Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы адгезии полимеров. Учебное пособие
.pdf
а б в
Рис. 8.3. Схемы испытаний клеевых соединений на сдвиг:
а – испытание растягивающей нагрузкой одностороннего шва
внахлестку; б – испытание сжимающей нагрузкой двустороннего
соединения плиточных материалов; в – испытание при кручении
соединения прутков встык
Установлено, что разрушающее напряжение не зависит от
ширины образца, но линейно зависит от его длины до некоторого
предела. При дальнейшем увеличении длины образца разрушающая нагрузка стремится к постоянному значению вследствие концентрации напряжений у концов образца, обусловленной разностью деформаций склеенных элементов и их изгибом.
Испытание клеевых соединений на сдвиг (срез) под действием сжимающих нагрузок применяется для соединений материалов значительной толщины. Иногда этим методом испытывают
и образцы из тонких слоев металла, но в таких случаях к ним подклеивают для устойчивости толстые деревянные бруски.
Важное преимущество перед методами растяжения и сжатия имеет испытание на сдвиг при кручении. При этом возникает
чистый сдвиг без отрывающего усилия. В наиболее чистом виде
сдвиг реализуется при скручивании двух тонкостенных цилиндров,
склеенных торцами.
Хорошо известен также способ измерения адгезионной
прочности покрытий путем скручивания полых или сплошных цилиндрических стержней, приклеенных торцами к поверхности
покрытия.
101
8 . 5 . М е т о д м н о г о к р а т н о г о и з г и б а
Это метод можно рассматривать как совместную оценку когезионной и адгезионной прочности. Показателем, характеризующим адгезию или когезию пленок, является число циклов изгиба.
Осуществляется этот метод при помощи специальных приборов и только в том случае, когда в качестве субстрата используется тонкая эластичная поверхность, поддающаяся изгибу. Это может быть лавсановая лента, на которую наносится пленка толщиной 1–2 мм. Лента с пленкой совершает возвратно-поступательное
движение, представляющее, по сути, изгиб. Целостность пленки
фиксируется оптическим методом. Определяются отслаивание
пленки от ленты, адгезионная прочность и растрескивание пленки,
т. е. ее когезия.
Гораздо реже используется метод вздутия пленки, который
реализуется в различных вариантах:
а) вздутие создается сжатым воздухом: в пластине высверливается отверстие, определяется площадь отрыва пленки, давление воздуха, необходимое для ее отрыва (площадь отрыва абсолютно точно определить трудно, поэтому этот метод является косвенным);
б) вздутие создается жидкостью, например ртутью: замеряют давление ртути и объем, который она занимает между пленкой
и субстратом; на основании этих данных вычисляют работу, необходимую для отрыва пленки от субстрата (этот метод также не относится к числу точных).
8 . 6 . Н е р а з р у ш а ю щ и е м е т о д ы и с п ы т а н и й
К числу косвенных методов относятся методы, основанные
на одновременной деформации адгезива и субстрата до нарушения
адгезионного взаимодействия. Деформацию осуществляют сжатием, растяжением, изгибом, скручиванием, ударом.
Рассмотрим динамические (косвенные) методы, которые
дают возможность получить лишь относительные сведения об адгезионной прочности, что обусловлено различными причинами.
102
В зависимости от этих причин косвенные методы можно разделить
на две группы:
1. Методы определения адгезионной прочности, которые не
связаны с нарушением площади контакта. Характерный показатель – твердость пленки.
1) Метод решетчатого надреза, который применяют для
ориентировочного определения адгезии покрытий непосредственно
на изделии. С этой целью в покрытии делают надрезы (до подложки) в виде квадратной решетки со стороной клетки, равной 1 мм.
При хорошей адгезии покрытие нигде не отстает от подложки, при
удовлетворительной отстает от одной до нескольких клеток, при
плохой адгезии отстает почти вся решетка.
2) Метод царапания используется в основном для покрытий
на стекле и осуществляется резцом в виде твердосплавного наконечника, который совершает возвратно-поступательное движение
со скоростью 0,4 м/мин в одном направлении резца и шириной
0,2 мм. Адгезионная прочность оценивается путем определения
силы прижатия резца. При этом для определения адгезионной
прочности оцениваются сила (Н), ширина бороздки (М) и удельная
сила (Н/м).
2. Методы определения адгезионной прочности, происходящие с нарушением площади контакта: многократный изгиб, деформация адгезива сжатием, растяжением, изгибом, скручиванием,
ударом, прокатка. Измеряется число циклов изгиба, число циклов
при внешней нагрузке и прогиб образца в метрах. При этом учитывается соотношение между адгезией и когезией.
В целом для контроля адгезионных соединений следует ис-
пользовать совокупность разрушающих и неразрушающих методов.
103
З А К Л Ю Ч Е Н И Е
Подведем некоторые итоги того, о чем говорилось в этом
учебном пособии.
Адгезия – многогранное поверхностное явление, в основе
которого лежит молекулярное взаимодействие разнородных тел,
приведенных в контакт на границе раздела фаз, адгезива и субстрата.
У адгезии есть сопутствующие явления – аутогезия и коге-
зия, между которыми существует взаимосвязь и взаимозависимость. Основополагающее значение для понимания механизма адгезии полимеров имеет выявление характера взаимодействия адгезива и субстрата. Рассматривая различные теории адгезии, авторы
стремились больше внимания уделять термодинамике адгезии –
соотношениям поверхностных энергий адгезива и субстрата, закономерностям растекания адгезива, одновременно учитывая вопросы формирования адгезионного соединения, поверхностную и объемную диффузию, микрореологию.
Теоретической основой адгезии полимеров является ад-
сорбционно-молекулярная теория, которая учитывает физикохимические особенности полимерных адгезивов, закономерности
взаимодействий «полимер – субстрат» и факторы, обусловливающие прочность адгезионного соединения.
Адгезия и адгезионная прочность не тождественны. Об адгезионной прочности судят по удельной силе и удельной работе разрушения адгезионного соединения. Адгезионная прочность зависит
не только от молекулярного взаимодействия на границе раздела фаз,
но и от условий формирования соединений, формы и размера образцов, механических характеристик соединяемых материалов, условий
приложения разрушающего напряжения и многих других факторов.
При разрушении адгезионного соединения значительная
часть работы затрачивается на деформацию его компонентов. Адгезионная прочность может быть приравнена к адгезии только тогда,
когда адгезионное соединение лишено каких-либо дефектов, а разрушение соединения производят с бесконечно малой скоростью.
Практически эти условия невыполнимы, поэтому адгезия и адгезионная прочность не могут быть отождествлены.
Для направленного воздействия на адгезионную прочность
необходимо:
104
1) выбрать оптимальный тип адгезива для данного субстра-
та и заданных условий эксплуатации адгезионного соединения;
2) подготовить поверхность субстрата к нанесению адгезива;
3) подобрать оптимальные условия формирования адгези-
онного соединения.
Выбор оптимального адгезива для данного субстрата –
ключевое условие создания адгезионного соединения и решается
оно по-разному: изменением дозировки компонентов с активными
функциональными группами, введением специальных добавок
(с учетом особенности применяемого субстрата), введением в адгезив пластификаторов, подбором растворителя и т. д.
Оптимальное содержание активных групп в адгезиве зачастую подбирают эмпирически, так как в большинстве случаев отсутствует пропорциональность между адгезионной прочностью
и содержанием в адгезиве функциональных групп. Эта зависимость
часто носит экстремальный характер. С увеличением содержания
функциональных групп адгезионная прочность, достигнув определенного предела, перестает возрастать и даже начинает снижаться.
Это, очевидно, связано с уменьшением подвижности макромолекул
адгезива, возрастанием их жесткости и трудностью достижения
наиболее выгодного положения относительно активных центров
поверхности субстрата. Поэтому приходится экспериментально
подбирать для каждой системы адгезив с оптимальным содержанием функциональных групп. Это сложная и кропотливая работа, но
она приводит к созданию высокопрочных адгезионных систем.
Важнейшим способом направленного регулирования прочности адгезионного соединения является подготовка поверхности
субстрата – прежде всего очистка поверхности субстрата перед
нанесением адгезива. Особенно велико значение чистоты поверхности для материалов с высокой поверхностной энергией – металлов, стекол. Общеизвестна их способность адсорбировать пары
и газы, а также загрязняться маслами.
Поверхности полимерных субстратов менее адсорбционноспособны, но чистота этих субстратов также актуальна. Некоторые
из полимерных материалов подвержены влиянию кислорода, озона,
влаги, различных атмосферных воздействий. Кроме того, поверхность полимерных субстратов оказывается загрязненной низкомолекулярными фракциями полимера, мономерами, различными ингредиентами, входящими в состав полимеризационной смеси или
полимерной композиции.
105
Существенное влияние на прочность адгезионного соединения могут оказывать вещества, выделяющиеся в процессе установления адгезионных связей – побочные продукты, образующиеся
при химических реакциях, пары растворителя, газообразные вещества, выделяющиеся из субстрата при повышении температуры,
и др. Скапливаясь на границе раздела, эти вещества нарушают контакт между адгезивом и субстратом и вызывают снижение адгезионной прочности.
Одним из наиболее распространенных методов подготовки
поверхности субстрата является создание искусственного микрорельефа, придание шероховатости гладкой поверхности. Многие из
методов модификации поверхности субстрата нами уже были рассмотрены в данном пособии.
Выбор оптимальных условий формирования адгезионных
соединений оказывается также эффективным для создания прочной
адгезионной связи. В реальных условиях для достижения полного
контакта адгезива с субстратом приходится понижать вязкость адгезива, наносить его в вакууме или, наоборот, повышать температуру (под давлением). При этом следует учитывать специфику полимерных адгезивов, их способность к механическому стеклованию под давлением, деструкцию при повышенной температуре.
Только учитывая все эти факторы, можно выбрать оптимальные
условия формирования адгезионного соединения.
Польза перечисленных способов несомненна. Следует подчеркнуть, что спецификой адгезивов является их полимерная природа, которая во многих случаях и определяет особенности системы «адгезив – субстрат» и в конечном итоге величину адгезионной
прочности.
106
Р Е К О М Е Н Д У Е М А Я Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Берлин, А. А. Основы адгезии полимеров / А. А. Берлин,
В. Е. Басин. – 2-е изд., перераб и доп. – Москва: Химия, 1974. – 320 с.
2. Воюцкий, С. С. Аутогезия и адгезия высокополимеров /
С. С. Воюцкий. – Москва: Ростехиздат, 1960. – 224 с.
3. Зимон, А. Д. Адгезия пленок и покрытий / А. Д. Зимон. –
Москва: Химия, 1977. – 352 с.
4. Вакула, В. Л. Физическая химия адгезии полимеров /
В. Л. Вакула, Л. М. Притыкин. – Москва: Химия, 1984. – 224 с.
5. Кинлок, Э. Адгезия и адгезивы: наука и технология /
Э. Кинлок. – Москва: Мир, 1991. – 484 с.
6. Дерягин, Б. В. Адгезия твердых тел: монография /
Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова, В. П. Смилга. – Москва: Наука,
1973. – 279 с.
7. Панкратов, А. Н. Кислоты и основания в химии: учеб. по-
собие / А. Н. Панкратов. – Изд-во Саратов. ун-та, 2006. 196 с.
8. Сумм, Б. Д. Физико-химические основы смачивания
и растекания / Б. Д. Сумм, Ю. В. Горюнов. – Mосква: Химия,
1976. 232 с.
9. Старостина, И. А. Кислотно-основные взаимодействия
и адгезия в металл-полимерных системах: монография / И. А. Старостина, О. В. Стоянов. – Казань: Изд-во КГТУ, 2010. – 195 с.
10. Поциус, А. Клеи. Адгезия. Технология склеивания /
А. Поциус. – Санкт-Петербург: Профессия, 2007. – 376 с.
107
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Подписано в печать 29.12.2022
Формат 6084 1/16
Бумага офсетная
Печать цифровая
6,26 усл. печ. л.
6,75 уч.-изд. л.
Тираж 400 экз.
Заказ 245/22
Издательство Казанского национального исследовательского
технологического университета
Отпечатано в офсетной лаборатории Казанского национального
исследовательского технологического университета
420015, Казань, К. Маркса, 68
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
АДГЕЗИИ ПОЛИМЕРОВ
Валентина Ивановна Бутовецкая
Ирина Алексеевна Старостина
Айгуль Саитовна Зиганшина
Ольга Юрьевна Янова
Олег Владиславович Стоянов
Редактор Е. И. Шевченко
Компьютерная верстка и макет – А. К. Рахманкулова
108
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]