Склеивание деталей: применение и механизмы отверждения

Введение в склеивание

В наше время, когда космические корабли исследуют просторы вселенной, ученые разработали множество способов крепления различных деталей. Существует газосварка, электросварка, заклепки, болты, винты и многое другое. А также придумали способ склеивания деталей. Что же такое склеивание и зачем оно нужно?

Склеивание – это метод создания неразъемного соединения деталей, подобный сварке и пайке.

Все знакомы с понятием клея, но знают ли они о таких важных характеристиках, как адгезия и когезия?

Адгезия и когезия

Адгезия – это прочность соединения клея с поверхностью.

Говоря простыми словами, это «прилипание» клея к поверхности, и чем выше адгезия, тем прочнее соединение. Чтобы это проиллюстрировать, налейте немного воды на стекло и переверните его. Осторожно, чтобы не облить себя! Из-за низкой адгезии воды к стеклу, она стечет на пол. Это наглядный пример!

Когезия – это прочность самого клея.

Это сцепление молекул внутри самого клея, который связывает материалы. В качестве примера можно взять обычный пластилин, из которого в детстве лепили всевозможные фигурки. Возьмите два кусочка стекла, прилипите к ним пластилин и потяните в разные стороны. Пластилин разорвется посередине. Это наглядно демонстрирует недостаточную когезию.

Существует правило: «Цепь так же сильна, как её самое слабое звено».

Следовательно, силы адгезии и когезии в соединении клея должны быть относительно равны.

Все клеи со временем переходят из жидкого состояния в твердое – полимеризуются.

Механизмы отверждения клеев

У каждой группы клеев свой механизм отверждения:

• Анаэробная реакция
• Анионная реакция
• Ультрафиолетовые лучи
• Активация
• Отверждение в присутствии влаги
• Тепловое отверждение

Анаэробное отверждение

Анаэробный клей отверждается в отсутствии воздуха (кислорода) и еще быстрее – при контакте с металлом.

Как только прекращается доступ воздуха при плотном контакте двух поверхностей, начинается реакция полимеризации, в результате которой клей, например, Permabond A130 или отечественный анаэробный клей EFELE 113, переходит в твердое состояние.

Если есть доступ воздуха и нет контакта с металлом, но вам нужно использовать анаэробный клей, рекомендуется применить специальный активатор.

Анионная реакция

Помните, клей, который легко и быстро склеивал пальцы? Так вот, именно этот клей полимеризуется по анионному механизму.

Цианоакрилатный клей, или моментальный клей, начинает полимеризоваться при контакте двух поверхностей во влажной среде.

На этой схеме показано начало и середина процесса полимеризации. Синие шарики обозначают микрокапли воды на поверхности, а красные шарики – стабилизатор клея.

А вот так выглядит окончательный этап полимеризации, когда клей образует прочную цепь. На схеме он представлен белыми шариками.

Обычно влажность окружающей среды и на поверхности клеящих материалов достаточно для начала процесса отверждения, который достигает прочности в течение нескольких секунд. Влага на поверхности нейтрализует стабилизатор в клее и запускает полимеризацию от одной поверхности к другой.

Наилучшие результаты достигаются при минимальном (нулевом) зазоре и относительной влажности от 40% до 60%.

Не стоит пугаться показателей влажности воздуха: если она будет ниже, процесс отверждения немного замедлится, а если выше – ускорится. Но не нужно лить воду на поверхность! Клей, конечно, быстро полимеризуется, но это может снизить его прочность.

Ультрафиолетовые лучи, клеи, отверждаемые УФ-облучением

Клеи, отверждающиеся по этой технологии, считаются одними из самых «умных»! Для нормального полимеризации требуется очень важное условие: одна из поверхностей должна быть прозрачной!

Нанесение клея не требует специальных условий, он может долго сохранять свои первоначальные свойства, что позволяет подгонять поверхности и делать практически все, что угодно.

Главное – не подвергать клей УФ-лучам в процессе подгонки!

В XXI веке, в эпоху высоких технологий, мебель из стекла и металла собирается именно с помощью УФ-клеев.

Как это выглядит в жизни

Клей наносится на одну поверхность, обе поверхности соединяются, центрируются (если нужно) и «засвечиваются» УФ-лучами. Время полимеризации зависит от мощности лампы и длины волны.

Под воздействием УФ-лучей, в клее расщепляются фотоинициаторы (стабилизаторы клея). Свободные молекулы, переходя в другое состояние, запускают полимеризацию.

УФ-клеи могут отличаться по вязкости, прозрачности, прочности и времени полимеризации. Кроме того, они делятся на группы для стекла и пластика.

Почему такое разделение

УФ-прозрачность различных материалов разная!

Стекло, в отличие от пластика, не ослабляет интенсивность УФ-лучей (показатель длины волны УФ-излучателя, используемого для отверждения). Для стекла диапазон составляет от 365 нм до 400 нм, тогда как для пластиков оптимальный показатель – 420 нм.

Активация

Как вы уже поняли, эти клеи могут отверждаться с помощью активаторов. Существует много клеев, отверждаемых с помощью активаторов, и их можно разделить на несколько типов.

Предварительное смешивание

К этой группе относятся эпоксидные составы. Сначала смешанные компоненты наносятся на одну поверхность, и только потом соединяются с другой.

«Отдельно клей, отдельно активатор»

Здесь все довольно просто. На одну поверхность наносят клей, на другую – активатор. При соединении двух поверхностей происходит смешивание компонентов, что запускает полимеризацию. В некоторых случаях активирование клея возможно даже после соединения поверхностей.

«Капля на каплю»

В этом случае возможны разные способы нанесения клея и активатора — капля рядом с каплей или полосы рядом с полосами. При соединении деталей компоненты смешиваются под действием сдвига или сжатия, и это смешивание происходит непосредственно на клеящих поверхностях.

Влажностное отверждение

Некоторые клеи отверждаются в условиях окружающей среды (при необходимой влажности). К ним относятся силиконы и полиуретаны.

Эти материалы полимеризуются под воздействием атмосферной влаги, использующейся для формирования межмолекулярных связей. Это означает, что молекулы воды должны проникать в клей в местах, где будет происходить вулканизация. Когда молекулы воды соединяются с молекулами клея, образуется побочный продукт. Скорость полимеризации таких клеев зависит от относительной влажности и составляет в среднем 1-2 мм в сутки.

Не стоит думать, что погрузив клей в воду, вы ускорите полимеризацию.

Тепловое отверждение

Как вы уже догадались, эти клеи отверждаются нагревом. В основном это однокомпонентные эпоксидные клеи. Температура полимеризации зависит от конкретного клея. Обычно минимальная температура полимеризации составляет +100 °C, и чем выше температура, тем быстрее проходит полимеризация.

Заключение

В заключение, как в детском стихотворении: «Мамы разные нужны, мамы разные важны!» – это также применимо и к клеям.

Каждый клей идеально подходит для своих условий работы. Не существует «лучших» или «худших» клеев, есть лишь различные условия использования и нанесения.