Процесс склеивания. Теории адгезии

При склеивании происходит соединение м/у собой элементов. Связь, возникающая между двумя разнородными поверхностями твер­дых или жидких тел, называется адгезией. Адгезию можно оценить величиной усилия, необходимого для отрыва одной поверхности от другой в направлении, перпендикулярном плоскости склеива­ния или усилия, необходимого для сдвига склеенных поверхностей. Условие качественного склеивание это когезионная прочность клея (σ_к) не ниже когезионной прочности мат-ла. Иначе разрушение происходит по клеевому соединению.

Теории адгезии: 1. Механическая. Она объясняет прочность склеивания способностью клеящего вещества, находящегося в вы­сокоэластичном состоянии, заполнять все поры, трещины и другие неровности, образуя между ними при за­твердевании прочный клеевой слой. Сл-но, прочность склеивания пористых материа­лов, зависит от прочности клеевой пленки и степени пористости материала. Чем больше пористость материала и ниже вязкость клея, тем прочность склеивания должна быть выше. На практике проникновение клея вглубь склеиваемого материала полезно только до определенного предела, а высокая прочность клеевого соединения дости­гается и при склеивании гладких материалов.Клей образует пустотелые цилиндрики, стенки которых плотно пристают к поверхности клеток. Между клеем и материалом возникают силы адгезии.

2.Молекулярно-адсорбционная теория. Связь образуется в результате действия сил притяжения между атомами и молекулами. Молекулы жидкого полимера мигрируют к поверхности тв. тела и поглощаются ею. При определенном расстоянии, меньше 0,5 нм, действуют межмолекулярные связи (ионные, ковалентные, индукци­онные, силы Ван дер Ваальса и др.) или устанавливается во­дородная связь. Молекулы соединений делятся на полярные и неполярные При контакте полярных и неполярных веществ неполярные молекулы поляризуются и возни­кают индуцированные диполи. Ионая связь возникает. Когда один из взаимодейст­вующих атомов передает другому электрон, атомы оказываются противопо­ложно заряженными ионами. Ковалентная связь образуется между двумя нейтральными атомами путем передачи каждым го них одного или нескольких электронов с образо­ванием общих электронных пар. Водородная связь возникает при взаимодействии между моле­кулами, содержащими водород, в группах О-Н; N-H; Сl-Н; F-H. Образование этой связи происходит в результате притяжения водородного иона к электронной оболочке другого атома или иона.

3.Электрическая теория адгезии, основывается на двух положениях: 1)адгезия твердых пленок обуславливается электростатическим при­тяжением зарядов двойного электрического слоя, обра­зованного на поверхности раздела пленка-подложка; 2)отрыв пленки от подкладки в области больших скоростей представляет процесс разведения обкладок микроконденсагора до наступления газо­вого разряда.

При образовании пленки полимера на твердой поверхности в зоне контакта образуется двойной электрический свой, из зарядов противоположного знака. Возникновение этого слоя создает разность потенциалов. Эта теория справедлива только при склеивании мат-ла обладающего высок. Электролизацией (Ме). и не может объяснить образование связи между полимерами, близкими по своей природе; не объясняет, почему неполярные полимеры, в которых не образуется двойной электрический слой, могут давать достаточно прочную связь.

4.Диффузионная теория адгезии. При склеивании происходит диффузия молекул из адгезива в субстрат с образованием между ними прочных связей. Эта теория базируется - цепочечном строении, гибкости молекул и их способности совершать микроброунское движение. Применима, когда адгезив наносится в виде раствора и субстрат спосо­бен растворяться или набухать в этом растворе На адгезию высокополимеров влияют длительность контакта, температура, молекулярный вес адгезива, полярность полимеров. Диффузионная теория не объясняет процесса склеивания металлов, стекла, керамики,, бумаги, кожи и др.

5.Химическая теория адгезии объясняет прочность связи за счет химиче­ского взаимодействия молекул адгезива и субстрата. Химические связи меж­ду древесиной и связующими воз­никают благодаря существованию в древесине ряда функциональных Отмечается большое влияние молекулярной массы полимера на его клеящие свойства. Например, новолачные фенольные смолы, имеющие низкую молекулярную массу, обладают хорошей адгезией вследствие их способности хорошо смачивать твердые поверхности, но имеют низкую когезионную прочность. Основное требование химической теории, чтобы полярные материалы склеивались полярными клеями, а неполярные - неполярными. Также на прочность влияют внутренние напряжения, усадке клея.

6.Электрорелаксационная теория основывается на том, что суммарный эффект склеивания обу­словлен не только адгезией тел, но и их когезией, поэтому тео­рия носит название теории склеивания. прочность склеивания определяется 4 факторами:

1) характер сил взаимодействия между контактирующи­ми точками (наиболее вы­сокое значение работы, затрачиваемой на отрыв, при на­личии между молекулами электровалентных, ковалентных и водородных связей); 2) количество точек контакта на границе раздела фаз, приходящих­ся на единицу истинной площади контакта (зависят от химической природы, длины и разветвленности цепей полимера адгезива и субстрата и степени их взаимопроникновения). 3) расстояние между контактирую­щими точками; 4) диэлектрическую проницаемость среды.

Важным фактором, влияющим на адгезию является релаксация напряжения, возникающая при контакте, а также при деформации системы.

Единой теории, способной объяснить все случаи адгезии, не существует. Создание такой теории остается весьма сложной задачей.

3. КФ смолы. Получение смол КФС, нашли наиболее широкое. Их распространение обуславли­вают такие свойства, как высокая клеящая способность, минимальная про­должительность желатинизации при высокой температуре, нормальная вяз­кость при высоком содержании сухого остатка, бесцветность, достаточная стабильность при хранении, обеспечивающая возможность транспортирова­ния на большие расстояния, значительно меньшая токсичность, чем, чем у ФФС низкая стоимость и богатая сырьевая ба­за.

Эти смолы могут выпускаться в виде водных растворов, порошков и пленок. Большинство смол могут использоваться как при горячем, так и при холодном склеивании. Особенно эффективно их использование при ускорен­ном склеивании с нагревом в поле токов высокой частоты.

В д/о промышленности КФС применяются для производства ДСтП, фане­ры, мебели, музыкальных инструментов, спортинвентаря и т.д.

Но КФС не устойчивы к одновременному действию тепла и влаги. Не используются для изделий эксплуатируемых в атмосферных условиях. Являются токсичными из-за выделения формальдегида, клеевой шов имеет большую усадку, что ослабляет механическую проч­ность.

Сырьем для получения смол является карбамид (мочевина) и формаль­дегид. Катализаторами реакции служат едкий натр, уротропин, аммиачная вода, хлористый аммоний, и др. Для стаби­лизации карбамидоформальдегидных смол используют этиловый спирт, диэтиленгликоль.

Процесс получения КФС состоит из следующих операций: подготовки исходного сырья; получения метилольных производных карбамида в слабощелочной или нейтральной среде; конденсации смолообразных продуктов в кислой среде; повышения содержания сухого остатка в смоле под вакуумом; связывания оставшегося свободного формальдегида дополнительной порцией карбамида; охлаждения и стабилизации готовой смолы.

Молярное соотношение влияет на адгезионные свойства смолы, вязкость, продолжительность желатинизации, токсичность. При кон­денсации карбамида с недостатком формальдегида (К:Ф 1:1) образуются ве­щества, которые обладают низкими клеящими свойствами. С увеличением избытка Ф до 2 молей на 1 моль К сокращается продолжительность желатинизации, но повышается токсичность. На практике (1:1,5 до 1:2)

Активная кислотность среды влияет на скорость и полноту реакции поликонденсации. По мере увеличения кислотности среды скорость и глуби­на реакции поликонденсации возрастает. Смолы, получаемые в кислой среде, плохо растворяются в воде. При взаимодействии в щелочной среде реакция происходит значительно медленнее. Образую­щиеся вещества хорошо растворяются в воде. Вместе с тем, такие смолы после изготовления быстро теряют текучесть и превращаются в пастообразную массу. процесс ведут в среде с переменной кислотностью, сначала в щелочной или нейтральной, а затем кислой или наоборот получают смолы с лучшими свойствами. Температура д ля получения клеящих смол 80...100 °С, т.к реакция экзотермическая, то смесь нагревают до 50…60°С. Вакуум-сушка используется для увеличения содержания сухого остатка в смоле до 50...70 %, t = 65…70 °С, разря­жение в системе 90...77 кПа. Докондесация с дополнительной порцией карбамида- для снижения содержания свободного формальдегида в смоле. Карбамид вводят после окончания вакуум-сушки. температура 60...65 °С, рН среды 6,5...7,5. Затем смолу охлаждают до 20...25 °С. и вводят стабилизирующие добавки

Применяют несколько способов получения карба-мидоформальдегидных смол.

При периодическом способе все стадии изготовления смолы, проводят в одном реакционном аппарате. Полунепрерывный способ - отдельные стадии про­цесса получения смолы проводятся в дополнительно установленных реакто­рах. Производство смол по непрерывной схеме может осуществляться двумя способами - газофазным и жидкофазным.

4. КФ смолы св-ва. Свойства КФС. Смола КФ-О применяется для производства фанеры, для склеивания бумаги, в строительной промышленности и для других целей, кроме ДСтП. Невысокое содержанием формальдегида. Смола КФ-Б имеет более высокую реакционную способностью, что позволяет интенсифицировать режимы при горячем склеивании. Однако клей на её основе имеет ограниченный срок хранения. Для производства фанеры и мебели. Смола КФ-Ж для фанеры и мебели склеивании горячем и холодным способом. Отличается повышенной стабильностью при хранении за счет введения в качестве стабилизатора в процессе изготовления аммиачной воды в количестве 0,5... 1 %. Смола КФ-БЖ используется при облицовывании натуральным и синтетическим шпо­ном деталей мебели по интенсифицированным режимам. Смола М-70 для ребросклеивания шпона, склеивания гнутоклееных мебельных заготовок в поле ТВЧ, а также ускоренного склеивания холодным спо­собом.

Порошкообразная КФС получается путем высушивания жидкой смо­лы в распыленном состоянии в потоке горячего воздуха или топочных газов. Смолы, высушенные до твердого состояния значительно дольше сохраняют свою жизнеспо­собность. Они удобны при транспортировании, приготовление клеев на их основе не вызывают затруднений. Жидкую смолу приготавливают из порошка в мешалках, куда сначала заливают воду, а затем при непрерывном перемешивании постепенно засы­пают порошок смолы. Перемешивание продолжается до получения однооб­разной жидкой массы без комков и сгустков.

КФ клеи. Наиболее распространены двухкомпонентные клеи, содержащие смолу и отвердитель. При введении отвердителя снижается кислотность среды и тем самым ускоряется процесс поликонденсации смолы. У клев холодного отверждения в качестве отвердителя применяют растворы органических кислот.

Для клеев горячего отверждения - хлористый аммоний.