Подготовка поверхности различных материалов перед склеиванием

Склеивание как метод соединения элементов, пожалуй, в наибольшей степени, чем все прочие, зависит от правильности подготовки склеиваемых поверхностей. Притом, что сейчас появились клеи, которые допускают нахождение на склеиваемых поверхностях различного рода загрязнений, таких как смазочные масла на поверхности металла или влага на поверхности камня, поверьте, если Вам удастся уменьшить их количество, прочность соединения только возрастет.

Если только в инструкции по применению клея не отмечено особо «...наносить на увлажненную поверхность». Работы по подготовке поверхности часто связаны с повышенной опасностью. Это имеет место при использовании растворов химикатов, растворителей, в том числе легковоспламеняющихся и зачастую токсичных. Поэтому при работах такого рода надо строго соблюдать правила техники безопасности.

Учтите, что зачастую опасность могут представлять на первый взгляд абсолютно безобидные вещи. Пыль, образующаяся при очистке поверхности от старого клея белковой природы (столярный, казеиновый, мездровый, альбуминовый) является сильнейшим аллергеном. Попадая в дыхательные пути, такая пыль вызвать анафилактический шок, отек легких или состояние, напоминающее воспаление легких. Подобные реакции может вызвать пыль, возникающая при обработке натурального рога и кости.

В настоящий момент нет какой-либо единой теории, охватывающей все многообразие различных методов подготовки поверхности. Однако существует набор рекомендаций, полученных эмпирическим путем, которые применимы к различным конкретным системам клей—субстрат и позволяет добиться требуемого результата. Прочность клеевого соединения зависит не только от когезионной прочности клея (или склеиваемых субстратов), но также и от качества адгезии клея к склеиваемой поверхности. Надо помнить, что адгезия на разделе клей субстрат возникает в пределах слоя толщиной в молекулы. Отсюда легко сделать вывод о том, что прочность соединения наличием на поверхности загрязнений, которые сами по себе имеют плохое сцепление с субстратом, может быть сведена к нулю. Загрязнителями поверхности, отрицательно сказывающими на качестве склеивания, могут выступать разнообразные группы веществ. Для металлов — это продукты коррозии, окалина, образовавшаяся в результате обжига, закалки, азотирования и пр., продукты кислотного травления, анодирования, нанесенные ингибиторы коррозии, какие-либо защитные полимерные или лаковые покрытия, смазочные масла. Для пластиков — это антиадгезионные разделительные смазки, использовавшиеся в процессе формования, пластификаторы. Для дерева — это выделившиеся на поверхность смолы, окисленная поверхность древесины и т.д.

Надо иметь в виду, что физико-химические свойства поверхностного слоя субстрата почти всегда совершенно не соответствуют свойствам материала массе. На поверхности за счет разнообразных воздействий, как физически так и химических, отпечатывается своя история, которая для каждого предмета индивидуальна и не может быть достоверно оценена как фактор, влияющий на прочность склейки. Выход один — добраться до неизмененной массы материала с известным составом и свойствами. Отсюда простейшие методы по, готовки, основанные на очищающем действии растворителей, абразивов, что позволяет удалить как поверхностные загрязнения, так и измененный поверхностный слой. Более сложные методы обработки направлены на увеличение адгезии путем создания поверхностного слоя, имеющего более высокую адгезию чем исходный материал. Подготовленную поверхность можно сохранить пригодной для использования в течение длительного времени, если нанести на неё удаляемый в дальнейшем защитный слой. В противном случае рекомендуется наносить слой клея на подготовленный субстрат как можно быстрее. Придание шероховатости механическим путем позволяет получать поверхность, с которой клей имеет лучшее сцепление за счет увеличения контактной площади, и соответственно увеличивается механическая адгезия. Однако необходимо учитывать, что высота полученных шероховатостей должна быть заведомо меньше толщины клеевого слоя.

Если Вы хотите добиться особо высокой прочности склеивания, подготовку поверхности следует выполнять особенно тщательно и не полениться применить более трудоемкие приемы обработки поверхности. Так, например, в случае склейки алюминия, подвергнутого очистке только растворителем, возможно быстрое падение прочности под влиянием климатических условий. Но тот же самый алюминий, будучи подвергнут кислотному травлению, склеенный тем же самым клеем и помещенный в такие же климатические условия, позволяет сохранять высокую прочность клеевого соединения на протяжении многих лет.

Кроме химических и механических методов подготовки поверхности, упомянутых выше, существуют физические способы, такие как: обработка пламенем, ионная бомбардировка в вакууме (коронный разряд) и обработка электрическим разрядом. ЭТИ способы обработки особенно актуальны для инертных пластиков типа полиэтилена, полипропилена, полиэтилентерефталата, которые эффективно склеивать без подобной обработки просто не удается.

И рассматривается подготовка поверхности различных материалов.

ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ

Свежеобработанная поверхность металлов за редким исключением золота, платины, титана и высококачественных нержавеющих сталей высокоактивна особенно легко покрывается окисной пленкой и способна поглощать содержащиеся в воздухе загрязняющие примеси, пыль и влагу. Поэтому еще раз рекомендуем производить склейку как можно быстрее по окончании обработки поверхностей.

Обезжиривание

Поверхности металлов практически всегда загрязнены маслами. Отсюда обязательной является операция обезжиривания, которую можно производить водяным паром, протиркой поверхности тканью, смоченной растворителем (пока на чистой ткани не перестанут появляться следы загрязнения). Весьма эффективна обработка в парах растворителя. Обезжиривание должно быть тщательным, во всех случаях не будет лишним прополоскать, промыть поверхность свежей порцией чистого растворителя. Иногда только обезжириванием и ограничиваются. Но при применении более сложных методов подготовки поверхности обезжиривание является в любом случае обязательным первым этапом об работки. Проверить эффективность обезжиривания можно легко, нанеся на обработанный металл воду. В отсутствие масел или жиров образуется водяная пленка, стекающая равномерно, без капелек и разрывов.

После обезжиривания каким-либо способом для удаления грязи и прочих неорганических остатков следует использовать очищающие составы или растворы моющих средств. Крепкие щелочные неингибированные растворы применяются для черных металлов, титана и некоторых медных сплавов. Для алюминия и его сплавов, когда следует избегать травления поверхности, нужно воспользоваться ингибированными растворами. В качестве крепких щелочных растворов в отсутствие твердых щелочей можно использовать такие широко распространенные моющие средства, как «Санитарный», «Крот». В качестве ингибированных щелочных растворов можно применять растворы синтетических моющих средств. Щелочную очистку обычно сопровождают химической или механической обработкой, так как обработанные щелочью поверхности несовместимы с большинством конструкционных клеев. Перед склеиванием поверхность следует осушить горячим воздухом.

Механические методы

Механическая, абразивная обработка применяется, когда поверхность металла несет на себе заметный слой коррозии или окалины (стали, чугуны). На алюминии и его сплавах быстро образуются окислы, в отличие от инертных ме¬таллов, упомянутых выше. К механическим следует отнести методы, основанные на абразивном (истирающем) воздействии проволочных щеток, стеклянной и наждачной бумаги, дробеструйную обработку, способную удалить ненужный по¬верхностный слой. Притом, что абразивная обработка придает поверхности ше¬роховатость и увеличивает площадь контакта клея с субстратом, нельзя не отме¬тить, что после такой обработки увеличивается тенденция к проникновению вла¬ги или растворителей внутрь клеевого шва. Этот метод может оказаться абсолютно непригодным для деталей, прошедших точную механическую обработку, где конечные размеры строго заданы.

При обработке поверхностей способом обдувки сухими абразивами хороших результатов можно достичь только применением зерен с хорошими режущими кромками, т.е. применяя материалы, обладающие высокой твердостью, такие как алюминия, кварцевый песок или карборунд. Круглые стеклянные или металлические шарики могут вызвать наклеп металлической поверхности и потому непригодны. Природа и размер зерна являются важным фактором при дробеструйной и пескоструйной обработке. Для большинства металлов и сплавов эмпирически выяснили размер зерен абразива и методику обработки. Помимо этого, сами зерна абразивов не должны нести на себе загрязнители, которые могут свести на нет все труды. Заключительное ополаскивание растворителем удаляет остатки абразива, наличие которых на разделе клей—субстрат ослабит адгезию. Если есть возможность использовать обдувку увлажненными абразивами, надо знать, что этот способ предпочтительнее, так как при нем шире номенклатура абразивных материалов, которыми можно воспользоваться. В случае употребления в качестве увлажнителя воды применение ограничивается только некорродирующими металлами или к воде необходимо добавлять ингибиторы коррозии.

Химические методы

Химические и электрохимические методы обработки поверхности, если их сравнивать с механическими, более эффективны, дешевы и дают хорошую воспроизводимость результатов. Помимо того, что они оказывают очищающее действие, эти виды обработки зачастую обеспечивают образование на поверхности химичес¬кого слоя, способствующего долговременному сохранению прочности клеевого соединения. Процесс, именуемый травлением, включает в себя погружение субстрата в растворы кислот или щелочей (от разбавленных до крепких) при различных температурах. Кислоты или щелочи разрушают поверхностный слой окислов быстрее, чем основной металл. В случае необходимости в раствор кислот нужно добавлять ингибиторы, которые увеличивают разницу в скорости растворения металла и окисла. Это особенно важно для толстых слоев окалины, если по каким-либо причинам применение абразивной обработки недопустимо.

Удалив травлением с поверхности толстые слои окислов, далее металл следует обработать в более слабых растворах, например в ванне кислота—бихроматы, что приводит к образованию тонкой окисной пленки с необходимой структурой, прочно связанной с основным слоем металла. Заключительные промывки и ополаскивания следует проводить в чистой воде, понимая под этим воду дистиллированную, которая хранилась в условиях, исключающих попадание посторонних примесей, и ненасыщенную кислородом воздуха. Т.е. следует либо пользоваться свежеприготовленным дистиллятом, либо хранить его в герметично таре с минимальным свободным объемом. Температура, при которой производилась обработка реагентами, промывка водой, оказывает влияние на структуру образовавшихся на поверхности металла окисных пленок, что требует скрупулезного соблюдения рекомендаций, приведенных в Табл. 3. Таким образом, не существенные технологические отклонения могут существенно снизить качеств! (долговечность и несущую способность) клеевого шва.

ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ ПЛАСТИКОВ

Пластики делятся на две основные группы — термореактивные и термопластичные, по их поведению под воздействием тепла, растворителей и механических напряжений.

Термореактивные пластики

Относительно неплавки, не подвержены текучести при нагреве. Они нерастворимы в органических растворителях, хотя и могут ограниченно набухать в них. Это их свойство является препятствием для применения «термической пайки» или «склеивания» соединяемых субстратов растворителем. Поэтому для соединения термореактивных пластиков употребляются только клеи.

Термопластичные пластики

Растворимы в специфических растворителях (пластики аморфного типа) или становятся растворимыми при повышенных температурах (кристаллического типа). Под воздействием тепла и механических нагрузок эти материалы подвержены текучести.

Для соединения многих термопластиков применимы методы «термической пайки» и «склеивания с помощью растворителей». Термическая пайка – метод, основанный на плавлении соединяемых элементов в зоне склеивания с последующим сжатием и фиксацией до остывания. Склеивание с помощью растворителей - нанесение растворителя на зону контакта субстратов, выдержка в течение времени, необходимого для разжижения поверхностного слоя, с последующим сжатием и фиксацией до отверждения, наступающего в результате как испарения растворителя из зоны склейки, так и частичной его диффузии в основную массу субстрата.

Предварительная подготовка поверхности обязательна для всех пластиков, которые относятся к числу наиболее трудно склеиваемых материалов. Помимо абразивной обработки, призванной образовать шероховатости на поверхности субстрата, остальные методы подготовки в основном сводятся к удалению разделительных агентов (например кремнийорганических жидкостей, используемых при процессах формовки пластиковых изделий, масел, воды, выпотевших из гибких пластиков пластификаторов и прочих загрязнителей, образующих слабый граничный слой на поверхности раздела в клеевом шве) и получению поверхности с более высокой свободной энергией, имеющее сродство с полярными клеями. Для этого используют различные средства — воздействуют растворителями, обрабатывают абразивами, до температуры, при которой эти загрязнители активнее поглощаются клеем (при условии совместимости клеевой композиции с имеющимися загрязнителями). Как правило, не стоит склеивать пластики, содержащие разделительные агенты, например стеараты, так как последующая миграция этих веществ на границу раздела клей—субстрат приведет к уменьшению прочности и, в конце концов, к разрушению склейки. Надо отметить, что появились клеящие композиции, не восприимчивые к миграции пластификаторов и разделительных агентов. Таковы некоторые композиции на основе фенольных смол и нитрильных каучуков, полиуретановые композиции, которые можно использовать для склеивания эластичных пластиков на основе поливинилхлорида, даже сильно пластифицированных. Для пластиков характерна

меньшая поверхностная энергия, чем у гидрофильных материалов (стекла, металлов, окислов и минералов), что препятствует эффективному смачиванию субстрата клеем и приводит к ухудшению адгезии. Полиэтилен и фторированные полимеры с их очень низкой поверхностной энергией без специальной химической и физической обработки поверхности для придания более высокой поверхностной энергии можно сказать вообще, не подлежат склеиванию. Пенопласты весьма пористы, что обеспечивает легкую абсорбцию клея, и поэтому почти не требуют предварительной обработки поверхности. Однако при склеивании жестких конструкционных пенопластов необходимо удалять плотную поверхностную пленку. Губчатые материалы приходится покрывать грунтовочным слоем клея, который частично отверждается. Там обработка приводит к образованию жесткой пленки на поверхности губчатого субстрата и исключает обеднение клеевого шва вследствие интенсивного впитывания клея в субстрат. В результате модифицирования исходных полимеров всякого рода наполнителями, пигментами, пластификаторами и прочими добавками появляются новые разновидности пластиков, сильно отличающиеся по своим адгезионным свойствам от исходных полимеров. В таких случаях метод подготовки поверхности, подходящий для исходного пластика, часто оказывается далеко не наилучшим для этого материала в модифицированном виде (см. Табл. 4).

ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Стекла и керамические материалы, как правило, не имеют слабых граничных слоев и не требуют модификации субстратов. Поэтому их обработка большей частью заключается в очистке поверхности от каких-либо загрязнений, т.е. обработке растворителями или, что надежнее, кислотно-хромовыми смесями. При предварительной обработке поверхности стеклотканей, используемых для изготовления слоистых композиционных пластиков, рекомендуется нанесение хлорных адгезионных грунтов, что заметно увеличивает прочность готовых пластиков. Силикатные материалы (слюда, кварц, драгоценные камни) обрабатываются аналогично стеклу

Поверхность древесины практически всегда покрыта выпотевшими натуральными маслами и смолами и осевшей на них пылью. Все это отрицательно сказывается на смачиваемости клеем. Обработка поверхности осуществляется стеклянной шкуркой, вращающимися металлическими щетками (обрамь направления волокон) или строганием.

Строгание имеет то преимущество, что после него не требуется удаления пыли, после обработки абразивами. Склеивание следует производить, если это возможно, по свежеобработанной поверхности, так как выпотевание собственных смол и масел продолжается. Пористая структура древесины сильно абсорбирует растворители из клея. В результате образуется обедненный, «голодный», клеевой шов требует нанесения адгезионных грунтов или применения высоковязких клеев. Влажность древесины при склейке оказывает заметное влияние на прочность шва. Из практики выяснилось, что оптимальные свойства клеевого соединения достигаются, если влажность древесины лежит в пределах 8... 12%

ПОДГОТОВКА ОКРАШЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

В общем-то склеивать окрашенные поверхности не следует, так как склейка будет иметь прочность не большую той, которую обеспечивает сцепление лакокрасочного покрытия с поверхностью, а миграция компонентов клея в лакокрасочные пленки может привести к еще большему ухудшению адгезии на границе раздела лакокрасочная пленка—субстрат. Однако в тех случаях, когда необходимо приклеивание к окрашенным поверхностям, нужно, по крайней мере, обработать окрашенную поверхность моющим раствором с последующим зашкуриванием и промывкой для удаления пыли от зашкуривания.