Основные понятия

Клеевыми называются такие методы крепления, при которых в качестве крепителя используется клей, а скрепление осуществляется склеиванием.

Склеивание – процесс возникновения адгезии слоя клея к двум поверхностям и когезионной прочности в этом слое. Каждая из склеиваемых поверхностей обычно называется субстратом, а слой клея между ними – адгезивом.

Склеивающее вещество – высокомолекулярное соединение, обладающее благодаря своим адгезионным, когезионным и аутогезионным свойствам способностью соединять субстраты, не изменяя их структуры. Клей или клеевая композиция состоят из склеивающего вещества и растворителя (в случае необходимости), иногда разбавителя, пластификатора, наполнителя, стабилизатора, отвердителя, вулканизующих агентов, пигментов и др. В сухих клеях-расплавах отсутствуют растворители, разбавители и вулканизующие агенты.

После нанесения клея (адгезива) склеиваемые поверхности (субстраты) скрепляют друг с другом. Связь между поверхностями осуществляется в результате тех превращений, которые происходят в адгезиве. В процессах склеивания определенная роль отводится когезии и аутогезии, но существенное значение принадлежит адгезии.

Клеевой способ соединения представляет собой процесс, который позволяет физико-химическим путем образовывать из нескольких слоев материалов систему, работающую как единое целое и подчиняющуюся закономерностям адгезионного взаимодействия, включающего в себя стадии: образования непосредственного контакта между поверхностями склеиваемого материала (субстрата) и клеевого вещества (адгезива); проявление сил, обеспечивающих прочное сцепление в зоне контакта поверхностей адгезива и субстрата и, наконец, формирования когезионной прочности слоя адгезива, т.е. клея. Осуществление всех этих стадий в процессе склеивания обеспечивает прочность клеевого соединения в целом.

Адгезия – взаимодействие приведенных в контакт разнородных поверхностей, обусловленное возникновением адгезионной связи за счет действия межмолекулярных сил или сил химического взаимодействия (например, в случае химической адгезии). Адгезия характеризует связь между двумя телами, для нарушения этой связи необходимо внешнее усилие. Различают адгезию жидкости, пленок и частиц, которая может быть оценена количественно. Адгезия жидкости измеряется работой, адгезия частиц – силой, а адгезия пленок – адгезионной прочностью.

Когезия – межмолекулярное взаимодействие внутри любого материала. От когезии зависит прочность адгезива и субстрата.

Аутогезия – взаимодействие, обусловленное молекулярной связью, между поверхностями однородных тел, находящихся в контакте.

Клеевые соединения, применяемые в обувном производстве, должны быть надежными и долговечными. Прочность любого клеевого соединения в первую очередь зависит от адгезии и когезии применяемого клея – адгезива.

До сих пор нет единого взгляда на механизм процесса склеивания, на природу сил, действующих между клеем и поверхностью склеиваемого материала. Первые систематические исследования в области адгезии появились в 20-х годах. В этот период Мак-Бэном была развита так называемая механическая гипотеза, согласно которой решающая роль при склеивании отводится механическому заклиниванию адгезива в микродефектах и порах поверхности /3/.

В некоторых работах показано, что при склеивании пористых материалов (кожи, тканей), основную роль играет механическое сцепление. Другие авторы считают, что основной склеивания материалов является специфическая адгезия, объясняемая адсорбционной, электрической и диффузионной теориями адгезии.

В последующем с развитием научных исследований в этой области было выдвинуто более десяти “теорий адгезии” и концепций: механическая, адсорбционная, электрическая, электронная, электрорелаксационная, диффузионная, микрореологическая, реологическая, молекулярно-кинетическая и некоторые другие.

Адсорбционная теория рассматривает адгезию как результат проявления сил молекулярного взаимодействия между контак­тирующими молекулами адгезива и субстрата. Согласно этой теории важно, чтобы адгезив и субстрат обладали полярными функциональными группами, способными к взаимодействию. Эта теория делит процесс образования адгезионной связи на две стадии: на первой стадии в результате микроброуновского дви­жения молекулы адгезива мигрируют из расплава к поверхно­сти субстрата, на второй—при сближении молекул контакти­рующих поверхностей на расстояние менее 5А действуют моле­кулярные силы, приводящие к образованию прочных связей,. обусловленных действием межмолекулярных и межатомных сил.

Адсорбционная теория объясняет влияние некоторых факто­ров образования клеевого соединения (температуры, продолжи­тельности склеивания, давления, рельефа склеиваемых .поверх­ностей, природы клеящего вещества и склеиваемых материалов) на его адгезионную прочность. Эта теория позволяет прогнози­ровать адгезионную прочность за счет воздействия на химичес­кую природу адгезива и субстрата, но не в состоянии объяснить причины высокой адгезии между неполярными адгезивами и субстратами.

Диффузионная теория представляет собой адгезию высокополимеров не поверхностным, а объемным явлением и сводит ее к диффузии цепочечных молекул или их участков из одной фазы в другую. При этом предполагается, что при склеивании твер­дых тел перемещаются только молекулы адгезива.

Роль взаимной и даже односторонней диффузии при образо­вании клеевых соединений может оказаться значительной, если в качестве адгезива и субстрата взяты термодинамически сов­местимые системы (т.е. взаиморастворимые). Это может быть в том случае, когда энергии когезии полимеров различаются не­значительно. При склеивании деталей одежды из тканей разли­чие энергии когезии адгезива и субстрата довольно большое, а продолжительность процесса склеивания незначительна. Поэто­му при склеивании тканей проявление сил взаимодействия, объясняющегося диффузионной теорией адгезии, будет выраже­но в меньшей степени.

Диффузионная теория объясняет образование промежуточно­го слоя в виде совмещенного адгезива и субстрата. Промежу­точный слой при этом играет определяющую роль для получе­ния прочного клеевого соединения.

При склеивании пористых материалов, к которым относятся ткани, большое значение имеет механическое сцепление. В неко­торых работах механической адгезии при склеивании тканей отводится роль фактора, играющего хотя и важную, но подчи­ненную роль, существенно колеблющуюся в зависимости от структуры поверхности субстрата и свойств адгезива.

В последнее время развита микрореологическая теория ад­гезии, суть которой сводится к тому, что в процессе формиро­вания пленки из расплава заполняются выемы, поры, трещины шероховатой поверхности соединяемых материалов, особенно тканей, при этом значительно увеличивается площадь факти­ческого контакта, а следовательно, возрастает число связей между адгезивом и субстратом, что приводит к росту адгезионной прочности. При этом большое влияние на прочность склеи­вания и условия формирования клеевого соединения оказывает вязкость клея. Чем выше вязкость клея, тем меньше возмож­ность его затекания в поры поверхности и, следовательно, мень­ше площадь адгезионного взаимодействия. Слишком низкие значения вязкости могут привести также к снижению прочно­сти склеивания, особенно при соединении деталей из мягких пористых материалов, вследствие затекания большого количества клея в структуру материала и обра­зования так называемой голодной склейки. В связи с этим важ­но установить для каждого вида клеевого соединения оптималь­ные значения вязкости клеящего вещества.

Микрореологические процессы часто рассматривают с пози­ций молекулярной теории как первую стадию процесса установ­ления адгезионной связи.

Сформулирована электрическая теория адгезии, в основе ко­торой лежит представление о двойном электрическом слое, воз­никающем при тесном контакте двух поверхностей (на межфаз­ной границе раздела). Процессы разрушения клеевых соедине­ний сопровождаются явлениями электрического характера (электризация поверхностей при отрыве, наличие разряда, эмис­сия электронов). Согласно электрической теории адгезии систе­ма адгезив—субстрат отождествляется с конденсатором, обра­зующимся в результате различия электронной плотности ве­щества адгезива и субстрата.

Исследование механизма образования двойного электричес­кого слоя привело к выводу об электронном механизме взаимо­действия между клеящим веществом и склеиваемым материалом.

Электрорелаксационная теория склеивания дополняет электрическую теорию представлениями о вкладе работы деформации адгезива в общую работу, затрачиваемую на разрушение клеевого соединения.

Однако, все эти теории и концепции рассматривают (или рассматривали) по существу частные вопросы и не охватывают проблемы в целом. Достоинства и недостатки различных взглядов на адгезию достаточно широко освещены в литературе.