Глава 3. Клеи в машиностроении

Клеи - это вещества или смеси веществ органической, элементо-оргаиической или неорганической природы, которые, обладая хорошей адгезией, механической прочностью, отсутствием хрупкости, небольшой усадкой при отверждении, прочно соединяют различные материалы.

Технологический прогресс в химической индустрии развивается достаточно быстро: появляются клеи скоростного отверждения, удобные при конвейерной сборке изделий, широко используют отверждение клея с помощью ультрафиолетового излучения, созданы клеи для разбираемых изделий. Гибридные, вспенивающиеся, электропроводящие клеи, клеи по влажной поверхности, клеи с наномодификаторами – это новые, передовые разработки.

Дзержинский «НИИ Полимеров» разрабатывает анаэробные акриловые клеи для машиностроения, которые отверждаются на воздухе при попадании в трещины и различные металлические зазоры; здесь металл служит катализатором реакции. Клеи широко используют для герметизации, уплотнения, например, в резьбовых соединениях. Химически стойкие алюминий, титан и нержавеющая сталь склеиваются хуже, поэтому требуют специальных клеев с активаторами. Анаэробные герметики помимо автопрома широко применяют в атомной и космической индустрии, существуют устойчивые к радиации и высоким температурам марки. Разработаны акриловые герметиков, позволяющие ремонтировать паропроводы без их отключения.

Фирма «Элад-Гермес» производит специальные резиновые клеи для военной авиационной индустрии. Лучшие клеи такого типа производят на основе полихлоропрена. Резины с пластификаторами используют, например, при гуммировании травильных ванн на металлургических предприятиях. Нефтехимический холдинг «Сибур» производит клеи на основе нитрильных каучуков, по свойствам не уступающим хлоропреновым и при этом значительно дешевле. Для повышения прочности, улучшения адгезии и снижения температуры отверждения в данные клеи вводят хелат меди и ПВХ. Разработки в этой области холдинг ведет совместно с МИТХТ. На Казанском заводе СК каучука действует производство силиконовых клеев и герметиков для автомобильной индустрии и монтажа пластиковых окон.

Склеивание основано на адгезии - прочном прилипании (сцеплении) клеящей пленки к склеиваемым материалам. Прочность склеивания определяется также когезией - прочностью самой клеящей пленки. Для склеивания необходимо хорошее смачивание соединяемых поверхностей и их плотное прилегание друг к другу.

Склеивание происходит при затвердевания клея при испарении растворителя (в случае клеевого раствора), застудневании, а также за счет химических превращений, полимеризации или поликонденсации компонентов клея. В результате химических превращений компоненты клея часто становятся неплавкими и нерастворимыми. В процессе затвердевания клеевой пленки обычно возникает усадка, отрицательно влияющая на прочность соединения. Для уменьшения усадки в клей вводят наполнители. Иногда с целью повышения эластичности клеевого соединения в клей добавляют пластификаторы. Остатки растворителя в клеевом слое способствуют образованию пор и снижают прочность клеевой пленки. Прочность соединения, как правило, повышается с уменьшением толщины клеевой планки. Для большинства клеев оптимальная толщина клеевой пленки 0,05-0,25 мм. Пористые материалы (древесина, пенопласты и др.) и материалы с шероховатой поверхностью благодаря увеличению поверхности склеивания, а также за счет «заклинивания» клеящего вещества в склеиваемом материале обладают повышенной прочностью соединения.

Для получения прочного клеевого соединения склеиваемые поверхности обрабатывают шкуркой или струей песка и обезжиривают (ацетоном, спиртом, бензином и др.). Из-за плохой адгезии многих клеев к таким неполярным (инертным) материалам как полиолефины, политетрафторэтилен, полиэтилентерефталат перед склеиванием их поверхности обрабатывают специальными составами, в результате чего они приобретают способность склеиваться обычными клеями. Максимальную прочность склеивания обеспечивают правильным подбором клея для данного вида материала и точным соблюдением технологий приготовления клея и склеивания. В случае применения клеев, содержащих растворители, после нанесения их на склеиваемые поверхности, изделие выдерживают на воздухе для испарения растворителя из клеевой пленки.

При оценке качества клея и клеевых соединений обычно определяют концентрацию клея, его вязкость, жизнеспособность и прочность склеивания(клеящую способность). Жизнеспособность клея характеризуют по времени, в течение которого он сохраняет вязкость, удобную для нанесения на склеиваемые поверхности. Клеящую способность оценивают испытанием механических свойств клеевых соединений на стандартных образцах. Для клеевых соединений металлов определяют предел прочности при сдвиге и при равномерном и неравномерном отрыве. Прочность клеевых соединений металлов при сдвиге в зависимости от примененного клея и склеиваемого металла колеблется от 100 до 300 кг/см; при равномерном отрыве прочность достигает 800-900 кг/см; а при неравномерном отрыве - 10-50 кг/см.

При склеивании органического стекла, древесины проводят испытания на склеивание, а при склеивании тканей, теплоизоляции, пленочных материалов - испытание на отслаивание клеевых соединений.

По происхождению различают клеи природные и синтетические. Природные клеи делят на животные, растительные и минеральные. Природные клеи чаще всего нестойки к действию влаги, подвержены гниению и относительно быстро теряют во времени прочностные свойства.

Животные клеи и растительные клеи мало применяют в машиностроении. Основное значение для него приобрели синтетические клеи. Они представляют собой растворы полимеров в органических растворителях или в мономерах и олигомерах, а также эмульсии и дисперсии полимеров, или не содержащие растворителей смолы, отверждающиеся в присутствии специальных добавок и т.д. Многие синтетические клеи представляют собой композиции из нескольких полимерных веществ, которые сочетают качества различных полимеров и имеют соответственно более универсальные свойства.

Клеи выпускают в готовом виде или готовят на месте потребления смешиванием составных частей. Их применяют в жидкотекущем виде, а также в виде порошка и пленок. Синтетические клеи на основе органических полимеров пригодны для использования до 300°С; кремнийорганические клеи имеют более высокую рабочую температуру.

Большинство синтетических клеев хорошо выдерживают воздействие переменных температур, обычно устойчивы к действию влаги, масел, жидкого топлива и различных грибков. При использовании ограниченно водостойких клеев торцы клеевых швов защищают специальными лакокрасочными покрытиями.

Синтетические клеи делят на 3 основных группы: термореактивные, термопластичные и клеи на основе эластомеров. Единой теории склеивания нет, поскольку нет теории, объясняющей полностью все многообразие и специфичность явлений, возникающих на различных стадиях склеивания.

Технология процесса склеивания включает стадии: подготовка склеиваемых поверхностей материалов → нанесение клеев → запрессовка склеиваемых элементов → отверждение клея → контроль качества готовых изделий.

Основной целью подготовки деталей к склеиванию является активация поверхности: удаление пленок и наслоений, замена среды, в которой может происходить адсорбция.

При подготовке поверхности к склеиванию применяют механическую или (и) химическую обработку. Механическая обработка заключается в зачистке поверхности склеивания напильниками, песком, пастами, металлическими опилками, щетками и т.д. Эффективен вибрационный способ очистки поверхности. Химическая обработка поверхности заключается в растворении жировых и других наслоений; травлении оксидных пленок, нанесении гальванических покрытий. Средства для обезжиривания должны быть легколетучими, желательно нетоксичными, обладать высокой растворяющей способностью, не реагировать с металлами и другими материалами. Наиболее часто для обезжиривания применяют ацетон, бензин, керосин, петролейный эфир, трихлорэтилен, перхлорэтилен, водно-щелочные растворы, а также эмульсию воды в бензине, уайт-спирте. Ацетон, бензин и другие растворители используют при ручной обработке поверхности детали. Необходимо учитывать, что они легко воспламеняются, а их пары взрывоопасны. Трихлорэтилен обладает малым поверхностным натяжением, поэтому легко проникает даже в мельчайшие поры. Он невзрывоопасен, но пары его токсичны. Длительность обработке трихлорэтиленом 5 мин. Водно-щелочные растворы менее опасны, однако могут вызывать коррозию металла. Поэтому после обработки этими растворами детали необходимо промывать в теплой воде и сразу высушивать.

Для удаления окалины, оксидных пленок и продуктов коррозии с поверхности стали, меди, никеля, алюминия, вольфрама и сплавов используют травление в растворах серной, соляной или азотной кислот. Перед травлением поверхность металла тщательно обезжиривают.

Эффективен метод подготовки поверхности металлов к склеиванию путем нанесения гальванических покрытий, в частности анодирование поверхности. Повышенную адгезию многих клеев к анодным пленкам объясняют их большей полярностью по сравнению с необработанными металлами.

Жидкие клеи обычно наносят кистью, распылением с помощью сжатого воздух или безвоздушным способом, в электрическом поле и т.п. Основными показателями в процессе нанесения жидких клеев являются: число наносимых

слоев клея на поверхность склеивания, расход клея при нанесении каждого слоя и режимы сушки каждого слоя и всех слоев вместе, так как от этого зависит определение количества растворителя, который отрицательно влияет на свойства клеевых соединений, снижая их прочность и термостабильность.

Пастообразные клеи наносят шпателем, роликом и другими приспособлениями под давлением или в электрическом поле. Пастообразные клеи обычно не содержат растворители, но при комнатной температуре обладают текучестью. Поэтому при их нанесении следует строго контролировать расход. Так как при его недостатке могут быть непроклеи, а при избытке - сильное его растекание и загрязнение оснастки. Если клей содержит растворитель, то поверхности обязательно подвергаются открытой выдержке и сушке для его удаления.

Нанесение порошкообразных клеев на изделия часто проводят автоматизировано - в электрическом поле на конвейере. После нанесения порошок оплавляют, детали охлаждают и хранят до сборки с нанесенным клеем в течений 15-30 суток.

Запрессовка склеиваемых элементов и отверждение клея являются исключительно ответственными операциями. Склеивание клеевого шва должно формироваться под давлением. При нагревании, когда идет процесс отверждения клея, остатки растворителя, воздух и летучие продукты, образующиеся при отверждении, выделяются из клея и вспенивают его. Для предотвращения вспенивания клея отверждение проводят под давлением в пределах от 0,05 до 2МПа. При этом достигается равномерное растекание клея и получаемся плотный клеевой слой с требуемыми свойствами. Давление создают вакуумом или с помощью пресса, или в автоклаве; детали нагревают и выдерживают при заданной температуре определенное время для отверждения клея. После отверждения клея детали охлаждают до 60-80 °С, снимают давление и равномерно охлаждают детали до комнатной температуры.

При контроле качества готовых изделий непроклеи и утолщенную клеевую прослойку выявляют простукиванием, а также с помощью приборов. К сожалению, современные методы контроля качества не могут выявить такой дефект как пониженная адгезия клея к субстрату. В связи с этим для получения качественных клеевых соединений введен строгий пооперационный контроль выполнения технологического процесса склеивания.

Классификацию синтетических клеев проводят по способности склеивать те или другие материалы (клеи для бумаги, древесины, для металла и т.п). Однако такая классификация не совсем удачна, поскольку один и тот же клей может склеивать различные материалы. Иногда клеи делят на конструкциионные (силовые) и неконструкционные в зависимости от способности клеевых соединений воспринимать более или менее значительные нагрузки.

По способу отверждения выделяют клеи холодного и горячего отверждения. Различают также клеи низкой, средней и повышенной теплостойкости.

Наиболее приемлема классификация, в основу которой положено разделение клеев по химической природе, а именно по свойствам связующих, входящих в состав клея. Если в состав клея входит несколько связующих с различными свойствами, то клеи классифицируют по основному компоненту:

1) термореактивным смолам (фенолоформальдегидные, фурановые, эпоксидные и др.);

2) термопластичным полимерам (поливинилацетат, полиизобутилен и др.

3) эластомеры - каучукообразным полимерам (хлоропреновые эластомеры).

Клеи на основе термореактивных смол образуют, как правило, прочные и термостойкие клеевые соединения. Их обычно используют в силовых конструкциях из металлов и неметаллов.

Клеевые соединения на основе термопластов характеризуются невысокой теплостойкостью, ползучестью под нагрузкой и применяются для не силовых соединений.

Клеи на основе эластомеров хорошо ведут себя в условиях ударных нагрузок, вибраций, повышенных температур и агрессивных сред.

Фенолоформальдегидные смолы (ФФС),получаемые поликонденсацией фенола с формальдегидом. поликонденсацией фенола с формальдегидом. являются составной частью многочисленных клеевых композиций. Для получения клеев применяются главным образом ФФС резольного типа с молекулярным весом 700-1000.

В качестве модифицированных каучуками фенолформальдегидных клеев чаще используют BK-32-2Q0, ВК-3, ВК-4₉ ВК-13, КЗ-13 М, ГИЛК-114 и др.

Рассмотрим более детально эпоксидные смолы представляющие собой олигомеры или индивидуальные низкомолекулярные продукты, которые в процессе отверждения превращаются в эпоксидные сшитые полимеры [Еселев]. Эпоксидные связующие широко применяют при создании защитных покрытий, для конструкционных пластмасс, стеклопластиков, для клеев различного назначения, и др. Перспективным направлением является использование эпоксидных связующих для лакокрасочных материалов (JIKM) в качестве основного компонента клеев и герметизирующих составов. Подчеркнем, что основной современной тенденцией в развитии эпоксидных ЛКМ является отказ от применения летучих растворителей, т.е.использование жидких лакокрасочных систем без растворителей (БЭПы), а также водоразбавляемых материалов и порошковых красок. По существу БЭПы можно рассматривать как клеевые композиции. Фирма "Гамма" (г.Санкт-Петербург) производит более десятка марок таких ЛКМ и также водные ЛКМ на основе эпоксидных смол.

Промышленные отвердители могут быть поделены на несколько групп:

●алифатические ди- и полиамины, в первую очередь, полиэтилен-полиамины (ПЭПА);

●модифицированные алифатические амины: цианэтилированные амины, оксиэтилированные амины, аминоакрилаты, аминофенольные отвердители - основания Манниха;

●олигоамидные (версамиды) и имидазолиновые олигомеры;

●ароматические ди- и полиамины и их смеси;

●отвердители типа "Этал" -производные ароматических аминов и аминоамиды;

●циклоалифатические и арилалифатические амины;

●отвердители-пластификаторы типа полиоксиалкиленполиаминов ("джеффаминов");

●инициаторы полимеризации и ускорители отверждения типа комплексов трехфтористого бора или третичных аминофенолов;

●изоцианатсодержащие отвердители;

●ди- и политиолы;

●элементоорганические аминосодержащие отвердители.

Клеи на основе полиуретанов и изоционатов, характеризующиеся высокой адгезией к большинству материалов, применяют для склеивания при комнатной температуре и при нагревании. Адгезионные свойства полиуретанов обусловливаются наличием в их составе полярных -N=С=О групп. Для производства этих клеев применяют не полиуретаны, а исходные компоненты для их получения. Образование полиуретанов происходит в процессе склеивания. В качестве исходных компонентов берут изоцианаты и гидроксилсодержащие полиэфиры и многоатомные спирты.

Группа клеев на основе термопластичных полимеров включает композиции на основе полимеров этилена, диметилвинил-этинилкарбинола, производных акриловой и метакриловой кислот, полиимидов, полиизо-бутилена, поливинилового спирта, различных каучуков. Особенностью таких клеев являются хорошая эластичность и невысокая теплостойкость. Последнее сильно ограничивает их применение. Клеи на основе термопластичных полимеров применяют в виде растворов в органических растворителях или в мономерах в виде форполимеров, представляющих собой вязкие жидкости, а также же в виде клеящих лент и пленок.