Получение неразъемных соединений склеиванием.

Склеивание - процесс получения неразъемного соединения деталей (рис.15) путем введения в технологический зазор между ними клея, способного к отверждению, или путем растворения материала в зоне контакта заготовок с последующим соединением склеиваемых деталей и удалением растворителей.

В основе склеивания лежит явление адгезии (прилипания) - способность к взаимодействию тел из разнородных материалов с достижением определенного уровня прочности сцепления. Механизм этого явления в настоящее время до конца не изучен и объясняется с позиций механической, молекулярной, химической, диффузионной и электрической теорий.

Рис. 15. Клеевое соединение:

1 - заготовки; 2 - клеевой слой

Укажем общие особенности поведения материалов при адгезии.

Известно, что любая жидкость стремится уменьшить собственную поверхность и занять минимальный объем.

Предполагается существование на поверхности жидкости нерастворимой пленки. Эта пленка отличается по свойствам от основной жидкости, так как состоит из различных веществ, загрязнивших жидкость при соприкосновении с атмосферным воздухом или по другим причинам. Эти вещества растворяются в пленке или образуют в ней слои молекулярной толщины.

Жидкость обладает и определенным уровнем энергии, стремящимся к минимальной величине. Это стремление реализуется при совершении работы по упругому деформированию пленки, которое приводит к появлению так называемого “поверхностного натяжения”. Происходит сокращение поверхностного слоя за счет втягивания молекул с поверхности внутрь жидкости.

Двухкомпонентная жидкость также стремится к сокращению собственной поверхности. Но в ней молекулы разных компонентов имеют разные силовые поля, поэтому и втягиваются внутрь жидкости в разной степени. В результате поверхность жидкости оказывается обогащенной компонентом с меньшей энергией, что приведет к снижению поверхностного натяжения. Такое явление называется адсорбцией.

Твердое тело имеет постоянную форму, изменяемую только принудительно. Его поверхность самопроизвольно не сокращается, всегда обладает определенной шероховатостью и загрязнена посторонними веществами, образующими пленку. Имеет место и поверхностная адсорбция газов и летучих жидкостей, что в большинстве случаев приводит к снижению поверхностной энергии твердых тел. На твердых телах происходит молекулярная адсорбция (благодаря наличию сил ориентационного, индукционного и дисперсного взаимодействия Ван-дер-Вальса) и хемосорбция (осуществляется силами ковалентной связи).

Рассмотрим взаимодействие жидкости и твердого тела. При их соприкосновении (физический контакт) происходит сближение атомов и молекул взаимодействующих сред на такие расстояния порядка 10^{-8 см, когда появляются межмолекулярные силы. Образование физического контакта невозможно без смачивания жидкостью твердой поверхности (рис.16), связанного с механизмом образования поверхностного натяжения, изложенным выше. Поверхностное натяжение существует и у твердых и у жидких тел, когда имеется граница раздела сред. В указанной системе до момента соприкосновения поверхностное натяжение существовало на границах “жидкость-газ” ( ) и “твердое тело-газ” ( ). После соприкосновения эти границы в зоне контакта исчезают, и появляется граница «жидкость-твердое тело» ( ). Чем выше поверхностная энергия склеиваемого материала, тем легче идет смачивание. Оно характеризуется углом смачивания . При смачивание удовлетворительно, смачивание ухудшается вплоть до полного исчезновения ( ).}

Возможность смачивания определяется природой контактирующих материалов. Хорошая смачиваемость наблюдается у металлов, керамики, стекла. Она ухудшается из-за наличия на поверхности твердого тела загрязнений, но ее можно улучшить при помощи специальной обработки поверхности и путем ее активирования физическими и химическими способами.

Рис. 16. Взаимодействие твердого тела и жидкости:

а - схема смачивания; б - поверхностные натяжения на границах раздела сред

При малой вязкости равномерное распределение клея по поверхности заготовки осуществляется при самопроизвольном растекании. При большой вязкости на клей воздействует сжимающее усилие на соединяемых заготовках, что заставляет его течь в технологический зазор. Смачивание осложняется наличием на поверхностях определенного рельефа, который в то же время увеличивает площадь контакта и этим повышает прочность соединения. Смачивание улучшается при повышении температуры.

При трении жидкости и твердого тела происходит их электризация. Поверхности поляризуются, возникает разность потенциалов, при определенном значении вызывающая электрический разряд. Это явление также влияет на условия адгезии.

Попытки объяснить возникшую после смачивания и последующего отверждения связь клеевой пленки с поверхностью заготовки привели к появлению нескольких теорий адгезии. Каждая из них не противоречит остальным, но и не может в полной мере объяснить всего многообразия фактов, наблюдаемых в процессе склеивания различных материалов.

Механическая теория представляет образование сцепления как результат заклинивания отвержденного клея в порах материала (рис.17) и внедрение в клеевую пленку при смачивании ворсинок, находящихся на склеиваемой поверхности. Такая теория особенно хороша для случая пористых материалов, хотя и не является исчерпывающим.

Рис. 17. Заполнение клеем микрорельефа поверхности склеиваемой детали

Молекулярная теория объясняет возникающую связь взаимодействием молекулярных электрических диполей. При взаимодействии двух полярных веществ (рис.18,а) их молекулы ведут себя как диполи, взаимно ориентируясь в пространстве так, чтобы их энергия взаимодействия была минимальной (ориентационные силы связи). При контакте полярных и неполярных молекул (рис.18,б) с веществами, состоящими из неполярных молекул, последние под воздействием полярных молекул поляризуются, возникают индуцированные диполи, которые деформируются. При взаимодействии неполярных молекул появляются дисперсионные силы межмолекулярного взаимодействия (рис.18,в).

Рис. 18. Взаимодействия молекул клея и заготовок:

а - полярные молекулы; б - полярная и неполярная молекулы;

в - неполярные молекулы

Химическая теория адгезии как главную причину возникновения связи выдвигает химическое взаимодействие между адгезивом и склеиваемой поверхностью с образованием ионных или ковалентных связей. Химические связи способны обеспечить высокую прочность и долговечность клеевых соединений.

Диффузионная теория адгезии основана на том, что адгезионные связи обусловлены диффузией макромолекул или их отдельных сегментов. Адгезия происходит за счет диффузии частей макромолекул склеиваемого материала через границу первоначального контакта. Например, диффузия клея в склеиваемый материал обеспечивается за счет подвижных молекул растворителя. Эти процессы происходят не на границе раздела, а в объеме и рассматриваются как явление взаиморастворимости склеиваемых материалов, связанное с исчезновением границы между склеиваемыми телами. Прочность такого клеевого соединения обусловлена силами, которые действуют между переплетенными макромолекулами.

Электрическая теория адгезии, применяемая при изучении клеевых соединений полимеров с металлами, основана на рассмотрении процессов, сопровождающих отрыв полимерной пленки от твердой подложки. Эти процессы заключаются в возникновении на поверхности раздела двойного электрического слоя.

В клеевом соединении принято рассматривать шов как однородную по составу прослойку (клеевая пленка). В действительности же на границе “клей - основной материал” можно говорить о существовании промежуточной зоны, состав которой неидентичен материалу в центре клеевой пленки, то есть в пределах клеевой пленки существует микронеоднородность как следствие диффузионных процессов, растворения, образования химических соединений на границе раздела. Это является причиной механической неоднородности соединения и сказывается на его эксплуатационных параметрах.

Физико-химические процессы на границах разделов элементов клеевого соединения, протекают быстрее, чем в металлических швах при сварке и пайке. Поэтому стабильность его свойств во времени меньше, чем для сварного или паяного. Указанные процессы могут иметь место во время склеивания и при эксплуатации изделия. Результатом их работы может быть, например, самопроизвольное разрушение первоначально качественного шва.

При эксплуатации происходит старение соединений - необратимые процессы по изменению во времени структуры и свойств полимерных материалов, резко усиливающиеся под действием тепла, света, радиации.

Для образования клеевого соединения необходимо подбирать сочетания материалов, обеспечивающие адгезионный контакт. При склеивании материалов, не совместимых с клеем, проводят специальную обработку их поверхности с целью создания на ней прочно удерживающейся пленки иного, чем у основного материала, состава, с которой клей будет образовывать прочную адгезионную связь. В целом, проблема склеивания сводится к соединению других материалов.