ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Влияние на прочностьклеевых соединений свойств соединяемых материалов из "Соединения деталей из полимерных материалов " До этого МакБэйном в 1926 г. была предложена гипотеза, рассматривающая процесс образования клеевого соединения как затекание клея в поры, трещины и неровности поверхности склеиваемых материалов и последующее его затвердевание, в результате чего происходит механическое заклинивание клеевого слоя в полостях соединяемого материала. Эта так называемая механическая теория основывалась на анализе результатов опытов по склеиванию древесины, бумаги, тканей, гипса и других пористых материалов, а также на факте, что прочность клеевого соединения в случае соединения непористых материалов, например, металлов, после создания шероховатой поверхности увеличивается. [c.448] Несмотря на то что механическое зацепление в некоторых случаях безусловно играет заметную роль, только им нельзя объяснить все случаи образования прочного клеевого соединения, так как хорошо склеиваются и совершенно гладкие поверхности, не имеющие пор и трещин. Эта теория не объясняет, почему клей затекает в поры и клеевой слой удерживается там, а не извлекается при нагружении, что должно было бы происходить, даже если поры расширяются в направлении от поверхности вглубь соединяемого материала. [c.448] Видя слабости позиций механической теории, исследователи выдвинули гипотезу о специфическом взаимодействии клеевого слоя и склеиваемого материала, охватывающем физические, термодинамические и химические процессы. Это взаимодействие объясняли с помощью различных теорий адгезии. В литературе [5, S. 21 14, с. 14 44 45 46, с. 7 47 48] описаны следующие из них адсорбционная (молекулярная), электрическая (электронная, электростатическая), химическая, диффузионная, термодинамическая, микрореологическая, электрорелаксационная, электромагнитная. Многочисленность, на первый взгляд, теорий связана с двойственностью понимания адгезии и в некоторых случаях с субъективными факторами (например, с нежеланием вовремя признать абсурдность взглядов). Указанная двойственность обусловлена тем, что, с одной стороны, адгезию рассматривают как процесс формирования соединения двух поверхностей, который, конечно же, может иметь свой механизм, с другой — ее представляют как итог этого процесса — связь поверхностей, которая также может характеризоваться своим механизмом. Сложность изучения адгезии состоит в том, что на практике не происходит так называемого адгезионного разрушения — разрушения по первоначальной границе контакта партнеров. Объем взаимодействующих фаз на много больше, чем объем границы контакта, а следовательно, и их дефектность превышает дефектность в зоне соприкасающихся поверхностей. Разрушение клеевых соединений происходит по одному из слабых слоев, преимущественно пограничных [60], а потому нельзя точно сопоставить результаты испытания на прочность адгезионного соединения и данные расчетов, которые вытекают из той или иной гипотезы о причине связи поверхностей. [c.448] Адсорбционная теория адгезии явилась одной из первых попыток объяснить механизм сцепления. Именно эту теорию взяли на вооружение первые исследователи в технологии клеевых соединений, и положения этой теории в дальнейшем были подвергнуты развитию. На ее базе происходило развитие последующих теорий. Основные положения теории разработаны ДеБрейне, хотя близкую к его взглядам точку зрения высказывали и другие исследователи. [c.449] Для практики из адсорбционной теории вытекает, что для обеспечения высокой адгезионной прочности необходимо присутствие в клее и на склеиваемых поверхностях химически активных, полярных или способных поляризоваться групп. В этом случае между соединяемыми поверхностями возникают соответственно химические, ориентационные или индукционные связи. Однако необходимо учитывать, что природа атомных групп в полимерной основе клея влияет не только на его адгезионное взаимодействие со склеиваемой поверхностью, но и на когезионную прочность клеевой прослойки. [c.449] Повышение полярности клея приводит к росту его адгезии к полярной подложке, но повышение полярности клея при неполярном или слабополярном склеиваемом материале приводит к снижению прочности соединения [45, с. 248]. Основной путь повышения адгезии к таким неполярным полимерам, как ПЭ, ПИБ, ПТФЭ, — применение клеев менее полярных, чем склеиваемые материалы. [c.450] Высокую прочность сцепления клеевого слоя и субстрата, различающихся полярностью, достигают, если поверхностная энергия первого равна или меньше поверхностной энергии второго. При соединении материалов различной полярности высокой прочности добиваются при использовании клея на основе полимера, макромолекулы которого содержат различные по полярности и реакционной способности группы [5,5.374 5, с. 365]. Например, как дифильный адгезив можно рассматривать ориентированный монослой стеариновой кислоты, повышающий прочность сцепления ПЭ с металлом. [c.450] Зависимость прочности клеевых соединений от содержания полярных групп в полимере клея имеет экстремальный характер [5, 5.32 14, с. 31 45, с. 40]. При изменении содержания полярных групп в полимере одновременно с прочностью сцепления изменяются (в результате роста жесткости макромолекул снижается вероятность контакта функциональных групп клея и склеиваемого материала) механические свойства клеевой прослойки. Одной из причин снижения прочности после достижения максимального значения можно считать повышение хрупкости клеевой прослойки. Таким образом, усиление внутри- и межмолекулярного взаимодействия в пределах одной фазы препятствует взаимодействию на границе раздела фаз. Следовательно, применение клея, в состав которого входят соединения с оптимальным содержанием активных групп, — один из эффективных способов регулирования прочности клеевых соединений. [c.450] Клеевые соединения во многих случаях эксплуатируются в условиях действия высоких температур, агрессивных сред, атмосферных факторов, а межмолекулярные связи в этих условиях оказываются недостаточно устойчивыми. Наиболее высокую прочность соединения достигают с помощью такого клея, который обеспечивает образование межатомных связей между ним и склеиваемым материалом [5, S. 43]. [c.450] Предпосылкой для полного использования в процессе склеивания межатомных и межмолекулярных сил служит сближение атомных групп и молекул клея и подложки на расстояния 0,1-05 нм, которое обнаруживается по наличию смачивания клеем склеиваемой поверхности. Полнота смачивания клеем зависит (в соответствии с уравнением Юнга) от соотношений поверхностных энергий на трех межфазных границах клей-воздух (У ), подложка-воздух (у ) и клей-подложка (у ,,) начальной вязкости клея состояния поверхности прилагаемого давления и продолжительности смачивания клеем поверхности. Мерой смачиваемости поверхности клеем служит краевой угол 0 смачивания (рис. 7.4), который уменьшается с увеличением у и уменьшением у . Сравнивая 0 или поверхностное натяжение (табл. 7.2), можно оценить клеящую способность одного полимера по отношению к другому [52, 53] и объяснить зависимость прочности соединения различных пар полимеров (табл. 7.3). [c.450] Однако иногда этого бывает недостаточно, чтобы судить о возможной прочности соединения [54]. Истинная смачиваемость поверхности ПМ клеем может быть искажена наличием на ней различных загрязнений низкомолекулярных соединений, выполняющих функцию вспомогательных веществ при обработке или мигрирующих из объема на поверхность продуктов химического взаимодействия полимера с окружающей средой, которые имеют более низкую или, наоборот, более высокую поверхностную энергию, чем чистый ПМ. Полное смачивание соответствует условию (Уп — Укп) котором 0 = 0°. [c.451] При полном смачивании значительные различия между и нежелательны, так как клеевая прослойка на основе полимера с низкой поверхностной энергией имеет низкую когезионную прочность [52]. Именно этим можно объяснить снижение прочности клеевого соединения после достижения максимума по мере уменьшения поверхностного натяжения клея (табл. 7.3). [c.452] Склеиваемая поверхность может быть частично или полностью покрыта пленкой другого материала, которая хорошо смачивается клеем, но сама имеет слабую адгезию к поверхности. В этом случае хорошая смачиваемость не обеспечит надежного клеевого соединения. [c.452] Поверхностное натяжение клея можно изменить химической модификацией. Так, фторирование эпоксидной смолы и полидиметилсилоксана снижает поверхностное натяжение соответственно с 44 до 20 мН/м и с 24 до 10 мН/м [5, S. 45]. Такими клеями могут быть склеены практически любые ПМ. Смачиваемость можно регулировать также, добавляя в клей поверхностно-активные вещества, разбавители, пластификаторы, наполнители и др. Чтобы обеспечить хорошее смачивание и адгезионное взаимодействие поверхности с клеем, последний применяют в виде подвижных жидкостей или вязко-текучих композиций. [c.454] Для обеспечения полного смачивания необходимо, чтобы исходная низкая вязкость клея сохранялась в течение длительного времени. В термодинамически совместимых системах при достаточно большом периоде индукции полимеризации основы клея последний успевает не только смочить поверхность, но и диффундирует внутрь, что обеспечивает большую прочность и долговечность клеевого соединения. [c.455] Невозможностью заполнения клеем неровностей поверхности в случае его скоростного (например, высокочастотного) отверждения можно объяснить факт снижения прочности соединения по зашкуренным поверхностям, обнаруженный в работе [59]. [c.455] Адгезия, которая была достигнута на стадии формирования клеевого слоя, может измениться в процессе его отверждения и/или затвердевания. Усадка полимера в этом случае может привести к увеличению расстояния между взаимодействующими молекулами или атомными группами и снижению в результате этого силы адгезии или к возникновению остаточных напряжений. [c.455] В процессе эксплуатации соединения адгезионная прочность может изменяться под влиянием факторов окружающей среды (химически активные вещества, температура, облучение и др.), действующих нагрузок, а также в результате различия деформационных, теплофизических и других характеристик клеевой прослойки и соединяемых материалов или химических и физических, процессов, протекающих внутри клеевого сля и на поверхности его контакта с соединяемыми материалами. [c.455] Вернуться к основной статье