БУКИНИСТ

Современные синтетические клеи склеивают все материалы— металлы, пластические массы, каучуки, резины, древесину, керамику, графит, а также эти материалы друг с другом. Клеевые соединения обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными способами механического крепления. Сварные швы, отверстия под заклепки и болты снижают прочность соединяемых материалов, так как в зоне этих швов сосредоточиваются напряжения, ослабляющие конструкцию. Клеевые соединения, как правило, гораздо лучше выдерживают усталостные нагрузки. Если в клепаной или сварной конструкции появляется усталостная трещина, она очень быстро приводит к разрушению изделия. В клеевых соединениях развитие таких трещин существенно замедляется. Кроме того, клеи совершенно незаменимы при изготовлении трехслойных (преимущественно сотовых) конструкций, состоящих из тонких обшивок и легкого заполнителя, обладающих малой массой и высокой прочностью и приобретающих все большее значение в машиностроении и в строительстве. Наконец, при использовании клеев уменьшается масса и значительно упрощается технология изготовления металлических конструкций.

К основным недостаткам клеевых соединений следует отнести их невысокую прочность при неравномерном отрыве и необходимость в ряде случаев применять нагревание при склеивании.

Современная техника предъявляет к конструкционным клеям сложные и разнообразные требования, основные из которых относятся к прочностным показателям. Прочностные характеристики определяются характером и величинами напряжений, возникающих в конструкции в процессе эксплуатации. Различия в назначении конструкций и условиях их эксплуатации не позволяют конкретизировать требования к прочности соединений. Однако можно констатировать, что чаще всего при проектировании клеевых соединений металлов расчет ведется по следующим основным показателям: разрушающее напряжение при сдвиге (при 20°С должно находиться в пределах 20—40 МПа), предел выносливости при сдвиге (в течение 10⁶ циклов— от 4 до 8 МПа), длительная прочность при сдвиге (200 ч — от 8 до 12 МПа), прочность при неравномерном отрыве (50—100 кН/м). Следует учитывать долговечность клеевых соединений в различных климатических условиях, которая для ряда изделий машиностроения должна достигать 25— 30 лет и особо важное значение имеет для строительства.

Необходимо отметить, что до сего времени нет достаточно четких представлений о зависимости между строением, свойствами полимеров и адгезионной прочностью клеящих систем на их основе, и поэтому создание клеев с заранее заданными свойствами пока является нерешенной проблемой. Однако, рассматривая уже накопленные теоретические и экспериментальные данные, можно в ряде случаев высказать обоснованные суждения о возможных путях направленного регулирования адгезионной прочности некоторых полимерных систем применительно к созданию конструкционных клеев.

Трудности при решении этих вопросов связаны с исключительным многообразием факторов, влияющих на адгезиониые свойства полимеров и их поведение в клеевых системах. Так, кроме строения макромолекулы полимерного адгезива следует учитывать также его когезионную прочность, надмолекулярную структуру, молекулярную массу, характер и величину внутренних напряжений, термодинамические характеристики, стойкость к термической и термоокислительной деструкции, термовлажностному старению и многие другие факторы.

Адгезионная прочность соединения зависит не только от химической природы адгезива и субстрата, определяющей характер межфазных связей, но и от особенностей деформации компонентов адгезионного соединения, состояния поверхности соединяемых материалов, полноты молекулярного контакта, что обусловлено реологическими и диффузионными процессами, когезионной прочностью граничных слоев полимера и другими физическими и физико-химическими факторами.

Необходимо также иметь в виду возможность протекания в процессе формирования соединения каталитических реакций и возникновение в результате этого новых функциональных групп и химических связей, образование полнсопряженных систем, наличие поверхностно-активных веществ и др.

Наиболее важным является правильный и обоснованный выбор полимера, который удовлетворял бы большинству предъявляемых требований. Основным критерием при этом следует считать взаимодействие функциональных групп клеящего полимера и склеиваемого материала.

Влияние природы, концентрации и расположения функциональных групп в полимерах на прочность их адгезионных соединений исследовано на примере довольно большого числа адгезивов — фенольных и эпоксидных олигомеров, полиуретанов, полиэфиров, акриловых производных и др. Показано, что наибольшее значение имеют гидроксильные, эпоксидные, карбоксильные, изоцианатные и другие полярные группы с подвижным атомом водорода.

В подавляющем большинстве случаев наблюдается экстремальная зависимость между концентрацией ответственных за адгезию активных функциональных групп в полимере и прочностью адгезионного соединения. Это, возможно, связано с уменьшением подвижности сегментов макромолекул полимера при увеличении содержания в нем функциональных групп, повышением жесткости макромолекул и ухудшением возможностей взаимодействия активных групп адгезива и субстрата. Следует иметь также в виду, что далеко не всегда все функциональные группы адгезива и субстрата вступают во взаимодействие на границе раздела фаз.

Все сказанное выше должно быть учтено при изучении возможностей синтеза полимеров, которые могут быть использованы в качестве основы высокопрочных клеевых систем. В большинстве случаев, в особенности если речь идет о конструкционных клеях, адгезивом является не какой-либо индивидуальный полимер или олигомер, а система с оптимальным соотношением компонентов, обеспечивающим оптимальное содержание функциональных групп. Кроме того, должна быть отработана технология приготовления композиции и найдены оптимальные условия ее отверждения.

В качестве основы высокопрочных клеев для металлических конструкций, работающих при температурах до 250°С, наиболее целесообразно использовать эпоксидные и фенолоальдегидные олигомеры. Перспективными могут оказаться и полиуретаны, однако из-за невысокой прочности клеевых соединений (до 25—30 МПа при сдвиге), невозможности создания на их основе пленочных клеёв, необходимости применения в большинстве случаев растворителя и токсичности полиуретановые клеи для склеивания силовых конструкций пока широкого распространения в ведущих отраслях промышленности не получили.

Фенолоальдегидные олигомеры также представляют интерес в качестве основы для создания прочных и эластичных конструкционных пленочных и жидких клеев. Клеи этого типа достаточно широко используются в производстве ряда ответственных конструкций в машиностроении и других отраслях промышленности. Однако из-за относительно невысокого верхнего предела прочностных характеристик, недостаточной стойкости к термоокислительной деструкции, значительного содержания летучих в пленочных клеях и необходимости применения высоких давлений и температур при склеивании применение этих клеев практически ограничивается закрытыми клеевыми соединениями. Вместе с тем высокая термическая стойкость отвержденного олигомера, безусловно не исчерпанные возможности модификации, исключительная стойкость к термовлажностному старению и длительный срок службы клеевых соединений в любых климатических условиях позволяют считать этот класс соединений перспективным для создания конструкционных клеев с прекрасными прочностными и эксплуатационными характеристиками.

В настоящее время фенолоальдегидные олигомеры остаются наиболее эффективными при изготовлении различных высокопрочных конструкций из древесины, древесных пластиков и других неметаллических материалов.

Наиболее важными и перспективными для создания клеев являются эпоксидные олигомеры, обладающие рядом уникальных свойств и имеющие практически безграничные возможности для модификации.

Методы изготовления клеев на основе различных синтетических соединений весьма разнообразны, так как клеями могут быть как мономерные соединения, так и олигомеры, а также полимеры в виде растворов в органических растворителях или в мономерах, полимеры, не содержащие растворителей, различные эмульсии и т. д.

Клеи могут быть однокомпонентными и многокомпонентными. В первом случае они производятся на химическом предприятии и поступают на завод-потребитель в готовом виде. Многокомпонентные клеи изготовляют на месте потребления из составных частей, причем каждый из компонентов такого клея может храниться в течение достаточно длительного времени. Способы приготовления многокомпонентных клеев зависят как от их состава, так и от физического состояния (жидкие, пастообразные, пленочные, твердые).

Жидкие и пастообразные клеи приготавливают, как правило, в клеемешалках. Конструкцию клеемешалки выбирают с учетом вязкости исходных компонентов и готовой композиции. При изготовлении конструкционных многокомпонентных клеев обычно используют клеемешалки вертикального типа с планетарным или встречным вращением лопастей. В ряде случаев (приготовление некоторых эпоксидных композиций, фенолоформальдегидных, полиуретановых) в процессе смешения компонентов необходимо поддерживать определенную температуру, поэтому в конструкции клеемешалок должна быть предусмотрена циркуляция холодной или горячей воды. Емкости клеемешалок и лопасти предпочтительно изготавливать из нержавеющей стали.

Пленочные клеи, содержащие растворители (эпоксиполиамидные, фенолокаучуковые), получают поливом растворов клеевых композиций из фильер, чаще всего на машинах ленточного типа, в которых поверхностью для формирования пленки служит бесконечная металлическая лента. Для обеспечения съема пленки клея с ленты на нее предварительно наносят подслой, не имеющий адгезии к клеевой композиции (например, кремнийорганические эластомеры, суспензии фторопластов, полиэтилен). Для изготовления армированных пленочных клеев из растворов применяются пропиточные машины, шпрединг-машипы и др.

Не содержащие растворителей эпоксидные пленочные композиции, например пленочные клеи на основе эпоксиноволачных олигомеров и поливинилбутираля, готовят экструзией гранулированного порошка, полученного смешением и вальцеванием эпоксидного олигомера и поливинилбутираля при 140—160°С.

Весьма эффективен способ получения эпоксидных пленочных клеев путем использования горячих вальцев с двумя слоями полиэтилентерефталатной пленки для прокатки расплава композиции.

Твердые порошкообразные эпоксидные клеи приготавливают путем измельчения и перемешивания твердого эпоксидного олигомера и отвердителя в шаровых мельницах. Бруски (прутки) клея получают в горячих пресс-формах при небольшом давлении с последующим охлаждением.

Липкие лепты обычно изготавливают, нанося из растворов соответствующие липкие клеи на подложки из пленок, тканей, металлической фольги, бумаги на специальных шпрединг-маншнах.

При рассмотрении данных о свойствах клеев необходимо учитывать следующее. Показатели прочности клеевого соединения зависят от конфигурации, размеров соединения и, следовательно, от формы и размеров образцов, подвергаемых испытаниям. Приведенные в книге характеристики свойств клеевых соединений представляют собой результаты испытаний стандартных образцов и являются в большинстве случаев минимальными показателями. В отдельных случаях приведены типичные данные, представляющие собой результаты научно-исследовательских работ.

Свойства клеевых соединений изменяются во времени как при хранении, так и при эксплуатации. Изменение прочности в результате старения зависит от свойств клея, конструкции клеевого соединения, способа подготовки поверхности перед склеиванием, наличия защиты торцов клеевых соединений и многих других факторов. Данные о старении в различных условиях, полученные на стандартных образцах, не могут быть положены в основу оценки сроков службы клеевых соединений в конструкциях, а предназначаются для сравнения поведения различных клеев в одинаковых условиях и ориентировочного предсказания долговечности соединений.

При выборе клея для конкретного изделия необходимо учитывать весь комплекс его физико-механических и технологических свойств, а также результаты обязательных испытаний опытных клееных конструкций или их имитаторов в условиях, максимально приближающихся к эксплуатационным.

Нельзя забывать и об экономической эффективности применения синтетических клеев в промышленности. Сравнительный анализ эффективности различных типов клеящих материалов свидетельствует о бесспорной целесообразности использования композиций, не содержащих растворителей, а также пленочных и твердых клеев. Эффективность применения клеев определяется также эффективными методами полготовки поверхности склеиваемых материалов, возможностью механизация процессов нанесения клеев, созданием ускоренных методов отверждения и контроля качества соединений без разрушения изделий и др.

Наиболее часто клеи классифицируют, исходя из принадлежности основного компонента к термореактивным или термопластичным полимерам, что в подавляющем большинстве случаев определяет и области использования клеев, так как термореактивные полимеры обычно являются основой конструкционных клеевых систем, а термопласты используются, как правило, для склеивания неметаллических материалов и приклеивания их к металлам и конструкционным неметаллическим материалам в изделиях несилового назначения. Такая классификация и принята в книге.