Влияние природы и состояния поверхности склеиваемых материалов на процесс склеивания

ВЛИЯНИЕ ПРИРОДЫ И СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ СКЛЕИВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПРОЦЕСС СКЛЕИВАНИЯ
Природа склеиваемого материала и состояние его поверхности оказывают существенное влияние на выбор клея, процесс склеивания и свойства клеевого соединения. Ниже рассмотрены очень коротко некоторые особенности склеивания металлов, пластических масс, целлюлозы, стекла и других материалов. Подробно об этом рассказано в соответствующих разделах.Применение клеев для склеивания металлов сильно возросло, и за последние годы опубликовано много работ, посвященных вопросам склеивания металлов и прочности клеевых соединений [35,45].Прочность клеевых соединений металлов зависит от их природы, атомного объема, вида и способа обработки поверхности. В некоторых случаях склеиваемые металлы оказывают ингибирующее действие на процесс отверждения полимеризационных клеев, а следовательно, снижается прочность клеевого соединения. Так, установлено [46], что при склеивании меди, свинца, латуни и бронзы сильно замедляется полимеризация диметилвинилэтинилкарбино-ла. Удовлетворительная прочность клеевых соединений достигалась только в случае предварительной полимеризации клея.Существенное влияние на качество клеевых соединений металлов оказывает механическая обработка поверхности (обдувка песком, обработка шкурой и т. д.). Не менее значительно и влияние таких методов обработки, как, например, обезжиривание ацетоном: при склеивании эпоксидным клеем Аральдит I такая обработка позволяет повысить прочность соединения при равномерном отрыве с 500—600 до 800—1000 кгс/см2.
Описаны термические методы очистки поверхности металлов путем отжига изделий в атмосфере водорода, окислительно-восстановительный отжиг, являющийся наиболее качественным и производительным [35, 47]. Существуют методы обработки поверхности металлов ионной бомбардировкой [35, 48], пламенем, тлеющим коронным разрядом при пониженном давлении, струей ионизированного газа [35].
В ряде случаев обезжиривание и другие упомянутые выше способы обработки склеиваемых поверхностей металлов не обеспечивают максимальной прочности клеевогр соединения. Более эффективны методы химической обработки Поверхности. Так, алюминиевые сплавы обрабатывают электрохимическим методом в кислотных ваннах или в растворах, содержащих окислители, что приводит к образованию окисной пленки на поверхности металла. Кроме того, при такой обработке увеличивается поверхность контакта клея со склеиваемым материалом.
Характер и условия образования окисной пленки на поверхности металла могут существенным образом влиять на качество клеевого соединения. Окисные пленки некоторых металлов являются весьма непрочными, в особенности в толстых слоях, что может привести к разрушению клеевого соединения по окисному слою, а не по клею.Изучение влияния окислов алюминия на свойства клеевых соединений на эпоксидном клее показало, что не только кислород и влага воздуха, но и качество воды, применяемой для промывки окисных пленок, а также температурные условия промывки влияют на прочность клеевого шва [49].
Известны способы модификации поверхности металлов органическими и элементоорганическими веществами [35; 50; 51, с. 110]. Так, показано, что адгезия полиэтилена к металлам повышается, если поверхность металла предварительно покрыть мономолекулярным слоем органической кислоты [52, 53].
Поверхность металлов может быть обработана нафтенатами металлов с последующим выжиганием органической части вещества при температуре около 500 СС. Лучшие результаты получены при использовании нафтената цинка [54].Описаны и способы снижения адгезии полимеров к металлам Чаще всего для этой цели используются силоксаны [55, с. 14].Значительные трудности обычно возникают при склеивании так называемых «инертных» термопластов-—неполярных полимеров (полиэтилена, полипропилена, политетрафторэтилена и др.). При склеивании таких материалов необходима обработка их поверхности — либо механическими методами (опескоструивание, за-шкуривание), либо физическими (газопламенная обработка, обработка электрическим разрядом, ультрафиолетовым светом и др.), либо с помощью химических агентов (например, раствора металлического натрия в жидком аммиаке), изменяющих полярность поверхностных слоев полимеров. Последний метод наиболее эффективен. Так, обработка полиэтилена хромовой смесью повышает прочность клеевого соединения на полиуретановом. клее ПУ-2 при сдвиге с 1 до 90—95 кгс/см2 [56, с. 126]. Приблизительно такая же прочность склеивания полиэтилена с дуралюмином достигается и при применении эпоксидно-полисульфидного клея, а также других клеев на основе полярных полимеров. Обработка хромовой смесью приводит к увеличению полярности поверхности, что видно из peзультатов измерения краевого угла смачивания полиэтилена водой до и после обработки. Аналогичные результаты получаются и при обработке поверхности полиэтилена разбавленными водными растворами КМп04.Интересные данные получены при сравнении адсорбционных свойств исходного полиэтилена и полиэтилена с окисленной поверхностью [57]. Гидрофильность полиэтилена с окисленной. поверхностью значительно выше, чем исходного. Изотерма адсорбции воды исходным полиэтиленом обратима. В этой же работе было установлено, что при обработке хромовой смесью удельная поверхность полиэтилена практически не изменяется, но резко увеличивается теплота адсорбции воды.Согласно результатам исследования ИК-спектров поглощения [58], обработка полиэтилена хромовой смесью и раствором КМп04. приводит к образованию в поверхностном слое ОН- и С=0-групп, причем в первом случае наблюдается преимущественное образование карбонильных, а во втором гидроксильных групп.Для повышения адгезионной способности политетрафторэтилена (фторопласта-4) поверхность его обрабатывают раствором натрия в жидком аммиаке, натрийнафталиновым комплексом и расплавленным ацетатом калия. Значения разрушающего напряжения при сдвиге фторопласта [59], обработанного тремя указанными методами к склепного полиуретановым клеем, близки друг к дру- | гу и составляют 110—120 кгс/см2, в то время как исходные необработанные образцы фторопласта-4 клеем ПУ-2 не склеиваются [59].
Для получения прямых данных [58] о природе поверхностного слоя было проведено ИК-спектроскопическое исследование модифицированных образцов фторопласта-4. В поверхностном слое обнаружены двойные и сопряженные двойные связи, возникновение которых обусловлено отрывом от макромолекул поверхностного? гслоя атомов фтора. Кроме того, при обработке натрийаммиачным комплексом наряду с двойными связями в поверхностном слое по-»лимера обнаружены аминогруппы; при обработке натрийнафталиновым комплексом образуются карбонильные и гидроксильные группы; при обработке ацетатом калия-—карбонильные группы. Образование этих функциональных групп и обусловливает повышение полярности и адгезионной способности политетрафторэтилена.
При склеивании каучуков наблюдается четкая закономерность: к полярным каучукам (наирит, бутадиен-нитрильный) не-. полярные каучуки (например, бутадиен-стирольный) имеют низкую адгезию, а полярные — более высокую. К неполярным каучукам, сравнительно высокую адгезию имеют тоже неполярные каучуки. Важным фактором, который следует учитывать при склеивании резин, — это микрорельеф поверхности субстрата; шероховатая поверхность в этом случае является очень благоприятным фактором.В ряде случаев введение в резиновые клеи таких добавок, как перекиси, гидроперекиси, иод, хлорное железо, повышает их адгезию к резинам на основе неполярных или елабополярных ваучу-ков. Однако более эффективны способы повышения адгезии, основанные на химической модификации поверхности субстрата.Специфической особенностью большинства целлюлозных материалов (древесины, бумаги и др.) является их пористость, что увеличивает расход клея при склеивании. Подверженность целлюлозных материалов гидролизу исключает применение клеев, содержащих кислотные компоненты.Предполагается, что метилольные группы феноло- и карбамидо-формальдегидных смол реагируют с гидроксильными группами целлюлозы с образованием эфирных групп. Полиизоцианатные и полиуретановые клеи прочно склеивают целлюлозные материалы в результате химического взаимодействия между изоцианатными группами клея и гидроксилами целлюлозы. Образование химических связей между эпоксидными смолами и целлюлозой, по-видимому, обусловлено взаимодействием гидроксильных групп целлюлозы не только с эпоксидными, но и главным образом с гидроксильными группами смолы. При склеивании целлофана эпоксидными смолами образуются стойкие к холодной и горячей воде с©-единения, прочность которых зависит от природы используемого катализатора и условий отверждения.При склеивании силикатного стекла необходимо учитывать, что его поверхность, особенно в условиях воздействия влаги воздуха, сильно полярна. Это обусловливает высокую адгезию к стеклу полимеров, содержащих гидроксильные, карбоксильные, эпоксидные, изоцианатные и другие полярные группы, способные к образованию с гидроксильными группами поверхности стекла химических, водородных, а также межмолекулярных связей [60— 62].Наибольшую адгезию к стеклу имеют эпоксидные и эпоксифе-нольные смолы, полиуретаны, полиэфиракрилаты, полисульфиды [60], а также фенолокаучуковые клеи.Изменение адгезионных свойств стекла может быть достигнуто путем химической модификации его поверхности. Известно применение комплексного соединения смешанной соли метакриловой и соляной кислот и хромоксихлорида (волана). Благодаря наличию у привитого к стеклу волана двойной связи возможно взаимодействие обработанного таким образом стекла с непредельными группами полимеров.
Повышение адгезии полимеров к стеклу может быть достигнуто путем нанесения на его поверхность, модифицированную производными силанов, дифункционального мономера, способного реагировать как с полимером, так и с молекулами, привитыми к поверхности стекла. Полимерами могут быть акрилонитрильный и другие каучуки