INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH Politechnika Śląska w Gliwicach INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH BADANIE SKUTECZNOŚCI POŁĄCZEŃ ADHEZYJNYCH Instrukcja przeznaczona jest dla studentów następujących kierunków: 1. Inżynieria Bezpieczeństwa - sem. 2 NoM
1 CEL WYKONANIA ĆWICZENIA Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest poznanie procesu klejenia, jego zalet i wad, zapoznanie się z różnymi rodzajami klejów oraz odpornością połączeń adhezyjnych i sposobu przeprowadzania klejenia tworzyw metalicznych. 2 KLEJ, PROCES KLEJENIA Klej (substancja klejąca) substancja organiczna lub nieorganiczna mająca właściwości trwałego łączenia materiałów. Substancja ta wprowadzona między powierzchnie przylegające dwóch przedmiotów, wykonanych z takich samych lub różnych materiałów, umożliwia trwałe ich połączenie w procesie klejenia. Kleje są zaliczane do materiałów czynnych powierzchniowo (podobnie jak farby, lakiery i detergenty), których cechą charakterystyczną jest zwiększanie adhezji. Adhezja (łac. przyleganie) łączenie się ze sobą powierzchniowych warstw ciał fizycznych lub faz (stałych lub ciekłych). Miarą adhezji jest praca przypadająca na jednostkę powierzchni którą należy wykonać aby rozłączyć stykające się ciała. Przykładowe adhezyjne oddziaływanie pomiędzy pajęczyną a cząsteczkami wody pokazano na rysunku 1. Rys. 1. Oddziaływanie adhezyjne na przykładzie cząsteczek wody na pajęczynie Adhezja wynika z oddziaływań międzycząsteczkowych stykających się substancji. Granicznym przypadkiem odróżniającym adhezję od reakcji chemicznej jest powstanie w łączonej warstwie nietrwałych wiązań chemicznych. Granica między adhezją i zjawiskami powierzchniowymi zachodzącymi pod wpływem tworzenia się wiązań chemicznych jest bardzo płynna. Np. trudno jest jednoznacznie rozróżnić "czystą adhezję" od adhezji na skutek tworzenia się słabych wiązań wodorowych, które są jednocześnie rodzajem wiązań chemicznych i oddziaływaniami międzycząsteczkowymi. W praktycznych, inżynieryjnych badaniach (np. skuteczności działania klejów), przez adhezję rozumie się siłę połączenia dwóch warstw klejonego materiału bez wnikania w naturę oddziaływań powodujących powstanie trwałej spoiny. Z makroskopowego punktu widzenia czystą adhezję opisuje się jako odwracalny termodynamiczny proces zachodzący w warstwie łączących się materiałów wynikający z różnicy napięć powierzchniowych na styku substancji. Adhezja występuje m.in. przy klejeniu i malowaniu, stosowaniu kartek i taśm przylepnych. Zjawisko adhezji wykorzystywane jest przez niektóre zwierzęta do poruszania się po gładkich, pionowych powierzchniach lub liściach. - 2 -
Klejenie jest to połączenie materiałów za pomocą substancji klejącej zwanej klejem. Polega ono na rozprowadzeniu cienkiej warstwy kleju na uprzednio przygotowanej powierzchni. Klejenie jest nowoczesną technologią łączenia elementów maszyn, urządzeń, przedmiotów. Rozwój tej technologii związany jest z produkcją coraz to nowych klejów, o co raz to lepszych własnościach oraz z rozwojem badań wyjaśniających własności klejów i połączeń klejonych. Największe znaczenie mają kleje organiczne sporządzane z polimerów. Do sporządzania klejów można używać tylko tych polimerów, które mają znaczną adhezję do materiałów łączonych i odpowiednią kohezję po utwardzeniu lub zestaleniu. Kleje muszą charakteryzować się małym napięciem powierzchniowym. Kleje dzieli się według różnych kryteriów, istotne znaczenie z przetwórczego punktu widzenia ma podział na: a) utwardzalne i termoplastyczne; b) przechodzące w stan stały w temperaturze normalnej lub w temperaturze podwyższonej (na ogół do 250 C); c) ciekłe, plastyczne i stałe tj. proszek, granulki, pałeczki, folie błony. Podstawowym składnikiem klejów jest syntetyczny lub naturalny polimer w postaci koloidalnej zawiesiny w określonym rozpuszczalniku lub tworzący taką zawiesinę po wymieszaniu z utwardzaczem, plastyfikatorem, substancjami modyfikującymi i innymi. Kleje występują najczęściej w postaci ciekłej, a niekiedy w postaci stałej - proszku, perełek, folii lub sztyftów, wkładów klejących, które po roztopieniu tworzą złącze. Klejenie zasadniczo przebiega następująco: dwa elementy, które chce się połączyć ze sobą, należy pokryć warstwą kleju, docisnąć do siebie i odczekać aż klej je zwiąże. Niektóre kleje wymagają dodatkowej obróbki termicznej. Inne z kolei wymagają swoistej obróbki chemicznej - np. dwie łączone powierzchnie trzeba pokryć dwiema różnymi substancjami, które tworzą razem klej, lub odczekać po pokryciu określony czas, w trakcie którego klej reaguje wstępnie z powietrzem. Ponadto, wiele klejów wymaga wstępnego przygotowania powierzchni zwykle jej umycia i wysuszenia a czasami nadania jej struktury chropowatej. Najczęściej stosowane w przemyśle metody czyszczenia powierzchni przed klejeniem: obróbka chemiczna - wytrawianie (stosowane przy metalach), powlekanie związkami nieorganicznymi obróbka ścierna - czyszczenie materiałami ściernymi (stosowane przy metalach, tworzywach sztucznych, gumie odtłuszczenie - przemywanie rozpuszczalnikami, kwasami (stosowane przy większości materiałów klejonych) aktywowanie powierzchni - (stosowane do tworzyw sztucznych) lakierowanie - powlekanie lakierem podkładowym (stosowane do metali, tworzyw sztucznych, szkła, ceramiki). W wyniku procesu klejenia powstaje spoina o strukturze podanej na rysunku 2. - 3 -
Rys. 2. Struktura połączenia adhezyjnego. W różnego rodzaju klejach niektóre elementy spoiny mogą nie występować - np. może nie występować warstwa samego kleju (kleje rozpuszczalnikowe) lub klej może nie wnikać w głąb struktury materiału. Na wytrzymałość mechaniczną klejonej spoiny mają wpływ cztery czynniki: rodzaj i siła chemicznego oddziaływania kleju z klejonymi powierzchniami - jeśli klej reaguje chemicznie z podłożem tworząc z nim wiązania chemiczne to taka spoina jest zazwyczaj bardziej wytrzymała niż w przypadku klejów, które tylko wnikają w klejoną powierzchnię - jednak większość klejów uniwersalnych nie reaguje bezpośrednio z podłożem, gdyż nie ma związków chemicznych które potrafią reagować ze wszystkim; głębokość penetracji klejonego materiału przez klej - oczywiście im większa tym lepiej, ale jeśli klej penetruje zbyt głęboko to może zniszczyć strukturę samego klejonego materiału; głębokość penetracji można też zwiększać zwiększając chropowatość powierzchni klejonego materiału. Materiały bardzo gładkie (np. szkło) jest zwykle bardzo trudno skleić; wytrzymałość mechaniczna samej warstwy kleju - ma to znaczenie tylko w przypadku tych klejów, które taką warstwę tworzą, zależy ona oczywiście od struktury chemicznej kleju; kształt i rozmiar całej spoiny - im większa powierzchnia spoiny i bardziej nieregularny jej kształt tym staje się ona mocniejsza. Ze względu na mechanizm klejenia, kleje można podzielić na: kleje rozpuszczalnikowe - kleje te wnikają głęboko w materiał powodując ich napęcznienie i częściowe rozpuszczenie; po połączeniu klejonych elementów i dociśnięciu spoiny powierzchnie klejonych materiałów nawzajem się przenikają, po czym rozpuszczalnik paruje pozostawiając trwałą spoinę bez warstwy samego kleju; kleje rozpuszczalnikowe stosuje się do klejenia tworzyw sztucznych. kleje oparte na polimerowych żywicach - kleje te nie wnikają zbyt głęboko w materiał, mają one jednak silne powinowactwo chemiczne do klejonego materiału a warstwa samego utwardzonego kleju jest bardzo odporna mechanicznie; kleje te stosuje się do "trudnych" do sklejenia materiałów - takich jak metale, szkło itp., których nie można skleić klejami penetrującymi materiał; przykłady takich klejów to np. kleje epoksydowe (Poxipol). kleje mieszane - składają się one z żywicy wymieszanej z rozpuszczalnikiem, który może penetrować klejony materiał - żywica wraz z rozpuszczalnikiem wnika głęboko w klejony materiał, więc nie musi mieć ona tak silnego powinowactwa chemicznego z klejonym materiałem; kleje mieszane są najbardziej rozpowszechnione i są one stosowane do klejenia "łatwych do sklejenia" materiałów porowatych takich jak guma, papier, skóra itp.; przykładem takiego kleju jest np. butapren lub guma arabska. - 4 -
Szczególnym rodzajem klejów mieszanych są kleje składające się z żywicy polimerowej rozpuszczonej w monomerze, który w pierwszym etapie zachowuje się jak rozpuszczalnik, potem jednak nie paruje lecz ulega kopolimeryzacji z żywicą tworząc jedną usieciowaną strukturę. Takie kleje działają szybko i są dość uniwersalne - przykładem takiego kleju jest cyjanoakryl (znany jako "superglue"). Dla scharakteryzowania kleju podaje się m.in. takie jego parametry jak: lepkość czas otwarty czyli maksymalny czas od nałożenia kleju na powierzchnie sklejaną do momentu sklejenia czas wiązania czyli czas, po którym spoina osiąga pełną wytrzymałość baza kleju czyli zasadnicze składniki kleju, dzięki którym posiada on swe właściwości ciała stałe - ilość suchej masy w jednostce objętości. Z punktu widzenia właściwości fizycznych kleje mogą być: sztywne, elastyczne, nieprzewodzące lub przewodzące prąd elektryczny, ciepło, pole elektryczne lub magnetyczne, wodoodporne, odporne lub nie na działanie agresywnych środowisk chemicznych itp. Mogą mieć kilka cech jednocześnie. Ogólnie kleje dzieli się na naturalne i syntetyczne: Kleje naturalne: mogą być pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego. Największe znaczenie techniczne mają jednak kleje syntetyczne. Kleje syntetyczne: epoksydowe - do metali, ceramiki aminowe - do drewna ftalowe - do drewna, papieru itp. poliuretanowe - do metali, tworzyw sztucznych, skóry poliwinylowe - do drewna, skóry itp. poliakrylowe - do metali, ceramiki, tworzyw sztucznych silikonowe - odporne na temperatury ~50 C, specjalne odporne do temperatury ~800 C - do łączenia metali z kauczukiem, lub tworzywem silikonowym. Na ogół największą wytrzymałość wykazują połączenia klejowe ze względu na czyste ścinanie i czyste odrywanie. Obciążenia oddzierające oraz obciążenia zginające w przypadku połączeń doczołowych znacznie obniżają wytrzymałość połączeń. W związku z tym połączenia klejowe konstruuje się tak, aby przenosiły w największym stopniu obciążenia ścinające i odrywające, w najmniejszym oddzierające i zginające. Dąży się również do tego, aby naprężenia w skleinie klejowej były możliwie najmniejsze, co osiąga się w pewnych granicach, przy określonym stanie obciążeń połączenia, poprzez powiększenie powierzchni klejonych. Właściwości połączeń klejowych zależą od bardzo wielu czynników, np. rodzaju kleju, rozwiązania konstrukcyjnego połączenia, sposobu przygotowania powierzchni do łączenia, warunków utwardzania bądź zestalenia kleju. Ale zależą również od rodzaju i zawartości napełniacza proszkowego. Na ogół bezpośrednio przed użyciem klej należy odpowiednio sporządzić. Sporządzanie kleju utwardzalnego polega najczęściej na zmieszaniu składników kleju w potrzebnych proporcjach i kolejności; sporządzanie kleju w stanie stałym polega głównie na suszeniu. Powlekanie klejem powierzchni odpowiednio przygotowanej warstwy wierzchniej odbywa się za pomocą ręcznych narzędzi pracy, takich jak pędzle, bagietki, łopatki, bądź za pomocą maszyn zwanych powlekarkami. Najistotniejszym elementem typowej powlekarki do kleju są walce powlekające i podające oraz zbiornik kleju. - 5 -
Proces klejenia jest determinowany głównie przez: temperaturę, czas i nacisk. Temperatura klejenia zależy przede wszystkim od temperatury polimeryzacji lub topnienia użytego kleju, temperatury topnienia albo mięknienia materiałów łączonych oraz od żądanych właściwości połączenia, natomiast czas klejenia zależy od temperatury klejenia. Nacisk wywierany podczas klejenia powinien zapewnić dokładne przyleganie do siebie części łączonych oraz optymalną grubość skleiny, która zawiera się w granicach od 50 do 200 mm. Wartość nacisku zależy od tego, czy klej przechodzi w stan stały w wyniku polimeryzacji kondensacyjnej (nacisk duży rzędu 1 MPa), czy w inny sposób (nacisk mały rzędu 0,05 MPa). Aby utrzymać w procesie klejenia potrzebne wartości wymienionych parametrów, przeprowadza się go w specjalnych przyrządach klejarskich oraz za pomocą odpowiednich urządzeń. Przyrządy klejarskie spełniają funkcję ustalającą wzajemne położenie części klejonych, jak również funkcję dociskającą zapewniającą docisk części klejonych. Przyrządy klejarskie z ustalonymi i dociśniętymi częściami klejonymi umieszcza się na ogół w urządzeniach z komorą o regulowanej temperaturze, zwanych często autoklawami, dla zapewnienia założonego przebiegu procesu utwardzania lub zestalania kleju. Trzeba jeszcze dodać, że klejenie niektórych tworzyw termoplastycznych przeprowadza się wykorzystując ich rozpuszczalność. Stosując właściwy rozpuszczalnik, rozpuszcza się i zmiękcza warstwę wierzchnią elementów łączonych, a następnie łączy się je przy niedużym docisku. Po odparowaniu rozpuszczalnika uzyskuje się gotowe do użytkowania połączenie. W ten sposób klei się np. polistyren i polimetakrylanmetylu. Proces klejenia składa się z następujących etapów: oczyszczenia powierzchni metodami chemicznymi lub mechanicznymi (Powierzchnie łączone powinny być wolne od zanieczyszczeń i dokładnie rozwinięte, aby szczelnie do siebie przystawały. Złe oczyszczenie znacznie zmniejsza wytrzymałość połączenia, dlatego jest tak ważne. Powierzchnie łączone przygotowuje się najpierw mechanicznie, a następnie chemiczne. Przygotowanie mechaniczne ma na celu usunięcie zanieczyszczeń znajdujących się na powierzchni łączonych materiałów jak na przykład: rdzy. Zaś przygotowanie chemiczne polega na wytrawieniu powierzchni łączonych, aby zwiększyć zwilżalność łączonych materiałów.); starannym przygotowaniu masy klejącej (Niektóre kleje są dwu lub więcej składnikowe wówczas masę klejącą uzyskuje się przez wymieszanie ich w odpowiednich proporcjach. Gdy zaś mamy do czynienia z klejami termoutwardzalnymi wówczas należy substancję ciekłą połączyć z utwardzaczem. Przygotowanie innych klejów polega na rozpuszczeniu suchego kleju w rozpuszczalniku, lub podgrzaniu go do temperatury, w której staje się ciekły.); dokładnego nałożenia warstwy kleju (grubości ok. 0,1 mm) na powierzchnie klejone (Nakładanie kleju powinno się odbywać za pomocą pędzla, lub natryskowo. Trzeba tu pamiętać, że duża ilość kleju wcale nie gwarantuje większej wytrzymałości, lecz wręcz przeciwnie.); utwardzenia skleiny w odpowiedniej temperaturze z zachowaniem właściwego nacisku (Po nałożeniu substancji klejącej należy ją podsuszyć, a następnie docisnąć. Złączenie nastąpi, gdy klej całkowicie wyschnie, trwa to od kilkudziesięciu sekund nawet do kilku godzin zależy od kleju.); oczyszczenia skleiny (Polega na usunięciu nadmiaru kleju, który po dociśnięciu stworzył w obszarze sklein wycieki. Po utwardzeniu można je usunąć za pomocą metod mechanicznych (piłowania, skrawania), a gdy klej jeszcze nie wysechł można to zrobić za pomocą tkaniny zanurzonej w rozpuszczalniku.) Połączenia klejone - połączenia, w których wykorzystuje się adhezyjne właściwości substancji klejowych. Klej wnika w drobne pory (nierówności) na powierzchni materiału, po czym twardnieje. Czasem przy klejeniu tworzyw sztucznych dodatkowo następuje częściowe rozpuszczenie powierzchni klejonych. Połączenie tego typu w budowie maszyn stosowane jest często, zwłaszcza jeśli trzeba połączyć różne materiały (metal, tworzywa sztuczne, szkło, gumę itp). Stosuje się również połączenie - 6 -
klejone ciasno pasowanych elementów, co daje takiemu połączeniu pewną nośność wynikającą z tarcia, nawet po zerwaniu właściwego połączenia klejonego. Sposób oznaczenia połączenia klejonego pokazano na rys. 3. 10 Rys. 3. Oznaczenie połączenia klejonego na rysunkach inżynierskich Zalety połączeń klejonych: wykorzystanie pełnej wytrzymałości materiałów łączonych, ponieważ warstwa kleju nie wywołuje naprężeń w materiale i nie osłabia części łączonych; uzyskanie zestawu elementów o nienaruszonej powierzchni (bez otworów); równomierne rozłożenie naprężeń na całej powierzchni złącza; odporność połączeń na korozję; zdolność tłumienia drgań; klej może także uszczelniać złącze, odgrywając rolę uszczelki; możliwość łączenia dowolnych materiałów. Wady połączeń klejonych: możliwość rozwarstwienia połączenia pod wpływem obciążeń; mała odporność klejów na zmiany temperatury; długi czas utwardzania większości klejów; spadek wytrzymałości połączenia wraz z upływem czasu, spowodowany starzeniem się kleju; stosunkowo mała wytrzymałość w porównaniu z innymi rodzajami połączeń. 3 KLEJE I MATERIAŁY USZCZELNIAJĄCE W niemal wszystkich dziedzinach przemysłu kleje mogą dzisiaj uzupełniać lub zastępować tradycyjne sposoby łączenia elementów, takie jak spawanie, nitowanie lub łączenie za pomocą śrub. Różnorodność wymagań stawianych klejom oraz rodzaj klejonych elementów sprawiają, że konieczne stało się posiadanie rzetelnej wiedzy w zakresie technologii zastosowań. Oto kilka przykładowych różnych rodzajów klejów oraz ich krótka charakterystyka: Kleje na bazie żywic epoksydowych (EP) Jednoskładnikowe kleje na bazie żywic epoksydowych Dwuskładnikowe kleje na bazie żywic epoksydowych Poliuretanowe kleje konstrukcyjne (PUR) Jednoskładnikowy klej poliuretanowy, kleje do szyb, klej elastyczny Dwuskładnikowe kleje poliuretanowe Kleje metakrylowe (MMA) - 7 -
Dwuskładnikowe kleje metakrylowe Kleje na bazie żywic fenolowych / kleje polikondensacyjne Seria Araldite 2000 Kleje cyjanoakrylowe Kleje utwardzane UV Przyjazne dla środowiska kleje aerozolowe Kleje anaerobowe Kleje silikonowe i uszczelniacze Środki pomocnicze do obróbki wstępnej i końcowej powierzchni klejonych Narzędzia i technika dozowania środków 3.1 Kleje na bazie żywic epoksydowych (EP) Kleje na bazie żywic epoksydowych mają odporność na ścinanie do 40 MPa oraz z wytrzymałością na zrywanie do 10 N/mm. Kleje na bazie żywic epoksydowych zalecane są do wykonywania połączeń o wysokiej wytrzymałości w branży rzemieślniczej, przemysłowej i motoryzacyjnej. Wytrzymałość klejów można dodatkowo zwiększyć przez podgrzanie, w wyniku czego kleje wykazują odporność na temperatury od -30 do +120 C. 3.2 Kleje na bazie żywic epoksydowych Jednoskładnikowy klej na bazie żywic epoksydowych jest klejem termoutwardzalnym, stosowanym głównie w przypadku, gdy wymagane jest uzyskanie wysokiej wytrzymałości lub wysokiej odporności na uszkodzenia w wypadkach. Jednoskładnikowe kleje na bazie żywic epoksydowych są mieszanką żywicy i utwardzacza. W temperaturze pokojowej utwardzacz jest nierozpuszczalny, po podgrzaniu przechodzi w roztwór i rozpoczyna się reakcja utwardzania. Jednoskładnikowe kleje na bazie żywic epoksydowych cechuje długa trwałość połączona z dobrą odpornością na wysokie temperatury. Araldite - jednoskładnikowy klej na bazie żywic epoksydowych Betamate - jednoskładnikowy klej na bazie żywic epoksydowych 3.3 Dwuskładnikowe kleje na bazie żywic epoksydowych Dwuskładnikowe kleje na bazie żywic epoksydowych są klejami utwardzanymi na zimno lub w średniej temperaturze. Podgrzewanie może skrócić czas utwardzania. Ciepło zwiększa gęstość połączenia, a wytrzymałość końcowa zostaje osiągnięta wcześniej. W przypadku dwuskładnikowych klejów epoksydowych właściwości obróbki obu komponentów są do siebie dostosowane i przyjazne dla użytkownika. Proporcje mieszanki określone są przez producenta i należy ich ściśle przestrzegać. Dozowanie, mieszanie i nakładanie mogą być wykonywane ręcznie lub maszynowo. Regulowany czas utwardzania, a tym samym stale dopasowywana reaktywność kleju czynią z dwuskładnikowych klejów na bazie żywic epoksydowych doskonałe rozwiązanie w przypadku łączenia metali w przemyśle maszynowym, motoryzacyjnym i lotniczym. Araldite - dwuskładnikowy klej na bazie żywic epoksydowych Araldite 2000 - dwuskładnikowy klej na bazie żywic epoksydowych w kartuszach Epocast - dwuskładnikowy klej na bazie żywic epoksydowych Epibond - dwuskładnikowy klej na bazie żywic epoksydowych - 8 -
Betamate - dwuskładnikowy klej na bazie żywic epoksydowych, duża odporność na uszkodzenia w wypadkach 3.4 Poliuretanowe kleje konstrukcyjne (PUR) Również ten rodzaj kleju na bazie poliuretanów oferowany jest w formie jedno- lub dwuskładnikowej. Kleje poliuretanowe podczas utwardzania tworzą elastomery, przy czym stopień połączenia, a tym samym wytrzymałość może być określona różnymi związkami chemicznymi, składającymi się na systemy klejowe. Dostępne są zarówno systemy jedno- jak i dwuskładnikowe, od klejów elastycznych do klejów o wysokiej sztywności do wszelkich rodzajów zastosowań. 3.5 Klej poliuretanowy, kleje do szyb, klej elastyczny Kleje jednoskładnikowe składają się z prepolimerów izocyjanianowych, które utwardzają się pod wpływem wilgoci. Reakcja ta przebiegać może w temperaturze od 5 do 40 C, przy czym niezbędna jest wilgotność względna powietrza od 40 do 70%. Po utwardzeniu spoina klejona jest gumowo elastyczna. Kleje te stanowią idealne rozwiązanie w przypadku materiałów o różnej rozszerzalności w zależności od obciążenia i temperatury i dlatego stosowane są do klejenia szyb w przemyśle motoryzacyjnym lub służą jako elastyczny klej do mocowania elementów z GFK do stali lub elementów aluminiowych do podłoża stalowego. Klej Betaseal jest najczęściej stosowanym w europejskim przemyśle motoryzacyjnym klejem do bezpośredniego wklejania szyb w samochodach oraz do naprawy przeszkleń. Betaseal - jednoskładnikowy klej elastyczny, kleje do szyb Betalink - jednoskładnikowy klej poliuretanowy, kleje do spoilerów Betafill - jednoskładnikowy poliuretanowy materiał uszczelniający 3.6 Dwuskładnikowe kleje poliuretanowe Kleje dwuskładnikowe to mieszanka komponentów poliolowych (A) i izocyjanianowych (B). Kleje te są dostępne także w wersji wysoce niepalnej. W zależności od proporcji składników warstwa dwuskładnikowego kleju poliuretanowego po utwardzeniu może być twardo-ciągliwa do gumowoelastycznej. Oferowane są systemy o czasie utwardzania od 2 do 120 minut, od klejów płynnych do klejów o wysokiej lepkości. Dwuskładnikowe kleje PUR doskonale nadają się do powierzchniowego klejenia karoserii samochodów, elementów elewacji oraz wykorzystywane są przy budowie statków. Kleje można również z powodzeniem stosować na przykład do wysokiej jakości spoin montażowych, klejenia tworzyw sztucznych, spoin narożnikowych oraz jako masy zalewowe, a także jako kleje do elementów SMC. Betamate - dwuskładnikowy klej poliuretanowy, elastyczny Betalink K2 - dwuskładnikowy klej poliuretanowy, elastyczny Araldite 2000 - dwuskładnikowy klej poliuretanowy strukturalny Uralane - dwuskładnikowy klej poliuretanowy strukturalny 3.7 Kleje metakrylowe (MMA) Kleje MMA są klejami reakcyjnymi na bazie estru kwasu metakrylowego. Utwardzanie systemu reakcyjnego przebiega na zasadzie polimeryzacji rodnikowej. Dzięki szybkoutwardzalnym klejom MMA można uzyskać odporność na ścinanie ponad 30 Mpa. W niektórych przypadkach już po 5 minutach uzyskać można wytrzymałości funkcjonalne wynoszące 5 MPa. - 9 -
3.8 Dwuskładnikowe kleje metakrylowe Kleje MMA utwardzają się do postaci termoplastów i wykazują bardzo dobrą przyczepność do tworzyw sztucznych i metali przy względnej niewrażliwości na lekko natłuszczone powierzchnie. Kleje te są najczęściej sprzedawane w formie dwukomorowych kartuszy ze statyczną dyszą mieszającą, co pozwala na łatwą i szybką aplikację. Klasyczną dziedziną zastosowania tych wysokiej jakości klejów jest przemysł motoryzacyjny i przemysł budowy pojazdów szynowych. Agomet - dwuskładnikowy metakrylowy klej strukturalny Araldite 2000 - dwuskładnikowy metakrylowy klej strukturalny 3.9 Kleje na bazie żywic fenolowych / kleje polikondensacyjne Żywice fenolowe, zależnie od składu, twardnieją w temperaturze od 140 do 200 C. Proces utwardzania żywic fenolowych wymaga w każdym przypadku temperatury powyżej 100 C. Żywice fenolowe charakteryzują się dużą stabilnością przyczepności złącza klejonego oraz dobrymi właściwościami mechanicznymi. Ponadto wykazują dobrą odporność termiczną do ok. 250 C. Żywice fenolowe nadają się idealnie do stosowania w sytuacjach, w których występują wysokie obciążenia termiczne warstwy kleju a jednocześnie priorytetem jest bezpieczeństwo. Typowe zastosowanie tych klejów to klejenie okładzin hamulcowych i okładzin sprzęgła w pojazdach. Araldite - fenolowy klej polikondensacyjny 3.10 Seria Araldite 2000 Seria Araldite 2000 to rozwiązania dla 95% wszystkich zastosowań klejów. Asortyment obejmuje kleje o wysokich parametrach użytkowych na bazie poliuretanu, estru kwasu metakrylowego oraz żywic epoksydowych. Oferowane są kleje o wysokiej zdolności przejmowania obciążeń, do klejenia metali i tworzyw kompozytowych, elastyczne kleje do klejenia termoplastów i innych materiałów, wolno schnące kleje do stosowania na dużych powierzchniach, kleje odporne na wysokie temperatury i chemikalia, kleje w formie pasty do wypełniania spoin i z możliwością nakładania pionowego, przeźroczyste kleje do klejenia szkła i innych przejrzystych materiałów oraz szybko utwardzalne kleje uniwersalne. 3.11 Kleje cyjanoakrylowe Kleje cyjanoakrylowe są klejami jednoskładnikowymi na bazie cyjanoakrylu. Reakcja przebiega nawet w obecności minimalnej wilgoci na powierzchni klejenia. W temperaturze pokojowej cyjanoakryl twardnieje w ciągu kilku sekund. Klej sekundowy nadaje się do klejenia różnego rodzaju tworzyw sztucznych, gum i metali. Klej cyjanoakrylowy skleja nawet trudne do sklejania materiały, takie jak np.: POM, PP, PE, PET, EPDM, silikon. Do obróbki wstępnej, w przypadku tych materiałów, stosowany jest Permabond Polyolefin Primer. Cechy klejów sekundowych: wypełnienie spoin od cienkowarstwowych do 0,5 mm; od płynnych do stabilnych / tiksotropowych; odporność na temperatury do 250 C; mało intensywny zapach; niewielkie tworzenie wykwitów (seria 9xx); elastyczne, odporne na uderzenia, wysoka odporność na oddzieranie; nie kapiące, w formie pasty. - 10 -
Permabond - klej sekundowy / cyjanoakryl 3.12 Kleje utwardzane UV Te jednoskładnikowe kleje twardnieją dzięki polimeryzacji rodnikowej. Istotne dla tego procesu jest naświetlaniem promieniami UV. Utwardzenie następuje w ciągu kilku sekund. Zaletą techniki utwardzania promieniami UV jest możliwość wyboru dowolnego momentu utwardzania oraz krótki czas utwardzania, pozwalający na przyspieszenie produkcji. Seria Permabond jest idealnym rozwiązaniem w przypadku łączenia szkła, metalu i tworzyw sztucznych. W związku z wieloma zaletami utwardzania promieniami UV metoda ta cieszy się coraz większą popularnością: bezpieczeństwo pracy brak ograniczenia czasu zachowania stanu plastycznego szybkość produkcji krótszy czas poszczególnych taktów produkcyjnych możliwość wyboru momentu utwardzania brak negatywnego wpływu na środowisko Permabond - kleje utwardzane UV 3.13 Przyjazne dla środowiska kleje aerozolowe Kontaktowe kleje aerozolowe zawierają śladowe ilości lotnych substancji organicznych i nie stanowią zagrożenia dla czystości powietrza, gdyż podczas aplikowania nie powstają opary kleju. Poręczne opakowania aerozolowe lub kanistry poszerzają zakres stosowania tych produktów. Kleje te nadają się do aplikacji na różnorodnych materiałach takich jak drewno, kompozyty, wiele tworzyw sztucznych (w tym styropor) i stosowane są w przemyśle drzewnym, meblarskim, samochodowym i w żeglarstwie (tutaj ze względu na bardzo dobrą odporność na wodę i wilgoć). Praca z klejami firmy arozolowymi jest szybka i bezproblemowa, a mniejsze zużycie kleju sprzyja dodatkowo obniżeniu kosztów. InfuZen - kleje do infuzji kompozytów polistyrenowych VersaTile - kleje do wykładzin podłogowych DMEasy - silne kleje do wielu zastosowań Mystic - kleje o delikatnej strukturze (mgiełka) HSEA - kleje do laminacji sklejki PS13 - kleje do materiałów spienionych (np. styropian) CCAR - czyścik cytrusowy 3.14 Kleje anaerobowe Kleje anaerobowe są klejami jednoskładnikowymi. Podobnie jak w przypadku metakrylanów metylu, podczas utwardzania zastosowanych monomerów (modyfikowanych) estrów kwasu akrylowego, istotną rolę odgrywa mechanizm łańcucha rodników. Reakcja utwardzania możliwa jest wyłącznie po odcięciu dostępu tlenu (reakcja anaerobowa). Mechanizm ten determinuje główne zastosowanie tego rodzaju klejów. Proces utwardzania rozpoczyna się w momencie, gdy dopływ powietrza zostaje odcięty od anaerobowego kleju nałożonego w wąskiej spoinie w metalu. Pozwala to na długi czas obróbki. Kleje anaerobowe są stosowane na przykład do zabezpieczania połączeń śrubowych, do klejenia wałów i kołnierzy oraz jako uszczelnienia powierzchniowe, do uszczelniania rur oraz do trwałego montażu elementów metalowych. - 11 -
Permabond - klej anaerobowy 3.15 Kleje silikonowe i uszczelniacze Kleje i uszczelniacze silikonowe znajdują wiele rodzajów zastosowań, włączając w to powierzchnie narażone na działalnie związków organicznych. Zasadniczo dzielą się na 2 grupy: kleje silikonowe wiążące w temperaturze pokojowej (RTV) oraz wiążące na gorąco (HTV). Produkty te mogą być stosowane jak niżej: System Acetoxy - klej 1-składnikowy wiążący w temperaturze pokojowej pod wpływem wilgoci z powietrza. Produkt ma długi termin ważności, w pełni utwardzony spełnia wymogi UL, NSF and FDA; Do stosowania w zakresie temperatur od -65 do +300 C, dobrze przylega do różnych metali, szkła i plastiku. Utwardzenie jest nieodwracalne; Dostępne systemy: Bluestar Rhodorsil CAF 30, Rhodorsil CAF 33, Rhodorsil CAF 36, Rhodorsil CAF 4 System Aloxy - klej 1-składnikowy wiążący w temperaturze pokojowej pod wpływem wilgoci z powietrza. Produkt nie korodujący, o słabym zapachu, świetnie przylegający do różnorodnych powierzchni, o dobrych właściwościach mechanicznych i długim terminie ważaności. Do stosowania w zakresie temperatur od -55 do +180 C. Dostępne systemy: Bluestar Rhodorsil CAF 50, Rhodorsil CAF 510, Rhodorsil CAF 505, Rhodorsil CAF 520 Kleje Oxime - 1-składnikowe kleje i uszczelniacze sieciujące bez ogrzewania pod wpływem wilgoci. Produkty nie korodujące, o słabym zapachu, świetnie przylegające do większości metali i plastików, o dobrych właściwościach mechanicznych. Do stosowania w zakresie temperatur od -60 do +300 C. Nowe systemy z niską zawartością MEKO (poniżej 1%) zgodnie z dyrektywami UE (67/548/EEC). Dostępne systemy: Bluestar CAF 240, Rhodorseal 5552 Kleje i uszczelniacze 2-składnikowe - Rhodorsil ESA to 2-składnikowy szybko wiążący system o szczególnej odporności na czynniki temperaturowe, klimatyczne i środowiskowe. System ten jest przeznaczony do łączenia powierzchni metalowych lub plastikowych z elastomerami silikonowymi, zwłaszcza w przemyśle elektronicznicznym. Inny 2-składnikowy szybko wiążący system to the Rhodorsil AXAD oraz AXAD Plus o bardzo dobrych właściwościach mechanicznych. Technologia przeznaczona do zwiększenia szybkości produkcji - utwardzanie poniżej 20 minut w temperaturze pokojowej. Cechy wyróżniające kleje silikonowe to: Bardzo dobra adhezja do różnorodnych produktów; Stabilność termiczna w szerokim zakresie temperatur; Odporność na czynniki atmosferyczne i promieniowanie UV; Bardzo dobre właściwości dielektryczne; Niska palność; Odporność na działanie substancji chemicznych. Rhodorsil - kleje silikonowe i uszczelniacze Rhodorseal - kleje silikonowe i uszczelniacze 4 Środki pomocnicze do obróbki wstępnej i końcowej powierzchni klejonych Dzięki wykorzystaniu innowacyjnych materiałów i wysokiej jakości klejów strukturalnych system szyb pojazdów stał się integralnym elementem konstrukcji pojazdu i spełnia światowe wymagania dotyczące bezpieczeństwa. Odpowiednie produkty do wstępnej i końcowej obróbki powierzchni - 12 -
klejonych, np. środek do poliuretanów poprawiający przyczepność między tworzywem sztucznym, a szkłem mogą mieć istotny wpływ na uzyskanie idealnej przyczepności. Betaclean - środek do czyszczenia tworzywa, lakieru i szkła Betaclean - środek do usuwania PU Betaprime - środek dla poliuretanów poprawiający przyczepność do tworzywa sztucznego/ szkła Betawipe - Aktywator PU 5 KLEJENIE METALI Łączenie metali za pomocą klejenia jest coraz częściej stosowane ze względu na dużą wytrzymałość połączenia, brak naprężeń w złączu oraz niskie koszty tej technologii łączenia. Zaletami połączeń klejonych są ponadto zdolność tłumienia drgań, możliwość wykonania połączenia bez stosowania obrabiarek, drogich narzędzi i materiałów oraz brak zjawisk elektrochemicznych, występujących zwykle podczas łączenia metali innymi metodami. Wadą połączeń klejonych jest ich stosunkowo mała odporność na wzrost temperatury otoczenia (maleje wówczas wytrzymałość połączenia). Niektóre kleje są mało odporne na działanie gleby, mimo że są jednocześnie odporne na działanie benzyny i olejów. Można jednak połączenie uodpornić na działanie wody przez pomalowanie złącza. Metodą klejenia łączyć można ze sobą nie tylko metale i stopy, ale także metale z nie metalami, metale z tworzywami sztucznymi, szkłem, porcelaną, tkaninami i innymi materiałami. Klejenie metali jest stosowane w produkcji nowych wyrobów oraz w naprawie maszyn i urządzeń. Połączenia klejone metali są obecnie stosowane w konstrukcjach lotniczych, pojazdach samochodowych, taborze kolejowym i wielu innych maszynach i urządzeniach. Naprawa części maszyn klejeniem ma wiele zalet: a) technologia klejenia jest bardzo prosta, bez konieczności stosowania specjalnych maszyn i narzędzi, b) istnieje możliwość dokonania naprawy bez demontażu lub przy częściowym demontażu maszyn czy urządzenia oraz bez konieczności używania dźwigów, c) można dokonać naprawy w miejscu wystąpienia awarii, d) obróbka wykańczająca po naprawie jest prosta, e) naprawy można dokonać w miejscach trudno dostępnych, f) połączenie odznacza się dobrą szczelnością Do klejenia metali używa się najczęściej klejów epoksydowych, fenolowych, karbinolowych, poliuretanowych, kauczukowych, poliestrowych, silikonowych, winylowych i poliamidowych. Kleje składają się przede wszystkim z żywicy podstawowej oraz utwardzacza i rozcieńczalnika. Niekiedy stosuje się jeszcze przyspieszacze, środki modyfikujące i napełniacze. Najczęściej klej przyrządza się bezpośrednio przed użyciem, dodając do żywicy utwardzacza i rozcieńczalnika lub innych środków. Kleje są na ogół dostarczane w zestawach i zawierają dokładny opis przygotowania kleju i technologii klejenia. Kleje epoksydowe produkuje się w Polsce pod nazwą Epidian. Kleje te są oznaczone różnymi numerami zależnie od zastosowania i własności. Epidian 5 utwardzany na zimno należy przed użyciem przygotować, dodając do żywicy epoksydowej utwardzacza w ilości dziesięciokrotnie mniejszej w stosunku do ilości żywicy. Utwardzacz należy bardzo dokładnie i równomiernie wymieszać z żywicą, aby otrzymać dobrą jednorodność klejonego złącza. Czas mieszania powinien wynosić około 3 minut. Do mieszania należy używać szklanej pałeczki. Powierzchnie przeznaczone do sklejenia należy dokładnie oczyścić i zmyć załączonym do kleju specjalnym zmywaczem, a następnie nałożyć cienką warstwę kleju na powierzchnię obu klejonych części - 13 -
i dokładnie docisnąć. Czas utwardzania kleju w temperaturze pokojowej wynosi 12 godzin. Klej ten (podobnie jak pozostałe) jest sprzedawany w zestawie składającym się z żywicy utwardzacza i zmywacza do oczyszczenia klejonej powierzchni. Epidian 100 utwardzany na gorąco jest gotowym klejem, czyli nie wymaga dodawania utwardzacza ani innych składników przed użyciem. Ma on postać żółtego lub pomarańczowego proszku. W temperaturze 40 do 50 stopni C ma konsystencje ciastowatą, a w temperaturze 100 do 120 stopni C staje się cieczą. Klej przed użyciem należy podgrzać i w postaci płynnej lub półpłynnej nałożyć na powierzchnie klejone po uprzednim ich oczyszczeniu. Utwardzenie kleju następuje wyłącznie na gorąco w temperaturze 130 do 190 stopni C. Czas utwardzania zależy od temperatury utwardzania. Minimalny czas utwardzania w temperaturze 150 stopni c wynosi 4 godziny, a w temperaturze 190 stopni C 50 minut. Nadaje się wyłącznie do klejenia i jest nanoszony na powierzchnie rozgrzane. Epidian 51, 52, 53 i 58 jest używany do klejenia oraz do klejenia połączonego z laminowaniem. Epidian 55 - jest stosowany do klejenia, klejenia z laminowaniem i kitowania. Epidian 101 - stosuje się głównie do klejenia i uszczelnienia odlewów. W przeciwieństwie do Epidianu 100 może być on nanoszony na zimne powierzchnie. Klej ten utwardza się tylko w temperaturze 130 do 190 stopni C, podobnie jak Epidian 100. składa się on z dwóch płynnych składników, które miesza się ze sobą bezpośrednio przed użyciem. Oprócz klejów stosuje się także pasty. Pasta Epidian 410 służy przede wszystkim do kitowania, szczególnie elementów ze stopów aluminium. Może być również zastosowana do klejenia. Epidiany 430 i 433 - są kitami i składają się z dwu składników. Oba składniki miesza się ze sobą bezpośrednio przed użyciem. Kity te znajdują również zastosowanie do kitowania przedmiotów ceramicznych, betonowych i kamiennych. Do klejenia metali znajduje zastosowanie również klej karbinolowy stabilizowany. Czas utwardzania kleju w temperaturze pokojowej wynosi od trzech do pięciu dni. Obecnie można stosować wiele innych, dostępnych klejów, których cechą eksploatacyjną jest bardzo krótki czas uzyskania prawidłowego połączenia (np. Cyjanopan, PASCFIX). Powierzchnie klejone powinny być bez ciał obcych i jednorodne. Powierzchnie pokryte smarem lub w jakikolwiek inny sposób zanieczyszczone nie nadają się do klejenia. Przygotowanie powierzchni stali do klejenia polega na mechanicznym oczyszczeniu powierzchni za pomocą szlifowania na szlifierce lub za pomocą piaskowania. Jako operację końcową stosuje się zwykle odtłuszczanie w ciekłym trójchloroetylenie lub w jego parach. Jeżeli powierzchnia jest ogrzewana w czasie nakładania kleju, to wystarczy samo odtłuszczanie. Jako środki obróbki chemicznej stosuje się również krótkotrwałe kąpiele w stężonym roztworze amoniaku, po którym następuje przemywanie wodą i suszeniu w piecu. Przygotowanie powierzchni stopów aluminium polega przeważnie na chemicznym oczyszczeniu. Powierzchnie miedzi i jej stopów mogą być przygotowane mechanicznie i chemicznie. Przygotowanie powierzchni zapewniające największą wytrzymałość na ścinanie połączeń klejonych składa się z następujących operacji: a) odtłuszczanie w parach trójchloroetylenu w ciągu około 5 minut, b) odtłuszczanie w specjalnym ciekłym rozpuszczalniku w ciągu około 20 minut, c) płukanie w zimnej wodzie około 5 minut, - 14 -
d) trawienie w temperaturze 60 stopni C w roztworze o składzie: 27,3 części (masy) kwasu siarkowego, 7,5 części dwuchromianu sodowego, 65,2 części wody, e) płukanie w wodzie o temperaturze nie wyższej niż 65 stopni C w ciągu około 5 minut, f) suszenie gorącym powietrzem w ciągu około pół godziny. Proces klejenia metali składa się z dwu operacji: a) naniesienia kleju na powierzchnię elementów łączonych, b) dociśnięcia klejonych powierzchni do siebie i utrzymania docisku, aż do doprowadzenia lepkiej masy kleju do postaci nieodwracalnie utwardzonej. Klej na powierzchnie łączone nanosi się za pomocą pałeczki szklanej, pędzla lub pistoletu natryskowego. Powierzchnię najczęściej pokrywa się dwiema warstwami. Ilość nałożonego kleju decyduje o wytrzymałości połączenia klejonego. Zbyt mała ilość kleju powoduje obniżenie wytrzymałości połączenia klejonego. Przed sklejeniem części należy pamiętać o wstępnym podsuszeniu warstwy naniesionego kleju do stanu największej przylepności. Po ustawieniu i dociśnięciu sklejanych elementów należy uniemożliwić ich wzajemne przesuwanie się. Proces sklejania (utwardzania klejów) jest zależny od temperatury, ciśnienia i czasu, dlatego sklejania dokonuje się na prasach. Utwardzanie warstwy klejowej w złączu zależy w znacznej mierze od kształtu klejonych części. Najprościej proces tan przebiega, gdy mamy do czynienia z klejem utwardzalnym w temperaturze pokojowej i bez udziału ciśnienia. W tym przypadku do prawidłowego sklejenia części płaskich wystarczy zastosowanie zwykłych zacisków lub belek dociskowych. Elementy łączone uważa się za sklejone wówczas, gdy klej dobrze stwardnieje. Należy przestrzegać ściśle czasu wymaganego do utwardzenia, który jest dla każdego kleju ściśle określony i podany w opisie używania kleju. Dopiero po upływie tego czasu można użytkować element klejony. Oczyszczanie sklein może się odbywać po stwardnieniu wycieków za pomocą skrobaków ręcznych lub przyrządów zmechanizowanych. Lepiej jednak jest usunąć nadmiar kleju przed jego utwardzeniem poprzez przetarcie wycieków tkaniną umoczoną w odpowiednim rozpuszczalniku. Próbki bardziej odpowiedzialnych połączeń klejonych poddaje się badaniom wytrzymałościowym. Jakość klejenia zależy od kontroli dokonywanej w każdym etapie cyklu produkcyjnego. Kontrola wstępna ma miejsce w czasie przyjmowania i przechowywania kleju w magazynie. Kontrola podczas klejenia polega na sprawdzeniu jakości przygotowanej powierzchni i ścisłym przestrzeganiu warunków klejenia oraz na przygotowaniu próbek kontrolnych z zachowaniem tych samych parametrów klejenia i warunków pracy. Kontrola końcowa polega na kontroli gotowego zespołu. W przypadku wykonania lub naprawy zbiorników metodą klejenia kontrola polega również na sprawdzaniu ich szczelności. Wszystkie operacje w procesie technologicznym klejenia należy wykonywać w rękawicach gumowych, w fartuchu szczelnie przylegającym do szyi i przegubu rąk. Wskazane jest pokrywanie skóry rąk, szyi i twarzy kremem ochronnym. Gdy podczas klejenia ma się do czynienia bezpośrednio z odczynnikami chemicznymi, to należy używać okularów ochronnych. Szczególną uwagę należy zachować przy posługiwaniu się trójchloroetylenem (szkodliwym dla zdrowia), w tych przypadkach należy pracować przy włączonych wentylatorach i wyciągach. W pomieszczeniach, w których dokonuje się klejenia, istnieje duże zagrożenie pożarowe i dlatego nie wolno w tych pomieszczeniach palić papierosów ani używać otwartego ognia. Pomieszczenia te powinny być starannie wietrzone. - 15 -
6 Tablica pomiarów i wyników Lp. Specyfikacja połączenia klejowego 1. 2. 3. a b A=a*b R m_mat. R m_poł.1 R m_poł.2 uwagi mm mm mm 2 MPa MPa MPa 7 Opracowanie sprawozdania Sprawozdanie z przeprowadzonego ćwiczenia laboratoryjnego powinno zawierać: Krótki opis procesu klejenia. Cechy geometryczne próbki do badań (połączenia klejonego) i wytyczne do przeprowadzenia próby wytrzymałości połączenia adhezyjnego. Tablica pomiarów i wyników. Wnioski. - 16 -