Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические и прикладные аспекты адгезии полимеров. Учебное пособие
.pdf
61
Рис. 2.17. Логарифмический график напряжения для испытания
на сдвиг внахлест
Причина, по которой следует с осторожностью использовать критерий среднего напряжения сдвига для прогнозирования разрушения
соединений внахлест, показана на рис. 2.18. Для данной приложенной
нагрузки среднее напряжение сдвига для всей толщины склеиваемого
материала будет одинаковым. Если бы существовало однозначное соответствие между напряжением и разрушением, можно было бы ожидать, что разрушающая нагрузка не зависит от толщины склеивания.
Из рисунка видно, что такая зависимость имеет место быть и ее можно
количественно объяснить с помощью численных методов и механизма
разрушения, обсуждаемого далее.
Рис. 2.18. Сила, необходимая для разрушения, в зависимости
от толщины склеиваемого материала для образцов ASTM D-1002
62
Для испытаний на сдвиг внахлест существует большое количество стандартизованных испытаний:
1) ASTM D-905 – испытания клеевых соединений при сдвиге под
нагрузкой сжатия;
2) ASTM D-906 – испытания клея в фанерной конструкции при
сдвиге под действием растягивающей нагрузки;
3) ASTM D-2339 – испытания строительных материалов из фанеры;
4) ASTM D-3930 – испытания на адгезию строительных материа-
лов для дома (в том числе из дерева);
5) ASTM D-3931 – аналог ASTM D-905, но предназначенный для
испытания клеев для заполнения зазоров;
6) ASTM D-3163 и D-3164 – аналогичны D-1002, за исключением
использования для соединений пластмасса-металл;
7) ASTM D-3983 – измерение прочности и модуля сдвига при рас-
тяжении для больших слоев нежестких клеев в образцах внахлест;
8) ASTM D-4027 – аналог ASTM D-3983 с использованием более
сложного устройства для испытания;
9) ASTM D-4501 – регламентируется конструкция срезающего
инструмента и удерживающего блока для определения усилия, необходимого для удаления квадратного блока материала, прикрепленного
к большей пластине;
10) ASTM D-4562 – испытание на сдвиг, для образца в форме
штифта, прикрепленного внутри кольца;
11) ASTM E-229 – испытание кручением образца в форме штифта;
12) ASTM D-4896 – руководство по использованию результатов
испытаний и их интерпретации для одиночных образцов, соединенных
внахлест клеем.
2 . 4 . М е т о д р е ш е т ч а т о г о н а д р е з а
Данный метод регламентируется международным стандартом
ISO 2409:2013 (ГОСТ 31149-2014), позволяя определить устойчивость
к отслаиванию нетекстурированных одно- и многослойных лакокрасочных покрытий толщиной не более 250 мкм к окрашиваемой поверхности,
которые могут быть и твердыми (металлы), и мягкими (древесина, отделочные строительные материалы). Режущая часть инструмента с острозаточенными кромками должна выполнять V-образный разрез через всю
толщину покрытия. Однолезвиевые режущие инструменты (рис. 2.19)
применяют для всех видов покрытий на любых поверхностях.
63
а
б
Рис. 2.19. Однолезвиевые режущие инструменты: а – ручной
однолезвиевый инструмент; б – режущий инструмент
с жестким лезвием и V-образной режущей кромкой
Многолезвиевые режущие инструменты (рис. 2.20) не пригодны
для покрытий толщиной более 120 мкм, твердых и мягких субстратов.
Режущие инструменты могут быть ручными с механическим приводом
(рис. 2.21).
64
Рис. 2.20. Ручной многолезвиевый режущий инструмент
Рис. 2.21. Однолезвиевый режущий инструмент с механическим
приводом: 1 – режущий инструмент; 2 – груз; 3 – испытуемая
пластинка; 4 – вращающаяся подставка для испытуемой пластинки;
5 – мотор; 6 – ручка для вращения подставки
Перед испытанием окрашенные пластинки кондиционируют менее 16 ч при температуре 23 ℃ и относительной влажности 50 %. Испытания проводят в условиях окружающей среды, которые должны
быть измерены и запротоколированы.
При обработке результатов визуально исследуют внешний вид
поверхности надрезов испытуемого покрытия. При осмотре пластинку
поворачивают таким образом, чтобы углы зрения и падающего света не
ограничивались одним направлением. Поверхность испытуемого покрытия классифицируют в соответствии с табл. 2.1.
65
Таблица 2.1
Классификация результатов испытания
Классификация
в баллах
Описание
Внешний вид поверхности
надрезов с отслаиванием
(пример для шести
параллельных надрезов)
0
Края надрезов полностью гладкие;
ни один из квадратов в решетке не
отслоился
1
Отслоение мелких чешуек покрытия на пересечении надрезов. Площадь отслоений немного превышает 5 % площади решетки
2
Покрытие отслоилось вдоль краев
и/или на пересечении надрезов.
Площадь отслоений превышает 5 %
площади образца, при этом составляя не более 15 % площади решетки
3
Покрытие отслоилось вдоль краев
надрезов частично или полностью
широкими полосами и/или отслоилось частично или полностью на
различных частях квадратов. Площадь отслоений превышает 15 %
площади образца, при этом составляя не более 35 % площади решетки
4
Покрытие отслоилось вдоль краев
надрезов широкими полосами
и/или некоторые квадраты отделились частично или полностью. Площадь отслоений превышает 35 %
площади образца, при этом составляя не более 65 % площади решетки
5
Любая степень отслаивания, которую нельзя классифицировать четвертым баллом шкалы
–
66
В таблице приведена шестибалльная классификация оценки ре-
зультатов. Первые три балла достаточны для оценки по схеме «выдерживает/не выдерживает испытание». Результатом испытания является
средний балл не менее двух параллельных измерений на трех участках
поверхности испытуемого образца. Оценку мягких окрашенных поверхностей проводят немедленно после обработки кистью, а твердых
окрашиваемых и древесины при использования липкой ленты – сразу
после удаления этой ленты.
2 . 5 . М е т о д ы у с к о р е н н ы х и с п ы т а н и й к л е е в ы х
с о е д и н е н и й
Клеи часто используются в условиях постоянных или периодических нагрузок в течение длительных периодов времени. Подобные условия трудно воспроизвести в лаборатории, к тому же ожидание результатов многолетних испытаний часто является нецелесообразным. В то же
время адгезионные испытания и/или наблюдения в реальных условиях
эксплуатации зачастую становятся невыполнимой задачей, а задействование испытательного оборудования на такие длительные периоды связано с высокими затратами. Некоторые промышленные компании и университеты в нашей стране обладают соответствующими испытательными
системами, в которых образцы подвергаются нагрузкам в условиях, максимально приближенных к естественным. Однако подобные испытания
нуждаются в подтверждении их ускоренными лабораторными методами
и сопоставлении друг с другом. Ускоренные испытания, как правило,
представляют собой эксперименты, в которых используются экстремальные условия эксплуатации клеевого соединения. Большинство ускоренных испытаний связаны с воздействием на клеевые соединения тепла
и влаги, которые существенно снижают их долговечность.
Некоторые экспресс-тесты достаточно просты и предназначены
для получения только качественной информации, в то время как другие
разработаны в виде стандартных испытаний, предназначенных для получения количественных результатов.
В качестве примера качественного эксперимента приведем метод
испытания, разработанный компанией Dow Corning, в ходе которого
67
тонкая клеевая пленка отверждается на предметном стекле микроскопа
или металлическом образце и выдерживается в горячей воде до тех пор,
пока пленку нельзя будет отделить. Обычно существует резкий переход
между образцами, которые демонстрируют когезионное разрушение
полимера, и образцами, которые показывают более выраженное межфазное разрушение. Поскольку диффузия воды в поверхность раздела
в этом экспресс-тесте происходит очень быстро, время до разрушения
зависит только от межфазных свойств и может существенно различаться между эпоксидными олигомерами и их аналогами с силановым
связующим агентом. Время отслаивания в горячей воде для различных
силановых грунтовок различалось в несколько тысяч раз при использовании данной эпоксидной смолы. В параллельных испытаниях пленка
эпоксидного клея на несиланированном алюминиевом образце показала примерно такую же степень разрушения через 2 ч в воде при 70 °C,
как силановое соединение через 150 дней (3600 ч) в тех же условиях.
Специалистами компании высказано мнение о том, что система «субстрат – силан – адгезив», выдерживающая несколько месяцев воздействия в условиях ускоренного испытания, прослужит много десятилетий при нормальных внешних условиях. При этом он уточнил, что гарантия не распространяется на другие виды ухудшения свойств адгезива или клея (например, коррозия или разрушение полимера).
Одним из самых известных испытаний данного типа является
экспресс-тест на клин компании Boeing, методика которого стандартизирована в ASTM D-3762.
Поскольку клеи уже давно используются в производстве древесины и пиломатериалов, где воздействие на открытом воздухе неизбежно,
многие из ускоренных испытаний изначально были разработаны для этих
материалов, но часто находят применение и для других. Рассмотрим
наиболее распространенные тесты в условиях ускоренного старения.
ASTM D-1101 – испытания целостности клеевых соединений
в конструкционных многослойных деревянных изделиях для наружного использования после заданного количества циклов модельного
воздействия факторов внешней среды.
ASTM D-1183 – испытания устойчивости клеев к циклическим
лабораторным условиям старения. После циклического воздействия
различной относительной влажности и температуры адгезионные соединения оцениваются стандартными испытаниями на прочность (соединение внахлест, растяжение и т. д.).
68
ASTM D-2559 (аналог ASTM D-1101) – испытания клеев для кон-
струкционных изделий из ламинированной древесины для использования в условиях наружного (влажного) воздействия.
ASTM D-3434 – испытания на ускоренное старение в несколько
циклов (при кипячении) клеев для наружных работ по дереву во влажном климате. Описывает конструкцию устройства, позволяющего автоматически подвергать клеевые соединения чередованию циклов кипячения/сушки. Типичный цикл состоит из погружения образца на
10 мин в кипящую воду, сушки в течение 4 мин при 23 °С воздухом,
циркулирующим со скоростью 1,75 м/с, и выдержки образца в течение
57 мин при температуре 107 °С со скоростью циркуляции воздуха
1,75 м/с. После заданного количества циклов извлекают 10 образцов
и измеряют их сопротивление сдвигу при растяжении, сравнивая с испытаниями на образцах, которые не подвергались экспресс-тесту.
ASTM D-3632 – метод ускоренного старения клеевых соединений под воздействием кислорода, предназначенный для изучения разрушения клеев на основе эластомеров и других материалов, которые
могут быть восприимчивы к окислению. Методика включает в себя
выдерживание образцов в условиях контролируемого старения в течение определенного времени, а затем измерение физических свойств
(прочности на сдвиг, растяжение и т. д.). Регулируемая среда состоит
из кислорода повышенной температуры (70 °С) и высокого давления
(2 МПа).
ASTM D-4502 – стандартный метод испытаний на тепло- и вла-
гостойкость клеевых соединений древесины. Вместо использования дорогостоящего автоклава (как в D-1101 и D-2559) экспозиция в этом испытании осуществляется в сосудах с повышенной влажностью. Образцы подвергаются заданным циклам «температура – влажность» в емкостях, нагреваемых в печах. Адгезионную прочность выдержанных
образцов измеряют стандартными методами и сравнивают с аналогичными несостаренными образцами.
ASTM D-3434 – предполагает, что циклическое кипячение/сушка
является адекватным методом ускоренного старения.
ASTM D-904 – регламентирует методику воздействия на образцы
клея искусственным и естественным светом.
ASTM D-1828 – регламентирует условия воздействия атмосферы
на клеевые соединения и конструкции.
ASTM D-1879 – регламентирует воздействие на образцы клея вы-
сокоэнергетическим излучением.
69
ASTM D-3310 – содержит определение коррозионной активности
клеящих материалов.
ASTM D-1780 – испытания на ползучесть системы «металл – ме-
талл», в ходе которых используется нагружающая рама со статической
нагрузкой и рычагом.
ASTM D-2793 – стандартный метод испытания клеев на ползучесть
при сдвиге под нагрузкой сжатия («металл – металл»), описывает конструкции и процедуры использования аппарата для испытаний на ползучесть, в ходе которых длительная нагрузка поддерживается пружинами.
ASTM D-3166 – стандартный метод испытаний на усталостную
прочность клеев при сдвиге под действием растягивающей нагрузки
(«металл – металл»), содержащий процедуры для испытаний и измерения усталостной прочности образцов внахлест. В нем используются машины для испытаний на растяжение с функцией циклических осевых
нагрузок.
ASTM G-53 – испытания устройства для воздействия света
и воды (тип флуоресцентной УФ-конденсации) для воздействия на неметаллические материалы. Описывается использование установки, которая включает в себя УФ-излучение, влагу и тепло. Устройство состоит из шкафа, где образцы устанавливаются на алюминиевых панелях, которые, в свою очередь, укладываются ребром на наклонную
стойку по обеим сторонам. Затем образцы поочередно подвергаются
конденсации и УФ-сушке:
1) Первый этап, занимающий от 1 до 4 ч, начинается с нагревания
воды в частично закрытом резервуаре под образцами в нижней части
шкафа. Образцы выдерживают при постоянной температуре (обычно
30–50 °С), что приводит к конденсации влаги на образцах.
2) Второй этап начинается с УФ-сушки люминесцентными лампами, расположенными вдоль каждой стороны шкафа (параллельно
смонтированным в стойке образцам). Экспериментатор выбирает температуру выше температуры конденсации (обычно 40–70 °С), автоматически поддерживаемую в течение фиксированного периода времени
воздействия УФ-излучения (обычно в течение 1–40 ч). Везерометр
(прибор для испытания на погодостойкость) оснащен таймером, системой подачи воды в резервуар с поплавковым управлением и другими
элементами автоматизации. Прибор непрерывно выполняет двухэтапный цикл в течение месяцев или нескольких лет с минимальным вмешательством экспериментатора. Образцы периодически удаляют, а их
прочность измеряют стандартными методами для сравнения с несостаренными образцами.
70
Клеевые соединения часто подвергаются внезапным динамиче-
ским нагрузкам, поэтому в ряде случаев важно знать, как клеи реагируют на ударную нагрузку.
ASTM D-950 – описывает исследования ударной вязкости клее-
вых соединений; в целом аналогичен методике испытаний по Изоду.
ASTM D-2295 – описывает аппарат с использованием трубчатых
кварцевых ламп для исследования разрушения образцов клеевых соединений при высоких температурах, а ASTM D-2257 описывает процедуры испытаний образцов при низких температурах (от –268 до –55 °C).
Система ASTM также содержит специальные стандарты для исследования свойств адгезивов, связанных с разрушением, которые
в меньшей степени связаны с механической прочностью. К таким свойствам относятся устойчивость к росту и поражению бактериями, грибками, плесенью или дрожжами (D-4300 и D-4783), воздействию грызунов (D-1383), насекомых (D 1382), стойкость к химическим реагентам
(D-896) и др.
К о н т р о л ь н ы е в о п р о с ы
1. Как классифицируются методы измерения адгезионной проч-
ности?
2. Что может быть принято за меру адгезии в зависимости от ме-
тода испытания?
3. Перечислите и охарактеризуйте типы разрушений адгезион-
ных соединений.
4. Что является общим признаком для методов неравномерного
отрыва?
5. Чем отличается отслаивание от расслаивания?
6. Какую величину измеряют методом равномерного отрыва
и в чем заключается его особенность?
7. Назовите основные схемы испытаний клеевых соединений на
сдвиг растягивающей нагрузкой.
8. От каких геометрических параметров образца зависит разру-
шающее напряжение при сдвиге и почему?
9. В чем заключается сущность метода решетчатого надреза?
10. Перечислите основные методы ускоренных испытаний адге-
зионных соединений.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]