Лаб.раб. №3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

ТЕМА: «Оценка качества полихлоропреновых клеев и исследование процесса склеивания обувных материалов»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить свойства полихлоропреновых клеев, технологию склеивания различных по природе обувных материалов и исследовать влияние технологических факторов процесса склеивания на прочность соединения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

• приготовление ПХП – клея заданной концентрации;

• склеивание образцов по различным технологическим режимам, варьирование технологическими параметрами процесса склеивания;

• испытание полученных склеек; исследование влияния выбранных факторов на прочность клеевого шва; построение графиков полученных зависимостей.

ОБОРУДОВАНИЕ: Колбы на (100 мл) для приготовления раствора ПХП – клея требуемой концентрации, вискозиметр ВЗ-1, термоактиватор, пресс лабораторный, секундомер, разрывная машина РТ-250.

Физико-химическая структура полихлоропреновых каучуков и свойства клеев на их основе

Полихлоропреновые каучуки, являющиеся базовым полимером клеевой композиции, представляют собой продукт низкотемпературный (0-10^оС) полимеризации хлоропрена. В результате получают стереорегулярный полимер, в основном, с 1,4-транс-структурой (85-95%) звеньев в основной цепи макромолекулы (рисунок 1).

– CH₂ – C Cl= CН – CH₂ –

n

Рисунок 1 Структура звеньев полихлоропренового каучука

Характерным признаком полимеров такой структуры является расположение функциональных, химически активных групп –С и –Н по обе стороны двойной связи. Это обуславливает регулярность строения ассоциатов макромолекул, более высокую степень кристалличности, термопластические и адгезионно-когезионные свойства. Вместе с тем наличие связи типа С=С в основной цепи и отсутствие громоздких функциональных групп в боковых ответвлениях предопределяют среднюю полярность полихлоропрена (ПХП), высокую от -3^оС до 0^оС температуру кристаллизации (-35^оС до -40^оС температура стеклования) и относительно невысокую 45-50^оС-температуру рекристаллизации (60-70^оС-температура плавления). Полярность полихлоропрена позволяет использовать его одинаково успешно как для слабополярных резин широкого спектра, так и среднеполярных натуральных кож низа. В композицию полихлоропренового каучука кроме базового полимера входят:

• дополнительные пленкообразователи;

• вулканизирующие агенты;

• мягчители;

• стабилизаторы;

• антистарители и наполнители.

Для увеличения адгезии к слабополярным полимерам дополнительно вводят хлорсодержащие соединения, модифицирующие поверхность субстрата.

Прочность клеевого соединения зависит от целого ряда факторов, носящих физико-механический и технологический характер.

Микрорельеф поверхности субстрата предопределяет механический аспект установления прочной адгезионной связи, поскольку степень развитости удельной поверхности подложки влияет в первую очередь на площадь контакта на границе раздела и, во вторых, на скорость прохождения физико-химических процессов. Последнее обстоятельство особенно важно в связи с уменьшающимися во времени диффузионными процессами жидкого клея-раствора. Оптимальная глубина неровностей составляет 60-70 мкм для резин и 80-120 мкм для кож низа.

Реологические свойства клея влияют на процесс смачивания и растекания адгезива по поверхности субстрата, увеличивая площадь контакта и прочность склеивания. При краевом угле смачивания φ, близком к 1-2 град., имеет место полное растекание и, наоборот, при угле около 180 град. наблюдается полное несмачивание. Оба свойства одинаково отрицательно влияют на конечный результат. Оптимальный φ в пределах 20-40 град. достигается при правильном подборе клеев для конкретных материалов с учетом полярности обоих субстратов.

Полярность материала зависит от физико-химической природы, как клея, так и любого обувного материала и косвенно выражается величиной поверхностной энергии γ. В случае, когда у клея γ немного меньше γ материала, имеет место среднее по величине смачивание. Таким образом: полярные материалы хорошо склеиваются полярными клеями, а неполярные – неполярными или слабополярными адгезивами. Полярность обоих реагентов зависит от наличия сильных функциональных групп, их места в донорно-акцепторном ряде, гибкости макромолекулярных цепей, наличия и степени развитости физических связей.

Проникающая способность клея влияет на прочность клеевого шва. Создание необходимой «глубины» клеевой пленки зависит от реологических свойств адгезива и определяется условиями протекания диффузионных процессов. Проникающая способность клея связана с подготовкой поверхности субстрата, с молекулярной массой базового полимера, строением макромолекулы и концентрацией клея-раствора.

Толщина клеевого слоя определяется, в основном, когезионными и аутогезионными свойствами поверхностного слоя адгезива и, вместе с тем глубиной «грунтующего» слоя. Оптимальной считается величина в пределах 100-120 мкм над поверхностью наиболее выступающих «пиков» микрорельефа субстрата и «грунтующего» слоя. Суммарная толщина клеевой пленки зависит от количества наносимого клея, его концентрации, способа нанесения, температуры термоактивации, величины давления прессования и, наконец, скорости кристаллизации каучука.

Способ нанесения и количество адгезива оказывают существенное влияние на процесс формирования гомогенной клеевой пленки. Большое количество клея создает трудности при нанесении. При этом наблюдается выдавливание клея из шва. При массе меньше оптимальной – образование «голодной» склейки, т.е. «пики» микрорельефа субстрата выступают над клеевой пленкой.

Температура и время термоактивации в одинаковой степени влияют на получение клеевого шва с высокой прочностью и зависят не только от природы материала подложки, но и от его цвета, толщины, расстояния до источника тепла, от оптических характеристик и его мощности. При перегреве клеевой пленки и подложки возможно появление так называемого «вылегание следа» обуви и образование «тяжей» вследствие медленной рекристаллизации адгезива.

Давление и время прессования приобретают решающую роль на заключительном этапе технологического процесса склеивания, поскольку, также как температура и время термоактивации, влияют на «вылегание следа». Кроме того, чрезмерно высокому давлению прессования сопутствует появление значительных по величине тангенциальных и нормальных напряжений, обусловленных разностью упруго-эластических свойств (после снятия давления) твердеющей клеевой пленки и сокращающегося в размерах материала подложки.

Выстой изделия после склеивания отражает процесс кристаллизации базового полимера клеевой композиции в статических условиях во времени, приводящий к увеличению когезионно-адгезионной прочности. По скорости реакции различают клеи медленно-, средне- и быстро кристаллизующиеся.

Технология приготовления и применения полихлоропренового клея-раствора

Состав и приготовления клея

Полихлоропреновый клей представляет собой раствор сложной по химическому составу клеевой композиции (таблица 1) в смеси органических растворителей в соотношениях: полихлоропреновый каучук 10-25%, растворитель 90-75%.

Таблица 1. Химический состав композиций для полихлоропренового клея

№ п/п	Компоненты	Рецептура, вес. част.
		№1	№2	№3
1	Полихлоропрен - НТ	100	70-100	50
2	Импортные полихлоропреновые каучуки	-	0-30	50
3	Оксид цинка	10-20	15	10-15
4	Оксид магния	0-7	3	0-8
5	Тиурам Д	1,5	-	0-1,5
6	Хлорное железо	0-1,5	0-1	0-1,5
7	Смола 101К	5-20	6-10	10-15
8	Инден-кумароновая смола	5-20	-	10-15
9	Канифоль	0-4	-	0-4
10	Диоксид титана	-	-	0-5

ПОДГОТОВКА И СКЛЕИВАНИЕ ОБРАЗЦОВ

Для испытания [1] используют систему материалов «кирза + кожволон» на сдвиг и расслаивание, и систему «кожволон + кожволон» при испытании на теплостойкость или любую другую систему по указанию преподавателя:

• на расслаивание: по 5 образцов длиной 120±2 мм и шириной 25±0,6 мм кирзы двухслойной гладкокрашеной (ГОСТ 19196-80) по направлению основы и кожволона марки «К» толщиной 3,5±0,5 мм (ГОСТ 1792-71);

• на сдвиг: по 5 образцов длиной 80±1 мм и шириной 20х0,5 мм из тех же материалов;

• на теплостойкость: 10 образцов кожволона марки «И» длиной 120±2 мм и шириной 25±0,6 мм.

100 мм

20 мм

Рисунок 2 Схемы соединения образцов

«Рабочую» поверхность образца длиной 100±1 мм на расслаивание 10±0,8 мм на сдвиг взъерошивают абразивным полотном на тканевой основе (электрокорунд нормальной зернистости №8, 10, 12 марок СС14А8НМ, СС14А10НМ, СС14А12НМ по ГОСТ 5009-82). На подготовленную поверхность материалов низа и верха равномерно наносят слой адгезива (таблица 2). Сушку клеевой пленки при однократной намазке проводят в течение 90 мин при температуре 20±3^оС. При двукратной намазке – 10-15 мин после первой намазки и 60-90 мин после второй. Масса клеевой пленки после последней сушки должна быть: на кожволоне, резине, ПУ, ПВХ 0,15-0,25 г при испытании на расслаивание и теплостойкость и 0,012-0,020 г при испытании на сдвиг;

на кожах низа, верха и обувных тканях при испытании на расслаивание 0,6-0,8 г и 0,06-0,10 г при испытании на сдвиг.

Таблица 2. Количество нанесение клея на материал подложки

Материал подложки	Концентрация клея, %		Намазка
Натуральная кожа верха	6	12	первая
Натуральная кожа низа	23	25	вторая
Монолитная или микропористая резина, пенорезина, литьевая резина	18 12 20	20 14 22	однократно первая вторая
Кожкартон, картон, СЦМ	23	25	однократно
Некоторые виды пластмасс (ЭВА)	14	16	однократно

Перед склеиванием образцы подвергают термоактивации при режимах, указанных в таблице 3. В результате температура клеевой пленки должна быть не менее 45-50^оС. После термоактивации, не позднее, чем через 10-15 сек, образцы складывают «рабочими» поверхностями (рисунок 2), помещают в пресс с плоскопараллельными плитами и прессуют при давлении.

Время прессования для испытания на расслаивание не менее 30 сек., на сдвиг – 10 сек. Нижняя плита должна иметь резиновую накладку.

Таблица 3 Режимы термоактивации клеевых пленок

Материал подложки	Цвет материала	Температура	Источник излучения/время активации
		Со	1	2	3	4
Резина любого типа	светлый	85-90	60-90
	темный		40-50
				90
					30-40
						15-20
натуральные кожи верха и низа обуви	светло-коричневый	85-90		около 60
	темный			30-40
		110			120
		120			30
		150				20-30

Источник излучения:

1 – Рефлектор с открытой спиралью

2 – Термостат с нагревателем ТЭН

3 – Инфракрасная зеркальная лампа типа ЗС

4 – Кварцевые галогеновые лампы типа КГД

Проведение испытаний образцов

Испытание образцов на сдвиг и расслаивание проводят на разрывной машине РТ-250 при скорости движения нижнего зажима 100мм/мин и первоначальном расстоянии 50±5 мм, причем в верхний зажим вставляют более тонкий образец (ткань, кожа верха и т.п.).

Определение прочности склеивания материалов методом расслаивания

Склеенные образцы выдерживают 24 часа при температуре 20±3^оС и влажности 50-70%. При отсутствии самопишущего устройства на разрывной машине в ходе испытания записывают не менее 10 показаний величины нагрузки (кН) через каждые 10 мм, отсчитываемых по шкале удлинений, не останавливая машину. Показатель прочности на расслаивание σ_р вычисляют по формуле:

(1)

где: Р_ср – среднеарифметическое из 10 показаний, Н;

В – ширина образца, м

В случае преждевременного разрыва одного из образцов допускается рассчитывать Р_ср по числу показаний, которые были получены до этого момента. Результаты испытаний заносят в таблицу 4.

Определение прочности склеивания материалов методом сдвига

Склеенные образцы выдерживают 24 часа при температуре 20±3^оС и влажности 50-70%. При испытании на сдвиг регистрируется только одна, конечная величина нагрузки. Прочность в этом случае рассчитывают по формуле:

(2)

где: Р – максимальная величина нагрузки, Н

S – площадь клеевого шва, м².

В случае преждевременного разрыва одного из образцов считается, что прочность склеивания выше прочности собственно материала. Поэтому в расчетах принимается эта последняя, как минимальная прочность на сдвиг. Результаты испытаний заносят в таблицу 4.

Таблица 4 Результаты испытаний клеевых соединений

Системы материалов Метод испытания

Характер разрушения клеевого соединения

Нагрузка при расслаивании, Н

Средняя величина нагрузки

Нагрузка при испытании на сдвиг

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

мм

мм

мм

мм

мм

мм

мм

мм

мм

мм

Н

Н

на расслаивание материал:

на теплостойкость материал:

на скорость схватывания материал:

на сдвиг материал:

Определение первоначальной прочности склеивания материалов

Образцы выдерживают в течение 60 сек при температуре 20±3^оС и влажности 50-70%. Первоначальную прочность или скорость схватывания определяют стандартным методом.

Определение теплостойкости клеевого шва методом расслаивания

Образцы выдерживают 24 часа при температуре 20±3^оС и влажности 50-70%, а затем в термостате при температуре 44±1^оС в течении 1,5 часов. Расслаивание проводят сразу же после извлечения из термостата, не допуская охлаждения образцов.

Определение количества сухого остатка

Навеску клея в количестве 3-5 г вносят в предварительно взвешенную алюминиевую бюксу с точностью до 0,001 г и сушат в термостате при температуре 105±2^оС до постоянной массы, т.е. когда три последних измерения веса бюксы (при закрытой крышке) остаются постоянными. Количество сухого остатка определяют по формуле:

Сухой остаток = (3)

где: a- масса сухого клея, г

b- масса навески клея, г

Результаты испытаний заносят в таблицу 5.

Определение условной вязкости полихлоропренового клея-расплава

Вязкость полихлоропренового клея определяют в соответствии с ГОСТ 8420-74 по вискозиметру типа ВЗ-1 с диаметром выходного сопла 5,4±0,3 мм. В резервуар прибора наливают клей до уровня штифтов при закрытом отверстии. Температуру в рубашке вискозиметра 20±3⁰С поддерживают с помощью термостата УТУ. После стабилизации температуры под сопло устанавливают стакан емкостью 50 см³, вынимают заглушку и включают секундомер в момент появления капли адгезива из сопла и оставляют по достижении метки 50 см³ на стакане.

Условной вязкостью клея является время истечения 50 мл раствора. Расхождение между двумя параллельными измерениями не должно превышать 5%. Результаты эксперимента заносят в таблицу 5.

Таблица 5 Определение физико-механических свойств клея

Образец	Навеска клея, г	Чистый вес бюксы, г	Время сушки, мин	Сухой остаток в ходе экс., г	Условная вязкость, сек
					Образец №1	Образец №2

ОТЧЕТ ПО РАБОТЕ

По заданию преподавателя исследовать влияние температуры и времени термоактивации клеевых пленок, цвета материалов, времени выдержки и величины давления прессования на прочность клеевого соединения.

Исследовать зависимость условной вязкости от температуры клея. Определить сухой остаток исследуемого клея.

По результатам работы построить графики полученных зависимостей и сделать анализ результатов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Методика оценки качества обувных материалов и полиуретановых клеев. – М.: ЦНИИТЭИлегпром, 1987.

2. Технология производства обуви. Часть VII. Рецептура клеев, отделочных и вспомогательных материалов. – М.: ЦНИИТЭИлегпром, 1977.

Расчеты по работе:

Выводы: