45. Влияние способа сварки пленок из оазиотипных полимеров иа прочность соединений [16]

Для ряда соединений разнотипных полимерных материалов (например, при сварке полиэтилена с полипропиленом или фторопласта-2 с фторопластом-3) целесообразно сочетать разные способы сварки. Так, прививка сополимера к одной из свариваемых плоскостей используется для подготовки поверхности при химической сварке, поскольку она способствует улучшению смачиваемости и приводит к образованию в поверхностном слое материала функциональных групп, необходимых для реакции с присадочным реагентом.

В ряде случаев для повышения теплостойкости и стойкости к растворителям сварных соединений используют комбинации прослоек из сополимеров и способа химической сварки. Сочетанием разных способов сварки можно упростить соединение материалов, повысить их качество и прочность.

Глава 12 СКЛЕИВАНИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Склеивание пластмасс - это метод создания неразъемного соединения элементов конструкции с помощью клея. Процесс склеивания основывается на явлении адгезии - сцепления в результате физических и химических сил взаимодействия клея с пластмассой при определенных условиях. Прочность клеевого соединения зависит от ряда факторов: свойств склеиваемой пластмассы (структуры и полярности молекул, растворимости и смачиваемости, состояния поверхности, степени модифицирования), свойств применяемого клея (структуры и полярности макромолекул, смачивающей способности, реологических свойств, когезионной прочности), а также от конструктивных и технологических параметров. Например, пластмассы с достаточной концентрацией полярных групп (эпоксиды, полиуретаны, полиамиды и т. п.) имеют, как правило, высокую начальную адгезию со многими известными клеями. Неполярные полимеры (полиолефины, фторопласт и т. п.) обладают низкой адгезионной способностью и для их склеивания используются специальные технологические приемы.

По способности пластмасс к склеиванию их можно разделить на следующие группы [15]: 1 - легкосклеиваемые, требующие несложной подготовки поверхностей (полиакрилаты, целлюлозные ма-

териалы, АБС-пластики, непластифицированный поливинилхлорид, поликарбонат, иеитапласт, фенопласты, эпоксипласты, аминопласты); П - условно легкосклеиваемые, требующие несложной подготовки поверхностей и применения специальных клеев и грунтов (полиамиды, полистирол, пластифицированный поливинилхлорид, полифениленоксид, реактопласты на основе полиэфирных смол); III - трудносклеиваемые, требующие специальной подготовки поверхностей (полиформальдегиды, ударопрочный полистирол, полипропилен, полиэтилен, фторсо-держащие полимеры, полиамиды, реактопласты на основе кремний-органических смол).

Промышленные марки пластмасс практически всегда содержат определенное количество модификаторов - пластификаторы, стабилизаторы, антипирены, антистатики, красители и другие, что может привести к значительным изменениям в адгезионных свойствах их поверхностного слоя. Поэтому в каждом конкретном случае следует проводить оценку адгезионной способности пластмассы, чтобы установить необходимость предварительной подготовки поверхности, направленность в выборе клея и технологии склеивания.

Для получения качественного клеевого соединения необходимо обеспечивать смачивание клеем соединяемых поверхностей; создавать определенное давление и предотвращать смещение склеиваемых деталей в процессе отверждения клея; в отверждениой клеевой прослойке не должны присутствовать компоненты, отрицательно влияющие на прочность клея (растворители, вода, летучие продукты, выделяющиеся в процессе отверждения, и т. п.).

Наиболее часто применяются способы склеивания жидким или пастообразным клеем, за счет активации высушенных или пленочных клеев, за счет липкости [37].

Жидкие или пастообразные клеевые композиции наносятся на поверхность одного или обоих субстратов, после чего соединение собирается. Если в рецептуру клея входят растворители, применяется частичная сушка нанесенного клеевого слоя до липкого состояния (открытая выдержка). Эта операция сокращает время фиксации собранного соединения под давлением и способствует получению качественного клеевого соединения. Нанесение клеевого слоя на поверхность обоих субстратов повышает прочность соединения, но замедляет процесс склеивания.

Склеивание за счет активации высушенных или пленочных клеев применяется при сборке изделий, имеющих большие сопрягаемые поверхности, когда затруднено регулирование процесса отверждения клея.

Активация растворителем заключается в увлажнении высушенного клеевого слоя перед соединением деталей специальным быстровысы-хающим растворителем. Способ применим только к клеям, которые могут активироваться при воздействии растворителей, например, к клеевым композициям на основе термопластичных смол и каучуков, содержащих в своем составе растворитель.

Активация нагревом используется для теплостойких пластмасс, а процесс склеивания заключается в нанесении клеевого слоя (обычно пленочного клея), сборке клеевого соединения с приложением определенного давления, нагреве соединяемых деталей до оплавления клея, охлаждении изделия и формировании клеевого соединения.

Склеивание за счет липкости осуществляется в результате со-прикосновенпя поверхностей с предварительно нанесенным клеем, сохраняющим липкость в течение длительного времени, и сжатия их, благодаря чему обеспечивается формирование клеевого соединения.

Склеивание может быть единственно возможным способом соеди-

нения, если анализ свойств соединяемых пластмасс или специфических эксплуатационных требований к конструкции показывает, что применение сварки может привести к ухудшению механических характеристик материалов, изменению цвета, а механического крепления - к короблению и т. п.

Склеивание может быть также более предпочтительным по сравнению с другими способами соединений пластмасс вследствие возможности соединять самые разнообразные пластмассы, а также чувствительные к нагреву полимерные материалы, элементы конструкции сложной формы, где требуется точная подгонка между сопрягаемыми деталями, получать соединения, обладающие высокой степенью герметичности и хорошими электроизоляционными свойствами. Многообразие клеев и технологических способов склеивания позволяет приспособить их ко многим производственным процессам, создает возможности для снижения веса конструкции.

В то же время применение склеивания может значительно усложнить производственные процессы, из-за многооперационной технологии изготовления конструкций (в некоторых случаях требуется сложная предварительная обработка поверхностей и сохранение их в чистоте, приготовление и нанесение клеев, обеспечение определенной температуры и влажности в помещении в процессе склеивания, длительное время отверждения, использование различных приспособлений и специального оборудования). Кроме того, высокая токсичность многих клеевых композиций, взрыве-, пожаробезопасность особенно при работе с клеями на растворителях требуют принятия специальныхГмер безопасности.

По мере роста производства полимерных материалов и расширения областей их применения в строительстве, машиностроении, авна-и судостроении, легкой промышленности склеивание становится одним из распространенных способов соединения пластмасс. В зависимости от назначения определилось несколько направлений использования клеевых соединений: в конструкциях общего назначения, когда не предъявляется особых требований к прочности и надежности; силовых соединениях, обладающих высокой прочностью и долговечностью в эксплуатационных условиях; в конструкциях специального назначения (для герметизации, электроизоляции). \

В случае проектирования силовых клеевых конструкций оптимальный результаты могут быть достигнуты при тщательной проработке каждой стадии технологического процесса склеивания, который включает следующие взаимосвязанные основные этапы: конструирование клеевых соединений для конкретного назначения; выбор клея, соответствующий конструктивным, технологическим и эксплуатационным требованиям; разработка технологии склеивания; обеспечение контроля качества процесса склеивания.

Получение клеевых соединений с заданным уровнем надежности возлгожно только при многократном рассмотрении предъявляемых к конструкции требований на каждом этапе и принятии оптимальных решений.

Проектирование несиловых соединений осуществляется исходя из обеспечения минимальной трудоемкости при изготовлении.

КОНСТРУИРОВАНИЕ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

При проектировании клеевого соединения необходимо учитывать следующие эксплуатационные параметры: назначение соединения; тип нагрузки, передаваемой соединением; величину нагрузки; среду, в которой будет работать соединение; надежность в эксплуатации.

Величина и тип нагрузки, воспринимаемые клеевым соединением, в значительной степени определяют размеры, конфигурацию соединения, а также тип выбираемого клея. В процессе эксплуатации клеевые соединения воспринимают различные нагрузки, которые могут быть приведены к четырем основным типам (рис. 83 ).

При нагружении на сдвиг или равномерный отрыв условно принимается, что клеевая прослойка передает напряжения равномерно по всей площади склеивания. Показатель прочности характеризуется напряжением, которое представляет собой отношение разрушающего усилия к площади склеивания. Его широкое применение объясняется

Рис. 83. Основные типы нагружения клеевого соединения:

а -сдвиг; б - равномерный отрыв; в - отднр; г- внецентровой отрыв

Простотой расчетной формулы и тем, что при его определении используются легко доступные для измерений результаты испытаний.

Нагружение при неравномерном отрыве (см. рис. 83) характерно: а) внецентровой отрыв - для жестких соединений в случае смещения растягивающей нагрузки относительно центра плОщади склеивания или при наличии момента сил; б) отдир - для гибких элементов конструкции.

Дляколичественной оценки неоднородности распределения напряжений по площади склеивания необходимо использовать довольно громоздкий математический аппарат. На практике прочностные характеристики определяют при испытании моделей клеевых соединений.

В табл. 46 представлены типы конструкций клеевых соединений, способных воспринимать различные нагрузки. Они не должны рассматриваться как обязательные. Для удовлетворения специфических требований их можно видоизменять, но при этом необходимо сохранять заложенные в них принципы: проектирование соединения для восприятия преимущественно нагружении сдвига и сокращение до минимума напряжений, возникающих от неравномерного отрыва.

Наиболее эффективным и распространенным клеевым соединением является нахлесточное соединение. Характерная его особенность - пропорциональное увеличение несущей способности при увеличении ширины нахлестки; в то же время увеличение длины нахлестки (перекрытия деталей) после достижения определенных размеров практически не оказывает влияния на несущую способность соединения (рнс. 84). Имеется ряд работ, посвященных расчету распоеделения напряжений в клеевых соединениях [13, 15], однако конструктор часто не располагает необходимыми исходными данными (критерием прочности клеевого шва н его деформационными свойствами, механическими характеристиками склеиваемых пластмасс и т. д.). Наиболее широко

/!лит иди ширина

Рис. 84. Зависимость разрушающей нагрузки клеевого нахлесточного соединения от ширины (/) и длины (2) нахлестки

46. Рекомендуемые формы различных типов клеевых соединений в зависимости от направления нагрузки

Типы соединений

Угловые встык

Угловые с загибом кромки

Угловые в паз

Тавровые встык

Тавровые с уголком

Рекомендуемые формы

Типы соединений

Рекомендуемые формы

Тавровые в паз

Стыковые с нахлестом

Стыковые в паз

Стыковые на ус

1 \- -

Стыковые с одной и дву мя накладками

Стыковые внахлестку