СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

Наполнители и растворители

Начало применения наполнителей в фенольных смолах относит­ся к первым работам Бэкеленда. С тех пор наполнители широко используются при изготовлении пластмасс и клеев. Наполнитель — это любое вещество, которое при добавлении в смолу дает неодно­родную, гетерогенную смесь. Наполнители могут быть или органи­ческими, например, древесная мука, мука из ореховой скорлупы, хлопковые очесы, газовая сажа, графит и т. п., или неарганическт - ъш—асбест, - кремнезем, металлические порошки, стекловолокно и т. п. Наполнители, применяемые в рецептуре клея, могут быть в чиде порошков — алюминий, окись алюминия, сажа, цинковая пыль н т. п., в виде волокон асбест или в виде текстильных наполни­телей — марля, куски мелко нареза-тшой плотной ткани ллбо целые полосы ткани, аз частности, стеклоткани или найлоновой ткани.

Материалы, служащие в качестве наполнителей, прежде рас­сматривались лишь как «разбавители» основных смол, т. с. кал материалы, уменьшающие их расход и, таким образом, снижающие 1 стоимость готового продукта. В 'настоящее время известно, что на­полнители в клеях могут несомненно улучшать механические свой ства клеевого соединения. Так же как и в формовочных компози­циях пластмасс, наполнители оказывают влияние на фвдико-меха - нические свойства m самого клея и полученного на его основе клее - його соединения. От наполнителей зависят следующие характери­стики: вязкость клея, усадка клея, модуль упругости отвержденного клея, коэффициент термического расширения отвержденного клея, прочность клеевого соединения при ударе, статическая прочность клеевого соединении, теплостойкость клеевого соединения.

Вязкость клея зависит от многих факторов и в том числе от со­держания наполнителей и растворителей. Добавление наполнителя повышает вязкость, т. с. понижает текучесть, в то время как рас­творители оказывают противоположное влияние. Важны как коли­чество наполнителя, так и его природа; некоторые наполнители, на­пример, порошок слюды, являются особенно эффективными..

Технологические качества клея тесно связаны с его вязкостью. Высоко вязкие материалы труднее наносить на склеиваемые поверх­ности, чем жидкие, которые можно наносить кистью, пульверизатором и т. п. С другой стороны, более вязкие клеи удобнее для нанесения на вертикальные или наклонные поверхности. К тому же при рабо­те с вязким клеем меньше возможности получить «голодную» склейку.

Большинство термореактивних смол, особенно смол, которые получаются по механизму конденсации, имеет тенденцию значитель­но усаживаться во время отверждения. Эта усадка может вызвать ■большие напряжения внутри соединения. Добавление наполнителей значительно уменьшает усадку клея.

При добавлении неорганических наполнителей-—материалов с относительно высоким модулем упругости — к термореактивной смо - - ле модуль упругости этой смолы в отвержденном состоянии обычно повышается. Закономерности этого явления довольно сложны.

Модуль упругости характеризует способность клеевого шва к вос­приятию и передаче усилий с одной стороны клеевого шва к дру­гой — от одного элемента соединения к другому.

В соединении металлов желательно иметь прослойку клея, ко­торый обладал бы более низким модулем упругости, чем склеивае мыс элементы. Если при нагружении склеенные, элементы дефор­мируются в большей степени, чем клей, тогда высокие сдвигающие напряжения возникнут на поверхности раздела клей—металл у клее­вого соединения, что приведет к понижению прочности, соединения в целом. На основании анализа прочности соединений внахлестку было показано, что концентрация напряжения тем выше, чем боль­ше отношение модуля упругости клея к модулю упругости материа­ла склеенных элементов (см. главу V). В предельном случае, когда это отношение равно нулю, т. е. модуль упругости склеиваемого эле мента бесконечно велик по сравнению с модулем упругости клея, усилие сдвига равномерно распределяется по всей плошади клеевого соединения.

Модули упругости термореактивных смол всегда выше, чем мо­дули упругости термопластичных и эластомерных материалов, но значительно ниже модулей упругости металлов. Модули упругости термореактивных пластмасс редко превышают 0,7X105 кг/см2. У ме­таллов они колеблются от 0,4XlOfi до 2,1X106 кг/см2, например,

магниевые сплавы 0,45X10° кг/см2, титановые сплавы ЫХ Х10° кг/см-, стали от 1,7X10® до 2,1 ХЮ6 кг/см2.

Добавление наполнителей, особенно содержащих стеклоткань, может повысить модуль упругости клея на основе терморсактивной смолы в дпа-три раза. Этого достаточно для того, чтобы привести к значительной концентрации! напряжений в клеевых соединениях» ра­ботающих на сдвиг, особенно если применяется большая длина' на­хлестки.

Коэффициенты термического расширения отвержденных термо­реактивних смол значительно выше (в 5—10 раз), чем коэффициен­ты термического расширения оклеиваемых металлов. Если такой материал применяется как промежуточный клеевой слой между склеиваемыми элементами, то во время процесса склеивания, когда он ведется с подогревом, и позже при изменениях температуры даже при обычных условиях работы изделия, возникают большие внутренние напряжения. Этих напряжений может быть достаточно, чтобы вызвать разрушение соединения. Существуют два метода пре­дупреждения или ослабления этой тенденций. С одной стороны, можно прибавлять в клей наполнители — порошки металлов или их окислов, — для того чтобы понизить коэффициент термического расширения отвержденного клея. С другой стороны, в клей можно добавлять термопластичные или эластомерные материалы с целью снижения хрупкости и повышения эластичности клея в отвержден­ном состоянии. Последняя модификация нмее'г также значение с точки зрения снижения модуля упругости материала клеевого шва.

Добавление 'наполнителей влияет на сопротивляемость отверж­денного клея и клеевых соединений воздействию ударных нагрузок. В термореактивных пластиках сопротивление удару (характеризуе­мое в испытаниях на ударный изгиб значением ударной вязкости, т. е. величиной поглощенной энергии) с добавлением наполнителя обычно сначала возрастает, достигает максимума и резко падает, если введено чересчур много наполнителя. Этот максимум чаще все­го достигается при отношении наполнителя к смоле, приблизительно равном 3 : 2. Такая пропорция мало вероятна при составлении ре­цептов клеев. Отношение наполнителя к смоле в клеях редко бы­вает больше чем 1:1. Таким образом, во всех случаях на практике введение наполнителей повышает ударную вязкость клеев.

Добавление наполнителей повышает также способность отверж­денного клеевого слоя поглощать механические сотрясения и удары, превращая воспринятую энергию в теплоту. Это явление иногда на­зывают демпфированием. Наполнитель должен иметь высокую проч­ность на растяжение, чтобы он мог выдерживать напряжения, вызы­ваемые динамическими нагрузками.

Статическая прочность клеевого соединения при нормальной и 1 повышенных температурах зависит от многих факторов, рассмотрен­ных выше, и, следовательно, от типа и количества наполнителей. Циклические температурные воздействия, особенно когда темпера­тура меняется в сравнительно большом интервале, могут привести к появлению в клеевом шве внутренних трещин, начинающихся у

кромок соединения. Растрескивание происходит, когда клен хруп­кий, и его коэффициент термического расширения значительно отли чается (в случае склейки металлов — выше) от коэффициентов тер­мического расширения склеиваемых материалов. В результате по­лучается слабое дай дефектное соединение.

Теплостойкость [5] и прочность клея зависят, конечно, и от иных факторов, не связанных с использованием наполнителей. Главней­шим фактором, как уже указывалось выше, является химическая структура основного связующего.

В табл. 1] показано влияние различных наполнителей на проч­ность при сдвиге фенольно-эпоксидного клея при комнатной и повы­шенных температурах (клей 422; см. также гл. IV). Как видно из первой части этой таблицы, на прочностные свойства клеевого со­единения, особенно при 260°, заметно влияет природа наполнителя.

Іаблица 11

Влияние наполнителей на прочность при сдвиге соединений на фенольно-энокендном клее (образцы внахлестку из листового алюминиевого сплава)

Состав клея: фенольная смола ГІлнофен 5023—67 частей эпоксидная смола Энон 1001 —33 части

отвердитель (дициандиамид) — 6 частей наполнитель —от 0 ло 100

Мелкодисперсная алюминиевая пудра предпочтительнее алюминие­вого порошка с более крупными частицами. Наряду с алюминиевой пудрой асбест является хорошим наполнителем для вйсокопрочных теплостойких клеев для металлов. Последняя часть табл. 11 пока­зывает «неуклонный рост прочности клеевого соединения с повыше­нием процентного содержания в клее наполнителя из алюминиевой пудры. Однако трудность удовлетворительного перемешивания вы­соковязких суспензии не дает возможности использовать более 100 частей наполнителя на 100 частей смолы.

Влияние различных 'наполнителей на прочность соединения еще более ярко иллюстрируется данными табл. 12. В зависимости от вы­бранного наполнителя прочность при1 сдвиге блочных образцов из алюминиевых сплавов колеблется от 107 до 287 кг/см2 при 23° и от 42 до 275 кг/см? при 104э.

Таблица 12

Влияние природы наполнителя на прочность при сдвиге соединений на эпоксидном клее (блочные образцы из алюминиевого сплава)

Как уже указывалось, наполнители часто применяются в «леях на основс эпоксидных смол. Типичными клеями этого типа явля­ются: Эпон VI и VIII фирмы Шелл Кэмикэл, аральдит фирмы Сиба » (Нью-Йорк), Армстронг фирмы Армстронг Продактс.

Другие фирмы поставляют смоляные клеи без наполнителей, и потребители могут добавлять наполнители по своему усмотрению. Примером таких клеев являются смолы: С-8 фирмы Бакелит, С-14 фирмы Крайслер, Эпон-828 фирмы Шелл Кэмикэл, R-313 фирмы С. Н. Биггс.

При разработке рецептуры «леев для металлов необходимо так­же учитывать природу растворителей. С помощью растворителей регулируют вязкость клеевого раствора. Растворитель следует под­бирать такой, чтобы испарение его протекало не слишком быстро и не слишком медленно. Слишком быстрое испарение, особенно на грунтовых покрьпиях, может привести к уплотненной поверхности, препятствующей дальнейшему выходу летучих И і клеевого слоя. Очевидно, если сколько-нибудь летучих все же останется в клеевом слое, то они окажут заметное отрицательное влияние на прочность соединения. Несомненно, что состав клея, в частности, природа п количество растворителя и режим склеивания и особенно способ подсушки клеевого слоя на воздухе и в печи, а также другие техно­логические параметры тесно связаны и взаимно друг друга обу­словливают.

Иногда решение вопроса «аходят в применении в рецептуре клея не одного растворителя, а системы нескольких растворителей с раз­личными физико-химическими свойствами.