Клеевое соединение

Трудность демонтажа соединения при необходимости полной разборки или ремонта конструкции.

Тенденция к ползучести под  постоянной нагрузкой, характерная  для термопластичных клеев; низкая прочность при отслаивании, присущая многим термореактивным клеям; часто  неизвестная величина долговечности  клеевых соединений в условиях воздействия  жестких эксплуатационных факторов.

Некоторые конструкции более  экономично изготавливать, используя  другие методы сборки, особенно в тех  случаях, когда для этих целей  имеется необходимое оборудование.

Процесс склеивания

Применение адгезивных материалов может осуществляться по двум, несколько различным, вариантам:

·  при сборке новой конструкции;

·  при ремонте.

Сборка

В том случае, если решение  о применении адгезивных материалов при сборке принято, оптимальные результаты будут достигнуты только при условии тщательной проработки каждой стадии технологического процесса склеивания. Очень важно при выборе клея прежде всего решить вопрос, как клеить, то есть выбрать схему нагружения и тип клеевого соединения. Исходя из этого, склеивание включает в себя следующие взаимозависимые этапы.

Проектирование соединения. Определение величины и типа действующего в соединении напряжения и сравнение  его с требуемой прочностью будут  способствовать более правильному  выбору клея. Вместе с этим нельзя отодвигать решение о выборе клея до полного  завершения проектирования соединения, так как необходимо учитывать  воздействие на склеиваемые элементы факторов, сопутствующих склеиванию, или устанавливаемые допуски  на сопрягаемые элементы не позволяют  клею проникнуть в спроектированный зазор.

Выбор клея или клеев. На этом этапе необходимо рассмотреть эксплуатационные требования, предъявляемые к клеевому соединению, и накопленный опыт работ  с выбираемыми клеями. Это необходимо для того, чтобы убедиться в  соответствии друг другу конструкции  соединения и выбранного клея (клеев).

Выбор оптимального метода подготовки поверхности. Для выбранного клея рассмотреть  все приемлемые методы подготовки поверхности  склеиваемых элементов и выбрать  оптимальный.

Изготовление клееных  конструкций. Этот этап включает операции от нанесения клея до его отверждения  в контролируемых условиях.

Ремонт

Основные этапы при  использовании адгезивных материалов при ремонтных работах следующие:

·  анализ причин возникновения дефекта элемента конструкции (или его износа) и условий ее эксплуатации;

·  выбор варианта устранения повреждения, при необходимости подбор дополнительной детали;

·  в результате проведенного анализа и изучения свойств адгезионных материалов выбирают конкретную композицию;

·  подготовка детали и дополнительных частей для устранения повреждений, очистка и обезжиривание соединяемых поверхностей;

·  приготовление и нанесение композиции на восстанавливаемую деталь;

·  отверждение композиции в условиях окружающей среды или контролируемых условиях;

·  контроль качества выполненных работ внешним осмотром и испытанием образцов-спутников.

Адгезия, прочность соединения и  подготовка поверхности

Адгезия наблюдается в  самых разнообразных процессах. Процесс образования адгезионного соединения начинается со сближения разнородных фаз и осуществляется различными методами. Основой адгезии является молекулярное взаимодействие на поверхности раздела адгезив/склеиваемый элемент. Наиболее распространенный метод - смачивание жидким адгезивом твердой поверхности, при котором достигается необходимый молекулярный контакт различных фаз. Это означает, что адгезив должен растекаться по твердой поверхности материала, вытесняя воздух и присутствующие на ней загрязнения.

Адгезив, идеально отвечающий этим требованиям, в жидком состоянии должен иметь нулевой или близкий к нулю контактный угол, на определенном этапе формирования адгезионного соединения обладать относительно низкой вязкостью, при контакте с твердой поверхностью содействовать удалению захваченного воздуха. Прочность клеевого соединения зависит не только от выбранного клеящего вещества, но и от качества склеиваемой поверхности материала. Адгезия на границе конденсированных фаз возникает в пределах небольшого слоя и прочность соединения может существенно снизиться из-за наличия на поверхности загрязнений и слабых поверхностных слоев, которые препятствуют контакту клея со склеиваемым материалом.

Для обеспечения оптимальной  прочности поверхности материалов должны быть очищены и приведены  в соответствующее состояние. Это  и составляет основную и важную цель предварительной обработки поверхности  склеиваемых элементов. Выбор метода подготовки зависит как от выбранного клея, так и от свойств конструкции  склеиваемых элементов, а также  от прочностных требований к соединению, условий эксплуатации, допустимых производственных затрат и технических возможностей.

Свойства поверхностного слоя материала зависят от предыстории  склеиваемой детали и обычно в  полной мере не известны. Металлы могут  подвергаться термообработке, кислотному травлению, анодированию. Их поверхность  может быть покрыта смазочными материалами, окислами, обработана ингибиторами коррозии или иметь защитные полимерные или  лаковые покрытия. Кроме того, при  изготовлении склеиваемые элементы подвергаются различным видам механической обработки, что приводит к возникновению  остаточных напряжений в поверхностном  слое металла и изменению его  свойств по сравнению с внутренним объемом металла.

Поверхность пластмасс загрязняется технологическими разделительными  слоями, пластификаторами или имеет  собственные слабые слои. Аналогично обстоят дела и с другими материалами, при этом необходимо иметь в виду, что поверхностные слои материалов по своим свойствам отличаются от свойств материала в массе. Простейшим методом подготовки поверхности  к склеиванию является обработка  растворителем или абразивом, что  позволяет удалить загрязнения, наличие которых препятствует смачиванию основного материала. Другие методы обработки поверхности более  сложные и направлены на увеличение адгезии путем активирования  процессов, вследствие которых возникает  адгезия. Например, использование химических методов позволяет изменить как  химические, так и физические свойства поверхности материала. Если необходимо получить соединение с высокой прочностью, то подготовку следует выполнять  с особой тщательностью. Механические способы подготовки поверхности  целесообразно применять в случае, если количество склеиваемых узлов  невелико, либо если состояние склеиваемых  элементов не позволяет использовать химические реагенты. Типичные механические способы подготовки: зачистка наждачной  бумагой, обдувка порошком абразива, зачистка стальной щеткой. Химическая обработка предпочтительна, если масштабы производства оправдывают затраты  на установку соответствующего оборудования (ванн травления, промывочных ванн, сушильных печей и т.д.).

В дополнение к химическим и механическим способам применяются  и физические способы обработки  поверхности, к числу которых  относится воздействие пламенем, ионная бомбардировка в вакууме (коронный разряд) и воздействие  электрическим разрядом. Эти методы успешно опробованы для обработки  инертных пластмасс (полиэтилена, полипропилена, политетрафторэтилена и др.), которые  трудно эффективно склеить без применения специальных методов подготовки поверхности. Химически обработанные металлические поверхности имеют  высокую активность и легко поглощают  пыль и влагу, поэтому целесообразно  как можно скорее производить  их склеивание.

Для обезжиривания металлических  поверхностей обычно используют органические растворители, например трихлорэтилен. Обезжиривание является предварительной операцией для любых более сложных способов подготовки поверхностей, вместе с тем иногда обезжиривание достаточно для соединений, не работающих в особых эксплуатационных условиях (например, при воздействии высоких механических нагрузок или жесткой эксплуатационной среды). Эффективность обезжиривания можно проконтролировать каплей воды. В отсутствие масел и жира образуется водяная пленка, стекающая с наклонной поверхности равномерно без появления капелек или разрывов. По сравнению с механическими химические и электрохимические способы обработки поверхности являются более эффективными с точки зрения экономичности процесса и хорошего качества подготовленной поверхности и клеевых соединений. В дополнение к очищающему действию эти виды обработки могут обеспечить образование на поверхности химически стойкого слоя, который способствует сохранению прочности клеевых соединений в условиях эксплуатации.

Конструкция клеевых соединений

Элементы конструкции, сборка которых осуществляется склеиванием, должны специально проектироваться. Без  предварительного анализа нагрузок и напряжений, которые будут действовать  в процессе эксплуатации, нельзя, например, склеивать элементы, первоначально  спроектированные под сварку или  клепку. Необходимо хорошо продумать  мероприятия, обеспечивающие получение  сплошного клеевого шва между  соединяемыми поверхностями в процессе отверждения. Конструкция клеевого соединения, как правило, зависит  от двух основных факторов:

направления действия всех приложенных  нагрузок

и сил, которые соединение должно выдерживать в процессе эксплуатации;

легкости, с которой может  быть сформировано соединение. Это  зависит от способов изготовления склеиваемых  элементов и от используемых материалов.

Виды погружений клеевых  соединений. При рассмотрении конструкции  клеевого соединения, в зависимости  от способа приложения нагрузки, различают  несколько видов нагружения (рис.1): равномерный отрыв, равномерное сжатие, отдир (неравномерный отрыв), отслаивание, расслаивание. При всех видах нагружений имеют место нормальные (растягивающие или сжимающие) и касательные (сдвигающие) напряжения. В случаях а, б и в напряжения более или менее равномерно распределены по всей плошади склеивания. В случаях г, д и в наибольшие напряжения сконцентрированы по линии разрушения.

 
 

При равномерном отрыве несущая  способность соединения достаточно высока, так как растягивающие  напряжения примерно одинаковы почти  на всей поверхности склеивания, за исключением небольшой площади  у краев соединения, где существует концентрация напряжений. При таком  виде нагружения не всегда имеется уверенность, что существует равномерное нагружение клеевого шва, а внецентренное растяжение (отдир) существенно снижает несущую способность соединения. Для соединений такого типа очень важно, чтобы склеиваемые элементы имели большую толщину и под действием приложенной нагрузки не подвергались заметному прогибу. Если эти условия не соблюдаются, то распределение напряжений в соединении будет неравномерным.

Сопротивление клеевых швов сжатию обычно выше, чем растяжению.

Для отдира характерно внецентренное растяжение, которое имеет место в случае смещения растягивающей нагрузки относительно центра площади склеивания или при наличии момента сил. В противоположность равномерному отрыву, при данном виде нагружения напряжения распределяются неравномерно, и с одной из сторон соединения происходит их концентрация. Для выравнивания требуется достаточно большая площадь склеивания. В результате клеевые соединения, испытывающие такие нагрузки, будут менее экономичными.

При сдвиге склеиваемых элементов  большой толщины (или жестких  элементов) напряжение распределяется почти равномерно по всей площади  склеивания, т.е. несущая способность  таких соединений близка к несущей  способности соединений, нагруженных  на равномерный отрыв. Поэтому везде, где это только возможно, соединение должно быть сконструировано таким  образом, чтобы большая часть  действующей на него нагрузки трансформировалась в касательные напряжения. При  менее жестких элементах клеевого соединения на концах нахлестки возникает  большая концентрация напряжений, что  снижает несущую способность  соединения.

Для того чтобы имело место  отслаивание или расслаивание, один из склеиваемых элементов (или оба) должны быть гибкими. Эффект отслаивания  выражается в том, что в клеевом  шве возникает очень высокая  концентрация напряжений. Везде, где  только возможно, необходимо избегать нагружения отслаивающими или растягивающими нагрузками.

При разработке клеевого соединения следует иметь в виду несколько  важных аспектов. Модуль упругости  и прочность полимерных материалов, используемых в качестве адгезивов, существенно ниже, чем у металлов, керамики и наполненных композитов. Кроме того, значения модуля упругости полимерных материалов существенно различаются в стеклообразном и высокоэластичном состоянии. Если ожидается возникновение значительных расслаивающих и отслаивающих усилий, следует использовать какой-либо способ распределения нагрузки в системе - например, ограничивая подвижность на конце соединения заклепкой или точечной сваркой.

Таким образом, проектирование клеевых соединений сводится к стремлению снизить концентрацию напряжений, а  также трансформировать приложенную  нагрузку в сжимающие и сдвигающие напряжения в клеевом шве, по возможности  избегая при этом растягивающих, отслаивающих и расслаивающих усилий.

Типы соединений. Все клеевые  соединения, как бы они не были сложны, можно представить в виде четырех  основных типов, показанных на рис. 2.

 
 

На рис. 3 приведены некоторые  схемы рациональных и нерациональных клеевых соединений, на рис. 4 - целесообразные варианты замены некоторых видов  соединений клеевыми соединениями.

 
  
 

автор Мотовили Г.

журнал "Вывески Реклама OUTDOOR" №4 2004 год

www.signweb.ru

Виды и свойства клеев

 
Все клеи, применяемые для  склеивания древесины, подразделяют на животные, растительные и смоляные (из синтетических смол). Наибольшее применение в столярном производстве имеют клеи животные (мездровый, костный, казеиновый) и смоляные. Применяют  также клеи комбинированные, например, казенно-цементный, состоящий из смеси  порошка казеинового клея, портландцемента и воды. Клеи растительные используют преимущественно в фанерном производстве. 
Применяют клеи в виде жидких растворов, а смоляные также в виде сухих пленок. Составные части клея подразделяют на основные, растворители и вспомогательные. 
Основной частью состава клея называется вещество, из которого в результате действия растворителей или вспомогательных материалов образуется клей. Так, основной частью казеиновых клеев является казеин, мездрового и костного — глюгин. 
Растворители служат для растворения основного клеевого вещества и доведения его до жидкотекучего состояния. Растворители клеящими свойствами не обладают, при высыхании клея они испаряются. Вспомогательные вещества в составе клея имеют различное назначение в зависимости от свойств основного клеевого вещества. Их подразделяют на клееобразователи, наполнители, пластификаторы, катализаторы, отвердители, антисептики. 
Клееобразователи служат для перевода в раствор основного клеевого материала, который без них нерастворим. Наполнители применяют для уменьшения расхода основного клеевого материала или для изменения густоты клеевого раствора. Наполнителями служат мел, древесная мука и другие материалы. Они не должны снижать клеящие свойства основного клеевого вещества. Пластификаторы придают клеевой прослойке в соединениях эластичность во избежание образования в ней трещин. 
Катализаторами называют вещества, ускоряющие или замедляющие химические реакции. Катализаторами часто служат едкий натр, аммиак. Отвердители — это химикаты, способствующие переходу синтетических смол в твердое нерастворимое состояние. Основными свойствами клеев являются: их клеящая способность, грибостойкость, водостойкость, схватываемость, жизнеспособность; к отрицательным свойствам относится пробойность. 
Клеящая способность характеризуется механической прочностью клеевого шва. В лабораториях испытание склеивания на прочность производят путем скалывания (сдвига) склеенных образцов древесины. 
В практике прочность склеивания определяют раскалыванием стамеской склеенных образцов древесины по клеевому шву. 
Различают четыре характерных раскола: по древесине, по древесине — клею, по клею — древесине и по клею. Скалывание по древесине означает, что клеевой шов оказался прочнее древесины и склеивающая способность клея — высокая. Скалывание по древесине — клею указывает, что клеевой шов равнопрочен древесине. Скалывание по клею — древесине показывает, что раскол больше произошел по клею, чем по древесине, прочность древесины больше прочности клеевого шва, а скалывание по клею свидетельствует о низкой прочности клеевого шва. 
Грибостойкость. Животные и растительные клеи легко загнивают, при этом их клеящие свойства резко снижаются и могут совсем исчезнуть. Для предохранения клея от загнивания следует приготовлять его в чистой посуде, не смешивать старый клей с вновь приготовленным. Нередко в клеевые растворы вводят антисептики, например 2,5 г фенола или 100 г салициловой кислоты на 1 кг сухого мездрового или костного клея. В казеиновый клей добавляют 3% оксидифенила или 0,15% этилмеркур-фосфата 1 к весу сухого порошка. Антисептиками служат также часто входящие в состав казеиновых клеев едкий натр и медный купорос. Смоляные клеи абсолютно грибостойки. 
Водостойкость — свойство клея не снижать прочность склеивания при действии на него воды или влажного воздуха. Мездровый и костный клеи водостойкостью не обладают. Некоторую водостойкость им можно придать введением в рабочие растворы щавелевой кислоты. Водостойкость казеинового клея повышают добавлением в его состав медного купороса. Большинство смоляных клеев обладает высокой или абсолютной водостойкостью. 
Водостойкость клея определяют, вымачивая склеенные образцы древесины в воде комнатной температуры (15—20°) в течение 24 час. или вываривая в кипятке в течение часа. Если при этом прочность склеивания понижается не более чем на 30%, клей считается водостойким. 
Схватываемость (быстрота затвердевания) зависит от вида и состава клея. Схватываемость животных клеев зависит от температуры склеивания и скорости испарения воды из клеевого шва. Превращение смоляных клеев в твердое нерастворимое состояние происходит вследствие химической реакции; под влиянием высокой температуры реакция происходит быстрее. 
Жизнеспособность — время, в течение которого приготовленный клей пригоден к употреблению. Жизнеспособность мездрового и костного клеев несколько суток. Загустевший клей подогревают. Жизнеспособность казеиновых клеев обычно 4—5 час., после чего к употреблению они непригодны. Жизнеспособность смоляных клеев различна и зависит от их состава (рецептуры). 
Пробойность клея сквозь древесину (просачивание), изменение цвета древесины от клея обычно наблюдаются при фанеровании. Такие явления происходят от недостаточной густоты раствора, избыточного давления при фанеровании, наличия кислот и щелочей в древесине или в клее. Для уменьшения пробойности в растворы мездрового и костного клеев добавляют отмученный мел (до 25% к весу сухого клея). Это также ускоряет высыхание клея, не понижая его клеящих свойств. Сухие пленочные клеи не просачиваются и цвета древесины не меняют. 
В производстве к клеям предъявляют различные требования. Хорошими клеями в столярном производстве считают клеи, обеспечивающие равнопрочный с древесиной клеевой шов, не образующий пятен на поверхности древесины, достаточно жизнеспособные.