11.2. Клеи

11.2.1. Сущность клеев и их функциональный состав

Клеи (адгезивы) – вещества (смеси веществ) органической или неорганической природы, обладающие хорошей адгезией, когезионной прочностью, эластичностью, минимальной усадкой.

Современные клеи склеивают практически любые материалы: металлы, пластические массы, каучуки, резины, древесину, керамику, графит.

Большинство выпускаемых промышленностью клеев (примерно 1200 наименований по всему миру) из-за сложности химического состава правильнее называть клеевыми композициями.

Клеевая композиция может включать в себя составляющие, обеспечивающие необходимые технологические и эксплуатационные характеристики. Сюда следует отнести связующее, растворители, отвердители, катализаторы, замедлители, ускорители, ингибиторы, наполнители, модификаторы, пластификаторы, стабилизаторы, антипирены и т. п. Присутствие в составе клея всех перечисленных элементов не обязательно. Часто один ингредиент выполняет одновременно несколько функций.

В качестве клеев используются также растворители (для склеивания некоторых видов пластмасс), сами по себе не имеющие клеющих свойств. Соединение получается за счет растворения слоев склеиваемых поверхностей. В растворитель можно ввести некоторое количество соединеяемого материала (или другого, способного к адгезии с соединяемыми поверхностями). При этом образуется двухкомпонентный клей.

Рассмотрим функции некоторых составляющих клеевой композиции.

Связующее (основа клея) – вещество (смесь веществ) твердого или жидкого состояния с высокой адгезией к склеиваемому материалу. Если связующее – жидкость, то в ней растворяются другие компоненты клея. Если связующее – твердое вещество, то для склеивания его нужно либо расплавить, либо перевести в раствор. В последнем случае используются растворители. Химический состав связующих рассматривается при классификации клеев.

Растворители служат для растворения твердых веществ клея (в первую очередь связующего) и создают его необходимую вязкость и способность к смачиванию. Растворителями являются вода и органические жидкости, выбираемые в зависимости от вида связующего. Раствор или расплав должен обладать способностью к смачиванию подложки и в определенных случаях - к растеканию и капиллярному течению. К органическим растворителям относятся кетоны, эфиры гликолей, бутиловый спирт, ацетон, метанол, бензин, толуол, ксилол, диметилформамид и т. д.

Активаторы вводят в клей (или наносят на поверхность заготовки), если раствор (расплав) связующего не проявляет достаточной адгезионной способности. Иногда используются растворители с функцией активаторов, участвующие и в процессе отверждения клея.

Отвердители – вещества, способные при химической реакции со связующим вызвать образование сетчатой структуры в клее, т. е. реализовать процесс отверждения. К ним относятся алифатические амины (диэтилентриамин (ДЭТА), триэтилентетрамин (ТЭТА), полиэтиленполиамин (ПЭПА), триэтаноламин (ТЭА)), низкомолекулярные полиамиды – соединения, полученные при конденсации полиэтиленполиаминов метиловыми эфирами жирных кислот льняного, соевого, таллового масел и этиленгликоля (Л-18, Л-20, С-18, С-19, Т-19, ЛТ-13, ПО-200, ПО-300), изоцианаты (толуилендиизоцианат, полиметиленфениленизоцианат, уретан ДГУ), дициандиамид (ДЦДА), ангидриды карбоновых кислот (малеиновый (МА), фталевый (ФА), тетрагидрофталевый (ТГФА), эндиковый (ЭА), хлорэндиковый (ХЭТ)), полиангидриды себациновой кислоты (УП-607), адипиновой кислоты (УП-608) и т. д. В качестве отвердителей применяются также смеси различных химических веществ.

Катализаторы вводят для ускорения отверждения, успешное протекание которого зависит от количества этих веществ.

Отвердители и катализаторы вводят клеи, твердеющие только при химических реакциях.

Управление скоростью отверждения клея осуществляется с помощью замедлителей и ускорителей. Химический состав используемых для этих целей веществ многообразен и определяется видом клея. Например, в качестве ускорителей отверждения для эпоксидных клеев используются фенол, бутанол, циклогексанол, м-нитрофенол, бензилдиметиламин и т. д.

Для предотвращения вредной химической активности в процессе склеивания используются ингибиторы. Необходимость в этом может возникнуть в случае химической агрессивности компонентов клея по отношению к соединяемому материалу, например, при использовании отвердителей на кислотной основе.

Наполнители улучшают механические и теплофизические свойства клеевого соединения. С их помощью можно, например, увеличить упругость, прочность, сделать шов электропроводным и т. д. Виды наполнителей и их назначение приведены в табл. 11.1.

Кроме того, существенное повышение прочности соединений достигается введением кварцевой муки, молотого фарфора, молотого стекла, эбонитовой пыли.

Пластификаторы делают клеевой шов менее хрупким. К ним относятся дибутилфталат, дибутилсебацинат, диоктилфталат, хлорированный дифенил и т. д. Введение этих веществ в клей с высокой вязкостью улучшает его клеющие свойства, а для композиции с низкой вязкостью это снизит прочность будущего соединения и способность к адгезии. Во всех случаях введение пластификатора ухудшает теплостойкость клея.

Полимерное связующее подвержено естественному старению. Для его замедления (или полного устранения) вводятся стабилизаторы, например, оксихинолин, триацетилацетонат алюминия, н-пропилгаллат, ацетилацетонат цинка и т. д.

Таблица 11.1

Наполнители и их назначение

Наполнители	Назначение
Алюминий (порошок, пудра)	Повышение прочности и теплопроводности, уменьшение усадки и термического коэффициента расширения
Оксид алюминия	Повышение диэлектрических показателей
Асбест	Повышение прочности и теплостойкости
Оксид сурьмы (III)	Придание негорючести
Стеклянное волокно	Повышение прочности
Углекислый кальций	Уменьшение усадки и термического коэффициента расширения, снижение стоимости
Графит	Повышение электропроводности, в виде волокна - повышение модуля упругости
Железо	Придание теплостойкости, теплопроводности
Оксиды железа(III),	Повышение теплостойкости, придание цвета
Оксиды свинца, никеля	Повышение теплостойкости
Свинец	Придание радиационной стойкости
Слюда	Улучшение диэлектрических свойств
Песок	Снижение стоимости
Сажа	Упрочнение, придание черного цвета
Серебро	Придание электропроводности
Диоксид титана	Придание белого цвета
Цинк	Повышение коррозионной стойкости
Диоксид кремния	Придание тиксотропных* свойств, повышение прочности

* Тиксотропия – обратимое изменение вязкости, предела прочности (текучести), деформационных характеристик полимерных систем при механических воздействиях на них в изотермических условиях.

Большинство клеевых композиций включают в себя довольно дорогие и дефицитные ингредиенты. Для снижения стоимости клеев в целом используют разбавители. К ним относятся реакционноспособные вещества: аллилглицидиловый эфир, фенол, фуриловый спирт, бутиролактон, трифенилфосфат и т. д. Следует отметить, что введение в клеи разбавителей способствует некоторому снижению их теплостойкости и механической прочности соединений.

Антипирены вводят в клеевые композиции для придания им негорючести или способности к самозатуханию. Наиболее широко для этого используются соединения сурьмы, а также пентабромфторбензол, борат цинка и т. д.