P o d s t a w y a p l i k a c j i k l e j ó w

Transkrypt

1 dr inż. Mariusz Tryznowski P o d s t a w y a p l i k a c j i k l e j ó w 1. Ogólna charakterystyka klejów Polimery są to związki wielkocząsteczkowe składające się z dużej liczby mniejszych powtarzających się ugrupowań atomowych zwanych merami. Polimery są składnikami większości klejów. Klej jest substancją zdolną do trwałego połączenia dwu powierzchni w wyniku działania siły przyczepności do powierzchni klejonej (adhezja) i sił spójności wewnętrznej (kohezja) Istota klejenia polega na tym, że odpowiednie grupy polarne występujące w strukturze polimeru stanowiącego klej są w stanie tworzyć silne wiązania chemiczne z odpowiednimi grupami materiałów klejonych. Podstawowa właściwością kleju jest jego duża przyczepność do podłoża. Nie istnieją kleje uniwersalne. Do każdej pary klejonych powierzchni mogą być stosowane tylko odpowiednie dla niej kleje Teoria adhezji Adhezja oznacza trwałe wzajemne oddziaływanie międzycząsteczkowe kleju i przedmiotów klejonych. Miarą adhezji jest praca przypadająca na jednostkę powierzchni, którą należy wykonać aby rozłączyć stykające się ciała. Adhezja jest możliwa dzięki: siłom van der Waalsa polegającym na oddziaływaniu cząsteczek o dipolach trwałych (dipol-dipol) bądź indukowanych (dipol-dipol indukowany lub dipol chwilowy-dipol indukowany) chemisorpcji zjawisko polegające na wytwarzaniu wiązań chemicznych z powierzchnią podłoża Zazwyczaj powierzchnie tworzyw sztucznych są w zależności od rodzaju tworzywa i metody produkcji mniej lub bardziej gładkie. Odznaczają się słabą zwilżalnością i małą aktywnością powierzchniową. Adhezję można zwiększyć przez nadanie chropowatości klejonej powierzchni obróbką mechaniczną lub chemiczną. W wyniku obróbki mechanicznej tworzy się wiele bardzo drobnych rys, dzięki którym zwiększa się oddziaływanie międzycząsteczkowe przypadające na jednostkę powierzchni. Obróbka chemiczna polega na odtłuszczaniu, wytrawianiu i aktywowaniu powierzchni. Również napięcie powierzchniowe 1

2 wpływa na adhezję. Warunkiem niezbędnym do uzyskania zwilżania ciała stałego przez ciecz jest przewaga energii powierzchniowej ciała stałego nad energią powierzchniową cieczy. Rysunek 1. Zwilżanie powierzchni elementu łączonego: a), b) zwilżanie dobre, c) zwilżanie złe. 1-podłoże porowate, 2-klej, 3-zamknięte powietrze w mikroporach. Adhezja maleje w miarę wzrostu ciężaru cząsteczkowego substancji klejącej, ponieważ zmniejsza się liczba grup końcowych, które spełniają funkcje dipoli lub mogą reagować z powierzchnią klejoną. W przypadku, gdy klej rozpuszcza częściowo materiał klejony wówczas dodatkowym czynnikiem wpływającym na adhezję jest dyfuzja rozpuszczalnika 1.2. Teoria kohezji Kohezja (spójność wewnętrzna) to typ oddziaływań międzycząsteczkowych, dzięki którym cząsteczki danej substancji są utrzymywane w bezpośredniej bliskości. Wewnętrzna spójność pojawia się w złączu, gdy ciekły klej przekształca się w stały polimer. Kohezja wynika z obecności sił związanych z plątaniną łańcuchów polimeru. Ze wzrostem wielkości cząsteczki zwiększa się kohezja Kohezja decyduje zarówno o wyborze technologii klejenia jak i o wytrzymałości mechanicznej złączy klejonych. Rysunek 2. Siły przyciągające na powierzchni styku łączonych elementów. 2

3 Twardnienie polega natworzenie się stałej spoiny klejowej w skutek odparowania rozpuszczalnika lub dyspergatora. Utwardzanie polega na powstaniu spoiny klejowej w wyniku polimeryzacji (sieciowania) żywicy lub monomeru. Proces ten wymaga zastosowania utwardzacza, katalizatora lub podwyższonej temperatury. Utwardzacze w przeciwieństwie do katalizatorów wbudowują się w strukturę usieciowanej spoiny klejowej. Rysunek 3. Schemat utwardzania z wykorzystaniem utwardzacza i katalizatora Zwilżalność Dobry klej powinien charakteryzować się nie tylko dużą adhezją do powierzchni łączonych ciał stałych, lecz również możliwie największą kohezją pomiędzy własnymi cząsteczkami. Dodatkowo powinien dobrze zwilżać łączone powierzchnie. Warunkiem zwilżania jest by siły przyciągania międzycząsteczkowego cieczy a cząsteczkami ciała stałego były większe od sił spójności pomiędzy cząsteczkami cieczy. Kropla kleju najlepiej zwilża powierzchnię ciała stałego, gdy się po niej rozlewa. Kąt zwilżalności zależy od napięcia powierzchniowego kleju i klejonego materiału. Klejona powierzchnia jest wystarczająco zwilżona tylko wówczas, gdy napięcie powierzchniowe kleju jest co najmniej równe lub niższe niż krytyczne napięcie powierzchniowe materiału klejonego. 2. Rodzaje i klasyfikacja klejów Istnieje wiele kryteriów podziału i klasyfikacji klejów. Ze względu na pochodzenie kleje można podzielić na naturalne (z kauczuku maturalnego, białkowe, skrobiowe, 3

4 dekstrynowe) oraz syntetyczne (reaktywne monomery, oligomery oraz zdyspergowane polimery itp.). Istotne znaczenie ma jednak, z przetwórczego punktu widzenia, podział klejów ze względu na mechanizm klejenia kleje twardniejące, które wnikają głęboko w materiał powodując jego pęcznienie i częściowe rozpuszczenie. Po połączeniu klejonych elementów i silnym dociśnięciu spoiny powierzchnie klejonych materiałów nawzajem się przenikają, następnie rozpuszczalnik paruje pozostawiając trwałą spoinę. Do klejów twardniejących możemy zaliczyć: kleje rozpuszczalnikowe to roztwory polimerów termoplastycznych w odpowiednich rozpuszczalnikach. Do otrzymania połączenia o dobrej wytrzymałości konieczne jest ilościowe odparowanie rozpuszczalnika. W przypadku dobrej rozpuszczalności klejonego tworzywa możliwe jest również klejenie samym rozpuszczalnikiem. Kleje rozpuszczalnikowe stosowane są najczęściej do klejenia termoplastów kleje dyspersyjne to mieszaniny dwufazowe zawierające zawiesinę rozdrobnionych spoiw z żywic syntetycznych (poliakrylany, polioctan winylu, poliuretany), lateksów w roztworze wodnym. Kleje dyspersyjne wykorzystywane są do drewna, papieru, wykładzin podłogowych i ściennych kleje chemoutwardzalne nie wnikają głęboko w materiał, mają jednak silne powinowactwo chemiczne do klejonego materiału dzięki czemu umożliwiają osiągnięcie dużych wytrzymałości łączy klejowych. Wiązanie następuje w wyniku reakcji chemicznej utwardzalnych żywic syntetycznych lub reaktywnych oligomerów. Dobry klej chemoutwardzalny powinien reagować dopiero po uformowaniu złącza. Do tego momentu reakcje są blokowane metodami fizycznymi lub chemicznymi. Blokowanie metodami fizycznymi polega na oddzielnym przechowywaniu składników kleju i połączeniu ich na krótko przed procesem klejenia. W przypadku blokady chemicznej, klej zawiera wszystkie reaktywne składniki, które reagują pod wpływem odpowiednich bodźców (ogrzanie, dostęp powietrza, wilgoci lub światła). Czas wiązania kleju może być dostosowany przez producenta do określonego procesu technologicznego. Czas utwardzania można regulować przez modyfikację kompozycji klejowej lub zmianę temperatury utwardzania. W śród klejów chemoutwardzalnych możemy wyróżnić kleje: polikondensacyjne, polimeryzacyjne i poliaddycyjne. 4

5 kleje polikondensacyjne podczas utwardzania kleju następuje wydzielenie produktu małocząsteczkowego np. kwasu organicznego (silikony utwardzone wilgocią), dwutlenku węgla (poliuretany utwardzane wilgocią) lub wody (żywice fenolowe). Kleje dostępne na rynku: Ekoprodur, Sikabond T8, Artelit PB-835, Uzin MK 92S, Suprakol K2 i inne. Żywice fenolowe utwardzanie zachodzi w temperaturze C. Spoina klejowa jest krucha i o małej wytrzymałości na odrywanie. Wytrzymałość mechaniczną żywic fenolowych można poprawić po przez modyfikacje. Silikony jednoskładnikowe kleje utwardzające się w temperaturze pokojowej przy udziale wilgoci z powietrza. Silikony wykazują dużą elastyczność oraz odporność cieplną. Szybkość utwardzania zależy od względnej wilgotności powietrza. Wadą sylikonów jest ich mała wytrzymałość, dlatego stosowane są głównie jako uszczezlniacze. Rysunek 4. Silikon firmy Soudal stosowany do łączenia elementów wykonanych np. ze szkła kleje polimeryzacyjne monomery tych klejów łączą się podczas utwardzania w cząsteczki polimerów bez wydzielania substancji małocząsteczkowej np. cyjanoakrylowe, metakrylany. Kleje dostępne na rynku: Kropelka, Super Attak, Loctite 243 Chester Molecular B-36 i inne. kleje anaerobowe to grupa klejów polimeryzacyjnych, które utwardzają sie w momencie odcięcia dopływu tlenu i kontaktu z metalem. Stosowane są do uszczelnienia gwintów kleje cyjanoakrylowe stosuje się do klejenia małych powierzchni takich jak gumy, metale, tworzywa sztuczne. Są to kleje jednoskładnikowe, użyteczne w zakresie temperatur od -30 do 100 C. Rysunek 5. Cyjanoakrylowy klej firmy Glue-Invest S.A. 5

6 kleje poliaddycyjne utwardzanie tych klejów przebiega bez wydzielania się produktów małocząsteczkowych. Do klejów poliaddycyjnych zaliczamy żywice epoksydowe i poliuretanowe. Polimeryzacja klejów następuje wskutek połączenia żywicy i utwardzacza. Istnieją również kleje w których żywica i utwardzacz są zmieszane prze producenta. Utwardzanie takiego kleju rozpoczyna sie w podwyższonej temperaturze od 80 C. Kleje dostępne na rynku: Distal Epofix- Universal i inne. Rysunek 6. Dwuskładnikowy klej firmy Den Braven. W oddzielnych zbiornikach znajdują się żywica i utwardzacz, które po zmieszaniu tworzą właściwy klej. 3. Określenie parametrów operacji klejenia Wszystkie kleje wrażliwe są na siły ścinające dlatego złącza klejowe powinny być tak dobrane by nie osłabiać połączenia klejowego. Należy unikać klejenia elementów płyt lub folii na styk, ponieważ takie zespolenie nie zapewnia dostatecznej wytrzymałości. Optymalne połączenie na tzw. zakładkę polega na zwiększeniu powierzchni zetknięcia klejonych elementów w wyniku ich wzajemnego nałożenia. Długość zakładki zależy od rodzaju użytego kleju, grubości i modułu sprężystości materiałów klejonych. Najczęściej zakładka powinna być około pięć razy dłuższa od grubości łączonych elementów. Nadmierne powiększenie zakładki nie powoduje wzrostu wytrzymałości. Przy osiągnięciu granicy plastyczności materiału klej nie może już uczestniczyć w plastycznych odkształceniach tworzywa i spoina pęka. 6

7 Rysunek 4. Konstrukcje złącz klejowych w postaci płyt i folii. Podczas klejenia połączeń rurowych w wyniku osadzenia jednego elementu w drugim, głębokość sklejenia określa się wzorem 0,6d + 6, gdzie d zewnętrzna średnica rury. nieprawidłowe prawidłowe nieprawidłowe prawidłowe Rysunek 5. Konstrukcje złącz klejowych w postaci rur. 4. Określenie wymagań dotyczących trwałości złącza oraz charakterystyka klejonego materiału Zazwyczaj klejenie przebiega następująco: dwa elementy, które chce się połączyć, należy pokryć warstwą kleju, docisnąć do siebie i odczekać aż klej je zwiąże. Na wytrzymałość mechaniczną klejonej spoiny mają wpływ następujące czynniki: głębokość penetracji klejonego materiału przez klej im większa tym lepiej, ale gdy klej penetruje zbyt głęboko wówczas może zniszczyć strukturę klejonego materiału. Głębokość penetracji można zwiększyć przez zwiększenie chropowatości powierzchni klejonego materiału. 7

8 kształt i rozmiar spoiny ogólnie im większa powierzchnia spoiny i bardziej nieregularny kształt tym staje się ona mocniejsza. rodzaj i siła chemicznego oddziaływania kleju z klejonym materiałem. Jeżeli klej reaguje z podłożem tworząc wiązania chemiczne to taka spoina jest bardziej wytrzymała niż w przypadku klejów, które tylko wnikają w klejoną powierzchnię. Prowadząc rozważania na temat trwałość połączenia klejowego należy uwzględnić następujące czynniki: zakres temperatur pracy odporność na udary, wstrząsy cykliczne obciążenia termiczne odporność chemiczną (kwasy, zasady, wilgoć, oleje) robocze obciążenie złącza typy naprężeń, których należy oczekiwać (udary, ścinanie, zginanie itp.) oczekiwany czas eksploatacji wyrobu 5. Dobór kleju Najczęściej przed przystąpieniem do procesu klejenia gromadzi się tyle informacji ile tylko jest dostępne o każdym typie kleju. Taki sposób postępowania jest mało efektywny i czasochłonny. Lepszym sposobem jest sprawdzenie oczekiwań w stosunku do gotowego, sklejonego produktu oraz ograniczeń operacyjnych w miejscu pracy. Taki sposób postępowania doprowadzi do zdefiniowania oczekiwań w stosunku do trwałości połączenia i ograniczy wybór kleju. Po określeniu wymagań co do trwałości klejonego złącza należy zdefiniować parametry operacji klejenia. Należy zwrócić uwagę na: żądany czas zamocowania i klamrowania czas żelowania szkodliwe, lotne składniki kleju (odpowiedni system wentylacji, maski) pozycja klejenia (pionowa, pozioma) reologia kleju, tj. żądana lepkość warunki termiczne procesu klejenia (reakcje egzotermiczne, utwardzanie w temperaturze pokojowej itp.) wielkość klejonych elementów (konieczność odprowadzanie znacznych ilości ciepła) dozowanie ręczne, automatyczne 8

9 6. Literatura L. Dimter: Kleje do tworzyw sztucznych, PWN, Warszawa 1971 R. Sikora: Przetwórstwo tworzyw sztucznych, Wyd. Edukacyjne Żak, Warszawa 1997 Ćwiczenie będzie polegało na dobraniu kleju do przygotowanych próbek materiałów i sprawdzeniu trwałości uzyskanego połączenia klejowego. 9