Следует учитывать, что клеевые композиции могут воздействовать иа склеиваемые пластмассы (например, действие растворителя, входящего в состав клея) и, в свою очередь, подвергаться их воздействию (миграция пластификатора из глубины пластмассы на границу раздела с клеем) [13]. Конструкция соединения и режимы нагружения определяют характер и уровень напряжений, которые будут возникать в клеевом слое. Большинство клеев проявляют оптимальные прочностные свойства или при нагружении на сдвиг, или при равномерном отрыве. А некоторая группа клеев, например термопластичные клеи на основе каучуков, обычно имеют высокую прочность при отдире, ноотноситель-но низкую при равномерном отрыве и сдвиге.

Клеи различной химической природы значительно отличаются по несущей способности и чувствительности к скорости нагружения. Например, термопластичные клеи не рекомендуются для применения в силовых конструкциях, так как подвержены текучести при действии постоянных нагрузок, в то же время они обладают высокой работоспособностью в условиях низких температур и воздействия ударных нагрузок.

Термореактивные клеи образуют жесткие клеевые соединения, даже при повышенных температурах. Они хорошо работают при длительном и вибрационном нагружении, но достаточно чувствительны к отдирающим нагрузкам или внецентренному растяжению.

Определенные условия сборки конструкции, существующая технология процесса склеивания конкретного производства, наличие необходимого оборудования могут ограничить выбор клея из гаммы клеев, имеющих адгезию к применяемой пластмассе. Типичными технологическими факторами, которые учитываются при сборке клеевых изделий, являются физическое состояние клея в состоянии поставки, срок хранения, способ его приготовления и нанесения, жизнеспособность, метод склеивания и необходимое оборудование, технологические режимы (открытая выдержка, время и температура сушки, температура нанесения и отверждения клея, удельное давление при отверждении и способ его создания), а также токсичность, запах и горючесть, которые могут потребовать уникального оборудования или особых мер предосторожности.

В каждую группу клеев определенной химической природы входят клеи с широким диапазоном свойств по вязкости: от низковязких жидкостей до густых паст. Требование использовать определенный метод нанесения клеевой композиции в значительной степени определяет н выбор исходного физического состояния клея, а также особенности обращения с ним [37]. Геометрические параметры склеиваемых элементов и их взаимное расположение в конструкции оказывают влияние на выбор клеевой композиции, обладающей требуемой вязкостью и липкостью. При соединении плохо подогнанных деталей необходимо использовать пастообразные зазорозаполняющие клеевые композиции, в то время как для склеивания тщательно подогнанных деталей следует использовать низковязкие клеи. Липкость значительно облегчает сборку, так как клей обеспечивает фиксацию деталей после их соприкосновения. Хорошую липкость проявляют клеи на основе растворов каучуков.

При склеивании некоторых конструцнй на выбор клея оказывает влияние температура отверждения клея. Многие термореактивные клеи образуют клеевое соединение при нагреве и создании давления, что позволяет применять их только для склеивания термостойких пластмасс. Особенности получения и эксплуатации клеевого соединения часто требуют выбора клея с учетом обеспечения технологичности его применения и достаточно высокой надежности клеевого соединения

в условиях конкретного производства. Учитывая это, при выборе клея необходимо рассматривать следующие важнейшие факторы [37]: сведения о склеиваемых пластмассах (химическая природа, физическое состояние, степень модифицирования, тип н марка); форму поставки клея (жидкий, пастообразный, твердый, с растворителем, одно-, двух-, многокомпонентный); метод нанесения (ручной или механизированный); технологические требования (вязкость, температурно-временные параметры при открытой выдержке и отверждении, жизнеспособность, давление прн отверждении, способ подготовки поверхности пластмасс, условия использования технологического оборудования, операции, следующие после склеивания - очистка, окраска и т. д.); конструктивные особенности (тип соединения - нахлесточное, стыковое и другие; площадь склеивания; количество склеиваемых деталей); прочностные требования к соединениям: временная фиксация, умеренная, низкая, высокая (конструкционная) прочность; нагрузки, действующие на соединение (постоянно действующая, циклическая или малоцикловая); направление приложения нагрузки; отдир, сдвиг, сжатие, равномерный отрыв, внецентренное растяжение; условия эксплуатации: непрерывное, повторяющееся, циклическое, воздействие тепла или холода, уровень рабочих температур, климатические условия, воздействие влажности, воды (горячая или холодная), химикатов, солнечного света и радиации, жидких растворителей и их паров, воздействие биологической среды; масштабы использования клея: ограничено или в больших количествах.

ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ПОД СКЛЕИВАНИЕ

Предварительная подготовка поверхности обязательна для большинства пластмасс. Известны и применяются в производстве следующие методы подготовки поверхностей деталей из пластмасс к склеиванию: обезжиривание, механическая обработка, физическое или химическое активирование.

Обезжиривание осуществляется с помощью органических растворителей или моющих средств (водные растворы щелочей илн поверхностно-активные вещества). Выбор метода и средств обезжиривания определяется видом загрязнений, требуемой степенью очистки, воздействием обезжиривающего раствора иа пластмассу, безопасностью при работе.

Органические растворители должны хорошо растворять загрязнения, но быть инертными по отношению к пластмассе, т. е. не вызывать ее набухание или растворение. Моющие средства применяются для очистки от пыли, жировых и других загрязнений, попадающих иа детали в процессе хранения.

Эффективными моющи(ли растворами являются: Т.МС-31 (80 г иа 1 л воды), препараты «Аполир», «Термос-1», «Термос-2» и др. Качество очистки поверхностей значительно возрастает при сочетании обработки моющими средствами и ультразвуком [27]. По окончании обработки моющими средствами склеиваемые поверхности необходимо тщательно промыть водой.

Особое внимание необходимо уделять предварительной обработке поверхности пластмасс под склеивание, если в процессе изготовления деталей применялись антиадгезионные разделительные смазки.

Для удаления разделительных смазок, состоящих из смеси спирта с глицерином, касторового масла или стеарата цинка, применяют многокомпонентный растворитель, объемное содержание этанола в котором равно 50 %: бутанола - 15; этилацетата - 25; целлозольва - 10%,

Кремннйорганические разделительные жидкости удаляют промывкой изделий в 2 %-ном растворе карбоната калия в спирте с добавкой небольшого количества смачивающего вещества. Однако такая обработка применяется лишь для изделий общего назначения.

Механическая обработка производится с целью образования более развитой поверхности, удаления слабосвязанного поверхностного слоя н обнажения глубинных слоев, обладающих более высокой коге-зией. Используется два вида механической обработки: абразивная (режущее или царапающее воздействие наждачной шкурки, металлической щетки или абразивных кругов); ударно-абразивная (удар о поверхность абразивных частиц, движущихся по инерции в потоке газа или жидкости). Наиболее простым и доступным методом механической обработки поверхности пластмасс является зачистка вручную абразивными шкурками определенной зернистости. Как правило, после механической обработки поверхности пластмасс обезжиривают органическими растворителями.

Для получения клеевых соединений пластмасс, к которым предъявляются требования высокой прочности и долговечности, обязательно проведение дополнительных операций по активированию склеиваемых поверхностей.

Различают физические (коронный разряд, ионизационное излучение, тлеющий разряд н др.) и химические (обработка травлением и химическая модификация) методы подготовки поверхностей пластмасс под склеивание.

В результате физических методов подготовки поверхностей пластмасс происходит их окисление, сшивание и деструкция макромолекул поверхностного слоя. Окисление поверхности приводит к гидрофиль-ности и повышению полярности, что способствует увеличению адгезионных связей. При сшивке возникают поперечные связи (образуется сетчатая структура) и повышается когезионная прочность поверхностных слоев полимера. В результате деструкции возникает развитый микрорельеф поверхности, что способствует усилению сцепления субстрата с клеем благодаря повышению площади склеивания и проникновению клея в микронеровности.

Обработка в тлеющем разряде производится в рабочей камере вакуумной установки. Эффективность активирования поверхности зависит от вида полимерного материала, его состава и надмолекулярной структуры, степени разрежения, плотности тока разряда и напряжения на электродах.

Режим обработки тлеющим разрядом полиолефинов следующий: разрежение 1,5-15,0 Па, напряжение 0,5-5,0 кВ, сила тока 160 мА, время обработки 2-5 мин.

Данный метод применяется преимущественно для обработки поверхности деталей, изготовленных литьем или прессованием, трудно поддающихся обработке другими методами активирования. Он также предпочтителен в случае склеивания сложных по форме поверхностей.

Обработка в газовой плазме производится следующим образом. В рабочую камеру под давлением в несколько сот Паскалей подается газ (воздух, кислород, азот, гелий и др.). Ионизация газа обеспечивается подачей радиочастотной энергии на электроды, расположенные внутри или вне рабочей камеры. Вся поверхность изделия обволакивается плазмой. Модифицирование полимерного материала происходит на глубину 50-100 им. Этот метод эффективен для большинства пластмасс (ПТФЭ, ПЭ, ПП, ПС, ПА, ПЭТФ, ПЭФ, ПК).

Обработка в коронном разряде используется для активации поверхности пленок. В процессе перемотки пленка прижимается к поверхности барабана, являющегося заземленным электродом. Парал-

лельно оси барабана над активируемой поверхностью пленки распо. ложен второй электрод, на который подается напряжение 5-30 кВ, частотой 0,2-20 кГц. Расстояние между электродами 0,5-2,0 мм.

При обработке газовым пламенем применяются горелки иижек-ционноготипа или с принудительной подачей воздуха. Подготавливаемую поверхность вводят в определенную зону факела горящих газов. Воздействие высоких температур (900-1000 °С) и кислорода приводит к окислению, деструкции и фазовым превращениям полимера в поверхностном слое. Особенно успешно этот метод применяется при активации поверхностей экструзионных изделий (например, толстых листов).

Механохнмнческие методы подготовки поверхностей значительно повышают адгезионную прочность клеевых соединений. Суть способа сводится к механическому воздействию на поверхность пластмассы под слоем предварительно нанесенного клея. Возникающие на поверхности высокоактивные макрорадикалы, взаимодействуй с клеем, образуют многочисленные адгезионные связи. Механохимнческий метод рекомендуется для склеивания ПНД, ПВД, ПП, ПС, фторопластов 17].

Химическое модифицирование поверхности пластмассы заключается в ее обработке водными растворами кислот, щелочей, солей, а также органическими растворителями. Активирующее воздействие химических агентов проявляется в окислении поверхности и частичном ее вытравливании. Появление полярных групп и двойных связей, а также развитие микрорельефа на поверхности способствуют повышению адгезии клея к субстрату [8, 27].

Для травления могут применяться многочисленные рецептуры растворов, отличающиеся количеством компонентов и их соотношением (табл. 49).

Оптимальные параметры процесса травления (концентрация раствора, длительность и температура обработки) обычно подбираются опытным путем в зависимости от марки полимерного материала, способа его получения, геометрических размеров и формы склеиваемого изделия. Рекомендуемые параметры травления представлены в табл. 50.

Химическое травление поверхности, даже при осуществлении определенной механизации, является весьма трудоемким процессом. Помимо необходимости подачи реагентов, приготовления раствора, его подогрева и обработки изделий, необходима последующая промывка и сушка поверхностей. Внедрение химического активирования требует наличия специальных установок по очистке сточных вод, мероприятий по охране здоровья рабочих и окружающей среды.

Качество подготовки поверхности пластмасс к склеиванию оценивают разрушающим методом (оценкой прочности клеевого соединения прн испытании образцов), а также методом оценки смачиваемости (определение краевого угла, угла смачивания, натяжения смачивания и др.).

Испытание на натяжение смачивания осуществляется в следующем порядке. На подготовленную поверхность пластмассы наносят индикаторную жидкость, поверхностное натяжение которой известно (например, смесь третичного бутилового спирта и дистиллированной воды, табл. 51). Если в течение минуты нанесенный тонкий слой жидкости не собирается в капли, то считается, что поверхностное натяжение индикаторской жидкости соответствует натяжению смачивания поверхности пластмассы. Определение начинают с жидкости, отличающейся меньшим поверхностным натяжением.

Удовлетворительной адгезионной прочностью обладают клеевые соединения пластмасс, обработка поверхности которых повысила поверхностное натяжение свыше 38 мН/м (14).

49. Составы для химической обработки поверхностей полимеров

продолжение табл. 49

Индекс,

Состав

Бихромат натрня Серная кислота Вода

Бнхромат калия Сульфат меди Сульфат железа Серная кислота Вода

Бихромат калня Серная кислота Вода

Ортофосфорная кислота Паста!

Серная кислота Бнхромат калня (порошок) тонкоизмельченный аэросил до требуемой консистенции Бнхромат калия Серная кислота Вода

Хромовый ангидрид Серная кислота Вода

20 %-ные растворы стабильных органических радикалов (аминокислых, вердазнльных, гндразнль-ных, феиоксильных)

20-30 %-ный раствор в ацетоне внннлацетилено-

вого олнгомера илн пнлерндннового

10-20 %-ный раствор в спирте днмера 3,3-днме-

тилен-2, 2, 6, 6-тетраметил-4-оксопнперндина нли

3,3-диметнлен-2, 2, 6, 6-тетраметнл-4-оксопнпери-

дина-1-окснла

12-20 %-ный раствор в органическом растворителе

4,11-флуорантенилднкетональдегнда

М-метнлбеизоиная кислота

Фосфорт рнх лорнд

Калий перманганат

Серная кислота

85 %-ная фосфорная кислота

Хромовая кислота концентрированная

20 %-ный раствор едкого натра, затем 1 %-ный

раствор хлористого цинка

2 %-иый раствор внннлтрихлорсилана в ксилоле

Антрацен

Натрий

Тетрагндрофуран Перманганат калия Едкое калн (натр) Вода

Надсерная кислота Вода

Число массовых частей

15 300 30 40 20 До 80

10 45-90 4-7 40-80 23-50

Индекс

Состав

Число массовых частей

Персульфат аммония Вода

Персульфат калия (натрия) Вода

»

Фосфорный ангидрид Серная кислота (d - 1,84)

Нафталин

Тетрагндрофуран

Натрий (металлический)

Едкий натр

Диаллнлмеламнн

Пара-толуолсульфокнслота

Дноксан

Перхлорэтнлен

Диоксан

Дифеннл

Калий

Дноксан

Днфеннл

Калий

Натрий

35 65 15 85 30-180 50-90 1500-1800 0,05-0,5 0,5 15 100 2 10 8 1

10 150 100 10 2,7 100 36 3 3

Примечание. Плотносгн серной и ортофосфорной кислот равны соответственно 1,84 и 1,17 г/см.

Качественно адгезионную способность пластмассы оценивают иногда по виду (форме) растекающейся капли индикаторной жидкости, состоящей нз раствора 60 %-ного этилового спирта. При удовлетворительной адгезионной способности диаметр капли достигает 35 мм.

Окончательный выбор метода подготовки поверхности пластмасс под склеивание производится только после испытания образцов илн макетов, склеенных выбранным клеем, в условиях, воспроизводящих эксплуатационные.

Подготовленные к склеиванию поверхности весьма чувствительны к случайным загрязнениям, в процессе промежуточной обработки, транспортирования и хранения. Время от момента подготовки поверхности до начала склеивания деталей ВПП должно быть минимальным. При длительном ВПП подготовленные детали упаковываются в специально обработанную бумагу и хранятся прн постоянной температуре 20 °С н относительной влажности воздуха 50 %.

Одним из надежных средств сохранения свойств подготовленной поверхности является нанесение адгезионного грунта [27]. Его использование позволяет увеличивать объем деталей, подготовка поверхностей которых проводится одновременно, н время до начала склеивания, т. е. повышает технологическую гибкость производства, предохраняет подготовленные поверхности от загрязнения в ходе прочих технологических операций, повышает надежность н долговечность клеевого соединення. Обычно адгезионные грунты представляют собой