6. Образование неразъемных соединений посредством склеивания

Клеевое соединение - неразъемное соединение деталей с помощью клея, наносимого на соединение поверхности.

Склеивание применяется для закрепления элементов на платах, шасси шлицевых панелях, для соединения различных прокладок и уплотнительных колец с металлическими деталями; вообще склеивают материалы и их сплавы, натуральные, синтетические и слоистые материалы, стекло, керамику, спекаемые материалы.

Замена сварки, пайки, заклепочных соединений склеиванием уменьшает массу конструкции, позволяет соединить почти любые материалы, упрощает процесс сборки. По сравнению с другими способами соединения достоинство клеевого соединения состоит в равномерности распределения механических напряжений по шву. Обычно в зоне соединения при склеивании не возникает коррозия, в большинстве случаев эти соединения непроницаемы для паров, жидкостей, герметичны, вакуумплотны, поглощает вибрации (снижают шум). В этом состоят основные преимущества клеевого соединения.

Клеевые соединения не выдерживают длительное время большие нагрузки, при повышенных температурах, особенно во влажной атмосфере или при низких температурах снижается прочность клеевого соединения. В этом состоят основные недостатки таких соединений.

В основе процессов склеивания материалов находятся явления когезии и адгезии. Когезия - это сцепление частиц одного и того же материала, адгезия - это сцепление частиц различных материалов; причиной когезии и адгезии явдяются силы межмолекулярного взаимодействия. Кроме того в процессе склеивания возникает сложные физико-химические явления, адсорбция, электростатические силы, диффузия (у высокомолекулярных полимеров).

Незначительное влияние на клеящую способность оказывает механическое сцепление клеящего вещества (механическая адгезия).

Для качественного соединения необходима соответствующая подготовка склеивающих поверхностей и достаточное смачивание клеящим веществом.

Клеящими веществами являются высокополимерные синтетические смолы или реактивные смеси различных химических структур. Для металлов применяют растворы смол: эпоксидной, фенольной, полиэфирной, полиуретановой и силиконовой, а для пластмасс растворы смол, кроме перечисленных, поливиниловых соединений, полиамидов, полиакрилатов, производных каучука и аминопластов. Отверждение клеящего вещества осуществляется или посредством химической реакции или посредством испарения и диффузии.

Вид клеевого соединения выбирается так, чтобы возникали в нем в основном сдвигающие нагрузки, а остальные виды нагрузок были минимальными.

6.1. Механизм адгезии

Существующие теории адгезии не дают удовлетворительного ответа на вопрос о формировании и свойствах клеевых соединений.

Соединения бывают слабыми в том случае, когда возникают слабые адгезионные связи (или недостаточно число связей), и прочными, образованными прочными связями. На поверхности материалов быстро образуется слой адсорбированных газа и влаги, который обладает хорошей адгезией к субстрату, но механически значительно слабее его. Этот слой вместе с низкомолекулярными продуктами из клея образует слабую зону, которая обусловливает малую прочность шва. Иногда эти слои называются переходными. Клей необхо- дим для вытеснения этого слабого слоя и одновременно для выравнивания поверхностных неровностей субстрата.

Экспериментально доказано, что поверхности, обработанные до абсолютной гладкости, приложенные друг к другу и прижатые нагрузкой Р, можно оторвать силой F, которая больше Р, т. е. F/P> 1. Если эту операцию провести в высоком вакууме, который вызовет десорбцию слабых слоев, то F/P«10⁵. Это относится к соединению двух твердых материалов без клеящего вещества. Соединения с клеем следует рассматривать как систему, состоящую из пяти слоев: субстрат 1, переходный (пограничный) слой 1, клей, переходный слон 2 и субстрат 2. Правильно сформированным, прочным соединением считается соединение, переходные слои которого так прочны, что разрушение проходит вне их. Слабое, непрочное соединение — это такое, разрушение которого происходит в пограничном слое.

Для получения прочного соединения необходимо заменить слабые пограничные слои прочными. Прочный пограничный слой можно получить, полностью устранив слабый слой, что достигается различными способами. При некоторых способах слабый слой не устраняется полностью, а только вдавливается в поверхность субстрата.

К возникновению слабых пограничных слоев приводит наличие адсорбированных газов и жидкостей, частиц твердых веществ на поверхности и т. д. Слабый слой может возникнуть и в случае неправильного выбора клея или его рецептуры (полимерной основы, растворителя, их соотношения, добавок и т. д.), нарушения режима отверждения или технологии нанесения клея.

Слабые слои очень часто возникают, когда клей плохо смачивает субстрат и при нанесении образуются воздушные пузырьки, которые сохраняются и после отверждения клея. Такие пузырьки на границе раздела фаз, как правило, очень трудно обнаружить. Легко их определить только в случае прозрачных клеев или прозрачных субстратов, например при боковом (косом) освещении. Поскольку вода хуже смачивает субстрат, чем органические растворители, слабый слой чаще образуется при использовании клеев, содержащих воду. Кроме того, существуют материалы, которые практически не смачиваются, например политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиэтилен, полипропилен и др. Сравнение прочности при отдирании соединений ПТФЭ —сталь и ПЭ — сталь, полученных наплавлением, показало, что прочность системы ПЭ — сталь значительно меньше. При этом разрушающая нагрузка клеевого соединения ПТФЭ —сталь близка к прочности ПТФЭ.

Выбор склеиваемого материала при конструировании клеевого соединения должен удовлетворять, в первую очередь, требованиям, предъявляемым к прочности данной конструкции в данных условиях эксплуатации. Кроме того, материал оценивают с точки зрения химической и коррозионной стойкости и из отвечающих этим требованиям материалов выбирают наиболее под- ходящий по экономическим показателям. Наконец, выбранный материал оценивают с точки зрения технологии склеивания, исследуют его поверхность, определяют модуль упругости и коэффициент линейного расширения. Такую оценку следует проводить и тогда, когда склеиваемый материал не выбирают, а получают его в качестве полуфабриката или незаконченного изделия. Полученные данные о материале необходимы для выбора клея.