Исследование свойств пленкообразующих материалов.
Цель работы:
1. Усвоить физико-химические основы процессов адгезии и когезии пленкообразующих веществ.
2. Ознакомиться с типовым составом, разновидностями клеев и важнейшими свойствами клеевых соединений. Выучить таблицу основных свойств клеевых соединений.
3. Освоить технологию склеивания металла клеем БФ и методику определения прочности клеевого соединения на сдвиг.
4. Установить и объяснить влияние технологии и режима склейки на прочность клеевого соединения.
Общие сведения:
Пленкообразующими называют клеи, лакокрасочные материалы и герметики. Свойства пленкообразующих в данной работе рассматриваются на примере склеивания. Клей, как и другие пленкообразующие материалы (лаки, герметики и пр.), представляют собой растворы и расплавы полимеров, керамические составы и металлические эвтектики, способные после нанесения их на какую-либо поверхность («подложку») образовывать твердые пленки, прочно сцепляющиеся с поверхностью подложки. В состав материалов – пленкообразователей входят также пластификаторы, наполнители, отвердители, катализаторы и другие компоненты (см. лаб. №1).
Склеивание – процесс получения неразъемного соединения деталей (рис.1) путем введения в технологический зазор между ними клея, способного:
а) Отверждаться (рис. 1a),
б) Растворять материал в зоне контакта заготовок с последующим соединением склеиваемых деталей и удалением растворителей (рис. 1б).
Клеи представляют собой индивидуальные вещества или смеси органических и неорганических соединений. Эти составы должны обладать следующими специальными свойствами:
а) Хорошая адгезия (прилипание),
б) Высокая когезионная (собственная) прочность,
в) Нехрупкость (эластичность),
г) Долговечность в условиях применения,
д) Способность отвердевать в результате химических реакций (полимеризации, поликонденсации, вулканизации), испарения и диффузии растворителя клея в основной материал или охлаждения клеящего состава.
Важнейшим специфическим качеством всех пленкообразующих, в том числе и клеев, является адгезия (прилипание) – способность прочно прилипать к поверхности (подложке, субстрату) из различных материалов, на которую они нанесены.
Адгезия пленкообразующего материала связана с его полярностью, молекулярной массой, наличием пластификаторов, видом и характером подготовки подложки.
Явление адгезии – это сложный комплекс физико-химических процессов на границе «пленкообразующее – положка».
Процесс формирования клеевого соединения.
Формирование клеевого соединения в каждой точке на склеиваемой поверхности деталей складывается из следующих элементарных актов:
а) Установление физического контакта адгезива (клея) с субстрактом (подложкой),
б) Возникновение сил взаимодействия между материалом подложки и связующим (пленкообразующим полимером) клея,
в) Повышение когезионной прочности адгезива (клея).
Под установлением физического контакта понимают сближение атомов и молекул взаимодействующих тел на расстоянии r» 10 –10 м (» 1A°),
Рис. 1 Схемы клеевого соединения деталей внахлестку
а – металлические детали б – детали из термопласта
Рис. 2 Схема смачивания подложки пленкообразующим:
1 - подложка; 2 - пленкообразующее (клей); 3 - угол смачивания; 4 - слой неполярного загрязнения;
5 - угол смачивания;
Соизмеримое с межмолекулярными и межатомными расстояниями. Образование физического контакта связано со смачиванием жидкостью твердого тела или, что тоже самое, - с адсорбцией жидкости на поверхности детали. После контактирования исчезают прежние границы «адгезив - воздух» и «субстрат - воздух» и появляется новая: «адгезив - субстрат». Если поверхностное натяжение на этой новой границе оказывается ниже, то процесс контактирования (смачивания, адсорбции) идет самопроизвольно, так как запас свободной энергии в системе уменьшается (рис. 2). При существовании принципиальной возможности смачивания адгезивом подложки положение может осложняться ее загрязнением пленками неполярных веществ (масел, жиров), снижающих поверхностное натяжение и увеличивающих расстояние r.
Поэтому для обеспечения смачивания применяют:
а) Зачистку поверхности,
б) Обезжиривание,
в) Активирование поверхности физическими и химическими способами,
д) Для вязких клеев необходимо сжатие или нагрев.
У пленкообразующих с высокой молекулярной массой (поливинилхлорид, полистирол, нитроцеллюлоза и других) адгезия низкая. Молекулы таких полимеров плохо ориентируются на поверхности подложки, смачивающая способность пленкообразующих низкая.
Для объяснения возникшей после смачивания и последующего затвердевания (сушки) связи пленки адгезива с поверхностью детали (образца) существует несколько теорий адгезии:
1. Молекулярная теория объясняет адгезию взаимодействием молекулярных электрических диполей. Это–известные из курса физики индукционные, дисперсионные и ориентационные физические силы межмолекулярного взаимодействия (Ван-дер-ваальсовы силы). Этот механизм может дать существенный вклад в прилипание при контакте и взаимодействии или двух полярных, или двух неполярных веществ (рис. 3).
2. Диффузионная теория адгезии основана на том, что связь образуется вследствие взаимодиффузии молекул клея и подложки через границу первоначального контакта. Этот процесс происходит не на границе раздела, а в объеме и рассматривается как взаиморастворение (рис. 3,б). Такой механизм дает основной вклад при склеивании, например, двух деталей из термопласта раствором термопласта в соответствующем по полярности растворителе или при склеивании резины с вулканизацией адгезива.
3. Электрическая теория применяется для объяснения адгезии металлических деталей с полимерами (или их растворами или расплавами). На поверхностях адгезионной пары из микрозарядов частиц складываются электрические макрозаряды разного знака («двойной электрический слой») (рис. 3,а). Если смачивание (адсорбция) было полноценным, то расстояние r между диполями полярного пленкообразующего и электронами металлической подложки минимально, и по закону Кулона сила единичного притяжения в «двойном электрическом слое» F=q1q2/r2максимальна. Полярные пленкообразующие, содержащие в своем составе группы –OH; –CCOH и др., обладают, как правило, наивысшей адгезией, что объясняется ориентацией этих групп на поверхности раздела «подложка - пленка», образованием «двойного электрического слоя» и притяжением их покрываемой поверхностью.
4. При склеивании деталей с пористой поверхностью (древесина, пенопласты) определенный вклад в общую адгезию может дать также механизм механических замков (затекание клея в поры субстрата).
5. Известны случаи реализации химического механизма, при котором возникает химическое взаимодействие между поверхностью склеиваемого материала и пленкообразующим. Примером может служить нанесение аппретов на поверхность стекловолокон при кремнийорганическом (неполярном) связующем или нанесение подслоя (праймера) для повышения адгезии силиконовых герметиков и клеев.
Рис. 3 Схемы механизмов адгезии:
а - «электрический»: 1 - металлическая подложка; 2 - клей; 3 - молекулы полярного полимера; 4 - электроны подложки; 5 - отрицательный макрозаряд на поверхности металла; 6 - положительный заряд на поверхности клея;
б - диффузионный: 1 - термопластичная подложка; 2 - термопластичный клей; 3 - молекулы подложки; 4 - молекулы клея; 5 - диффузия молекул клея в подложку и молекул подложки в клей; 6 - диффузионный слой.
