ФАКТОРЫ, ОКАЗЫВАЮЩИЕ ВЛИЯНИЕ НА АДГЕЗИОННУЮ ПРОЧНОСТЬ КЛЕЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ

При рассмотрении факторов, оказывающих влияние на адгезионную прочность клеевого соединения необходимо учитывать природу, физико – химические свойства адгезивов и субстратов с целью установления закономерностей адгезионного взаимодействия. Установлено, что основными факторами, влияющими на адгезионную прочность, являются поверхностные явления: адсорбция и смачивание, а также реологические характеристики - оптимальная вязкость адгезива, при которой полимер способен смочить поверхность всех неровностей субстрата, увеличив таким образом площадь фактического контакта. Повышение температуры, давления прижатия и время выдержки способствуют увеличению прочностных свойств клеевого соединения. Площадь фактического контакта, условия деформации и разрушения адгезионных соединений также являются важными факторами, определяющими уровень прочностных характеристик композиционных материалов.

С целью увеличения прочностных свойств адгезионного соединения, получения дополнительных функциональных групп используют методы модификации адгезива и субстрата. Чистота поверхности субстрата и площадь фактического контакта оказывают существенное влияние на прочность клеевого соединения. С этой целью поверхности таких субстратов, как металл, стекло, керамика очищают механически с целью придания шероховатости и очистки от примесей, затем обезжиривают с помощью растворителей. При необходимости субстраты с целью создания поверхностного слоя с определенными химическими свойствами обрабатывают поверхностно – активными веществами для прививки на поверхность мономеров с соответствующими функциональными группами, получение покрытий различной природы - является эффективным способом активирования поверхности субстрата.

Выбор адгезива связан с подбором таких его свойств как содержание оптимального количества функциональных групп, когезионных характеристик, вязкости и других. Если адгезив не удовлетворяет по каким – либо характеристикам, то его модифицируют. Оптимальное содержание функциональных групп часто подбирают эмпирически из–за отсутствия прямой взаимосвязи между адгезионной прочностью и содержанием в адгезиве функциональных групп. В большинстве случаев эта зависимость имеет экстремальный характер. По мере увеличения функциональных групп в клее адгезионная прочность растет, а затем при определенном их содержании, снижается. Это связано с тем, что при большом содержании функциональных групп возрастает межмолекулярное взаимодействие, в результате чего, уменьшается подвижность макромолекул, возрастает жесткость цепей адгезива, затрудняются конформационные превращения макромолекул, что ограничивает доступ макромолекул и их функциональных групп к активным центрам субстрата. В настоящее время накоплен большой объем экспериментальных данных, свидетельствующих о повышении адгезионной прочности при введении в адгезив в оптимальном количестве функциональных групп.

При соединении двух различных по природе субстратов адгезив должен содержать различные по полярности и активности функциональные группы, т. е быть бифильным. При изготовлении резины применяют специальные пропиточные составы, обеспечивающие связь между резиной и кордом. При производстве стеклопластиков также существует необходимость применения бифильных соединений, которые, как правило, применяются в виде аппретов, наносимых на поверхность стеклонаполнителей, при последующей их обработкой полимерным связующим. Стеариновая кислота, которую применяют для обработки поверхности металла с целью увеличения прочности связи с неполярным полиэтиленом, и представляет собой бифильное соединение, повышающее прочность КМ в системе “ полиэтилен - металл“. При креплении резины к металлу используют клей, обладающий высокой адгезией к обоим склеиваемым материалам.

Функциональные группы в адгезиве получают при синтезе адгезива, окислением, прививкой мономера или введением в его состав активных добавок. Из соединений для прививки применяют мономеры, содержащие функциональные группы:

- NH₂; - C₂H₄OH; (H₂PO)_4;^- , обладающие акцепторными свойствами. В этом случае между полимером и металлом происходит хемосорбционное взаимодействие с образованием координационных или ионных связей. Максимальная адгезия наблюдалась в случае прививки эпоксидной группы. Например, в системе “ полиэтилен - алюминий“ адгезионная прочность возрастала в 2 и более раз.

В общем случае процесс взаимодействия функциональных групп адгезива с соответствующими группами субстрата весьма сложен и для конкретной системы протекает специфично в зависимости не только от наличия и вида функциональных групп, но и от структуры и строения полимера, его молекулярной массы, длины и гибкости макромолекул, от вида и свойств надмолекулярных образований. Установлено, что наличие функциональных групп и их количество не может однозначно свидетельствовать о достижении максимальной адгезионной прочности. Это является следствием неравноценности функциональных групп и доступности, как со стороны адгезива, так и со стороны субстрата. С учетом стерических эффектов значительная часть функциональных групп на границе раздела адгезив – субстрат в межмолекулярном взаимодействии не могут участвовать.

Неравноценность функциональных групп обуславливается их строением и составом, положением на границе раздела фаз. Следует отдавать предпочтение полярным группам с подвижным атомом водорода или группам, имеющим гетероатомы с необобщенными электронами. Об этом свидетельствуют многочисленные примеры активности гидроксильных, карбоксильных, нитрильных, эпоксидных, изоционатных групп. Нельзя не учитывать активность полимеров с сопряженными связями.

Любое химическое взаимодействие происходит с определенной величиной энергии активации. Отсюда следует, что наибольшая адгезионная прочность будет достигаться, когда процесс идет с наименьшей энергией активации. Чем ниже энергия активации, тем больше число связей образуется между адгезивом и субстратом.

Выбор адгезива с оптимальными свойствами, подготовка поверхности субстрата являются обязательными, но не достаточными факторами обеспечения необходимой адгезионной прочности. Важным и эффективным способом достижения максимальной адгезионной прочности является выбор оптимальных условий формирования адгезионного соединения.

К таким условиям, обеспечивающим достижение более полного контакта адгезива с субстратом, являются вязкость адгезива, температура, среда, давление прижатия, время выдержки, и т.п. Необходимо учитывать поведение адгезива, изменение его свойств и структуры при изменении температуры, давления окружающей среды (вакуум или повышенное давление), вероятность деструкции при повышенных и стеклование при пониженных температурах.

Одним из путей повышения адгезионной прочности является целенаправленное изменение физико-химических свойств поверхности субстрата. Это изменение связано с подготовкой поверхности. Известны физический, механический, химический методы. В некоторых случаях применяются их комбинации.

Одним из широко распространенных методов подготовки поверхности является механический метод, заключающейся в очистке поверхности от загрязнений органического и неорганического происхождения (масел, оксидов, солей и других). Поверхность полимерного субстрата может быть загрязнена низкомолекулярными продуктами полимеризации (поликонденсации), мономерами и другими ингредиентами полимерной композиции. Необходимо также учитывать и вероятность выделения побочных продуктов на границе раздела при отверждении адгезива.

Загрязнения на поверхности независимо от природы создают пограничный слой с более низкими физико-механическими характеристиками, что, в конечном итоге ослабляет адгезионное взаимодействие. Поэтому удаление таких поверхностных слоев является одним из эффективных способов повышения адгезионной прочности.

Примерами обработки поверхности являются удаление оксидной, рыхлой пленки с поверхности металла, например, «ржавчины» - с железа, очистка поверхности стеклянных волокон от "замасливателей" в производстве стеклопластиков.

К этой же группе механических методов можно отнести методы искусственного изменения микрорельефа поверхности субстрата. Например, в различных отраслях резинотехнической промышленности при склеивании резины ее поверхность делают шероховатой. Правда, здесь необходимо упомянуть и о том, что при этом удаляется слой «старой», окисленной резины, что также способствует повышению адгезии. Шлифование, травление, зашкуривание применяют и для металлов, дерева, стекла и других материалов.

Создание искусственного микрорельефа поверхности субстрата хотя и приводит к увеличению площади фактического контакта на границе адгезив-субстрат, но, если не будет изменена природа поверхностного слоя, не изменится характер сил межмолекулярного взаимодействия на границе, то рассчитывать на значительное повышение адгезионной прочности не приходится.