Мая Степановна Тразно
Евгений Владимирович Москалёв
КЛЕИ И СКЛЕИВАНИЕ
*** 1980 ***
|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
В настоящее время совершенствование процесса склеивания осуществляется: 1) путем химического модифицирования клеевых композиций и поверхности склеиваемых материалов и 2) путем физического модифицирования — воздействием на клеи физическими и физико-химическими методами. Химическое модифицирование основано на повышении реакционной способности клеев, отвердителей и инициаторов (здесь не рассматривается). Второй путь повышения качества клеевых соединений включает в себя тепловое воздействие, различные виды излучения и вибрацию, в том числе ультразвук. Наибольшее распространение на практике получили методы теплового воздействия, оспованные на ускорении химических и физических процессов при повышении температуры. Одним из таких методов является инфракрасный (ИК) нагрев. Прочность склеивания при ИК-нагреве не ниже, чем при конвекционном отверждении, и ускорение химических реакций между компонентами клея происходит в результате увеличения колебаний химических связей. Например, время отверждения для деталей, склеенных пленочным клеем БЭН-50П, можно сократить в два раза за счет применения ИК-нагрева (по сравнению с отверждением в термошкафу) при одной и той же прочности. Прямой электронагрев, заключающийся в прохождении электрического тока через пакет из чередующихся металлических сеток и клеевых «проставок» (пленок) из клея БЭН-50П, при изготовлении теплообменных аппаратов позволил снизить давление склеивания от 1 до ОД МПа, сократить время отверждения на 2 ч по сравнению со склеиванием в термопечах. Применение новой технологии склеивания дало возможность повысить качество готовой продукции при снижении энерго- и трудовых затрат. Одним из важных методов повышения качества клеевых соединений и ускорения процессов склеивания является индукционный нагрев. Нагревание склеиваемых деталей происходит за счет наведения индукционных токов внутри материала с помощью высокочастотных генераторов, частота и мощность которых подбираются в зависимости от типа металла, массы материала и размеров соединяемых поверхностей. При более высоких частотах тепло может выделяться на поверхности склеиваемых деталей, при низких частотах (для металлов) наблюдается более глубокий разогрев. Достоинством метода склеивания с помощью установок ТВЧ является значительное уменьшение времени нагревания за счет более низкой температуры плавления и отверждения клеев. Для высокочастотной установки типа ВЧИ 250,44 мощностью 25 кВт время нагрева деталей до нанесения клея составляет 2- — 6 с, а время выдержки склеиваемых деталей в совмещенном состоянии после нанесения клея — от 4 до 18 с Применение нагрева ТВЧ предполагает использование однокомпонентных клеев, из которых особенно удобны в производственных условиях клеевые заготовки в виде прутка, нанесение которых на поверхности деталей, нагретых до 100 — 150 °С, не представляет затруднений. При необходимости возможно доотверждение клея по установленному режиму в термошкафах Одним из физических способов ускорения отверждения эпоксидных клеев является предварительное облучение рентгеновскими лучами отдельных компонентов клея. На примере обработки клея К-400 показано, что прочность клеевых соединений зависит от дозы облучения и от того, какой из компонентов подвергался облучению. Ниже приведена зависимость разрушающего напряжения при сдвиге от дозы рентгеновского облучения и времени отверждения клея К.-400: Доза облучения, Р 3 000 5 000 3 000 12 000 15000 Смола Т-111 5,17,9 5,66,9 4,96,9 4,87,7 6,58,8 Смола Л-20 7,79,3 7,29,3 7,88,8 7,67,9 8,99,7 Окись хрома 5,67,7 6,49,8 10,312,7 7,79,9 10,014,1 Примечание. В числителе значения при времени отверждения 12 ч> в знаменателе — при 24 ч Время отверждения при оптимальной дозе для этого клея может быть снижено в 4 раза (от 48 до 12 ч). Радиационная обработка полимерных клеев, кроме улучшения прочностных свойств клеевых соединений, способствует их интенсивному отверждению. При этом мономерные и олигомерные клеи могут отверждаться без применения катализаторов и высоких температур. Такой процесс отверждения клеевых композиций рекомендован при соединении материалов, проницаемых для р- или у-лучей. Одним из перспективных методов повышения адгезионных свойств клеев и качества клеевых соединений является обработка их в магнитном поле. На примере эпоксидных клеев установлено, что под действием магнитного поля возрастает скорость отверждения, уменьшается дефектность структуры сшитого клея, а прочностные характеристики клеевого соединения зависят от напряженности магнитного поля, причем эта зависимость имеет периодический характер (с рядом максимумов и минимумов). При воздействии магнитного поля изменяются физико-химические процессы на границе смола — наполнитель. Это приводит к улучшению смачивающей способности наполнителей клеевыми составами и уменьшению остаточных напряжений. Улучшение структуры и свойств эпоксидных клеев возможно также и. при воздействии на них вибрации при частоте 70 Гц, амплитуде 0,4 мм и времени 120 мин, что приводит к более интенсивному нарастанию скорости отверждения. Энергия активации процесса отверждения клея на основе смолы ЭД-20 снижается от 50 (у исходной композиции) до 27 кДжмоль (у обработанной). При этом наблюдается перестройка ассоциативных структур, которые становятся более упорядоченными. Повышение прочности клеевых соединений вызвано также тем, что под действием вибрации наблюдается значительное снижение вязкости клеевой массы. Это улучшает смачиваемость поверхностей склеиваемых деталей и облегчает проникновение клея в микрокапилляры. Наибольший эффект, от вибровоздейсгвия проявляется на олигомерах, имеющих большую начальную вязкость, он уменьшается при увеличении температуры композиции. Внбро-воздействие на клеевую композицию можно проводить как в массе перед склеиванием, так и непосредственно на склеиваемой детали. Как показывает опыт, наиболее перспективно для повышения качества клеевых соединений и интенсификации процессов склеивания применение ультразвуковой техники. В обрабатываемую среду вводят ультразвуковые колебания высокой интенсивности в течение короткого промежутка времени, что значительно ускоряет процессы взаимодействия между компонентами клея, а также между клеем и склеиваемыми деталями. Различают три основных метода склеивания с применением ультразвука, отличающиеся способом введения ультразвуковых колебаний в клеевую массу. По первому из них ультразвуковой излучатель подводится и прижимается к поверхности одной из склеиваемых деталей и передача ультразвуковой энергии в клеевой шов осуществляется через материал детали. Наиболее широко этот способ используется для соединения термопластов, которые с трудом поддаются склеиванию обычными способами, например полиэтилена и полиацеталя. При таком воздействии происходит активация и очистка склеиваемых поверхностей, а клей лучше перемешивается и проникает в поры детали. Способ позволяет достигнуть быстрого разогрева склеиваемых деталей и клея (в течение 3 — 5 с) за счет интенсивного трения в местах контакта и поглощения ультразвуковой энергии. При обработке ультразвуком эпоксидного клея па стадии В , находящегося между двумя алюминиевыми пластинами толщиной 0,9 мм и шириной 25 мм, за 40 с температура возросла от 24 до 230 °С, причем металл разогрелся на участке длиной 300 мм. При склеивании двух алюминиевых пластин сечением 0,9 X 25 мм с помощью эпоксидного клея на стадии В при перемещении под излучателем со скоростью 500 мммин температура в клеевом шве не превышала 180 °С. Повышение температуры склеиваемых образцов зависит от их толщины и предварительной грунтовки, предотвращающей рассеивание теплоты в материале. Повышение температуры в слое клея за время озвучивания в течение 5 — 7 с составляет 100 — 200 °С, что вполне достаточно, чтобы расплавить, заставить течь и отвердиться различные клеи. В качестве клеевых композиций в этом случае могут быть использованы как термореактивные, так и термопластичные, обладающие определенными вязко-упругими свойствами и скоростью отверждения. Из термопластичных клеевых материалов применяются термопласты с высокой температурой плавления и клеи-расплавы. Хорошие результаты получены для быстроотверждающихся термореактивных клеев на стадии В (например, эпоксидные, эпоксинитрильные и эпоксифе-нольные клеи). Использование жидких клеев приводит обычно к неудовлетворительным результатам. Это вызвано тем, что клей не успевает «схватиться» и вытекает из клеевого шва. К преимуществам описываемых способов относятся быстрота склеивания, возможность механизации процесса и соединения «нееклеиваемых» материалов, а также пониженные требования к чистоте склеиваемых поверхностей. Стадия В — клей потерял текучесть, но еще не полностью отвердился; содержание нерастворимой части 30 — 30% Но наряду с этим в данном способе имеется и ряд недостатков. Основной из них “Значительное повышение температуры склеивания и неблагоприятное ее воздействие на структуру и свойства склеиваемых деталей. Этот способ не универсален и не может применяться для всех марок клеев. При этом из-за очень короткого времени склеивания (1 — 5 с) велика вероятность возникновения в склеиваемых образцах остаточных деформаций за счет внутренних напряжений, что приводит к снижению долговечности и качества склеивания. По второму способу ультразвуковой излучатель вводится непосредственно в слой клеевой массы, нанесенной на одну из склеиваемых деталей, и обработке подвергается тонкий слой клея. Способ позволяет улучшить проникновение клеевой композиции в поры детали, улучшить смачиваемость склеиваемых поверхностей, дополнительно обез-ч жирнть их, а также дегазировать слой адгезива, повышая его однородность. На границе к.лей — склеиваемый материал под действием ультразвука возникают большие переменные давления и улучшается диффузия клея в поры и микротрещины па поверхности. При этом способе ультразвуковой обработки жидких и пастообразных клеев возможно три варианта нанесения клеевой массы: а) склеиваемая деталь неподвижна, формующий инструмент перемещается относительно ее поверхности; б) инструмент неподвижен, деталь перемещается относительно его рабочего торца; в) склеиваемая деталь и формующий инструмент перемещаются относительно друг друга. Для осуществления данного способа применяют установку, которая включает ультразвуковой генератор, преобразователь со сменным формующим инструментом, подвижный стол для крепления склеиваемых деталей и пульт контроля и управления процессом. На качество склеивания оказывают большое влияние следующие технологические параметры: интенсивность ультразвуковых колебаний (), скорость перемещений излучателя (о), зазор между поверхностью детали и формующим инструментом (б), и угол наклона (а) формующего инструмента к поверхности детали. Установлено (на примере компаунда К-153), что существует определенные оптимальные: условия, при которых удается получить минимальное количество пор в клеевом шве. Для металлических материалов найдено, что наилучшие результаты достигаются при = 50 Вт, v= 10 мммин, б = 0,2 мм, а — 60° Для обеспечения равномерной и регулируемой подачи наносимого клея на поверхность обрабатываемой детали предлагается клеевую массу пропускать через канал, проходящий через преобразователь и формующий инструмент. При этом одновременно с нанесением клея на поверхность, детали производится его обработка: растворение, плавление и перемешивание компонентов, дегазация смеси и придание ей определенной вязкости, диспергирование наполнителя. Для дозирования и автоматической подачи клея на поверхность детали выходные отверстия в рабочем инструменте выполнены с регулируемым сечением. Применение описанного способа ультразвукового воздействия на эпоксидный клей горячего отверждения позволило сократить время последующей термообработки почти в два раза по сравнению с традиционной технологией и увеличить разрушающее напряжение при равномерном отрыве на 10%, в 3 — 4 раза снизить пористость клеевого шва. Способ ультразвуковой обработки при нанесении тонкого слоя клея позволяет автоматизировать процесс склеивания и получить клеевые соединения с улучшенными характеристиками, что повышает прочность и надежность клеевых конструкций. По третьему способу ультразвуковую обработку проводят при введении в клеевую массу ультразвукового излучателя с последующим нанесением озвученного клея на склеиваемые поверхности деталей. Ультразвуковой обработке подвергается жидкий или вяз-котекучий полимер непосредственно перед нанесением на поверхность изделия. После ультразвуковой обработки склеенные детали доотверждаются в термошкафу или на воздухе. Ультразвуковая обработка эпоксидного клея горячего отверждения перед нанесением его на склеиваемые детали существенно сокращает время его приготовления при одновременном повышении прочности. |
