20. Факторы, определяющие прочность и долговечность клеевых соединений

Прочность и долговечность каждого типа клеевых соединений зависят от целого ряда специфических факторов, которые рассматриваются в соответствующих темах, посвященных конкретным операциям склеивания в ТБПП. Здесь рассматривают ся лишь те факторы, которые являются общими для всех клеевых соединений. К ним относятся: шероховатость поверхности склеиваемых материалов, концентрация, вязкость и температу ра клея, толщина клеевой пленки, давление при склеивании.

Шероховатость поверхности. Наиболее прочно склеивают ся материалы с развитой шероховатой поверхностью, так как более шероховатые поверхности лучше смачиваются клеем, имеют большую площадь контакта с адгезивом и, следователь но, большую поверхность склейки, а острые вершины микронеровностей, обладающие повышенным запасом свободной энергии, являются активными центрами притяжения молекул адгезива. Большинство переплетных материалов имеет достаточно развитую поверхность, поэтому к механической обработке поверхности склейки прибегают лишь при клеевом басшвейном скреплении с фрезерованием корешковых фальцев, когда малая площадь торцов листов не может обеспечить достаточно надежную склейку.

Гладкие и невпитывающие материалы (прозрачные полимерные пленки и полимерные покрытия покровных переплетных материалов) при склейке с бумагой требуют особых мер по увеличению смачивания их клеем и повышения адгезии за счет введения в клей поверхностно-активных веществ и (или) растворителей, обеспечивающих набухание полимера и диффузию адгезива в субстрат.

Концентрация клея. Прочность клеевого соединения в наибольшей степени определяет концентрация полимера в клеевом растворе или в дисперсии: клей наибольшей концентрации применяют в тех случаях, когда необходима максимальная прочность склейки, например при клеевом бесшвейном скреплении. Большая концентрация сухого вещества в клее обеспечивает максимальное число молекулярных контактов между адгезивом и субстратом, малое время схватывания и закрепления клеевого слоя, высокую адгезионную и когезионную прочность клеевого соединения, минимальные затраты времени и энергии на процесс сушки. При малом содержании сухого остатка в клее и большом содержании влаги в процессе сушки клеевого соединения неизбежна большая усадка, связанная с потерей влаги, так как в общем случае объем тела и его линейные размеры пропорциональны его влагосодержанию:

	(1.23)
	(1.24)
	(1.25)

 

где V_o — объем сухого тела, м³; l_o — линейные размеры тела, м; b_V — коэффициент объемной усадки; b_i — коэффициент линейной усадки, м; W — влагосодержание тела, %.

Вязкость клея. Вязкость жидкости, определяемая уравнением Ньютона (1.8), характеризует ее подвижность, текучесть под действием любой, даже весьма малой нагрузки, в том числе и под действием собственной силы тяжести. Вязкость «холодного» клея, применяемого при комнатной температуре, зависит от молекулярной массы и строения молекул полимера, концентра ции полимера в растворе или в дисперсии. Полимеры, образующие истинные растворы (крахмал, метилцеллюлоза, NaКМЦ), дают высоковязкие клеи при малых концентрациях сухого вещества (порядка 10%), а дисперсии полимеров — при довольно высоких (порядка 50%). Показатель вязкости определяет глубину проникания клея в капилляры, толщину клеевого слоя и, главное, стабильность технологического процесса в конкретных условиях производства. Зависимость вязкости клея от концентрации растворителя и твердого полимера [см. формулу (1.18) и рис. 1.7] позволяет в ряде случаев оценивать технологические свойства клеев не по их концентрации, а по условной вязкости, которую в цеховых условиях можно проконтролировать с помощью простейших вискозиметров — кружки ВМС или воронки ВЗ-4. Рабочая вязкость клея определяется условием нанесения клея (кистью или клеемазаль ным устройством, типом клеемазального устройства; см. подразд. 1.2.7), требуемой толщиной клеевой пленки и должна устанавливаться в соответствии с пористостью материалов. Глубина впитывания h (м) клея в капилляры материала без учета влияния силы тяжести определяется по формуле Уошборна

(1.26)

где поверхностное натяжение клея, Н/м;  краевой угол смачивания, рад; R — радиус капилляра, м; t — время, с; вязкость клея, ПаЧ с.

При склеивании листовых пористых материалов клей должен проникать не более чем на половину толщины листа. Вязкость клеев и лаков может быть уменьшена разбавлением соответст вующими растворителями (см. рис. 1.8).

Температура клея. С повышением температуры возрастает подвижность молекул, уменьшаются поверхностное натяжение и вязкость клея. Вязкость клея с высокой рабочей температурой, например костного, может быть уменьшена нагреванием, так как зависимость между вязкостью и температурой обратная:

(1.27)

где С — константа жидкости; е = 2,71828 — основание натуральных логарифмов; U — энергия активации вязкого течения, Дж; k = =1,38Ч10^_23 Дж/К — постоянная Больцмана; Т — температура, К.

Так как вязкость жидкости уменьшается с повышением температуры более значительно, чем поверхностное натяжение, то увеличивается и глубина проникновения клея в поры и капилляры материалов. Рабочая температура термоклеев, применяемых при клеевом бесшвейном скреплении, устанавливается на 70_105°С выше интервала температур их плавления, чтобы к моменту крытья блока обложкой они не потеряли липкость. Рабочая температура костных клеев находится в пределах 50_60°С. При температуре ниже 45°С прочность склейки значительно уменьшается из-за потери клеем липкости, а длительное нагревание клея при температуре свыше 70°С ведет к деструкции глютина и потере клеящей силы.

Толщина клеевого слоя. Влияние толщины клеевой пленки на прочность склейки неоднозначно. При использовании клеев на основе истинных растворов полимеров в чрезмерно толстых клеевых пленках в процессе потери ими влаги и отверждения происходит значительная усадка клеевого слоя, которая предопределяет возникновение в клеевом шве больших усадочных напряжений. Под действием усадочных напряжений в толще клеевого слоя образуются поры и трещины, которые становятся центрами концентрации напряжений и, по теории механики разрушения (см. подразд. 1.5), первопричиной потери прочности материалов при приложении внешней силы. При использовании неразбавленных дисперсионных клеев образование клеевого шва происходит при минимальной потере влаги и незначительной по величине усадке. Клеевые пленки на основе линейных полимеров, молекулы которых имеют высокую гибкость, высокоэластичны, поэтому усадка в них благодаря релаксаци онным процессам не вызывает больших усадочных напряжений. Прочность всех материалов на разрыв пропорциональна площади их сечения, а при постоянной ширине испытуемого образца пропорциональна его толщине. Поэтому при клеевом бесшвейном скреплении клей наносится на корешок блока относитель но толстым слоем (порядка 0,7 мм), обеспечивающим требуемую прочность и долговечность книжного издания.

Давление при склеивании. После соединения склеиваемые детали рекомендуется обжать. Повышенное давление способствует более полному контакту адгезива с материалом, получению равномерной по толщине клеевой пленки, в которой в процессе эксплуатации не будут возникать высокие локальные напряжения, приводящие к быстрому разрушению склейки. Оптимальное давление для различных клеев и материалов колеблется в широких пределах — от 3 до 200 кПа. Однако даже незначитель ное давление порядка 100 кПа (1 кгс/см²) при обжиме корешка изданий в обложке значительно повышает прочность клеевого бесшвейного скрепления. В автоматизированном книжном производстве время прижима приклеек может не превышать одной секунды, но при ремонте библиотечных книг наибольшую их прочность и долговечность обеспечивает заклейка и длительная сушка корешка в зажатом состоянии до полного отверждения клеевого слоя.