Оценка адгезионной прочности клеевых соединений

Адгезия (прилипание или слипание поверхностей двух разнород­ных тел в отличие от когезии, характеризующей силу сцепления частиц внутри тела, или автогезии - слипания двух однородных тел) в самом общем представлении является следствием проявления молекулярного взаимодействия, возникающего между поверхностями тел, приведенных в контакт. Следовательно, об адгезии можно судить по работе, затраченной на разрыв (или другое разрушение) ад­гезионного соединения.

Процессы возникновения молекулярных связей (получения адгезионного соединения) и процессы разрыва адгезионного соединения не взаимосвязаны, хотя прочность, адгезионного соединения зависит от условий его формирования.

Известны различные теории, объясняющие природу создания ад­гезионных соединений: механическая, адсорбционная, электричес­кая, диффузионная, электрорелаксационная, термодинамическая и др. Однако весь комплекс адгезионных явлений, проявляющихся при склеивании материалов, более полно описывает адсорбционно-молекулярная теория (АМТ). Важно кратко остановиться на основных положениях АМТ.

Между молекулами склеиваемого и клеящего материала могут возникать самые различные силы взаимодействия, начиная от слабых дисперсионных и кончая силами химической природы. При межмолекулярном (ван-дер-ваальсовом взаимодействии) силы взаимного притяжения молекул обратно пропорциональны межмолекулярному расстоянию в седьмой степени. Поэтому эти силы быстро убывают с увеличением расстояния между молекулами и становятся пренебрежимо малыми на расстояниях 5∙10^-4 мкм и более.

Важная роль во взаимодействии клеев с другими материалами принадлежит водородным связям. Этот вид межмолекулярной связи оценивается энергией водородной связи и может достигать 20 - 30 ккал/моль.

Специфическим видом межмолекулярного взаимодействия считается поляризационная связь, частным случаем которой является связь с переносом заряда, образование которого происходит за счет воз­никновения различных комплексов при сближении разнородных моле­кул и сложном характере их взаимодействий (диполь-дипольное, дисперсионное и др.). В результате переноса заряда относитель­но неактивные молекулы могут приобрести реакционную способность.

Наконец, следует отметить возможность образования между клеем и склеиваемым материалом химических связей: ковалентных, ион­ных и координационных.

Согласно АМТ адгезия рассматривается как результат проявле­ния сил молекулярного взаимодействия между клеем и приклеиваемым материалом, поэтому важно, чтобы оба эти материала обладали полярными функциональными группами, способными к взаимодействию.

Процесс образования адгезионной связи в соответствии с АМТ включает две стадии: "транспортирование" молекул адгезива (клеящего материала) к поверхности приклеиваемого материала и возник­новение межмолекулярных взаимодействий. Повышение температуры и давления, введение пластификаторов и растворителей и т.д. - все эти факторы облегчают протекание первой стадии процесса и способствуют достижению контакта между молекулами адгезива и по­верхностями склеиваемых материалов. Смачивание и растекание ад­гезива по поверхности склеиваемого материала сопровождаются поверхностной диффузией и миграцией молекул адгезива по этой поверхности. Вторая стадия начинается с момента, когда расстояние между молекулами контактирующих материалов станет меньше 5-10^-4 мкм и проявляется действие молекулярных сил. Постепенно наступает адсорбционное равновесие процесса.

В качестве характеристики для оценки прочности адгезионной связи обычно выбирают прочностные показатели: сопротивление разрыву либо расслаиванию, предел прочности при изгибе, растяжении, разрыве и др.

Обобщая результаты исследования влияния различных факторов на адгезионную прочность клеевых соединений, можно сказать, что основной путь регулирования адгезионной прочности клеевых соеди­нений - это воздействие на природу клеевого состава и склеиваемых материалов. Способов такого воздействия немало, например, варьирование в клеевом составе содержания функциональных групп (рис.1), модификация клеевых составов, активация поверхностей склеиваемых материалов, причем можно одновременно влиять на адгезив и приклеиваемую поверхность материала. Кроме того, сущест­вует множество факторов, оказывающих влияние на качество клеевого соединения (табл. 3), учет которых позволяет добиться высокой адгезионной прочности при склеивании. В частности, меняя разно­видность и содержание наполнителя в клеевом составе, можно в широком пределе варьировать прочностные характеристики клеевого соединения. Так, использование в качестве наполнителя в составе клея диоксида титана, кварца пылевидного, алюминиевой пудры ли­бо талька позволяет уменьшить температурный коэффициент линей­ного расширения клеевого соединения и тем самым снизить оста­точные напряжения в нем, что способствует повышению адгезионной прочности клеевого контакта.

Рис.1 Зависимость адгезионной прочности сополимера винилхлорида и винилацетата с алюминием от содержания малеиновой кислоты.

Таблица 3

Факторы, влияющие на прочность клеевых соединений

Клеевое соединение, его элементы и условия его формирования	Влияющий фактор
Клеящее вещество	Состав и молекулярное строение, механизм структурирования, характер деформации в соединении, изменение свойств, стойкость к различным воздействиям.
Склеиваемый материал	Тип материала, структура и полярность, растворимость, состояние поверхности, пре­дел текучести и относительное удлинение, термическое растяжение (сжатие), стойкость к различным воздействиям.
Условия формирования клеевого соединения	Климатические условия производства, период выдержки в открытом состоянии, загрязнен­ность клеящего вещества, толщина слоя клея, усилие при сжатии и момент сжатия, длитель­ность и температура при структурировании, охлаждение после термообработки, разновид­ность термообработки.
Конструкция клеевого соединения	Форма конструкции, длина перекрытия или длина косого стыка, клей - деталь или детали, ширина соединения, толщина соединяемых деталей, толщина клеевого слоя.
Нагрузка	Статическое нагружение, динамическое нагружение, нагружение в особых условиях, цикличность нагружения.

Поскольку клеевое соединение представляет собой сложную си­стему, то прочность его будет определяться наиболее слабым ее звеном. Характер разрушения клеевого соединения под влиянием внешней нагрузки может быть различным (рис.2) в зависимости от соотношения сил адгезии и когезии в данном клеевом соединении, скорости нагружения, направления разрушающего усилия (в плоскос­ти склеивания или поперечно к ней), температурно-влажностных ус­ловий- испытаний. Все эти факторы положены в основу классификации разрушающих методов оценки адгезионной прочности клеевых соеди­нений. Это методы: неравномерного и равномерного отрыва, сдвига, динамический (образцы при испытаниях не равномерно нагружаются, а циклически, например при ударе и др.), решетчатого надреза (основанный на измерении коэффициента трения качения), оценки напряжений при отслаивании клеевого слоя (по двойному лучепре­ломлению) и др.

Рис.2 Характер разрушения клеевых соединений: а – когезионное по склеиваемому материалу; б – когезионное по клею; в – адгезионное; г - когезионно-смешанное. (Условные обозначения: А и Б склеиваемые материалы; В - клей).

Неразрушающих методов оценки адгезионной прочности значи­тельно меньше и большей частью они дают качественную оценку, например методы дефектоскопии. В настоящее время появляются новые неразрушающие методы оценки адгезионной прочности, основанные на корреляции между величиной адгезионной прочности и некоторыми свойствами соединяемых материалов, например метод измерения адгезии посредством определения динамического модуля адгезива при помощи ультразвука.

В производстве РЭС для оценки адгезионной прочности клеевых соединения используют, как правило, механические испытания образцов-свидетелей или выборочных клеевых соединений по разрушающим методикам в сочетании с визуальным контролем готовых клеевых соединений. Реже применяют методы дефектоскопии и «простукивания» клеевых соединений.

В данной работе для количественной оценки адгезионной проч­ности клеевых соединений применяется метод неравномерного отрыва, когда усилие отрыва прикладывается не ко всей площади клеевого соединения, а локально (в отдельной его части), перпендикулярно плоскости клеевого соединения.

Экспериментальный образец для оценки адгезионной прочности представлен на рис.3. Отрыв клея от подложки осуществляется с по­мощью специального приспособления, представляющего подобие дина­мометра.

Рис. 3 Образец для исследований адгезионной прочности клеевого соединения при испытании на разрыв.