литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

484 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Первой фазой процесса склеивания является смачивание поверхности. Приро­ дой предписано, что жидкости смачивают твердую поверхность, если поверхностная энергия твердого субстрата больше, чем она же у жидкости. [91-93]. Чтобы смачива­ ние прошло правильно, критическое поверхностное натяжение полимерного субстра­ та должно быть больше, чем поверхностное натяжение клея.

Металлы и оксиды металлов, имеющие высокое поверхностное натяжение, легко смачиваются рядом органических и неорганических жидкостей с более низким по­ верхностным натяжением. Капля воды будет стремиться распределиться по поверх­ ности оксида металла. Однако капля полярной воды плохо будет смачивать неполярные

снизкой энергией поверхности, такие как воск и ПЭ. Контактный угол смачивания между жидкостью и твердой поверхностью позволяет визуально оценить смачивае­ мость. Многие проблемы склеивания деталей из полимерных материалов связаны

сих смачиваемостью. Значения критического поверхностного натяжения чистых по­ лимерных поверхностей, и поверхностные натяжения некоторых жидкостей приве­ дены в табл. 6.3, а и 6.3, Ь [91, 92, 94].

Данные табл. 6.3 показывают, что поверхность из ПЭ не может быть смочена стан­ дартным эпоксидным клеем. Смачивание является важной проблемой при склеива­ нии материалов с низкой поверхностной энергией, таких как ПЭ и ПТФЭ. Для того чтобы эффективно склеить материалы такого типа, для повышения поверхностной энергии их поверхность необходимо химически модифицировать или применить клеи на основе, например, фторированной эпоксидной смолы с относительно низкой поверхностной энергией.

Рис. 6.130. Поверхностная энергия/поверхностное натяжение влияет на способность клея смачивать поверхность

Рис. в.131. Влияние молекулярной массы клея на его вязкость и механические свойства

достигается только при высокой его молекулярной массе, которая придает материалу значительную вязкость.

Хотя воск может быть более текучим, но он имеет существенно более низкую прочность при растяжении и сдвиге, чем высокомолекулярный ПЭ. Прочность кле­ евого слоя очень важна, поскольку разрушение клеевого соединения может произой­ ти вблизи межфазной границы или когезионно по клеевому слою, или по одному из субстратов (рис. 6.132).

Рис. 6.132. Возможные зоны разрушения клеевого соединения

Клей должен быть текучим для обеспечения смачиваемости поверхности в процес­ се склеивания, в то же время он должен превратиться в прочный твердый материал, способный удерживать соединяемые поверхности. Чтобы полимер клея стал таким материалом, он в конце концов должен иметь высокую молекулярную массу. Поэто­ му изготовитель клеев сталкивается со сложной задачей — создать клей, который

с одной стороны, во время применения был бы жидким и, с другой — переходил бы в прочный материал (в течение приемлемого времени) без чрезмерной усадки.

Переход клея из жидкого в твердое состояние может быть осуществлен несколь­ кими способами:

Клеи в виде растворов полимера

В данных клеях используется один или несколько летучих растворителей для растворения полимерной основы клея. Клеи-растворы имеют относительно низкую вязкость. После нанесения клея на соединяемую поверхность, растворитель испаря­ ется, оставляя только высокомолекулярную полимерную массу. В эту же категорию клеев попадают растворы на основе эластомеров или резиновой смеси. Пастообразные или уплотняющие термопластичные цементы также состоят из определенного коли­ чества базовой смолы и смеси растворителей. Растворитель влияет на продолжи­ тельность склеивания и качество соединения, в то время как концентрация полимера влияет на вязкость и способность клея заполнять зазоры. Уплотняющие термоплас­ тичные цементы считаются не обычными клеями, а содержащими растворимые при­ садочные материалы, обладающие способностью заполнять щели. Опасное воздей­ ствие на окружающую среду содержащих растворитель клеев ограничивает их применение. Водоэмульсионные клеи, которые могут быть отнесены к этой же группе клеев, быстро приобретают популярность.

Клеи на основе мономеров

Низкомолекулярные мономеры, имеющие консистенцию подобно растворите­ лям, также используются в качестве клеев. Эти жидкие клеи обычно используются, когда нужно получить очень тонкий слой фиксирующего компонента. Полимери­ зация инициируется светом, нагревом и отсутствием кислорода (анаэробные клеи). К мономерным клеям относятся композиции на основе акрилатов и цианоакрилатов.

Клеи на основе форполимеров1

Форполимеры с низкой и средней молекулярной массой широко используются

вкачестве клеев благодаря их универсальности, простоте обработки, малой усадки и способности заполнять зазоры. Эти клеи поставляются в виде одноупаковочных или двухупаковочных систем. В них не содержится растворителей. Отверждение осуществляется в результате химической реакции. После отверждения форполимер представляет собой полимер трехмерной химической структуры. Одноупаковочные системы отверждаются в результате нагрева или воздействия атмосферной влаги/кислорода, а двухупаковочные — в результате реакции между составляющи­ ми их компонентами при комнатной или повышенной температуре (конструкцион­ ные эпоксидные клеи, полиуретановые клеи и силиконовые клеи также попадают

врассматриваемую группу).

Полимерные клеи-расплавы

Многие термопласты могут быть использованы в качестве клеев в виде блоков. Эти полимеры, нагретые до температуры вязкотекучего состояния, способны смачи­ вать соединяемые поверхности и вновь затвердевать после охлаждения. Изменение состояния клеев — это чисто физический процесс, поэтому склеивание с их исполь­ зованием относительно легко автоматизировать. Клеи-расплавы представляют со­ бой системы достаточно вязкие, свободные от растворителей и способные хорошо заполнять зазор. Они широко используются для ряда соединений деталей, испытыва­ ющих легкие и средние нагрузки. Но имеются системы, обеспечивающие высокую прочность соединения. Некоторые из клеев представляют собой гибридные системы, например, полиуретановый термопласт с однокомпонентным термореактивным полиуретановым форполимером. Термопласт обеспечивает быстрое достижение началь­ ной прочности соединения, а термореактивные компоненты улучшают эксплуатаци­ онные характеристики клеевого слоя.

Соединение деталей с помощью полимерных клеев сильно отличается от про­ цесса клеевого соединения металлических деталей. Взаимодействие на границе кле­ евой слой—субстрат является результатом действия сил Ван дер Ваальса (связи физической адсорбции) и первичных, химических связей (связи химической адсорбции) [91] (рис. 6.133, а). При соединении деталей из термопластов с помо­ щью полимерных клеев существует потенциальная возможность диффузии поли­ мерных цепей через поверхность соприкосновения (6.133, Ь). Это может произой­ ти, когда используются клеи, содержащие растворители, мономерные клеи или даже клеи-расплавы (благодаря термическим эффектам). Процесс клеевого со­ единения для многих деталей, особенно изготовленных из аморфных термоплас­ тов, представляет собой нечто среднее между сваркой растворителем и клеевым соединением. Экстремальный случай сварки растворителем отражен на схеме (рис. 6.133, с).

Форполимер (прсиолимср) — олигомср, содержащий реакционно-способные группы, и поэтому способный к росту пеней с образованием высокомолекулярного полимера. — Прим. науч. ред.

490 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕ'/

выполнить соединение деталей с различного рода неровностями. При этом нужно учи­ тывать, что клеевой слой будет подвергаться в течение длительного времени действию напряжений, когда деталь будет стремиться вернуться в исходное состояние. Величина зазора и требования к его заполнению могут быть уменьшены, если детали во время операции склеивания выпрямляются с помощью фиксирующих или зажимных при­ способлений.

Поверхности деталей имеют определенную шероховатость, которая может быть увеличена шлифованием. Повышение шероховатости способствует увеличению силы адгезии, так как увеличивается поверхность соприкосновения деталей и возможности механического сцепления. Однако необходимо, чтобы клей полностью смачивал ше­ роховатую поверхность, что иногда оказывается достаточно сложно, если материал детали имеет поры, а клей слишком вязкий. Склеиваемые поверхности могут быть обработаны, кроме шлифования, другими видами механической обработки. При об­ работке поверхностей необходимо учитывать направление нагружения соединения, чтобы следы от обработки совпадали с этим направлением. Поверхности должны быть обработаны так, чтобы максимизировать прочность соединения при сдвиге и от­ рыве. Чистота и химический состав материала поверхности также являются крити­ ческими параметрами.

Потенциальная возможность адгезионного разрушения клеевого соединения мо­ жет быть минимизирована, если поверхности детали подготовлены правильно. Обра­ ботка поверхности при осуществлении чисто клеевых соединений имеет большее значение, чем в случае соединений, выполняемых с использованием растворителей и сварки. Предварительная обработка поверхностей предназначены для выполнени одной или нескольких задач [92,95]:

•удаления загрязнений;

•удаления слабого пограничного слоя;

•изменения химических свойств поверхности.

Для удаления загрязнений и слабых пограничных слоев используется протирка тампоном с растворителем, обезжиривание в паровой фазе, очистка моющими сред­ ствами или ультразвуковая очистка. Перед склеиванием с поверхности деталей дол­ жны быть удалены смазки, перешедшие с поверхности литьевых форм или из объем! пластмассы, лубриканты, пластификаторы, пыль, масло и консистентная смазка. Ис­ пользование смазок может быть исключено, по тогда появятся затруднения с вытал­ киванием деталей из литьевых форм. Чтобы снизить вероятность загрязнения, реко­ мендуют минимизировать число операций во время формования деталей и сборки изделия. Работа в перчатках, хранение деталей в герметичных контейнерах и автом; - тизация уменьшают возможность загрязнения поверхности.

У многих термопластов довольно низкая поверхностная энергия. Эта проблема осо­ бенно актуальна для ПЭ, ПП, а также ПТФЭ. Перечисленные материалы имеют отл1гчную стойкость к растворителям, поэтому клеи, содержащие растворители, к ним не­ применимы. Чтобы улучшить смачиваемость, критическое поверхностное натяжение деталей из этих материалов повышают химической обработкой или оксидировани­ ем поверхности. К модифицирующей обработке относятся: травление, обработка пла­ менем, коронным разрядом, горячим воздухом или в газоразрядной плазме [92J.

492 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕ.1.'

слоев детали, не затрагивая объем материала. Для плазменной обработки в качестве рабочих газов используют кислород, аммиак, воздух и галогены [92,96].

Вне зависимости от метода, который используется для очистки и подготовки поверхности, очень важно поверхность после предварительной обработки сохранять чистой. Число ручных операций должно быть максимально сокращено, а детали должны храниться в помещениях в условиях, недопускающих попадания смазок, масел и пыли.

Интервал времени между обработкой поверхности и операциями самого процес­ са склеивания является важным параметром. Лучше склеивать детали сразу же после предварительной обработки, чтобы ограничить возможности загрязнения. При боль­ шом указанном интервале активированная поверхность может изменить свой хими­ ческий состав [92].

6.6.3. Выбор клея

Выбор клея зависит от большого числа факторо и обстоятельствв, к которым относятся:

•окружающая среда в условиях эксплуатации;

•ожидаемый уровень напряжений;

•химические свойства поверхности субстрата;

•жесткость субстрата;

•КЛТР субстрата;

•требования к способности по заполнению зазора;

•способ применения.

Окружающая среда в условиях эксплуатации

Клеи — это полимерные материалы и их свойства в значительной степени зависят от температуры, относительной влажности и других факторов окружающей среды. Очень важно, чтобы выбранные клеи после завершения процесса склеивания имели нужные свойства в ожидаемых экстремальных условиях окружающей среды. Это может быть очень сложной проблемой, поскольку клеевые прослойки, хорошо работающие при вы­ сокой температуре оказываются хрупкими при низкой температуре, и, наоборот, при низкой температуре имеют низкую прочность или размягчаются при высокой темпера­ туре. Длительное воздействие окружающей среды или старение оказывают влияние на прочность клеевых соединений. Процесс разрушения по границе клеевой слой-соединя- емая поверхность называется десорбцией. К десорбции может привести длительное воз­ действие влаги, содержащейся как в материале детали, так и в окружающей среде [92].

Уровень напряжений

Уровень напряжений, которые может воспринимать соединение, зависит от его конструкции и от выбранного клея. Скорость, частота и длительность нагружения должны быть количественно оценены до выбора клея. Возможность неправильного применения должна быть также тщательно рассмотрена.

Химические свойства поверхности субстрата

Выбранный клей должен смачивать и взаимодействовать с обеими соединяемы­ ми поверхностями. Выбор клея для конструктора ограничен, когда соединяемый ма­ териал имеет очень низкое поверхностное натяжение. Легче всего подобрать клей для