6.2. Клеевые соединения

Клеевые соединения в конструкциях с применением пластмасс чаще всего работают на сдвиг, однако в некоторых случаях соединение может испытывать усилия, вызывающие в нем растяжение, которое применительно к клеевым швам называют отрывом. В зависимости от характера распределения растягиваю­щих напряжений по протяженности шва различают равномерный и неравномерный отрыв (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Клеевые соединения и характер их работы: а — сдвиг; б — отрыв; в — неравномерный отрыв; 1 — клеевой шов

При выборе марки (состава) клея для соединения различных материалов руководствуются следующими требованиями:

клей должен: иметь хорошую адгезию (прилипаемость) к обоим соединяемым материалам. Наилучшим принято считать клей, обес­печивающий разрушение не по клеевой прослойке, а по одному из соединяемых материалов; быть достаточно дешёвым; не вызывать коррозию или другие виды химической деструкции у склеиваемых материалов; быть технологичным, т. е. позволять производить про­цесс склеивания наиболее простым и дешёвым путём и возможно менее токсичным; клеевая прослойка должна быть достаточно эла­стичной и иметь коэффициент линейного расширения, соответствую­щий коэффициенту а склеиваемых материалов, а также обладать достаточной долговечностью.

Клеи удобнее всего классифицировать по типу их основного по­лимерного компонента. Согласно этой классификации различают клеи термореактивные, термопластичные и клеи на ос­нове каучуковых смол. Кроме того, внутри этих групп можно раз­личать клеи по способу отверждения: без подогрева, с умеренным или сильным нагревом соответственно холодного, теплого и горя­чего отверждения; по теплостойкости, по водостойкости и др.

К термореактивным клеям относят клеи на основе феноло-формальдегидных, резорциновых, эпоксидных, карбамидных, полиэфир­ных смол (табл. 6.2). Эти клеи обладают высокой прочностью и теплостойкостью, большинство из них водостойки. Терхмореактивные клеи твердеют, как правило, после введения отвердителя, при этом процесс отверждения может протекать без подогрева при t=16—20° С и с подогревом. В последнем случае продолжитель­ность отверждения может быть

Таблица 6.2

существенно сокращена, что может использоваться на производстве для ускорения операции склеива­ния.

Феноло-формальдегидные клеи — основные клеи для склеивания древесных материалов и многих пластмасс (стекло­пластиков, пенопластов). Они позволяют получить высокопрочные и водостойкие соединения; исходные компоненты дешевы и неде­фицитны; они твердеют без подогрева и с нагревом. Однако в про­цессе твердения выделяют летучие вещества (водяные пары, фе­нол), вследствие чего процесс твердения требует сравнительно вы­сокого давления (0,05—0,5 МПа). По мере твердения клея проис­ходит его усадка, которая вызывает внутренние напряжения. Эти клеи дают хрупкий шов. Ядовитый фенол требует вытяжной вен­тиляции.

Наибольшее распространение из этой группы клеев получил клей КБ-3, состоящий из смолы марки Б и отвердителя — контак­та Петрова.

Резорциновые клеи применяют для склеивания древеси­ны. Отсутствие в их составе кислого отвердителя позволяет ис­пользовать их также для склеивания материалов на основе цемен­та (асбестоцемента, бетонов). Резорциновые клеи водостойки, твердеют при нормальной температуре или с нагревом. Клей мар­ки ФР-12 (резорцино-формальдегидный) является наиболее проч­ным из них. Алкилрезорцино-формальдегидные клеи (ФР-100, ДФК-1АМ) дешевле клея ФР-12 и менее прочны. Их могут при­менять для склеивания асбестоцемента, пенобетонов, пенопластов.

Основные преимущества резорциновых клеёв перед феноло-формальдегидными заключаются в меньшей токсичности компонен­тов и большей стабильности свойств смолы при её хранении, а вследствие этого и большей однородности механических свойств клеевого шва.

Эпоксидные клеи наиболее прочные и универсальные; при отверждении почти не дают усадки. Они склеивают пластмассы, металлы, древесину, бетон. Недостаток эпоксидных смол — их хруп­кость— сглаживается путём модификации клеёв каучуками или тиоколом. Модифицированные клеи (К-153, К-139, К-147) более эластичны и менее чувствительны к отдирающим усилиям и к ударам, чем клей марки ЭПЦ-1. С целью удешевления в клеи для строительных конструкций вводят наполнитель — портландцемент в количестве 100—200 вес. ч. на 100 вес. ч. основной смолы (ЭД-20). Эпоксидные клеи имеют и технологические достоинства, не требуя высокого давления, после введения отвердителя твердеют без подо­грева или с умеренным нагревом.

Полиэфирные клеи используют в основном для склеива­ния полиэфирных стеклопластиков между собой и с другими мате­риалами. Твердеют с нагревом и без подогрева. Наиболее распространена в СССР полиэфирная смола марки ПН-1, применяемая для склеивания.

При склеивании светопрозрачных стеклопластиков клей ПН-1 позволяет получить светопрозрачные клеевые швы.

К термопластичным клеям относят прежде всего клеи, пред­назначенные для склеивания термопластов: перхлорвиниловые, полиметилметакрилатные и др. Эти же клеи можно использовать для склеивания термопластов с другими материалами, в частности с древесиной и металлами.

Перхлорвиниловыми клеями склеивают винипласт, а также винипласт с древесиной, металлами и т. п. По составу это раствор перхлорвинила в органических растворителях (ацетон, бензин и др.).

Полиметилметакрилатные клеи представляют рас­твор органического стекла (в виде стружек или порошка) в дихлор­этане. Используется для склеивания органического стекла с други­ми материалами.

Каучуковые клеи — клеевые композиции, состоящие из каучуков или смеси каучуков и синтетических смол, растворенных в органических растворителях. Характерные представители — клеи 88Н, КС-1. Они отличаются высокой эластичностью, отсутствием хрупкости, высоким сопротивлением отдирающим усилиям. Их недостаток — меньшая теплостойкость и водостойкость, чем у тер­мореактивных клеев. Клеи твердеют без введения отвердителя, при нагреве твердение ускоряется. При склеивании эти клеи не нужда­ются в продолжительно действующем большом давлении. Давле­ние нужно лишь для того, чтобы обеспечить контакт между склеи­ваемыми поверхностями, поэтому каучуковые клеи называют так­же контактными. Их применяют для склеивания металлов с метал­лами, металлов с пластмассами и тканей с резиновыми покрытиями между собой. Рекомендуемые марки этих клеёв в зависимости от соединяемых материалов приведены в табл. 6.3. Эти же клеи могут применяться в клееметаллических соединениях.

Таблица 6.3

Прочность клеевых соединений и их расчётные характеристики зависят от марки клея, вида напря­женного состояния (сдвиг, растяжение), природы соединяемых ма­териалов (см. табл. 6.4). Во многих случаях прочность клеевой прослойки оказы­вается выше, чем прочность одного (или обоих) соединяемых ма­териалов. В таких случаях расчётное сопротивление соединения определяют не по клеевому соединению, а по одному из соединяе­мых материалов. Это относится к пп. 2 и 4 табл. 6.4, где расчётное сопротивление соединения принято по прочности сдвигу и отрыву поверхностного (неармированного) слоя стекло­пластика, а также к пп. 6—9 табл. 6.4, в которых

Таблица 6.4.

П р и м е ч а н и е. Расчётные сопротивления клеевых соединений с пенопластом, отсутствующие в этой таблице, принимают по таблице 6.5

расчётные сопротивления клеевых соединений приняты по R_cр и R_p соответствующих пенопластов (см. табл. 6.5).

Во многих случаях прочность клеевой прослойки оказы­вается выше, чем прочность одного (или обоих) соединяемых ма­териалов. В таких случаях расчётное сопротивление соединения определяют не по клеевому соединению, а по одному из соединяе­мых материалов. Это относится к пп. 2 и 4 табл. 6.4, где расчётное сопротивление соединения принято по прочности сдвигу и отрыву поверхностного (неармированного) слоя стекло­пластика, а также к пп. 6—9 табл. 6.4, в которых расчётные сопротивления клеевых соединений приняты по R_cр и R_p соответствующих пенопластов (см. табл. 6.5).

Таблица 6.5.

Расчёетные сопротивления в МПа основных конструкционных пластмасс Наименование материала Вид напряженного состояния растяжение RР изгиб Rи Сжатие Rc срез (сдвиг) Rср Стеклопластик полиэфирный листовой 15 15 15 9 Стеклопластик АГ-4 220 110 90 - Стекло органическое 15 25 20 14 Винипласт листовой ВН 14 20 14 8,5 Полистирольный пенопласт: ПСБт при плотности, кг/м3: 40 0,04 - 0,04 - 60 0,06 - 0,06 - ПС-4 при плотности 40кг/м3 0,08 - 0,05 0,045 Поливинилхлоридный пенопласт ПХВ-1 при плотности 100 кг/м3 0,3 - 0,15 0,14 Феноло-формальдегидный пенопласт марок ФРП-1, ФП-1 при плотности 60 кг/м3­­ 0,02 - 0,03 0,02 Воздухонепроницаемые ткани: У-92 по основе 2350 - - - по утку 1050 - - - У-93 по основе 1280 - - - по утку 830 - - - № 110 Ф по основе 54 - - - по утку 25 - - -

Примечания: 1. Для вычисления кратковременного расчетного сопро­тивления можно воспользоваться формулой RKP=R/kДЛ. 2. Значения kДЛ для этого случая могут быть приняты следующими: для АГ-4 — 0,6; для органического стекла, винипласта и полиэфирного стеклопласти­ка — 0,4; для пенопластов — 0,3; для воздухонепроницаемых тканей — 0,3.

Прочность клеевых соединений и их долговечность связаны так­же с процессами, протекающими в клеевой прослойке при отверж­дении клея, и прежде всего с усадкой и температурными деформациями. Чем больше усадка клея, тем большие внутренние напря­жения развиваются в клеевой прослойке.

При быстром нагреве до высокой температуры неотвержденной клеевой про­слойки с целью скорейшего её отверждения внутренние напряжения в отверждённом клеевом шве будут намного больше, чем при постепенном, умеренном, но продолжительном прогреве.

Таким образом, чем больше внутренние напряжения в шве, тем меньшая доля всей прочности клеевого шва остается для сопротив­ления внешним силовым воздействиям.

Методика назначения расчётных характеристик клеевых соеди­нений аналогична методике, принятой для конструкционных пласт­масс R=R^н/k, где k - коэффициент безопасности по материалу. Значения коэффициентов изменчивости c_v для клеевых соединений лежат в широких пределах — от 0,1 до 0,30, а коэффициент безопасности по материалу k с учётом длительной прочности составляет от 1,9 до 7,7. Значение расчётных сопротив­лений клеевых соединений приведены в табл. 6.4.

Так же как и для конструкционных пластмасс, для клеевых со­единений при соответствующих эксплуатационных условиях вводят­ся коэффициенты условия работы; m_t — учитывающий температур­ный фактор; m_w — учитывающий влажностные условия; m_f — учитывающий атмосферные воздействия. Значения этих коэффициентов приведены в таблицах 6.6 и 6.7.

Таблица 6.6.

Коэффициенты условий работы mt к Rсp клеевых соединений при различных температурах Клеи Температура, С -40 -20 0 + 20 + 40 +60 +80 Эпоксидные: ЭПЦ-1 0,5 0,7 0,85 1 0,5 0,3 0,2 К-139 0,8 0,8 0,9 1 0,8 0,6 0,4 К-147 1 1 1 1 0,8 0,6 0,5 Феноло-формальдегид- ный КБ-3 — 0,8 — 1 — 0,8 — Полиэфирный ПН-1 0,8 0,8 — 1 0,6 0,5 0,4 Каучуковые: 1 88-Н; 88-НП 1 1 1 0,3 0,2 —

Таблица 6.7.

Коэффициенты условий работы Rcp клеевых соединений при повышенной влажности (mw) и в условиях атмосферных воздействий (m t ) mf для климатических районов Клеи mw сухого жаркого (Ташкент) нормаль­ного теплого (Баку) нормального холодного (Москва) сухого холодного (Мирный) Алюминий с алюминием Эпоксидные: ЭПЦ-1 0,7 0,7 0,85 0,9 0,75 0,9 К-153 0,7 0,9 0,60 0,85 К-139 0,7 — 0,5 0,30 0,85 К-147 0,5 0,9 0,9 0,55 0,85 Асбестоцемент с асбестоцементом Эпоксидные: ЭПЦ-1 0,8 0,6 0,9 0,8 0,9 К-153 0,8 0,6 0,9 0,8 0,9 Резорциновый ДТ-1 0,8 0,5 0,5 0,45 0,6 Стеклопластик со стеклопластиком Полиэфирный ПН-1 0,75 - - 0,8 - Феноло-формальдегид- ный КБ-3 0,75 - - 0,8 -

Рис. 6.2. Типы клеевых соединений: а — внахлестку; б — с односторонней и в — с двусторонними накладками; 1—клеевой шов

При устройстве клеевых соединений листовых материалов, в частности при стыковании обшивок и рёбер панелей, могут быть применены различные типы соединений внахлестку (рис. 6.2, а), с односторонней (рис. 6.2, б) или двусторонними (рис. 6.2, в) наклад­ками. Протяжённость клеевого шва с каждой стороны стыка (длина нахлестки _н) определяют расчётом шва на срез (если стык являет­ся силовым). Однако в любом случае длина нахлестки должна быть не меньше 8 толщин листа для асбестоцемента, 50 толщин листа для металлов и 20 толщин листа для стеклопластиков.