Склеивание металлов и пластмасс - Ковачич Л.
Скачать (прямая ссылка):
Если допустить, что межмолекулярные силы влияют на адгезию, то придется признать, что на прочность шва они могут действовать только косвенно.
Поверхностное натяжение влияет на образование соединения, но его роль в теории адгезии спорна, как это вытекает из следующих рассуждений. Работа, которую необходимо совершить для разрушения соединения, определяется поверхностной
15
энергией системы. Этот тезис, в сущности, иллюстрируют соотношения (1.10) и (1.11). Их можно преобразовать:
AW = Y2 + Уз — У2э ( (М2)
где ДW—изменение свободной поверхностной энергии на единицу площади, которое произойдет при разрушении соединения точно по границе субстрат— клей, благодаря чему получатся две новые поверхности, граничащие с воздухом; у2 — свободная поверхностная энергия клея (на единицу поверхности); у3 — свободная поверхностная энергия субстрата (на единицу поверхности) ; Y23 — свободная поверхностная энергия границы клей — субстрат.
Если эти величины невозможно точно измерить, то в качестве вспомогательного средства воспользуемся уравнением Юнга:
Тз = Таз + Та cos бг (1-13)
где 0Г •— равновесный краевой угол смачивания.
Подставив уравнение Юнга, получим:
у3(! +COS0J,) (1.14)
Как известно из основ теории смачивания, cos 02 для всех жидкостей (следовательно, и жидких клеев) должен быть близок к 1, так что 1 + cos02=2, и, следовательно
№ = (1.15)
Судя по работе [4] и др., у2 для полимерного клеящего вещества равно 3 • 10-3 мДж/см2. Это означает, что работа, необходимая для разрушения соединения, должна составлять около 6'10-3 мДж/см2; этого может быть недостаточно при сдвиге.
1.2. МЕХАНИЗМ АДГЕЗИИ
Существующие теории адгезии не дают удовлетворительного ответа на вопрос о формировании и свойствах клеевых соединений. Исключение составляет реологическая теория, которую мы попытаемся использовать при описании механизма адгезии.
По Бикерману, соединения бывают слабыми в том случае, когда возникают слабые адгезионные связи (или недостаточно число связей), и прочными, образованными прочными связями. Он считает, что на поверхности материалов быстро образуется слой адсорбированных газа и влаги, который обладает хорошей адгезией к субстрату, но механически значительно слабее его. Этот слой вместе с низкомолекулярными продуктами из клея образует слабую зону, которая обусловливает малую прочность шва. Иногда эти слои называются переходными. Клей необходим для вытеснения этого слабого слоя и одновременно для выравнивания поверхностных неровностей субстрата.
При оценке качества поверхности субстрата можно отметить периодические изменения вдоль поверхности и перпендикулярно к ней. Вдоль поверхности это могут быть геометрические изменения, анизотропия физических и физико-механических свойств (области с разными плотностью, кристаллической структурой.
16
жесткостью и т. п.), изменения, обусловленные примесями и различными внешними влияниями. Перпендикулярно к поверхности появляются поверхностные адсорбированные и поверхностно-окисленные или химически модифицированные слои, а также наблюдаются изменения состава, плотности, жесткости материала, электропроводности, пористости и т. д.
Экспериментально доказано, что поверхности, обработанные до абсолютной гладкости, приложенные друг к другу и прижатые нагрузкой Р, можно оторвать силой F, которая больше Р, т. е. FjP> 1. Если эту операцию провести в высоком вакууме, который вызовет десорбцию слабых слоев, то FjP^ 105. Это относится к соединению двух твердых материалов без клеящего вещества. Соединения с клеем следует рассматривать как систему, состоящую из пяти слоев: субстрат 1, переходный (пограничный) слой 1, клей, переходный слой 2 и субстрат 2. Правильно сформированным, прочным соединением считается соединение, переходные слои которого так прочны, что разрушение проходит вне их. Слабое, непрочное соединение — это такое, разрушение которого происходит в пограничном слое, который назовем слабым пограничным слоем.
Для получения прочного соединения необходимо заменить слабые пограничные слои прочными. Прочный пограничный слой можно получить, полностью устранив слабый слой, что достигается различными способами. При некоторых способах слабый слой не устраняется полностью, а только вдавливается в поверхность субстрата.
К возникновению слабых пограничных слоев приводит наличие адсорбированных газов и жидкостей, частиц твердых веществ на поверхности и т. д. Слабый слой может возникнуть и в случае неправильного выбора клея или его рецептуры (полимерной основы, растворителя, их соотношения, добавок и т. д.), нарушения режима отверждения или технологии нанесения клея.
Слабые слои очень часто возникают, когда клей плохо смачивает субстрат и при нанесении образуются воздушные пузырьки, которые сохраняются и после отверждения клея. Такие пузырьки на границе раздела фаз, как правило, очень трудно обнаружить. Легко их определить только в случае прозрачных клеев или прозрачных субстратов, например при боковом (косом) освещении. Поскольку вода хуже смачивает субстрат, чем органические растворители, слабый слой чаще образуется при Использовании клеев, содержащих воду. Кроме того, существуют материалы, которые практически не смачиваются, например политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиэтилен, полипропилен и др. Сравнение прочности при отдире соединений ПТФЭ — сталь и ПЭ — сталь, полученных наплавлением, показало, что прочность системы ПЭ — сталь значительно меньше. При этом разрушающая нагрузка клеевого соединения ПТФЭ —сталь близка к прочности ПТФЭ. На основе этого Бикерман считает, что в си-
