Конструкционные клеи. 
Материаловедение и технология материалов

Современные клеи позволяют склеивать все материалы: металлы, пластические массы, керамику, стекло, резину, древесину, а также эти и другие материалы друг с другом. Клеевые соединения, но сравнению с другими способами механического крепления обнаруживают ряд существенных преимуществ. Клеевые соединения хорошо выдерживают усталостные нагрузки. Клеи позволяют изготавливать трехслойные (сотовые) конструкции, отличающиеся малой массой, высокой прочностью. Применение клеев позволяет уменьшить массу конструкции и значительно упростить технологию ее изготовления. Вместе с тем клеевые соединения обладают невысокой прочностью при неравномерном отрыве. В ряде случаев возникает необходимость нагрева конструкции при склеивании. Все это следует считать недостатком клеевых соединений.

А. Клеи на основе термореактивных смол

В настоящее время существует большое число клеевых композиций на основе чистых смол. Клеи на основе чистых смол отличаются хрупкостью, потому их часто совмещают с каучуками и термопластами.

Клеи на основе фенолформальдегидной смолы применяют для склеивания древесины, фанеры, текстолитов, пенопластов и других материалов. Основой клеев служит резольиая смола, а растворителем — ацетон или спирт, огвердитель сульфонафтеновая кислота переводит резол в резит. В эту группу могут быть включены клеи марок КБ-3, ВИАМ-БЗ, ВИАМ-Ф9. Клеи обнаруживают хорошую адгезию к различным материалам из-за полярности основы.

Клеевое соединение получается при следующих условиях: температура 20 °C и давление до 0,5 МПа. Для ускорения процесса склеивания возможен подогрев до 50—60°С. В результате получают водостойкие клеевые соединения. Разрушающее напряжение клеевого соединения древесины при сдвиге (t = 20°С) достигает 13—14 МПа. Клеи токсичны из-за наличия в них свободного фенола и формальдегида. Недостатком этих клеев можно считать и то, что они гидролизуют древесину.

Для склеивания конструкций из металлов и стеклопластиков применяют клеи на основе модифицированных фенолформальдегидных смол. К ним относятся клеи фенольно-каучуковые и фенольно-поливинилацеталевые. Фенольно-каучуковые композиции — это растворы фенолформальдегидной смолы и каучука в органических растворителях.

Введение

в состав клеев каучуков резко улучшает их эластические свойства, но снижает термостойкость. В эту группу можно включить клеи ВК-3, ВК-4, ВК-32−200, В К-13. Клеи В К наносят на соединяемые поверхности в два слоя. Клеи отверждают в течение 1—2 ч под давлением 0,5—2 МПа при 165—200°С.

Клеи стойки к действию воды и надежно работают в разных климатических условиях. Соединения на основе клеев ВК способны длительное время работать при 200 °C, при этом разрушающее напряжение при сдвиге составляет 4—7 МПа, а при 20 °C — 17—22 МПа. Клеи применяют при производстве сотовых конструкций из металлов и стеклопластиков.

Фенольно-поливинилацеталевые композиции — это клеи марок БФ (БФ-2, БФ-4, БФ-6, БФР-2 идр.). Они представляют собой растворы фенолформальдегидных смол, совмещенных с ацеталями поливинилового спирта (бутвар) в этиловом спирте. Наличие гидроксильных групп делает клеи БФ полярными и потому отличающимися высокой адгезионной способностью к металлам, пластмассам, древесине, керамике, коже, бумаге. Склеивание производят при температурах отверждения 140—175°С и давлении 0,8—1,2 МПа в течение 1—2 ч. С повышением температуры склеивания прочность соединения возрастает и резко снижается при температурах выше 175 °C. Соединения на основе клеев БФ водои влагостойки, работоспособны до 60 °C. Прочность при сдвиге составляет 5—30 МПа. Так, разрушающее напряжение при сдвиге клеевого соединения образцов из алюминиевого сплава при 20 °C составляет 10—15 МПа.

Клеи на основе эпоксидных смол отличаются хорошей адгезией к металлам и неметаллам из-за их полярности, малой усадкой и отсутствием летучих продуктов в процессе отверждения, нейтральностью по отношениям к соединяемым материалам, стойкостью к воздействию влаги и многих химических веществ. Клеи отверждают холодным и горячим способами.

Клеи холодного отверждения (Л-4, ВК-9, УП-5−171, КЛН-1 и др.) являются композициями на основе смол Э-40, ЭД-20, ЭД-5, отличающихся содержанием эпоксидных групп.

В качестве отвердителей они содержат амины, ангидриды малеиновой, фталевой и других кислот.

Введение

в состав клеев пластификаторов (дибутилфталата, трикризилфталата), модификаторов (жидкого каучука, низкомолекулярных полиамидов и других полимеров и олигомеров) повышает эластичность клеевого соединения в отвержденном состоянии.

Клеевое соединение получают при давлении 0,01—0,5 МПа и продолжительности 8—24 ч. Клей Л4 обеспечивает прочность соединения 6—14 МПа при сдвиге и 13—25 МПа при равномерном отрыве, а клей УП-5−171 — до 10 и 25 МПа соответственно.

Эти клеи предназначены для склеивания сталей, алюминиевых и титановых сплавов между собой и с неметаллическими материалами, для изготовления клеевых конструкций, работающих при 60—80°С.

Эпоксидные клеи горячего отверждения содержат смолы Э-40, ЭД-20, ЭД-16 и др. Клеи, содержащие полиэтиленполиамин, гексаметилендиамин, отверждаются при умеренных температурах, малеиновый метилтетрагидрофталиевый ангидрид — при повышенных. Катализаторами отверждения могут быль фосфорная кислота, трехфосфорный бор, алюминиевые, цинковые, свинцовые соли органических кислот. Клеи горячего отверждения К-153, ФЛ-4С жидкости, ВК-32ЭМ — паста, а Д-22, Д-23 выпускают в виде порошков и прутков (отвердитель дициандиамид).

Порошок клея Д-22, Д-23 насыпают на предварительно нагретые до 100— 120 °C соединяемые поверхности, а прутком их натирают. При этом клей расплавляется и растекается. Склеивание производят при температуре 180—200°С и давлении 0,02—0,3 МПа в течение 1—2 ч. Продолжительность выдержки зависит от температуры отверждения. Клеи Д-22, Д-23 позволяют получить соединения, имеющие прочность при равномерном отрыве 44—48 МПа и с разрушающим напряжением при сдвиге до 20 МПа.

Клей ВК-32ЭМ в качестве отвердителя содержит малеиновый ангидрид. Режим его отверждения: температура 150 °C, давление 0,05—0,1 МПа и продолжительность выдержки 3 ч. Полученное соединение обеспечивает прочность при равномерном отрыве до 45 MI 1а, а разрушающее напряжение при сдвиге достигает 16—27 МПа.

Клеи горячего отверждения используют для склеивания сталей, алюминиевых и титановых сплавов, стеклотекстолита, пенопласта, фторопласта-3, полиэтилена. Они применяются, например, для контровки болтовых и резьбовых соединений и при изготовлении болтовых соединений строительных конструкций.

Клеевое соединение способно работать в диапазоне температур от 60 до 150 °C.

Клеи на основе кремнийорганических соединений относятся к теплостойким. Они способны обеспечить соединения металлов и теплостойких неметаллических материалов в конструкциях, работающих кратковременно при 1000 °C и выше и длительное время при 300—600°С. Кремнийорганические полимеры содержат в цепи чередующиеся атомы кремния и кислорода, с высокой силой межатомной связи.

Кремнийорганические клеи не обладают высокими адгезионными свойствами. Их адгезионная способность, эластичность повышаются после модифицирования олигомерами, полиэфирами, каучуками, поливинилацеталями. Однако это снижает термостойкость и термостабильность клеевого соединения. Многие клеи содержат наполнители — асбест, нитрид бора, алюминиевый порошок и др.

Теплостойкие клеи ВК-2, ВК-8, ВК-15 и др. отверждаются при температуре 100—270°С, давлении от 0,1 до 1,5 МПа и продолжительности выдержки 2—4 ч. Так, клей ВК-15 применяют для склеивания сталей, сплавов, стекла, текстолита, графита, работающих при температуре 400 °C в течение 5 ч и 1000 °C — до 5 мин. При этом разрушающее напряжение на сдвиг при температуре 20 °C составляет 11 МПа, а прочность при неравномерном отрыве достигает ИОкДж.

Полиуретановые клеи (ПУ-2, ВК-5, ВК-20, ВК-20М) являются двухкомпонентными композициями, одна из которых — полиизоциаиат, а другая — многоатомный спирт или гидроксилсодержащий полиэфир. При смешивании компонентов происходят образование полимера и затвердевание клея. Клеи отличаются высокой адгезией к большинству конструкционных материалов вследствие полярности группы NCO и ее способности вступать во взаимодействие с гидроксильными группами на поверхности склеиваемых материалов. Клеевую композицию рекомендуется применять сразу после перемешивания компонентов, так как по мере хранения вязкость композиции увеличивается, что снижает прочность клеевого соединения.

Клей ПУ-2 — раствор полиэфирного олигомера — продукта 24К и толуиле! щи изоцианата — продукта 102-Т в ацетоне. В качестве наполнителя клеи содержат цемент. Клей применяют для склеивания металлов, сталей, алюминиевых, титановых и магниевых сплавов, неметаллических материалов — фторопластов, полиэтилена и пенопластов. Так, при склеивании пластин из алюминиевого сплава при комнатной температуре в течение трех суток при давлении 0,3 МПа разрушающее напряжение при сдвиге достигает 12 МПа. Через 20—30 сут. оно увеличивается и достигает 17—18 МПа. Клеевое соединение способно работать при температурах до 100 °C.

Соединение на основе клеев ВК-20 и ВК-20М, содержащих полиэфиркарбонаты, способно работать при температуре до 800 °C.

Полиуретановые клеи токсичны и способны взаимодействовать с влагой воздуха, что несколько усложняет их применение в связи с необходимостью применения специальной технологии.