Подготовка поверхностей под склеивание
Подготовка поверхности под склеивание — это любой химический, электрохимический или механический процесс, который изменяет поверхность субстрата, делая ее более активной при контакте с клеем.
Эффективность применения клеев в значительной степени зависит от способа подготовки поверхности склеиваемых материалов, что в свою очередь определяется характером этой поверхности. Плохая подготовка поверхности под склеивание приводит к пониженной адгезии, а в некоторых случаях и к разрушению клеевого соединения. Даже незначительное отклонение от параметров технологического процесса подготовки поверхностей под склеивание может повлечь за собой снижение адгезионных свойств клея. Выбранный способ подготовки поверхности должен обеспечивать не только максимально возможную прочность клеевых соединений непосредственно после склеивания, но и их устойчивость в условиях эксплуатации.
Цель процесса подготовки поверхности — удаление всех загрязнений и получение равномерной по всей площади шероховатости. Важным параметром, определяющим качество клеевых соединений, является смачиваемость субстрата клеем. Если клей не смачивает поверхность субстрата, то даже при тщательном соблюдении всех остальных параметров процесса склеивания невозможно получить клеевые соединения с оптимальными свойствами.
При идеальной подготовке поверхности разрушение клеевых соединений происходит по слою клея или склеиваемому материалу (когезионное разрушение), а не по границе раздела клей-субстрат.
К сожалению, отсутствуют теоретические представления, которые объясняют все многообразие процессов, протекающих при подготовке поверхностей под склеивание, а также влияние этих процессов на образование адгезионного контакта между клеем и субстратом. Поэтому выбор оптимального способа подготовки поверхностей проводится экспериментальным путем с учетом природы склеиваемых материалов и клея, условий эксплуатации клеевых соединений и возможности осуществления того или иного способа в условиях серийного производства.
Так, широко применяемые для подготовки поверхности металлов под склеивание анодирование, оксидирование и другие электрохимические способы совершенно не пригодны для таких материалов, как декоративные пленки, дерево, пластики и др. Одним из эффективнейших способов подготовки поверхностей алюминиевых сплавов является анодное оксидирование, поскольку одновременно оно может быть использовано для защиты сплавов от коррозии. Однако некоторые эпоксидные клеи не имеют адгезии к таким поверхностям или срывают анодную пленку, поэтому использование хрупкого эпоксидного клея при таком способе подготовки поверхности не рекомендуется.
Вполне очевидно также, что способы подготовки поверхности металлов, как правило, не могут быть использованы для неметаллических материалов.
Важным фактором при выборе способа подготовки поверхности является возможность обеспечить работоспособность и долговечность клеевых соединений. Разные способы подготовки поверхностей под склеивание, обеспечивая одинаковую прочность клеевых соединений непосредственно после склеивания, могут по-разному сказываться на эксплуатационной надежности клееных конструкций. Химически обработанные поверхности обладают высокой активностью и могут легко поглощать содержащиеся в воздухе влагу и загрязняющие примеси, что ухудшает качество склеивания.
В связи с этим временной промежуток между операциями подготовки поверхности и склеивания должен быть минимальным, что не всегда осуществимо. Для его увеличения применяют специальные адгезионные грунты.
Подготовка поверхности под склеивание является одним из основных факторов, от которых зависит работоспособность конструкций, и к ней следует относиться очень внимательно.
При хорошей подготовке поверхности обеспечиваются:
- необходимая прочность клеевых соединений непосредственно после склеивания;
- высокая долговечность клеевых соединений, т.е. сохранение исходных свойствили их незначительное снижение в течение всего срока эксплуатации;
- сохранение свойств субстратов при их обработке под склеивание;
- возможность применения в конкретных производственных условиях.
Подготовка поверхностей под склеивание состоит из двух этапов:
Источник
Дополнительная обработка поверхностей перед склеиванием
Для обработки поверхности используют физические (механические), химические и физико-химические способы. Следует отметить, что наиболее высокую прочность клеевых соединений удается получить после химической обработки поверхности. Пескоструйная обработка поверхности дает клеевые соединения с низкой стойкостью к комбинированному действию повышенных температур и влажности. Для повышения противокоррозионной стойкости на склеиваемые поверхности целесообразно наносить защитные покрытия (хроматные покрытия, анодные пленки и др.). Склеивание деталей со свежеподготовленными поверхностями как правило повышает прочность и долговечность клеевых соединений.
К физическим (механическим) способам обработки поверхности под склеивание относятся абразивная обработка струйными методами и зачистка поверхностей шлифовальными шкурками. Эти способы применяют для подготовки поверхности металлов, стеклопластиков, композиционных материалов, керамики и резин. Абразивную обработку струйными методами используют для деталей толщиной не менее 3 мм с использованием электрокорунда, кварцевого песка или карбида кремния. При толщине деталей менее 3 мм применяют зачистку шлифовальными шкурками.
При абразивной обработке материалов важную роль играют форма и размеры частиц абразивного материала.
Размеры частиц абразивных материалов, используемых для дробеструйной обработки различных материалов
Размер частиц абразивного материала, мкм
Параметры процесса струйной обработки приведены ниже:
Гидропескоструйную обработку проводят под давлением 0,3—1 МПа суспензией следующего состава (г/л):
После гидропескоструйной обработки поверхность металлических деталей промывают при 60—80 0C в течение 2—3 мин антикоррозионным составом, содержащим (г/л):
Нитрит натрия Карбонат натрия
При зачистке поверхности наждачной бумагой используют бумагу № 12-25. При склеивании стеклопластиков обработка поверхности механическим путем (зашкуривание или зачистка) обеспечивает разрушение клеевого соединения по субстрату. Для зачистки поверхности можно использовать приспособления типа полотеров. Пыль, образующуюся при такой зачистке, удаляют с помощью пылесосов. К механическим способам подготовки поверхности относится и фрезерование. Его используют для подготовки поверхности древесины непосредственно перед склеиванием.
К увеличению прочности адгезионного соединения приводит использование механо-химического способа, т.е. проведение механической обработки в среде некоторых реагентов (например, мономера, растворителя, используемого в составе клея, клея и др.). Этот способ применяется для обработки поверхности полимерных материалов. Обработка способствует улучшению смачивания полимера клеем и повышению прочности клеевых соединений. Продолжительность обработки составляет 5 мин при частоте возвратно-поступательного движения наждачной бумаги 100 мин-1. При механической обработке полиэтилена высокого давления по слою нанесенного на него эпоксидного клея на поверхности зарегистрировано наличие химически связанного слоя клея, который не удаляется при промывке растворителем.
Возможна замена механической (пескоструйной) обработки поверхности более прогрессивным способом — обработкой ионами аргона. Применение этого способа для обработки поверхности коррозионностойкой стали позволило повысить прочность клеевых соединений (при склеивании эпоксидным клеем) в три раза. Другим преимуществом этого способа является то, что качество поверхности не снижается при длительном сроке хранения — склеивание может быть выполнено через несколько часов или месяцев после подготовки поверхности без снижения прочности клеевого соединения.
К химическим (электрохимическим) способам подготовки поверхности относятся травление и анодное оксидирование. При химических способах подготовки поверхности изменяются ее химические и физические свойства, повышается адгезионная способность. Для каждого металла нужны специфические методы химической обработки. При взаимодействии с химическим реагентом на поверхности металла происходит образование оксида или стравливание металла, возможно также одновременное протекание этих процессов.
Травление применяют для подготовки поверхностей металлов, резин и трудносклеиваемых материалов. Для подготовки поверхности металлов используют растворы, в состав которых входят серная, азотная, хлороводородная (соляная) и фосфорная кислоты.
Весьма часто для подготовки поверхности алюминиевых сплавов используют раствор следующего состава (мас.ч.):
Давление сжатого воздуха, МПа
Диаметр сопла, мм
Угол наклона сопла к обрабатываемой поверхности, град
Расстояние сопла от поверхности, мм
После травления обязательна промывка деталей проточной холодной водой до нейтральной реакции промывной воды. Сушку деталей после промывки производят в помещении обдувкой сжатым воздухом, нагретым до 50 0C для алюминиевых сплавов и до 110 0C для других металлов.
После травления поверхности детали можно хранить до склеивания от 4 ч до 10-14 сут. При более длительном хранении подготовленных к склеиванию деталей прочность клеевых соединений снижается. Особенно резко снижается прочность при расслаивании: после хранения подготовленной поверхности до 30 сут этот показатель может снизиться до 80 %. При хранении деталей их следует обернуть подпергаментной или крафт-бумагой для защиты от загрязнений.
Для подготовки поверхности резин используют H2SO4 с концентрацией 80-93 %. Продолжительность выдержки при обработке поверхности зависит от типа резин и концентрации серной кислоты. Так, например, при обработке поверхности резин на основе натурального каучука 93 %-й H2SO4 выдержка составляет 2-3 мин, при концентрации кислоты 80 % — 5-10 мин. При обработке поверхности резин на основе синтетических каучуков используют концентрированную азотную кислоту, при этом продолжительность выдержки составляет 4-8 мин.
Используя кислоту и тонкоизмельченный порошок диоксида кремния (аэросил), готовят тиксотропную пасту. Пасту наносят на склеиваемую поверхность и оставляют на 10-20 мин, затем смывают водой.
Обработка поверхности резин кислотами наиболее эффективна для толстостенных изделий, так как при такой обработке прочность резин снижается на 20-30 %, поверхность становится жесткой, ухудшается товарный вид резин. Данный способ совершенно не пригоден для обработки тонких резинотехнических изделий.
Более прогрессивным является бромирование поверхности резин ионным способом, который отличается простотой применения, не требует сложного аппаратурного оформления и практически не влияет на прочность резин.
Поверхность металлов под склеивание можно готовить фосфатированием — обработкой растворами одноза-мещенных солей фосфорной кислоты. Наиболее высокие прочности клеевых соединений при склеивании эпоксидным клеем обеспечиваются при фосфатировании 15 %-м раствором фосфорной кислоты в течение 50 мин при 23-25 0C
Одним из наиболее широко используемых способов подготовки поверхности под склеивание конструкционными клеями является анодное оксидирование. Анодная пленка наряду с высокими адгезионными свойствами обладает хорошими защитными свойствами. При анодном оксидировании детали погружают в электролит и соединяют с положительным полюсом источника тока. Во время прохождения тока через электролит па аноде выделяется активный кислород, который взаимодействует с алюминием, образуя анодную пленку С увеличением толщины анодной пленки ее защитные свойства возрастают, но прочность уменьшается.
Применяются три способа анодного оксидирования деталей: сернокислотный, хромовокислотный и фос-форпокислотный.
Наиболее хорошими защитными свойствами обладает анодная пленка, образующаяся при сернокислотном способе. Однако она является самой хрупкой и непрочной; прочность клеевых соединений при сдвиге составляет около 20 МПа. Кроме того, при такой подготовке поверхности наблюдается пониженная водостойкость клеевых соединений с адгезионным характером разрушения, так как имеет место проникновение влаги по анодной пленке. Состав, в котором производится анодирование, необходимо охлаждать до 10—15 0C, что также вызывает дополнительные трудности. Сернокислотное анодирование может быть рекомендовано только как метод подготовки поверхности под склеивание нежесткими клеями (например, фенолокаучуковыми).
Анодное оксидирование в хромовой кислоте обеспечивает более высокие прочности клеевых соединений. Анодная пленка является более плотной и более активной, но имеет худшие защитные свойства, чем пленка, образующаяся при сернокислотном анодировании. Недостатком этого способа анодирования является дефицитность и высокая токсичность электролита.
Для алюминиевых сплавов наиболее прогрессивным является анодирование в фосфорной кислоте. Этот способ имеет следующие преимущества перед другими: незначительное изменение прочности клеевых соединений при колебаниях напряжения, температуры ванны и продолжительности анодирования, а также более высокую прочность клеевых соединений. Клеевые соединения обладают наиболее высокой водостойкостью и несколько лучшими прочностными характеристиками при циклическом погружении клеевых соединений в соленую воду. Склеивание следует проводить непосредственно после анодирования (не позднее, чем через 3 сут).
Наиболее широко применяемые составы и способы подготовки поверхностей под склеивание приведены в табл.
Обработка поверхности составом (г/л тетрагидрофурана): Нафталин 128 Натрий металлический 46
Обработанные детали промывают погружением в ацетон и затем тщательно промывают водой в течение 5-7 мин
Обработка поверхности составом (г/л тетрагидрофурана): Антрацен 178 Натрий металлический 92
Обработка поверхности пастой состава (г/л тетрагидрофурана): Нафталин 512 Натрий металлический 92 Парафин 40
Пасту выдерживают на поверхности в течение 5-7 мин
Обработка поверхности пастой состава (г/л тетрагидрофурана): Антрацен 356 Натрий металлический 92 Парафин 40
Источник
Способы склеивания
Есть разные способы сборки клеевых соединений, которые могут быть приспособлены к конкретным условиям. Эти способы должны удовлетворять следующим требованиям, играющим важную роль в успешной склейке.
- Доведение клея до жидкого состояния, обеспечивающего надежное смачивание поверхности субстрата.
- Удаление нежелательных компонентов клея (органических растворителей, воды, летучих продуктов, выделяющихся в процессе реакции отверждения) из зоны склеивания, для предотвращения образования пор, раковин и дефектов в клеевом шве.
- Приложение к соединению необходимого давления на время отверждения клея для предотвращения смещения склеиваемых деталей в процессе сборки.
Мокрое склеивание
Клей наносится на поверхность: либо на одну, либо на другую, либо сразу на обе склеиваемые поверхности, после чего поверхности немедленно соединяют и фиксируют. Способ пригоден для склеивания непористых субстратов в случаях, когда в рецептуре клея нет растворителей (эпоксидные смолы с катализаторами, цианакрилатные клеи, акрилаты, полиэфирные смолы, клеи-расплавы и т.д.). Если же в клее присутствуют растворители, то мокрое склеивание приведет к образованию дефектов в клеевом слое после отверждения. В случае, когда один из субстратов пористый, мокрое склеивание годится для любого клея, который способен смочить поверхности, так как пористый субстрат не препятствует удалению растворителей из зоны склейки. Время фиксирования склеиваемых деталей при использовании клеев, содержащих растворители, можно уменьшить путем предварительной частичной сушки клеевого слоя до липкого состояния (открытая выдержка). Длительность открытой выдержки обычно устанавливается производителем клея, но зависит от температуры окружающей среды, влажности и других переменных факторов (наличие обдува и температура подаваемого воздуха). Нанесение клея на обе поверхности способствует получению более прочного соединения, но удлиняет период открытой выдержки.
Склеивание за счет реактивации
При этом способе клей обычно наносится на обе склеиваемые поверхности, после чего их подвергают открытой выдержке до полного его высыхания («сушка до отлипа» — клей не липнет к пальцу). Этот способ хорош для больших поверхностей, когда трудно контролировать равномерность процесса сушки.
Следующий этап — собственно реактивация клея. Для этого существуют два основных способа: реактивация растворителем и реактивация нагреванием.
Реактивация растворителем. Этот способ заключается в увлажнении высушенной клеевой пленки прямо перед соединением поверхностей подходящим быстро высыхающим растворителем. Способ годится для клеев, которые могут активироваться при воздействии растворителей (клеевые композиции на основе термопластичных смол и каучуков).
Реактивация нагреванием. Этот процесс может быть использован в том случае, если сам субстрат обладает достаточной теплостойкостью, поскольку склеиваемые элементы перед соединением (но после нанесения и сушки клеевого слоя) нагревают. Температура при этом должна быть достаточной либо для химической активации нанесенного клея (полиэфирные клеи с добавками изоцианатов, клеи на основе каучуков с активирующими добавками), либо для его расплавления (клеи на основе битумов, восков, канифоли и др.).
Для метода склейки за счет реактивации очень важно предохранить поверхность после нанесения на нее клея от загрязнения и пыли до момента склейки!
Склеивание за счет липкости
Применение способа ограничено клеящими материалами, способными в высушенном состоянии сохранять липкость в течение достаточно длительного времени (клеи на основе различных латексов). Готовое клеевое соединение получается за счет контакта между поверхностями (на одну из которых или на обе нанесен клей) и сжатия их, в результате чего обеспечивается формирование клеевого шва. В случае, когда клей наносится на обе поверхности, этот способ именуется «контактным склеиванием», и механизм его объясняют самоклеящими свойствами некоторых клеев. Для предохранения липких клеев от загрязнений необходимо применять разделительные (защитные) слои — полиэтилен, целлофан, ламинированную бумагу.
Отверждение
Для клеев определенных типов необходим этап отверждения. Такие клеи могут применяться как в пленочном, так и в жидком виде. Жидкие — в результате воздействия катализаторов. Клеевую композицию в виде предварительно подготовленной смеси компонентов необходимо успеть нанести в течение срока ее жизнеспособности, пока обеспечивается хорошее распределение клея и смачивание им поверхности. После нанесения необходима выдержка в течение времени, достаточного для отверждения клея (эпоксидные, полиэфирные смолы). При использовании клеев холодного отверждения детали приходится выдерживать в фиксированном состоянии в течение нескольких часов или даже суток. Использование клеев горячего отверждения позволяет сильно сократить это время. Пленочные клеи, армированные или не армированные ткаными материалами, не создают проблем с липкостью, удалением растворителя, которые характерны для многих жидких клеев. Пленка кроится по шаблону, укладывается между склеиваемыми поверхностями, после чего прикладывается давление и обеспечивается нагрев.
Другие способы склеивания
- Склеивание термопластичных пластиков растворителями без применения клеевых композиций (химическое плавление). Этот способ основан на способности термопластичных материалов подрастворяться под воздействием подходящих растворителей в зоне склейки, с последующим прижимом склеиваемых деталей друг к другу и выдержкой, необходимой для обеспечения миграции растворителя из зоны склейки. Например, склеивание изделий из полиметилакрилата (оргстекло) и полистирола может производиться хлороформом или дихлорэтаном. Изделия из поливинилхлорида можно клеить тетрагидрофураном (предпочтительнее) или циклогексанолом.
Растворители ядовиты!
- Склеивание разнородных субстратов, которые не могут быть соединены одним клеем. Используют два разных клея, имеющих адгезию друг к другу. Например, эффективным способом склеивания нейлона и стали является нанесение на нейлон адгезионного грунта на основе резорцинформальдегидного клея и склеивание со сталью, на которую нанесен слой эпоксидного клея.
- Предварительное нанесение клея на поверхность субстрата и склеивание его (после сушки) с другим субстратом, на поверхности которого находится невысушенный клеевой слой.
- Нанесение последовательно нескольких слоев клея (с поэтапной сушкой) на субстрат с высокой пористостью, обеспечивающее устранение впитывания в пористый субстрат при склейке, для препятствования образованию «голодных» клеевых швов.
- Использование грунтов перед нанесением клея на субстрат, когда трудно обеспечить соединение клея непосредственно с субстратом.
Источник
