Клеи и герметики Общая характеристика клеящих материалов

Производство клеящих материалов с каждым годом увеличивается, расширяется область их применения. Клеи широко используются для соединения деталей в производстве изделий во многих отраслях промышленности, в том числе в автомобилестроении. Новые клеящие материалы обладают универсальными свойствами, позволяя очень прочно соединять между собой самые разнообразные материалы. При производстве, техническом обслуживании и ремонте автомобилей это позволяет изготовлять очень сложные по форме изделия, состоящие из материалов, существенно отличающихся по свойствам, избегать применения металлических крепежных изделий, уменьшать массу изделий и деталей, упрощать технологию производства, снижать стоимость, производить собственными силами многие виды ремонтных работ на автопредприятиях или автолюбителями. Помимо склеивания, клеящие материалы широко используются для уплотнения, герметизации и защиты от действия воды, воздуха, агрессивных сред узлов и агрегатов.

Клеевые соединения не лишены и недостатков. Многие из них имеют низкую теплостойкость, а некоторые со временем ухудшают свои свойства вследствие старения клеевой прослойки.

Качество клеев определяется в первую очередь их клеящей (адгезионной) способностью. Важными показателями качества являются также их универсальность, вязкость, стойкость к действию воды, тепла, химических реагентов и других факторов.

Клеящая способность клея оценивается по прочности соединения двух стандартных образцов (брусков, пластин) склеиваемого материала. Определяется прочность при сдвиге и при скалывании, выражается в кгс/см². Прочность склеивания оценивается также испытанием на расслаивание двух склеенных полосок материала (полимерные пленки, кожа, ткани и пр.). Усилие, необходимое для расслаивания, относят к ширине полосок (фронту расслаивания), и клеящую способность клея выражают в кгс/см.

Растворы и расплавы клеев должны обладать достаточно низкой вязкостью (хорошей растекаемостью). Клеевой слой не должен оказывать коррозионного воздействия на склеиваемые поверхности, взаимодействовать с продуктами, с которыми склеиваемое изделие соприкасается при эксплуатации, и разрушаться под их действием.

Наилучшим комплексом качеств обладают современные клеевые составы на основе синтетических веществ. Клеи выпускаются и применяются в виде растворов или эмульсий, а также в форме гранул, таблеток. Клеи, находящиеся в твердом виде, называют также клеями-припоями или клеями-расплавами, т.к. они применяются аналогично металлическим припоям, но не требуют применения флюсов. Особой формой клеев являются липкие пленки и ленты.

Классификация и состав клеящих материалов

По назначению клеи подразделяются на универсальные и специальные. Универсальные клеи предназначены для склеивания в различных сочетаниях металлов, резины, пластмасс, стекла, фарфора, керамики, кожи, кожзаменителя, дерева, бетона и т.п. Специальные клеи служат для склеивания определенных материалов.

Клеи классифицируются также по виду связующего, в связи с чем различаются клеи карбинольные, фенольные, эпоксидные, полиакриловые, полиуретановые, резиновые. Кроме того, каждый тип клея в свою очередь подразделяется на ряд марок, поэтому современный ассортимент синтетических клеев чрезвычайно обширен.

Основой современных клеев являются синтетические клеящие вещества. В состав клея, кроме клеящего вещества, могут входить растворители, наполнители, пластификаторы, отвердители и катализаторы.

В качестве связующего применяются термопластичные и термореактивные полимеры (смолы). Лучшими клеящими свойствами обладают полимеры со средними молекулярными массами. Из термопластичных наибольшее распространение получили производные акриловой и метакриловой кисло, поливинилацетата, полиизобутилена, каучука и резины, а термореактивных – фенол-формальдегидные, эпоксидные и кремнийорганические соединения. Клеи на базе термопластичных полимеров образуют обратимую пленку, размягчающуюся при нагревании.

Растворители необходимы для перевода клеящего вещества в вязкий раствор, удобный для использования. Для придания определенной вязкости в клей вводят ацетон, спирт, смеси бензина с этилацетатом, бутилацетата с ацетоном, а также другие растворители в зависимости от марки клея. Лишь в расплавах полимеров (смол), используемых для склеивания, растворители отсутствуют.

Наполнители в виде порошкообразных материалов (стекло, фарфор, цемент, камень и др.) применяют главным образом для уменьшения усадки клеевой пленки при затвердевании и для снижения в ней внутренних напряжений, понижающих прочность склеивания. Для получения токопроводящих клеев в качестве наполнителей используют тонкодисперсные металлы.

Пластификаторы вводят в состав клеев в тех случаях, когда необходимо получить эластичное клеевое соединение и снизить хрупкость клеевой пленки.

Отдельные клеи применяют вместе с отвердителями, которые сшивают линейные молекулы полимеров поперечными связями. Процесс такого сшивания называют структурированием. Для ускорения процесса структурирования применяются специальные вещества - катализаторы.

Универсальные клеи на основе термопластичных полимеров находят широкое использование из-за простоты применения и высокого качества: клей наносят на поверхности в виде расплава и прижимают их друг к другу. При этом не выделяются никакие летучие вещества.

До настоящего времени нет универсальной теории, объясняющей механизм склеивания, однако многие из существующих теорий достаточно сходны в объяснении причин клеящей способности. Клеевой состав, растекаясь по поверхности, проникает во все углубления и неровности тела, вытесняя с нее адсорбированные пары и газы. Происходит физическая адсорбция клеящего вещества поверхностью. Затем в результате взаимодействия молекул клеящего вещества и поверхностных молекул материала склеиваемой поверхностью образуются химические и водородные связи. Если возможность образования таких связей отсутствует, адгезия заканчивается межмолекулярным взаимодействием. Высокая гибкость макромолекул клеящих веществ обеспечивает плотный контакт пленки клеящего вещества с поверхностью тела за счет способности гибких молекул обволакивать микронеровности склеиваемых тел, а также за счет возможности их диффузии на определенную глубину внутрь этих тел. Поэтому контакт клеевой пленки и склеиваемого тела фактически происходит на поверхностях, значительно превосходящих геометрические размеры склеиваемых поверхностей, что резко увеличивает прочность склеивания. Прочность склеивания повышается после выдерживания склеиваемых тел под прессом, так как это улучшает контакт между клеевой пленкой и склеиваемыми телами, увеличивает площадь межмолекулярного контакта, а, следовательно, и суммарные силы взаимодействия. Таким образом, прочность склеивания двух поверхностей обусловливается межмолекулярным взаимодействием и образованием химических и водородных связей – это называется адгезией.

В качестве модификаторов клеев применяют кремнийорганические соединения. В силу особенностей своего химического строения и свойств кремнийорганические соединения, сочетающиеся с термореактивными и термопластичными полимерами, обеспечивают такие полимерные системы улучшенными адгезионными свойствами, одновременно повышая механическую прочность, термостойкость, стойкость к агрессивным средам. Это происходит за счет образования разнообразных связей на поверхности и в самом клеящем составе.

Прочность самой клеевой пленки зависит от прочности связей между молекулами клеевого состава и называется когезией. В современных клеях адгезионные силы могут значительно превосходить силы когезии, то есть при значительной толщине слоя клеевой пленки прочность склеивания будет определять прочность самого клеящего материала, но не его клеящими способностями. По этой причине клей на склеиваемые поверхности следует наносить возможно более тонким сплошным слоем.

Характер взаимодействия и прочность склеивания зависят от химического состава и строения клеящего вещества и склеиваемых тел, поэтому полярные материалы склеивают полярными клеями, а неполярные материалы – неполярными клеями, или же склеиваемые поверхности должны быть предварительно соответствующим образом обработаны. Исходя из теоретических представлений о механизме склеивания, становится понятной необходимость предварительной очистки склеиваемых поверхностей от всякого рода загрязнений (обычно такими растворителями, как бензин, ацетон, специальные моющие жидкости, а металлические поверхности до очистки подвергают пескоструйной обработке или обработке абразивом). Следует отметить, что некоторые новые клеевые составы возможно применять без предварительной тщательной очистки склеиваемых деталей. По технологии склеивания клеи-припои необходимо нагревать до температуры, значительно превышающей температуру их плавления. В расплаве полимера при этих условиях макромолекулы приобретают максимальную подвижность, при этом расплав хорошо растекается и эффективно смачивает склеиваемые поверхности, хорошо заполняя неровности. Скорость схватывания таких клеев обусловлена затвердеванием при охлаждении всего на несколько градусов ниже температуры плавления. Припои на основе термопластичных полимеров могут без изменения их свойств многократно нагреваться до растекания и охлаждаться до затвердения. Существуют термореактивные припои: если продолжать их нагрев после растекания, они без охлаждения переходят в твердое состояние и повторно их не расплавить. Пайки очень прочные, выдерживают температуры до 200 ⁰С.

Существуют клеи, в которых полимеры в процессе склеивания сшиваются поперечными связями путем взаимодействия с отвердителем. Таковы эпоксидные клеи – важнейшая группа конструкционных клеев для склеивания металлов, стекла, керамики, бетона, камня, пластмасс и т.д. Эпоксидные клеи образуют соединения высокой прочности и требуют тщательной подготовки склеиваемых поверхностей. Отверждение может протекать на холоду в короткое время. Клеевой шов стоек к действию воды, нефтепродуктов, а также к действию слабых кислот и щелочей.

Герметики являются особой группой клеев. Они должны обеспечивать непроницаемость конструкций для газов и паров, жидкостей, пыли. К герметикам предъявляются следующие технические требования: высокая и надежная адгезия к материалу герметизируемых изделий, устойчивость к воздействию рабочих сред (вода, кислоты, щелочи, нефтепродукты и т.п.), пластичность в исходном состоянии, непроницаемость для газов и жидкостей. По консистенции герметики бывают от пастообразных (намазываются шпателем) до относительно жестких, профильные заготовки которых формуются экструзией.