стойкие стали, титановые сплавы, стеклопластики и различные композиционные материалы.

Еще более теплостойкие клеи (фосфатные, сили­катные, керамические, металлические) получают на основе неорганических соединений. Некоторые из них могут выдерживать температуру до 3000°С. Однако по прочности они уступают смоляным клеям.

Алюмохромсиликатофосфатные композиции обеспечивают достаточную прочность соединения при температуре 1250-1500°С.

Резиновые клеи. Резиновые клеи предназначе­ны для склеивания резины с резиной и для крепления резины к металлу, стеклу и др. Резиновые клеи пред­ставляют собой растворы каучуков или резиновых смесей в органических растворителях.

В состав клеев горячей вулканизации входит вул­канизующий агент. Склеивание проводят при темпе­ратуре вулканизации 140-150'С. Соединение полу­чается прочным, подчас не уступающим по прочности цельному материалу.

При введении в состав клеевой композиции акти­ваторов и ускорителей получают самовулканизую­щийся клей (процесс вулканизации протекает при нормальной температуре). Для увеличения адгезии вводят синтетические смолы (примером такой ком­позиции является клей 88Н). Соединение получается достаточно прочное. Недостатком клея 88Н являет­ся нестойкость пленки к керосину, бензину и мине­ральным маслам. Клей 88НП образует соединение, стойкое к морской воде. Хорошей склеивающей спо­собностью и стойкостью к действию масел и топлив обладают клеи 9М-35Ф, ФЭН-1 и др.

В случае необходимости склеивания теплостойких резин на основе кремнийорганического каучука и приклеивания их к металлам применяют клеи, со­держащие в своем составе кремнийорганические смолы (клей КТ-15, КТ-30, МАС-1В). Клеевые со­единения могут работать при температурах от -60°С до 200-ЗОСГС.

Клей-герметик «Виксинт» применяется для склеи­вания резин, стекла, полиамидной пленки, стеклян­ных тканей.

Свойства клеевых соединений

Клеевые соединения наиболее эффективно рабо­тают на сдвиг (т = 0,6-3 кгс/мм2). В клеевых соедине­ниях могут происходить равномерный и неравномер­ный отрыв и отдирание (отслаивание) у кромки шва.

В случае неравномерного отрыва прочность со­единения в несколько раз меньше, чем при равно­мерном отрыве. При сжатии прочность клея больше в 10-100 раз, чем при растяжении.

Прочность склейки существенно зависит от темпе­ратуры, причем большое влияние оказывают вид клея и характер напряженного состояния. Коэффициент Пуассона клея м = 0,3; модуль сдвига О = О,38Е; мо­дуль упругости Е = 200-400 кгс/мм2; удлинение отвержденной пленки — около 3,5%.

Теплостойкость клеев различна. Фенолокаучуковые и эпоксидные клеи работают длительно (до 30 000 ч) при температуре 150°С и выше. Полихро­матические и элементоорганические клеи выдержи­вают температуру 200-400'С в течение 2000 ч; карборансодержащие клеи — до 600"С в течение сотен часов. Клеящие материалы со временем стареют. В условиях эксплуатации и при хранении склеенных изделий наступает охрупчивание клея, которое про­текает тем быстрее, чем выше температура. Увеличе­ние жесткости клея вызывает возрастание концент­рации напряжений, вследствие чего прочность падает. Наиболее высокой термостабильностью обладают полиамидные и полибензимидазольные клеи. Некоторые клеи при действии переменных температур теряют 8-20% прочности.

Выносливость — число циклов до разрушения клеевого шва — зависит от вида клея. В среднем при несимметричном цикле нагрузки число циклов нагружения равно 106-107.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Байер В.Е. Материаловедение для архитекторов, реставраторов, дизайнеров / учеб пособие – М.: АСТ; 2009. – 256 с.
  2. Гарифуллин Ф.А., Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов / учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования – М.: Изд-во «Оникс»; 2009. – 624 с.
  3. Рыбьев И.А. Основы строительного материаловедения в лекционном изложении / учебное пособие для вузов – М.: АСТ; 2009. – 608 с.