Количественно еще никому не удалось оценить вклад того или иного фактора в работоспособность клеевого соединения в целом, но совершенно очевидно, что некачественное выполнение всего одной операции при формировании клеевого соединения может отрицательно сказаться на работоспособности узла в целом.

При проектировании клеевого соединения часть факторов является заданной, часть производной, на практике, как правило, изначально заданными является конструкция и материалы, которые необходимо соединять, производными – адгезив и технология его применения. Постоянное совершенствование конструктивных решений узлов, появление новых конструкционных материалов, ужесточение режимов работы изделий заставляет развиваться и совершенствоваться индустрию адгезивов. На определенном этапе развития и появился класс термореактивных безрастворных эпоксикаучуковых адгезивов, связующее в которых представляет собой совмещенные с олигомерными каучуками эпоксидные смолы, при этом и те и другие могут быть различной химической природы. Задача – при сохранении ценных свойств, присущих эпоксидам (способность быстро отверждаться при комнатных и повышенных температурах, высокая адгезия к самым различным материалам, химическая стойкость, термостойкость – для эпоксикремнийорганических смол, высокие диэлектрические характеристики, отсутствие летучих при отверждении, малая усадка) избавиться от основного недостатка эпоксидов – хрупкости, и, как следствие, ограниченности применения в тепло- и вибронагруженных узлах с применением разнородных материалов, ряда пластмасс и эластомеров

Конструкция.

Несмотря на обилие конструктивных решений клеевых соединений, по видам прилагаемых нагрузок их классифицируют как соединения, работающие на сдвиг, в которых возникают преимущественно касательные напряжения; на отрыв (сжатие), в которых имеют место главным образом напряжения растяжения (сжатия); неравномерный отрыв, когда направление прилагаемой нагрузки не лежит на одной оси; отслаивание, когда нагрузка прилагается к эластичному субстрату, соединенному с жесткой подложкой; расслаивание, когда направление прилагаемой нагрузки перпендикулярно плоскости клеевого шва и образует развернутый угол (два эластичных субстрата). Необходимо подчеркнуть, что эпоксикаучуковые клеи, в отличие от всех термореактивных безрастворных конструкционных клеев способны работать во всех клеевых соединениях с приложением вышеперечисленных нагрузок, при этом величина зазора, а также ее изменение по длине клеевого шва практически не влияет на работоспособность клеевого соединения.

Подготовка поверхности

Подготовка поверхности субстратов под склеивание состоит из двух этапов:

• очистка поверхностей субстратов с целью удаления различных загрязнений, снижающих прочность клеевого соединения, проводится органическими растворителями, водными растворами моющих средств, щелочными препаратами.
• обработка поверхностей, что является особенно актуальной для полимеров ввиду химической инертности целого ряда материалов.

По способности склеиваться полимерные материалы могут быть разделены на легко склеиваемые (без специальной подготовки поверхности – полиметилметакрилат, полистирол, поливинилхлорид, поликарбонаты, производные целлюлозы), условно легко склеиваемые (требующие несложной подготовки поверхностей- полиамиды, полиформальдегид, полиэтилентерефталат) и трудно склеиваемые (требующие сложной подготовки поверхностей или применения специальных клеев, пригодных лишь для определенного класса пластмасс – полиолефины, фторопласты).

Обработку поверхностей субстратов проводят физическими (механическими), химическими и физико-химическими (механохимическими) способами.

Физические методы – абразивная обработка: струйными методами (электрокорунд, кварцевый песок и карбид кремния) и наждачной бумагой -для деталей толщиной не менее 3 мм, при толщине менее 3 мм – наждачной бумагой № 12-25. К механическим способам относится обработка резанием: точение, фрезерование, обработка абразивными кругами.

Химические способы подготовки поверхности позволяют активировать субстраты химически инертные – полиэтилены, фторопласты. Способы подготовки поверхности материалов наиболее полно представлены в справочнике А.П.Петровой «Клеящие материалы», Москва, Каучук и резина, 2002.

Для эпоксикаучуковых адгезивов очень эффективным методом подготовки поверхности трудно склеиваемых материалов является механохимический, сущность которого заключается в том, что механическая обработка поверхности происходит в среде реагентов – мономеров, растворителей, входящих в состав клея, но чаще всего через пленку неотвержденного клея. В этом случае после втирания наждачной бумагой клея, последний удаляется механически (шпателем, раклей), на поверхность полимера наносится свежий клей, поверхности совмещаются и производится отверждение. При этом способе достигается значительное увеличение прочностных характеристик клеевого соединения.

Состав

В нашем случае – это термореактивные безрастворные синтетические продукты совмещения по различным технологиям эпоксидных смол различной химической природы с олигомерными каучуками различной химической природы и отверждаемые аминными отвердителями при температурах производственных помещений (15 – 35 °С). Несмотря на достаточно ограниченный перечень олигомерных каучуков, пригодных для совмещения с эпоксидами, их сочетание, а главное, возможность совмещения в различных соотношениях дает практически неограниченное число вариантов связующих. Дальнейшее совершенствование эпоксикаучуковых связующих идет традиционными путями: введением наполнителей, активных разбавителей (флексибилизаторов), стабилизаторов, поверхностно-активных веществ, антипиренов, тиксотропных добавок. Скорость отверждения регулируется применением аминных отвердителей различной химической природы. Необходимо подчеркнуть, что эпоксикаучуковые адгезивы, содержащие до 8-ми исходных веществ к потребителю приходят двух (трех) компонентными – связующее и отвердитель (наполнитель). В результате проводимых модификаций получаются адгезивы, отличительными особенностяими применения которых являются:

• возможность соединять в различных сочетаниях практически все существующие металлические и неметаллические конструкционные материалы
• высокая технологичность – приготовление, нанесение и отверждение составов происходит без применения оборудования при температурах от 4 °С. Возможно нанесение на загрязненные и обводненные поверхности
• возможность изменения вязкости в широких пределах (от заливочных до тиксотропных композиций)
• возможность регулирования свойств материалов: электро – и теплопроводности, плотности, ударной вязкости
• возможность механической обработки отвержденных материалов, высокая ремонтопригодность
• широкий температурный диапазон эксплуатации: от – 196 до + 500 °С
• высокая адгезионная и когезионная прочность
• высокая стойкость к вибрационным и динамическим нагрузкам
• высокая износостойкость
• высокая стойкость к термоударам
• высокая радиационная стойкость
• высокая стойкость ко всем видам топлив, масел, гидравлических жидкостей
• стойкость к кислотным и щелочным средам
• биостойкость
• длительность сроков сохраняемости свойств в изделиях (до 25 лет).

Возможность получения адгезивов с заранее заданными свойствами порождает значительное количество марок материалов, разработанных по конкретным техническим заданиям (см. табл.), при этом показатель относительного удлинения при разрыве варьируется от 3% (клей КДС-17), 12% (КДС-19) до 40% (клеи КВС-31 и ЭКАН-3). Необходимо подчеркнуть, что высокоэластичные клеи гарантируются именно по этому показателю, при этом гарантийный срок сохранения относительного удлинения клея КВС-31 в узлах составляет до 25 лет. Клей марки ЭКАН-3, разработанный по конверсионной технологии, по возможным сочетаниям склеиваемых материалов равных себе не имеет. Он достаточно эффективно соединяет не только жесткие субстраты (сталь-стекло, керамика-пластмасса, графит-углепластик), но и эффективен при соединении пленочных материалов и эластомеров. Вследствие высокой прочности (разрушающее напряжение при сдвиге/отрыве на паре сталь-сталь порядка 13 – 16 МПа и практически не зависит от толщины клеевого шва) и деформативности адгезив обеспечивает работоспособность узлов в условиях тепловых ударов, статических и динамических нагрузок.

Клей марки ТКС-500 – продукт модификации олигомерным каучуком эпоксикремнийорганической смолы, в результате которой получен адгезив, эффективно работающий в паре «металл-стекло» при повышенных температурах (кратковременно до 500 °С) Высокая деформативность эпоксикаучуковых составов позволила ряд низковязких связующих использовать в качестве компаундов различного назначения: для корпусной и бескорпусной заливки радиоэлектронной аппаратуры и изделий электротехнического назначения, изготовления мастер-моделей, проведения различных рода ремонтных работ, для гидроизоляции и изготовления половых покрытий в жилых и промышленных зданиях и сооружениях различных категорий, процессов инъектирования, как с применением высоконапорного оборудования, так и вручную. Основные характеристики эпоксикаучуковых адгезивов представлены в таблице.

Технология склеивания

Технология склеивания включает операции приготовления, нанесения и отверждения клеев. Отличительной особенностью эпоксидных, в том числе эпоксикаучуковых клеев, является возможность осуществлять процессы приготовления, нанесения и отверждения адгезивов при температурах производственных помещений (15 – 35 °С, а специальных составов – в «полевых» условиях, при этом возможно отверждение на влажных и загрязненных поверхностях при температурах от 4 °С), при этом совмещение компонентов практически во всех случаях возможно осуществлять без применения смесительного оборудования.

Приготовление клеев.

Поступающие в производство многокомпонентные (эпоксикаучуковые клеи в состоянии поставки потребителю как правило двухкомпонентны) готовят непосредственно перед нанесением на поверхности в соответствии с технической документацией на них c учетом общих требований:

• клеи и компоненты клеев должны принять температуру помещения
• соотношение компонентов должно строго выдерживаться
• клеи, смешение компонентов которых сопровождается выделением тепла, и, как следствие, сокращением жизнеспособности, готовят малыми порциями, либо в охлаждаемых емкостях.

Технология приготовления связующих ряда композиций (КДС-17, КДС-19, КВС-31, ЭКАН-3) предполагает совмещение компонентов при температурах 150 – 160 °С в течение 2-3 часов, при этом в связующем по окончании процесса практически не остается летучих веществ, что благоприятно влияет на здоровье сотрудников предприятий, применяющих клеи. Вводить отвердитель можно вручную либо с применением механических перемешивающих устройств (для низковязких – высокооборотных, высоковязких — низкооборотных), применение которых приводит к повышению прочности и стабильности клеевых соединений.

Нанесение клеев:

При нанесении клеев решаются задачи дозировки, равномерного распределения и обеспечения контакта клея с поверхностью субстрата. Обычно расход клея составляет 100-300 г/м2, для эпоксикаучуковых клеев, обеспечивающих работоспособность клеевых соединений при толщинах клеевого шва до 5 мм, расход клея может составлять до 5 кг/м2. Низковязкие композиции (в нашем случае это эпоксикаучуковые адгезивы с введенным растворителем (рекомендуется не более 10% масс)), наносят кистью, валиком (в том числе дырчатым), шприцом, распылением, распылением в электростатической поле, с помощью микродозаторов механических и пневматических. Распыление в электростатическом поле и безвоздушное распыление позволяет существенно снизить потери клея при распылении клея сжатым воздухом.

Высоковязкие композиции наносят шпателем, раклей, пневмоэлектрическими дозаторами. При склеивании полимерных материалов нанесение адгезива совмещают с активацией поверхности субстрата – на последнюю воздействуют крупнозернистой наждачной бумагой через слой адгезива, удаляют адгезив, наносят свежий и совмещаю поверхности (механохимический способ подготовки поверхности).

Отверждение клеев

Процесс отверждения характеризуется температурой, временем и давлением, прилагаемым к склеиваемым материалам, и для каждого клеевого соединения является индивидуальным.

Эпоксикаучуковые клеи отверждаются, как правило, при температурах производственных помещений (15 – 35 °С), при этом технологическое время отверждения (время, по истечении которого клеевое соединение может быть передано на дальнейшие операции без приложения основной нагрузки) составляет 24 часа, полное время – 24 – 96 час (в зависимости от применяемого отвердителя).

Применение аминофенольных и смесевых отвердителей с активаторами и поверхностно-активными веществами позволяет проводить процессы склеивания в «полевых условиях», под водой, по загрязненным поверхностям при температурах от 4 °С.

Отверждение при повышенных температурах улучшает механические характеристики клеевого соединения, если конструктивно обеспечивается герметичность клеевого шва, то нагрев можно производить сразу после совмещения деталей, если клеевое соединение не герметично, необходима выдержка при нормальной температуре (4-5 час), потом нагрев. В любом случае повышение температуры и охлаждение детали должно происходить плавно, а сами температуры умеренные (60 – 80 °С), при этом время выдержки при указанных температурах составляет 4 – 6 час.

Отверждение при повышенных температурах проводят в термостатах, автоклавах, печах, прессах с обогреваемыми плитами, воздействием электронного, плазменного, рентгеновского, ИК- и УФ-облучения, ТВЧ, ультразвуком.

Контроль качества на различных этапах получения клеевого соединения заключается в проверке:

• неотвержденных клеев и их компонентов (непосредственно после приготовления, в процессе хранения, перед применением), отвержденных клеев
• клеевых соединений (образцов-свидетелей) разрушающими методами
• клеевых соединений (изделий) неразрушающими методами.

Таким образом, только в результате правильного выбора и исполнения всех составляющих и технологических операций структуры адгезионной системы получают работоспособное адгезионное соединение.