pobieranie: 14 Techniki łączenia tworzyw sztucznych - klejenie
Pobierz dokument pdfPrzeglądaj wersję html pliku:
Instytut In1 ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych
Techniki ł3 czenia tworzyw sztucznych – klejenie
1. Cel wiczenia
Celem iw czenia zaznajomienie studentów z zagadnieniami dotycz2 cymi metod ł2 czenia tworzyw sztucznych, a tak6 e wykonanie poł2 czenia próbek wybranymi metodami .
2. Okre7 lenie podstawowych zagadnie8 oraz opis metod ł9 czenia.
Tworzywa sztuczne mo6 emy ł2 czy5 poprzez klejenie, poł2 czenia mechaniczne (nity, gwinty, zatrzaski). Tworzywa termoplastyczne mo6 na dodatkowo ł2 czy5 technikami zgrzewania i spawania. Wybór metody ł2 czenia zale6 y od postaci ł2 czonych elementów, zastosowania, warunków eksploatacji a tak6 e od budowy chemicznej i wła@ ciwo@ ci fizycznych ł2 czonych materiałów.
2.1. Klejenie
Klejenie jest to proces łA czenia materiałów polegajA cy na naniesieniu miB dzy łA czone powierzchnie warstwy kleju, który po stwardnieniu trwale łA czy spajane elementy. Wytrzymało@ poł2 czenia zale6 y od rodzaju zastosowanego kleju oraz rodzaju ł2 czonych elementów. Technik2 klejenia mo6 emy trwale ł2 czy5 ze sob2 materiały o ró6 nych wła@ ciwo@ ciach np. tworzywa sztuczne, metale, drewno, szkło itp. Kleje s2 to najczD ciej substancje polimerowe zawieraj2 ce przewa6 nie dodatki takie jak rozpuszczalniki, napełniacze, utwardzacze, plastyfikatory, stabilizatory itp. Kleje mo6 na podzieli5 ze wzglD du na sposób utwardzenia na: rozpuszczalnikowe (po odparowaniu rozpuszczalnika pojawiaj2 siD oddziaływania fizyczne miD dzy cz2 steczkami kleju), reaktywne (w kleju zachodz2 reakcje chemiczne i powstaj2 wi2 zania kowalencyjne miD dzy atomami cz2 steczek kleju), termotopliwe (po obni6 eniu temperatury termoplastyczny klej siD ponownie zestala). 2.1.1. PojB cia adhezji i kohezji. W procesie klejenia wykorzystuje siD dwa zjawiska fizyczne: adhezjD , i kohezjD . Adhezja odpowiedzialna jest za „trzymanie” siD kleju ł2 czonej powierzchni, natomiast kohezja za spójno@ samego kleju tzn. jego wytrzymało@ . Na adhezja wpływaj2 oddziaływania mechaniczne jakie pojawiaj2 siD po wnikniD ciu kleju w mikropory i nierówno@ ci a tak6 e oddziaływania miD dzycz2 steczkowe (siły przyci2 gania Van der Waalsa) a czasami równie6 siły wi2 zaE chemicznych jakie w niektórych przypadkach powstaj2 miD dzy klejem a powierzchni2 ł2 czon2 . Na kohezjD składaj2 siD : siły Van der Waalsa oraz powstanie wi2 zaE chemicznych miedzy łaE cuchami polimerowymi (sieciowanie). ZwiD kszenie sił kohezji nastD puje po utwardzeniu kleju.
Techniki ł2 czenia tworzyw sztucznych – klejenie
C5
C5
!0¢'(!%&%$" !¨¦¤¢ ) ¥©## ¥ © §¥£ ¡ @ ¨ C5
5
4
1
Instytut Ina ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
Rys. 12. Obrazowe przedstawienie adhezji i kohezji.
2.1.2. Warunki powstania prawidł owego zł c za klejowego. Pód niejsza wytrzymał ci zł c za zalef y zarówno od nawilf enia klejem powierzchni (aby oe osib gnb peł kontakt mii dzyczb steczkowy), jak i od jej wł ciwoe ci adhezyjnych. Mof e sii zdarzyg , ny ae e pomimo dobrej adhezji kleju do powierzchni nie został ona dostatecznie zwilf ona co zasadniczo a obnif y poł c zenie. Przy podanym napii ciu powierzchniowym kleju zwilf alnoe zalef y od napii cia powierzchniowego detalu i lepkoe ci kleju. Takf e zanieczyszczenia powierzchni mogb spowodowag obnif enie stopnia jej nawilf enia klejem. Bardzo waf nym aspektem od którego zalef y dobra przyczepnoe jest polarnoe kleju i ego poł c zenia dwóch materiał polarnych, ów substancji sklejanej. Nie mof na uzyskag wytrzymał sklejonych klejem o charakterze niepolarnym i odwrotnie. Sił przycib gania mii dzy róf noimiennymi y biegunami dipoli kleju i podł a sb czi cib ogólnej sił adhezji mii dzy polarnb powierzchnib i polarnym of y klejem. Gdy na powierzchni kleju osib gnie sii zorientowanie przynajmniej wii kszoe ci grup polarnych w kierunku powierzchni klejonej, sił adhezji stajb sii doe znaczne. Zorientowanie takie uzyskuje sii tym y ł atwiej, im wii kszb pł ynnoe wykazuje klej, gdyf wtedy jego czb steczki sb bardziej ruchliwe i ich grupy polarne ł atwiej ulegajb dział siłprzycib gajb cych grup polarnych powierzchni klejonej. aniu Poza odpowiednib przyczepnoe cib istnieje szereg wymagaq stawianych dobrym klejom. A wii c powinny sii one odznaczag dostatecznb spójnoe cib , by poł c zenie klejone wykazywał wystarczajb cb o wytrzymał na dział oe anie czynników mechanicznych. W takiej sytuacji nalef ał raczej stosowag oby kleje na bazie tworzyw termoutwardzalnych. Poza tym klej przeznaczony dla konstrukcji bardziej obcib onych nie powinien wykazywag znaczniejszego pł cia pod wpł ynii ywem dł ugotrwał obcib eq ych statycznych, a jego starzenie powinno byg nieznaczne, aby nie wpł o w powaf niejszym stopniu na ywał jego wł ciwoe ci mechaniczne. Waf nb kwestib jest dobór substancji klejb cej o współ ae czynniku rozszerzalnoe ci cieplnej zblif onym do współ czynnika podł a. Jee li współ of czynniki kleju i podł a róf nib of sii znacznie, to przy zmianach temperatury w spoinie wysti pujb duf e napri enia wewni trzne, mogb ce spowodowag zniszczenie wib zania. Z punktu widzenia mechanicznej teorii przyczepnoe ci substancja klejb ca powinna speł trzy niag warunki: 1) byg ciekł , 2) dobrze zwilf ag sklejane powierzchnie, 3) odznaczag sii zdolnoe cib ti enia, przy czym najistotniejsze znaczenie ma zdolnoe zwilf ania. Zalef y ona przede wszystkim od lepkoe ci i napii cia powierzchniowego. Miarb zwilf alnoe ci powierzchni jest kb t zwilf ania θ, zawarty mii dzy zwilf anb powierzchnib a stycznb do powierzchni zwilf ajb cej cieczy. W miari wzrostu adhezji kleju do y powierzchni kb t zwilf ania maleje af do momentu zrównania sii sił adhezji z sił spójnoe ci kleju. Wtedy kb t ma wartoe równb zeru. Techniki ł c zenia tworzyw sztucznych – klejenie
hf
f ¨
Cg
Cg
b
Cg
VU` IRQXRX !0¢Y(!%&%$W V!R¨¦¤¢F UI T S Q PIH G ¨ f b b pg Cg c e ¨ b pg b
Cg
Cg
b
b
gh
hf
f
2
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad Nacisk, temperatura i czas klejenia s to parametry wywieraj ce wpł na ostateczn yw wytrzymał kleju. Dwa ostatnie czynniki decyduj o tym, kiedy bł zostanie ostatecznie wysuszona o ona lub zestalona. Nacisk natomiast decyduje o grubo ci warstwy klejowej i niekiedy o braku w niej defektów (p cherzyków i sp ka ). 2.1.3. Mechanizmy utwardzania klejów reaktywnych Wi kszo klejów to kleje na bazie polimerów reaktywnych. Wi zanie takich klejów odbywa si poprzez polimeryzacyjne reakcje chemiczne. Obecnie produkuje si wiele klejów o specjalnych mechanizmach utwardzania, przeznaczonych dla ró nych zastosowa . Sposoby utwardzania klejów reaktywnych: a. reakcja anaerobowa b. na wietlanie promieniami uv (tak e jako wtórny system utwardzania) c. reakcja anionowa (cyjanokrylany) d. system aktywacyjny (akrylany modyfikowane) e. utwardzanie wilgoci (silikony, uretany) a) KLEJE UTWARDZANE ANAEROBOWO Kleje anaerobowe to jednoskł adnikowe materiał które utwardzaj si w temperaturze y, pokojowej przy wyeliminowaniu kontaktu z tlenem. Skł adnik utwardzaj cy nie aktywizuje si , dopóki pozostaje w kontakcie z tlenem atmosferycznym. Kiedy klej zostanie pozbawiony dopł tlenu, np. ywu przy monta u cz ci, wówczas utwardzanie nast puje bardzo szybko, szczególnie przy równoczesnym kontakcie z metalem. Proces utwardzania mo na wyobrazi sobie w sposób nast puj cy: kiedy zostanie wył c zony dopł tlenu atmosferycznego, pod wpł yw ywem dział ania jonów metalu (Cu, Fe) powstaj wolne rodniki, które zapocz tkowuj proces polimeryzacji. Pł ynny klej jest w stanie cał kowicie wypeł poł c zenie i wnikn w najdrobniejsze nawet ni szczeliny dzi ki swej kapilarno ci. Nast pnie utwardzony klej "zakleszcza si " w mikronierówno ciach klejonych cz ci. Proces utwardzania jest tak e stymulowany przez kontakt kleju z powierzchniami metalowymi, które dział jak katalizator. Materiał pasywne maj sł aj y abe (lub a dne) wł ciwo ci a katalizuj ce, wymagaj wi c - dla szybkiego i peł nego utwardzenia - zastosowania aktywatorów. W tych przypadkach, jeszcze przed naniesieniem kleju, trzeba pokry aktywatorem jedn lub obie klejone powierzchnie. Nie ma tu konieczno ci mieszania skł adników ani a dnych ogranicze zwi zanych z czasem przydatno ci takiej mieszaniny.
Techniki ł c zenia tworzyw sztucznych – klejenie
uxwx !0¢ (!%&%$ !x¨¦¤¢r u y w vut s h
¨
C
¨
C
3
Instytut Inm ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
Kiedy zostanie zamkniq ty w szczelinie zł c za i pozbawiony kontaktu z tlenem nadtlenki w reakcji z jonami metalu, zamieniajn siq w wolne rodniki.
Nastq pnie wolne rodniki inicjujn polimeryzacyjnych .
formowanie siq
Postap utwardzona przedstawia zwartn strukturq z win zaniami poprzecznymi ł cuchów. ar
Rys. 13. Proces zastygania kleju utwardzanego anaerobowo. Kleje utwardzane poprzez reakcjq anaerobown posiadajn na ogółnastq pujn ce cechy: - bardzo wysoka wytrzymał na c inanie oo - dobra odpornoo na temperaturq (od -55°C do maks. +230°C) - szybkie utwardzanie - poniewas sn jednoskł adnikowe, ł atwo je dozowap dozownikami automatycznymi - nie jest tu konieczna precyzyjna obróbka czq ci; dopuszczalna chropowatoo powierzchni wynosi 8 do 40 µ m (Rz) - równoczesne dział uszczelniajn ce przy doskonał odpornoo ci chemicznej anie ej - dobra odpornoo na wibracje - dobra odpornoo na obcin enia dynamiczne Wpł materiał pasywnych i aktywnych na utwardzanie anaerobowe yw ów
Techniki ł c zenia tworzyw sztucznych – klejenie
Cp
n
Cp
hgl djdj !0¢k(!%&%$i h!d¨¦¤¢ g f e ¨ o o pp hs Cp pC Cp
W stanie pł ynnym klej zachowuje stabilnoo dopł ywowi tlenu
dziq ki stał emu
ł cuchów ar
4
n
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad Materiał aktywne y Szybkie utwardzanie Mosi dz Br z Mied elazo Stal Materiał pasywne y Wolne utwardzanie*) Powł oki Aluminium (z nisk Ceramika Warstwy Szkł o Stal Nikiel Warstwy Tworzywa Srebro Stal Cyna Cynk anodowe zawarto ci Cu) chromowane wysokostopowa tlenkowe sztuczne nierdzewna
*) aktywator przyspiesza proces utwardzania b) KLEJE UTWARDZANE WIATŁEM UV Czas utwardzania tych klejów zale y od nat enia i dł ci fal iw atł UV. Dlatego prawidł ugo a owa polimeryzacja wymaga zawsze doboru ódł promieniowania UV do danego produktu. Promieniowanie ra UV powoduje rozszczepianie fotoinicjatorów. Z kolei tak powstał wolne rodniki rozpoczynaj e polimeryzacj . Procesy utwardzania UV dzieli si na trzy rodzaje: - utwardzanie wskro ne przez promieniowanie UV - utwardzanie powierzchniowe przez promieniowanie UV - wtórne systemy utwardzania
Techniki ł c zenia tworzyw sztucznych – klejenie
~} wzyz !0¢(!%&%$ ~!z¨¦¤¢t }w | { y xwv u ¨
5
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
Rys. 14. Proces zastygania klejów utwardzanych UV.
Utwardzanie wskro ne Dla osi gni cia maksymalnie gł bokiego utwardzenia kleju wskazane s systemy UV, które emituj iw atł o wysokim nat eniu i dł ciach fal rz du od 300 do 400 nm. o ugo Utwardzanie powierzchniowe Utwardzanie powierzchniowe jest szczególnie wa ne przy klejeniu lub zalewaniu materiał ami UV. Je li u yje si nieodpowiednich rodzajów lamp UV, powierzchnia pozostanie lepka. Aby temu zapobiec, ódł promieniowania UV powinno emitowa¢ fale o wysokim nat eniu w zakresie dł ci ro ugo o d fal poni ej 280 nm ( wiatł UVC). Jest to bardzo skuteczne, gdy chce si unikn niepo anej reakcji przy kontakcie klejonej powierzchni z powietrzem atmosferycznym, które hamuje utwardzanie si produktu. Widma promieniowania "wysokoenergetycznych" systemów iw atł UV gwarantuj a niezawodne utwardzanie, nie pozostawiaj c lepkiej powierzchni kleju. Utwardzanie przy pomocy mechanizmów wtórnych W wielu przypadkach iw atł UV nie dociera do wszystkich miejsc pokrytych klejem. Dlatego o opracowano kleje z dodatkowymi systemami utwardzania w przestrzeniach nie obj tych iw atł UV: em - utwardzanie anaerobowe - utwardzanie na gor co - utwardzanie poprzez wilgo¢ z powietrza Techniki ł c zenia tworzyw sztucznych – klejenie
h¢
!0¢(!%&%$ !¨¦¤¢
Ła cuchy polimeryzacyjne poprzeczne
W stanie pł ynnym monomery i fotoinicjatory współ istniej bez adnych interakcji
...fotoinicjatory zmieniaj si w wolne rodniki, które inicjuj a tworzenie si ł cuchów monomeru.
sieciuj
Kiedy zostan poddane dział aniu
iw atł UV ... a
tworz c
wi zania
¡
6
Instytut In² ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad - utwardzanie aktywatorem Jak uprzednio wyja´ niono, utwardzanie klejów UV zaleµ y od dł ci fali i nat¶ enia iw atł na ugo´ a powierzchni klejonej. Tak wi¶ c waµ nym kryterium doboru najwł ciwszego kleju jest stopie· a´ przenikalno´ ci róµ nych materiał dla iw atł UV. Do ł c zenia cz¶ ci wykonanych z PC (poliw¶ glan), ów a PVC (polichlorek winylu) czy podobnych materiał przeznaczone s³ "kleje utwardzane iw atł ów, em widzialnym". Kleje te moµ na utwardza¸ iw atł UVA, lecz znacznie lepszy efekt uzyskuje si¶ , gdy em podda si¶ je dział aniu iw atł o duµ ym nat¶ eniu i dł ci fali okoł 420 nm (´ wiatł widzialne). a ugo´ o o
Kleje utwardzane iw atł UV generalnie charakteryzuj³ si¶ nast¶ puj³ cymi wł em asno´ ciami: - znaczna wytrzymał o´ - wysoka zdolno´ wypeł niania szczelin - bardzo krótkie czasy utwardzania do osi³ gni¶ cia wytrzymał ci r¶ cznej o´ - dobra do bardzo dobrej odporno´ na odowisko r - jako kleje jednoskł adnikowe s³ ł atwe do dozowania w automatycznych systemach nanoszenia c) KLEJE UTWARDZANE POPRZEZ REAKCJ¼ ANIONOW½ (CYJANOAKRYLANY) Jednoskł adnikowe kleje cyjanoakrylowe ulegaj³ polimeryzacji w kontakcie z powierzchniami lekko alkalicznymi. Na ogół wilgotno´ w powietrzu i na klejonych powierzchniach wystarcza, aby w ci³ gu kilku sekund nast³ pił utwardzenie. Wilgotno´ klejonej powierzchni neutralizuje zawarty w kleju o stabilizator, tak wi¶ c polimeryzacja przenosi si¶ z jednej powierzchni na drug³ . Aby jak najszybciej osi³ gn³ wytrzymał r¶ czn³ , naleµ y zredukowa¸ wymiar szczeliny praktycznie do zera. Najlepsze o´ wyniki daj³ warunki robocze, kiedy wzgl¶ dna wilgotno´ otoczenia wynosi 40 do 60% w temperaturze pokojowej. Niµ sza wilgotno´ powoduje wolniejsze utwardzanie; wyµ sza z kolei przyspiesza ten proces, abienie ko· cowej wytrzymał ci kleju. o´ jednak moµ e spowodowa¸ osł
Techniki ł c zenia tworzyw sztucznych – klejenie
C¸
C¸
´ C¸
C¸
C¸
C¸
C¸
C¸
º»
Rys. 15. Przenikalno¹
szkł i tworzyw dla UV. a
´
´
¨ µ
¬± ¦©¨¯©¯ !0¢°(!%&%$® !©¨¦¤¢£ ¬¦ « ª ¨ §¦¥ ¤ ¨ ´ ³ ¨ µ ´ ´ ´ ´
³
¸h
7
Instytut InÍ ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
Rys. 16. Proces utwardzania klejów cyjanoakrylowych.
Po naniesieniu kleju trzeba natychmiast ł c zyÐ czÑ ci, gdyÓ polimeryzacja zaczyna siÑ w ciÎ gu zaledwie kilku sekund. Czas przydatnoÏ ci po nał eniu produktu zaleÓ y od wzglÑ dnej wilgotnoÏ ci oÓ powietrza, wilgotnoÏ ci klejonych powierzchni, rodzaju kleju i temperatury otoczenia. PoniewaÓ kleje cyjanoakrylowe zastygajÎ bardzo szybko, sÎ one szczególnie przydatne do klejenia mał czÑ ci. ych Kleje te naleÓ y nanosiÐ oszczÑ dnie, tylko na jednÎ powierzchniÑ . Najlepszy efekt daje nał enie takiej oÓ tylko iloÏ ci, aby wypeł szczelinÑ . niÐ Jak wyjaÏ niono powyÓ ej, szybkoÏ zastygania zaleÓ y teÓ od wilgotnoÏ ci klejonych powierzchni. JeÏ li chce siÑ przyspieszyÐ proces utwardzania albo uniezaleÓ niÐ od wilgotnoÏ ci otoczenia, moÓ na posł yÐ uÓ siÑ aktywatorami. Przy pomocy aktywatorów moÓ na spowodowaÐ zastygniÑ cie w ciÎ gu sekund nawet cał kropli kleju (np. uÓ ytej do mocowania przewodów elektrycznych) lub jego wypł ej ywki. Kleje cyjanoakrylowe charakteryzujÎ siÑ na ogółnastÑ pujÎ cymi cechami: - bardzo wysoka wytrzymał na c inanie i rozciÎ ganie oÏ - bardzo duÓ a szybkoÏ utwardzania (sekundowe ustalanie) - nadajÎ siÑ do klejenia wiÑ kszoÏ ci materiał ów - dobra odpornoÏ na starzenie
Techniki ł c zenia tworzyw sztucznych – klejenie
¨ Ï
ÈÇÌ ÁÄÃÊÄÊ !0¢Ë(!%&%$É È!Ĩ¦¤¢¾ ÇÁ Æ Å Ã ÂÁÀ ¿
... i rozpoczyna siÑ polimeryzacja.
Stabilizator kwasowy zapobiega wszelkim reakcjom czÎ steczek kleju utrzymujÎ c klej w stanie pł ynnym.
Powstaje wiele ł cuchów polimeryzacyjnych, które sieciujÎ c aÒ ł c z siÑ wzajemnie.
¨ Ï
Î
CÐ
WilgotnoÏ
powierzchniowa neutralizuje stabilizator ...
ÎÎ
Ï pÐ
CÐ
CÐ
CÐ
8
Î
Instytut Inã ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad d) KLEJE UTWARDZANE AKTYWATORAMI (AKRYLOWE MODYFIKOWANE) Przy uå yciu aktywatorów kleje te utwardzajä siæ w temperaturze pokojowej. W zaleå noç ci od rodzaju kleju moå na nakł adaè na klejone powierzchnie osobno klej i aktywator albo teå moå na je uprzednio zmieszaè w mieszalniku statycznym. Do niektórych klejów uå ywa siæ aktywatorów o niskiej lepkoç ci. Tych klejów nigdy nie naleå y uprzednio mieszaè . W tych przypadkach trzeba zawsze oddzielnie nakł adaè klej i aktywator. Proces utwardzania rozpoczyna siæ dopiero po poł c zeniu czæ ci. Eliminujä c pł ynny aktywator opracowano takå e kleje akrylowe z aktywatorami o tej samej konsystencji. Sä tutaj dwa sposoby nanoszenia - osobno kleju i aktywatora: wstæ ga obok wstæ gi albo jedna wstæ ga na drugiej. Kiedy klejone czæ ci zostanä poł c zone, produkt wymiesza siæ pod wpł ywem ruchów podczas montaå u. Jeç li czas przydatnoç ci kleju po zmieszaniu skł adników wynosi 5 lub wiæ cej minut, moå na zastosowaè mieszalnik statyczny. Daje to tæ dogodnoç , e nanosi siæ juå gotowy, wymieszany uprzednio produkt i mieszanie nie jest uzaleå nione od ruchów ł c zonych czæ ci podczas montaå u.
Modyfikowane kleje akrylowe charakteryzujä siæ zwykle nastæ pujä cymi cechami: - bardzo wysoka odpornoç na c inanie i rozciä ganie - duå a odpornoç na uderzenia - szeroki zakres temperatur pracy (-55°C do +120°C) - mogä kleiè prawie wszystkie materiał y - dobra zdolnoç wypeł niania szczelin (szczególnie wstæ pnie mieszane) odowiskowa r - dobra odpornoç Typowe zastosowania to klejenie gł ników i klejenie magnesów. oç e) KLEJE UTWARDZANE WILGOTNOð CIñ OTOCZENIA Te kleje/uszczelniacze polimeryzujä (w wiæ kszoç ci przypadków) poprzez reakcjæ z wilgociä atmosferycznä . Do tej kategorii naleå dwa gł ówne typy chemiczne: Silikony: Wulkanizacja tych materiał nastæ puje w temperaturze pokojowej poprzez reakcjæ z wilgociä ów otoczenia (RTV - Room Temperature Vulcanizing). W porównaniu z reakcjä anionowä cyjanoakrylanów, gdzie wilgoè neutralizuje stabilizator, silikony potrzebujä przy sieciowaniu czä steczek wody. Znaczy to, e wilgoè musi przeniknä do silikonu, do miejsca, gdzie nastæ puje wulkanizacja. Kiedy czä steczki silikonu poł c z siæ z czä steczkä wody, powstanie produkt uboczny. W zaleå noç ci od skł adu chemicznego, wył oniony produkt uboczny moå e byè kwaç ny (np. kwas octowy), zasadowy (np. amina) lub neutralny (np. oksym lub alkohol). Szybkoç utwardzania tych klejów zaleå y przede wszystkim od wilgotnoç ci wzglæ dnej.
Techniki ł c zenia tworzyw sztucznych – klejenie
»êîì
íêCì
Rys. 17. Zaleé nie od potrzeb, moé na wybraê metodë a) lub b). W kaé dym przypadku czë trzeba nanieì w taki sposób, aby obie wymieszał sië podczas ł c zenia. y
A i czë
B produktu
ç¨
ä
ÞÝâ ×ÚÙàÚà !0¢á(!%&%$ß Þ!Ú¨¦¤¢Ô Ý× Ü Û Ù Ø×Ö Õ ¨ ç ä å Cè ï ä òä ç Cè ç¨ hè ç Cè Cè
Cè
ää
Ȑ
ä
Cè
å
9
Instytut In¤ ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad Z uwagi na natur¦ mechanizmu utwardzania wulkanizacja silikonów przebiega od strony zewn¦ trznej do wn¦ trza szczeliny klejowej. Wobec konieczno§ ci dotarcia wilgoci do miejsca sieciowania, gł boko§ utwardzania ogranicza si¦ do 10-15 mm. Elastomery silikonowe (albo utwardzone silikony) charakteryzuj¥ si¦ na ogółnast¦ puj¥ cymi cechami: - doskonał odporno§ cieplna (ponad 230°C) a - elastyczno§ , wytrzymał , znaczna wydł alno§ o§ u - niski do redniego modułspr¦ ysto§ ci - skuteczne uszczelnienie przy ró nych rodzajach pł ynów - doskonał wypeł e nianie szczelin
Rys. 18. Typowe zł cze klejone silikonem. Typowe zastosowania silikonów: Zastosowanie Dodatkowy mechanizm utwardzania Uszczelnianie powierzchni i uszczelnianie w przemy§ le samochodowym Uszczelnianie odporne na wysokie temperatury Uszczelnianie i klejenie (szczególnie mał cz¦ ci) ych Utwardzanie wiatł UV em Uszczelnianie i zalewanie (neutralny produkt uboczny) Powlekanie elektronicznych pł drukowanych ytek Utwardzanie wiatł UV em Poliuretany: Poliuretany sieciuj¥ (w wi¦ kszo§ ci przypadków) poprzez mechanizm, w którym woda wchodzi w reakcj¦ z dodatkiem zawieraj¥ cym grupy izocyjanianowe. Jak przy utwardzaniu silikonów cz¥ steczka wody musi wnikn¥ w klej w miejsce, gdzie zachodzi sieciowanie. Jest to proces analogiczny jak przy silikonach, tyle e nie nast¦ puje tu wydzielanie do rodowiska produktu ubocznego. Szybko§ utwardzania jest tak e zale na od wilgotno§ ci wzgl¦ dnej. Poliuretany charakteryzuj¥ si¦ na ogółnast¦ puj¥ cymi cechami: - doskonał wytrzymał a o§ - elastyczno§ - doskonał wypeł e nianie szczeliny - po utwardzeniu nadaj¥ si¦ do malowania - doskonał odporno§ chemiczna a Aby uzyska¨ jak najlepsz¥ i najtrwalsz¥ adhezj¦ zaleca si¦ stosowanie odpowiednich zmywaczy i adu musi by¨ dostosowany do rodzaju podkł adów (§ rodki poprawiaj¥ ce adhezj¦ ). Rodzaj podkł powierzchni. Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie 10
¨ ©
¨ ©
¦
ýü¢ öùøÿùÿ !0£ ¡!%&%$þ ý!ù¨¦¤¢ó üö û ú ø ÷öõ ô
§ § § ¨ © § ¨ © ¨ © ¨ © ¨ © ¥
¨
© ¨ © ¨
§
¥
Instytut InA ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad 2.1.4. Charakterystyka zł czy klejowych Wytrzymał zł czy klejowych zaleF y m.in. równieF od typu poł czenia i rodzaju dział cych oD ajB obciB eG poł czenia (rys. 19). NajwiH kszB wytrzymał zł cza klejowe wykazujB na cinanie i tak oD naleF y planowaE w miarH moF liwoD ci geometrie zł cza. Zdecydowanie nie powinny pracowaE na oddzieranie, gdyF niezaleF nie od wielkoD ci zł cza nastB pi jego zniszczenie. PorównaE to moF na np. do odrywania taD my klejB cej od powierzchni, do której został przyklejona. GdybyD my próbowali oderwaE a jB dział c sił wzdł tej powierzchni to nastB pił by zerwanie taD my przed jej odklejeniem. ajB uF o ObciB enia odrywajB ce pojawiB siH wtedy, gdy sił przył ona jest osiowo i dział prostopadle do a oF a zł cza. Jest to przypadek, rzadko pojawiajB cy siH w praktyce, gdyF nawet nieznaczna nieosiowoD dział cych sił spowoduje pojawienie siH momentu sił i w rezultacie naprH eG zł onych, na które ajB oF poł czenie klejowe jest mniej wytrzymał e.
Rys. 19. Podstawowe rodzaje obciI eR poł czeR klejowych: a) odrywajI ce, b) cinajI ce, c) oddziarajI ce
3. Sposób wykonania wiczenia
Instrukcja obsł urzB dzeG wraz z danymi technicznymi oraz uwagami dotyczB cymi BHP ugi ugiwanie urzB dzeG do spawania i zgrzewania jest powinna znajdowaE siH na stanowisku. Obsł dozwolone tylko w obecnoD ci prowadzB cego wiczenie po uprzednim zapoznaniu siH z instrukcjB lub przeszkoleniu. NaleF y ciD le stosowaE siH do poleceG prowadzB cego wiczenie. NaleF y zachowaE szczególnB ostroF noD , gdyF w przeciwnym wypadku istnieje groU ba poparzenia.
3.1. Klejenie tworzyw sztucznych
Przy pomocy klejenia zostanB poł czone na zakł adkH próbki z blachy stalowej. W celu zbadania wpł ywu sposobu przygotowania powierzchni i warunków klejenia na wytrzymał ci wykonanych oD poł czeG , po utwardzeniu siH kleju zostanie przeprowadzona próba wytrzymał ciowa. oD
4. Literatura
1. LOCTITE Ogólne informacje http://www.multibo.swidnik.pl/multibo.htm dotyczB ce technologii klejenia -
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
11
E ©
D
F
1)9 " 2@£8¡2#67653 4"4 E B S B E © B E
120('%"#!£ ) & $ B B I PQ T C B D E © E © B B B F F B B B
14 Techniki łączenia tworzyw sztucznych - klejenie
Instytut In1 ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych
Techniki ł3 czenia tworzyw sztucznych – klejenie
1. Cel wiczenia
Celem iw czenia zaznajomienie studentów z zagadnieniami dotycz2 cymi metod ł2 czenia tworzyw sztucznych, a tak6 e wykonanie poł2 czenia próbek wybranymi metodami .
2. Okre7 lenie podstawowych zagadnie8 oraz opis metod ł9 czenia.
Tworzywa sztuczne mo6 emy ł2 czy5 poprzez klejenie, poł2 czenia mechaniczne (nity, gwinty, zatrzaski). Tworzywa termoplastyczne mo6 na dodatkowo ł2 czy5 technikami zgrzewania i spawania. Wybór metody ł2 czenia zale6 y od postaci ł2 czonych elementów, zastosowania, warunków eksploatacji a tak6 e od budowy chemicznej i wła@ ciwo@ ci fizycznych ł2 czonych materiałów.
2.1. Klejenie
Klejenie jest to proces łA czenia materiałów polegajA cy na naniesieniu miB dzy łA czone powierzchnie warstwy kleju, który po stwardnieniu trwale łA czy spajane elementy. Wytrzymało@ poł2 czenia zale6 y od rodzaju zastosowanego kleju oraz rodzaju ł2 czonych elementów. Technik2 klejenia mo6 emy trwale ł2 czy5 ze sob2 materiały o ró6 nych wła@ ciwo@ ciach np. tworzywa sztuczne, metale, drewno, szkło itp. Kleje s2 to najczD ciej substancje polimerowe zawieraj2 ce przewa6 nie dodatki takie jak rozpuszczalniki, napełniacze, utwardzacze, plastyfikatory, stabilizatory itp. Kleje mo6 na podzieli5 ze wzglD du na sposób utwardzenia na: rozpuszczalnikowe (po odparowaniu rozpuszczalnika pojawiaj2 siD oddziaływania fizyczne miD dzy cz2 steczkami kleju), reaktywne (w kleju zachodz2 reakcje chemiczne i powstaj2 wi2 zania kowalencyjne miD dzy atomami cz2 steczek kleju), termotopliwe (po obni6 eniu temperatury termoplastyczny klej siD ponownie zestala). 2.1.1. PojB cia adhezji i kohezji. W procesie klejenia wykorzystuje siD dwa zjawiska fizyczne: adhezjD , i kohezjD . Adhezja odpowiedzialna jest za „trzymanie” siD kleju ł2 czonej powierzchni, natomiast kohezja za spójno@ samego kleju tzn. jego wytrzymało@ . Na adhezja wpływaj2 oddziaływania mechaniczne jakie pojawiaj2 siD po wnikniD ciu kleju w mikropory i nierówno@ ci a tak6 e oddziaływania miD dzycz2 steczkowe (siły przyci2 gania Van der Waalsa) a czasami równie6 siły wi2 zaE chemicznych jakie w niektórych przypadkach powstaj2 miD dzy klejem a powierzchni2 ł2 czon2 . Na kohezjD składaj2 siD : siły Van der Waalsa oraz powstanie wi2 zaE chemicznych miedzy łaE cuchami polimerowymi (sieciowanie). ZwiD kszenie sił kohezji nastD puje po utwardzeniu kleju.
Techniki ł2 czenia tworzyw sztucznych – klejenie
C5
C5
!0¢'(!%&%$" !¨¦¤¢ ) ¥©## ¥ © §¥£ ¡ @ ¨ C5
5
4
1
Instytut Ina ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
Rys. 12. Obrazowe przedstawienie adhezji i kohezji.
2.1.2. Warunki powstania prawidł owego zł c za klejowego. Pód niejsza wytrzymał ci zł c za zalef y zarówno od nawilf enia klejem powierzchni (aby oe osib gnb peł kontakt mii dzyczb steczkowy), jak i od jej wł ciwoe ci adhezyjnych. Mof e sii zdarzyg , ny ae e pomimo dobrej adhezji kleju do powierzchni nie został ona dostatecznie zwilf ona co zasadniczo a obnif y poł c zenie. Przy podanym napii ciu powierzchniowym kleju zwilf alnoe zalef y od napii cia powierzchniowego detalu i lepkoe ci kleju. Takf e zanieczyszczenia powierzchni mogb spowodowag obnif enie stopnia jej nawilf enia klejem. Bardzo waf nym aspektem od którego zalef y dobra przyczepnoe jest polarnoe kleju i ego poł c zenia dwóch materiał polarnych, ów substancji sklejanej. Nie mof na uzyskag wytrzymał sklejonych klejem o charakterze niepolarnym i odwrotnie. Sił przycib gania mii dzy róf noimiennymi y biegunami dipoli kleju i podł a sb czi cib ogólnej sił adhezji mii dzy polarnb powierzchnib i polarnym of y klejem. Gdy na powierzchni kleju osib gnie sii zorientowanie przynajmniej wii kszoe ci grup polarnych w kierunku powierzchni klejonej, sił adhezji stajb sii doe znaczne. Zorientowanie takie uzyskuje sii tym y ł atwiej, im wii kszb pł ynnoe wykazuje klej, gdyf wtedy jego czb steczki sb bardziej ruchliwe i ich grupy polarne ł atwiej ulegajb dział siłprzycib gajb cych grup polarnych powierzchni klejonej. aniu Poza odpowiednib przyczepnoe cib istnieje szereg wymagaq stawianych dobrym klejom. A wii c powinny sii one odznaczag dostatecznb spójnoe cib , by poł c zenie klejone wykazywał wystarczajb cb o wytrzymał na dział oe anie czynników mechanicznych. W takiej sytuacji nalef ał raczej stosowag oby kleje na bazie tworzyw termoutwardzalnych. Poza tym klej przeznaczony dla konstrukcji bardziej obcib onych nie powinien wykazywag znaczniejszego pł cia pod wpł ynii ywem dł ugotrwał obcib eq ych statycznych, a jego starzenie powinno byg nieznaczne, aby nie wpł o w powaf niejszym stopniu na ywał jego wł ciwoe ci mechaniczne. Waf nb kwestib jest dobór substancji klejb cej o współ ae czynniku rozszerzalnoe ci cieplnej zblif onym do współ czynnika podł a. Jee li współ of czynniki kleju i podł a róf nib of sii znacznie, to przy zmianach temperatury w spoinie wysti pujb duf e napri enia wewni trzne, mogb ce spowodowag zniszczenie wib zania. Z punktu widzenia mechanicznej teorii przyczepnoe ci substancja klejb ca powinna speł trzy niag warunki: 1) byg ciekł , 2) dobrze zwilf ag sklejane powierzchnie, 3) odznaczag sii zdolnoe cib ti enia, przy czym najistotniejsze znaczenie ma zdolnoe zwilf ania. Zalef y ona przede wszystkim od lepkoe ci i napii cia powierzchniowego. Miarb zwilf alnoe ci powierzchni jest kb t zwilf ania θ, zawarty mii dzy zwilf anb powierzchnib a stycznb do powierzchni zwilf ajb cej cieczy. W miari wzrostu adhezji kleju do y powierzchni kb t zwilf ania maleje af do momentu zrównania sii sił adhezji z sił spójnoe ci kleju. Wtedy kb t ma wartoe równb zeru. Techniki ł c zenia tworzyw sztucznych – klejenie
hf
f ¨
Cg
Cg
b
Cg
VU` IRQXRX !0¢Y(!%&%$W V!R¨¦¤¢F UI T S Q PIH G ¨ f b b pg Cg c e ¨ b pg b
Cg
Cg
b
b
gh
hf
f
2
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad Nacisk, temperatura i czas klejenia s to parametry wywieraj ce wpł na ostateczn yw wytrzymał kleju. Dwa ostatnie czynniki decyduj o tym, kiedy bł zostanie ostatecznie wysuszona o ona lub zestalona. Nacisk natomiast decyduje o grubo ci warstwy klejowej i niekiedy o braku w niej defektów (p cherzyków i sp ka ). 2.1.3. Mechanizmy utwardzania klejów reaktywnych Wi kszo klejów to kleje na bazie polimerów reaktywnych. Wi zanie takich klejów odbywa si poprzez polimeryzacyjne reakcje chemiczne. Obecnie produkuje si wiele klejów o specjalnych mechanizmach utwardzania, przeznaczonych dla ró nych zastosowa . Sposoby utwardzania klejów reaktywnych: a. reakcja anaerobowa b. na wietlanie promieniami uv (tak e jako wtórny system utwardzania) c. reakcja anionowa (cyjanokrylany) d. system aktywacyjny (akrylany modyfikowane) e. utwardzanie wilgoci (silikony, uretany) a) KLEJE UTWARDZANE ANAEROBOWO Kleje anaerobowe to jednoskł adnikowe materiał które utwardzaj si w temperaturze y, pokojowej przy wyeliminowaniu kontaktu z tlenem. Skł adnik utwardzaj cy nie aktywizuje si , dopóki pozostaje w kontakcie z tlenem atmosferycznym. Kiedy klej zostanie pozbawiony dopł tlenu, np. ywu przy monta u cz ci, wówczas utwardzanie nast puje bardzo szybko, szczególnie przy równoczesnym kontakcie z metalem. Proces utwardzania mo na wyobrazi sobie w sposób nast puj cy: kiedy zostanie wył c zony dopł tlenu atmosferycznego, pod wpł yw ywem dział ania jonów metalu (Cu, Fe) powstaj wolne rodniki, które zapocz tkowuj proces polimeryzacji. Pł ynny klej jest w stanie cał kowicie wypeł poł c zenie i wnikn w najdrobniejsze nawet ni szczeliny dzi ki swej kapilarno ci. Nast pnie utwardzony klej "zakleszcza si " w mikronierówno ciach klejonych cz ci. Proces utwardzania jest tak e stymulowany przez kontakt kleju z powierzchniami metalowymi, które dział jak katalizator. Materiał pasywne maj sł aj y abe (lub a dne) wł ciwo ci a katalizuj ce, wymagaj wi c - dla szybkiego i peł nego utwardzenia - zastosowania aktywatorów. W tych przypadkach, jeszcze przed naniesieniem kleju, trzeba pokry aktywatorem jedn lub obie klejone powierzchnie. Nie ma tu konieczno ci mieszania skł adników ani a dnych ogranicze zwi zanych z czasem przydatno ci takiej mieszaniny.
Techniki ł c zenia tworzyw sztucznych – klejenie
uxwx !0¢ (!%&%$ !x¨¦¤¢r u y w vut s h
¨
C
¨
C
3
Instytut Inm ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
Kiedy zostanie zamkniq ty w szczelinie zł c za i pozbawiony kontaktu z tlenem nadtlenki w reakcji z jonami metalu, zamieniajn siq w wolne rodniki.
Nastq pnie wolne rodniki inicjujn polimeryzacyjnych .
formowanie siq
Postap utwardzona przedstawia zwartn strukturq z win zaniami poprzecznymi ł cuchów. ar
Rys. 13. Proces zastygania kleju utwardzanego anaerobowo. Kleje utwardzane poprzez reakcjq anaerobown posiadajn na ogółnastq pujn ce cechy: - bardzo wysoka wytrzymał na c inanie oo - dobra odpornoo na temperaturq (od -55°C do maks. +230°C) - szybkie utwardzanie - poniewas sn jednoskł adnikowe, ł atwo je dozowap dozownikami automatycznymi - nie jest tu konieczna precyzyjna obróbka czq ci; dopuszczalna chropowatoo powierzchni wynosi 8 do 40 µ m (Rz) - równoczesne dział uszczelniajn ce przy doskonał odpornoo ci chemicznej anie ej - dobra odpornoo na wibracje - dobra odpornoo na obcin enia dynamiczne Wpł materiał pasywnych i aktywnych na utwardzanie anaerobowe yw ów
Techniki ł c zenia tworzyw sztucznych – klejenie
Cp
n
Cp
hgl djdj !0¢k(!%&%$i h!d¨¦¤¢ g f e ¨ o o pp hs Cp pC Cp
W stanie pł ynnym klej zachowuje stabilnoo dopł ywowi tlenu
dziq ki stał emu
ł cuchów ar
4
n
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad Materiał aktywne y Szybkie utwardzanie Mosi dz Br z Mied elazo Stal Materiał pasywne y Wolne utwardzanie*) Powł oki Aluminium (z nisk Ceramika Warstwy Szkł o Stal Nikiel Warstwy Tworzywa Srebro Stal Cyna Cynk anodowe zawarto ci Cu) chromowane wysokostopowa tlenkowe sztuczne nierdzewna
*) aktywator przyspiesza proces utwardzania b) KLEJE UTWARDZANE WIATŁEM UV Czas utwardzania tych klejów zale y od nat enia i dł ci fal iw atł UV. Dlatego prawidł ugo a owa polimeryzacja wymaga zawsze doboru ódł promieniowania UV do danego produktu. Promieniowanie ra UV powoduje rozszczepianie fotoinicjatorów. Z kolei tak powstał wolne rodniki rozpoczynaj e polimeryzacj . Procesy utwardzania UV dzieli si na trzy rodzaje: - utwardzanie wskro ne przez promieniowanie UV - utwardzanie powierzchniowe przez promieniowanie UV - wtórne systemy utwardzania
Techniki ł c zenia tworzyw sztucznych – klejenie
~} wzyz !0¢(!%&%$ ~!z¨¦¤¢t }w | { y xwv u ¨
5
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
Rys. 14. Proces zastygania klejów utwardzanych UV.
Utwardzanie wskro ne Dla osi gni cia maksymalnie gł bokiego utwardzenia kleju wskazane s systemy UV, które emituj iw atł o wysokim nat eniu i dł ciach fal rz du od 300 do 400 nm. o ugo Utwardzanie powierzchniowe Utwardzanie powierzchniowe jest szczególnie wa ne przy klejeniu lub zalewaniu materiał ami UV. Je li u yje si nieodpowiednich rodzajów lamp UV, powierzchnia pozostanie lepka. Aby temu zapobiec, ódł promieniowania UV powinno emitowa¢ fale o wysokim nat eniu w zakresie dł ci ro ugo o d fal poni ej 280 nm ( wiatł UVC). Jest to bardzo skuteczne, gdy chce si unikn niepo anej reakcji przy kontakcie klejonej powierzchni z powietrzem atmosferycznym, które hamuje utwardzanie si produktu. Widma promieniowania "wysokoenergetycznych" systemów iw atł UV gwarantuj a niezawodne utwardzanie, nie pozostawiaj c lepkiej powierzchni kleju. Utwardzanie przy pomocy mechanizmów wtórnych W wielu przypadkach iw atł UV nie dociera do wszystkich miejsc pokrytych klejem. Dlatego o opracowano kleje z dodatkowymi systemami utwardzania w przestrzeniach nie obj tych iw atł UV: em - utwardzanie anaerobowe - utwardzanie na gor co - utwardzanie poprzez wilgo¢ z powietrza Techniki ł c zenia tworzyw sztucznych – klejenie
h¢
!0¢(!%&%$ !¨¦¤¢
Ła cuchy polimeryzacyjne poprzeczne
W stanie pł ynnym monomery i fotoinicjatory współ istniej bez adnych interakcji
...fotoinicjatory zmieniaj si w wolne rodniki, które inicjuj a tworzenie si ł cuchów monomeru.
sieciuj
Kiedy zostan poddane dział aniu
iw atł UV ... a
tworz c
wi zania
¡
6
Instytut In² ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad - utwardzanie aktywatorem Jak uprzednio wyja´ niono, utwardzanie klejów UV zaleµ y od dł ci fali i nat¶ enia iw atł na ugo´ a powierzchni klejonej. Tak wi¶ c waµ nym kryterium doboru najwł ciwszego kleju jest stopie· a´ przenikalno´ ci róµ nych materiał dla iw atł UV. Do ł c zenia cz¶ ci wykonanych z PC (poliw¶ glan), ów a PVC (polichlorek winylu) czy podobnych materiał przeznaczone s³ "kleje utwardzane iw atł ów, em widzialnym". Kleje te moµ na utwardza¸ iw atł UVA, lecz znacznie lepszy efekt uzyskuje si¶ , gdy em podda si¶ je dział aniu iw atł o duµ ym nat¶ eniu i dł ci fali okoł 420 nm (´ wiatł widzialne). a ugo´ o o
Kleje utwardzane iw atł UV generalnie charakteryzuj³ si¶ nast¶ puj³ cymi wł em asno´ ciami: - znaczna wytrzymał o´ - wysoka zdolno´ wypeł niania szczelin - bardzo krótkie czasy utwardzania do osi³ gni¶ cia wytrzymał ci r¶ cznej o´ - dobra do bardzo dobrej odporno´ na odowisko r - jako kleje jednoskł adnikowe s³ ł atwe do dozowania w automatycznych systemach nanoszenia c) KLEJE UTWARDZANE POPRZEZ REAKCJ¼ ANIONOW½ (CYJANOAKRYLANY) Jednoskł adnikowe kleje cyjanoakrylowe ulegaj³ polimeryzacji w kontakcie z powierzchniami lekko alkalicznymi. Na ogół wilgotno´ w powietrzu i na klejonych powierzchniach wystarcza, aby w ci³ gu kilku sekund nast³ pił utwardzenie. Wilgotno´ klejonej powierzchni neutralizuje zawarty w kleju o stabilizator, tak wi¶ c polimeryzacja przenosi si¶ z jednej powierzchni na drug³ . Aby jak najszybciej osi³ gn³ wytrzymał r¶ czn³ , naleµ y zredukowa¸ wymiar szczeliny praktycznie do zera. Najlepsze o´ wyniki daj³ warunki robocze, kiedy wzgl¶ dna wilgotno´ otoczenia wynosi 40 do 60% w temperaturze pokojowej. Niµ sza wilgotno´ powoduje wolniejsze utwardzanie; wyµ sza z kolei przyspiesza ten proces, abienie ko· cowej wytrzymał ci kleju. o´ jednak moµ e spowodowa¸ osł
Techniki ł c zenia tworzyw sztucznych – klejenie
C¸
C¸
´ C¸
C¸
C¸
C¸
C¸
C¸
º»
Rys. 15. Przenikalno¹
szkł i tworzyw dla UV. a
´
´
¨ µ
¬± ¦©¨¯©¯ !0¢°(!%&%$® !©¨¦¤¢£ ¬¦ « ª ¨ §¦¥ ¤ ¨ ´ ³ ¨ µ ´ ´ ´ ´
³
¸h
7
Instytut InÍ ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
Rys. 16. Proces utwardzania klejów cyjanoakrylowych.
Po naniesieniu kleju trzeba natychmiast ł c zyÐ czÑ ci, gdyÓ polimeryzacja zaczyna siÑ w ciÎ gu zaledwie kilku sekund. Czas przydatnoÏ ci po nał eniu produktu zaleÓ y od wzglÑ dnej wilgotnoÏ ci oÓ powietrza, wilgotnoÏ ci klejonych powierzchni, rodzaju kleju i temperatury otoczenia. PoniewaÓ kleje cyjanoakrylowe zastygajÎ bardzo szybko, sÎ one szczególnie przydatne do klejenia mał czÑ ci. ych Kleje te naleÓ y nanosiÐ oszczÑ dnie, tylko na jednÎ powierzchniÑ . Najlepszy efekt daje nał enie takiej oÓ tylko iloÏ ci, aby wypeł szczelinÑ . niÐ Jak wyjaÏ niono powyÓ ej, szybkoÏ zastygania zaleÓ y teÓ od wilgotnoÏ ci klejonych powierzchni. JeÏ li chce siÑ przyspieszyÐ proces utwardzania albo uniezaleÓ niÐ od wilgotnoÏ ci otoczenia, moÓ na posł yÐ uÓ siÑ aktywatorami. Przy pomocy aktywatorów moÓ na spowodowaÐ zastygniÑ cie w ciÎ gu sekund nawet cał kropli kleju (np. uÓ ytej do mocowania przewodów elektrycznych) lub jego wypł ej ywki. Kleje cyjanoakrylowe charakteryzujÎ siÑ na ogółnastÑ pujÎ cymi cechami: - bardzo wysoka wytrzymał na c inanie i rozciÎ ganie oÏ - bardzo duÓ a szybkoÏ utwardzania (sekundowe ustalanie) - nadajÎ siÑ do klejenia wiÑ kszoÏ ci materiał ów - dobra odpornoÏ na starzenie
Techniki ł c zenia tworzyw sztucznych – klejenie
¨ Ï
ÈÇÌ ÁÄÃÊÄÊ !0¢Ë(!%&%$É È!Ĩ¦¤¢¾ ÇÁ Æ Å Ã ÂÁÀ ¿
... i rozpoczyna siÑ polimeryzacja.
Stabilizator kwasowy zapobiega wszelkim reakcjom czÎ steczek kleju utrzymujÎ c klej w stanie pł ynnym.
Powstaje wiele ł cuchów polimeryzacyjnych, które sieciujÎ c aÒ ł c z siÑ wzajemnie.
¨ Ï
Î
CÐ
WilgotnoÏ
powierzchniowa neutralizuje stabilizator ...
ÎÎ
Ï pÐ
CÐ
CÐ
CÐ
8
Î
Instytut Inã ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad d) KLEJE UTWARDZANE AKTYWATORAMI (AKRYLOWE MODYFIKOWANE) Przy uå yciu aktywatorów kleje te utwardzajä siæ w temperaturze pokojowej. W zaleå noç ci od rodzaju kleju moå na nakł adaè na klejone powierzchnie osobno klej i aktywator albo teå moå na je uprzednio zmieszaè w mieszalniku statycznym. Do niektórych klejów uå ywa siæ aktywatorów o niskiej lepkoç ci. Tych klejów nigdy nie naleå y uprzednio mieszaè . W tych przypadkach trzeba zawsze oddzielnie nakł adaè klej i aktywator. Proces utwardzania rozpoczyna siæ dopiero po poł c zeniu czæ ci. Eliminujä c pł ynny aktywator opracowano takå e kleje akrylowe z aktywatorami o tej samej konsystencji. Sä tutaj dwa sposoby nanoszenia - osobno kleju i aktywatora: wstæ ga obok wstæ gi albo jedna wstæ ga na drugiej. Kiedy klejone czæ ci zostanä poł c zone, produkt wymiesza siæ pod wpł ywem ruchów podczas montaå u. Jeç li czas przydatnoç ci kleju po zmieszaniu skł adników wynosi 5 lub wiæ cej minut, moå na zastosowaè mieszalnik statyczny. Daje to tæ dogodnoç , e nanosi siæ juå gotowy, wymieszany uprzednio produkt i mieszanie nie jest uzaleå nione od ruchów ł c zonych czæ ci podczas montaå u.
Modyfikowane kleje akrylowe charakteryzujä siæ zwykle nastæ pujä cymi cechami: - bardzo wysoka odpornoç na c inanie i rozciä ganie - duå a odpornoç na uderzenia - szeroki zakres temperatur pracy (-55°C do +120°C) - mogä kleiè prawie wszystkie materiał y - dobra zdolnoç wypeł niania szczelin (szczególnie wstæ pnie mieszane) odowiskowa r - dobra odpornoç Typowe zastosowania to klejenie gł ników i klejenie magnesów. oç e) KLEJE UTWARDZANE WILGOTNOð CIñ OTOCZENIA Te kleje/uszczelniacze polimeryzujä (w wiæ kszoç ci przypadków) poprzez reakcjæ z wilgociä atmosferycznä . Do tej kategorii naleå dwa gł ówne typy chemiczne: Silikony: Wulkanizacja tych materiał nastæ puje w temperaturze pokojowej poprzez reakcjæ z wilgociä ów otoczenia (RTV - Room Temperature Vulcanizing). W porównaniu z reakcjä anionowä cyjanoakrylanów, gdzie wilgoè neutralizuje stabilizator, silikony potrzebujä przy sieciowaniu czä steczek wody. Znaczy to, e wilgoè musi przeniknä do silikonu, do miejsca, gdzie nastæ puje wulkanizacja. Kiedy czä steczki silikonu poł c z siæ z czä steczkä wody, powstanie produkt uboczny. W zaleå noç ci od skł adu chemicznego, wył oniony produkt uboczny moå e byè kwaç ny (np. kwas octowy), zasadowy (np. amina) lub neutralny (np. oksym lub alkohol). Szybkoç utwardzania tych klejów zaleå y przede wszystkim od wilgotnoç ci wzglæ dnej.
Techniki ł c zenia tworzyw sztucznych – klejenie
»êîì
íêCì
Rys. 17. Zaleé nie od potrzeb, moé na wybraê metodë a) lub b). W kaé dym przypadku czë trzeba nanieì w taki sposób, aby obie wymieszał sië podczas ł c zenia. y
A i czë
B produktu
ç¨
ä
ÞÝâ ×ÚÙàÚà !0¢á(!%&%$ß Þ!Ú¨¦¤¢Ô Ý× Ü Û Ù Ø×Ö Õ ¨ ç ä å Cè ï ä òä ç Cè ç¨ hè ç Cè Cè
Cè
ää
Ȑ
ä
Cè
å
9
Instytut In¤ ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad Z uwagi na natur¦ mechanizmu utwardzania wulkanizacja silikonów przebiega od strony zewn¦ trznej do wn¦ trza szczeliny klejowej. Wobec konieczno§ ci dotarcia wilgoci do miejsca sieciowania, gł boko§ utwardzania ogranicza si¦ do 10-15 mm. Elastomery silikonowe (albo utwardzone silikony) charakteryzuj¥ si¦ na ogółnast¦ puj¥ cymi cechami: - doskonał odporno§ cieplna (ponad 230°C) a - elastyczno§ , wytrzymał , znaczna wydł alno§ o§ u - niski do redniego modułspr¦ ysto§ ci - skuteczne uszczelnienie przy ró nych rodzajach pł ynów - doskonał wypeł e nianie szczelin
Rys. 18. Typowe zł cze klejone silikonem. Typowe zastosowania silikonów: Zastosowanie Dodatkowy mechanizm utwardzania Uszczelnianie powierzchni i uszczelnianie w przemy§ le samochodowym Uszczelnianie odporne na wysokie temperatury Uszczelnianie i klejenie (szczególnie mał cz¦ ci) ych Utwardzanie wiatł UV em Uszczelnianie i zalewanie (neutralny produkt uboczny) Powlekanie elektronicznych pł drukowanych ytek Utwardzanie wiatł UV em Poliuretany: Poliuretany sieciuj¥ (w wi¦ kszo§ ci przypadków) poprzez mechanizm, w którym woda wchodzi w reakcj¦ z dodatkiem zawieraj¥ cym grupy izocyjanianowe. Jak przy utwardzaniu silikonów cz¥ steczka wody musi wnikn¥ w klej w miejsce, gdzie zachodzi sieciowanie. Jest to proces analogiczny jak przy silikonach, tyle e nie nast¦ puje tu wydzielanie do rodowiska produktu ubocznego. Szybko§ utwardzania jest tak e zale na od wilgotno§ ci wzgl¦ dnej. Poliuretany charakteryzuj¥ si¦ na ogółnast¦ puj¥ cymi cechami: - doskonał wytrzymał a o§ - elastyczno§ - doskonał wypeł e nianie szczeliny - po utwardzeniu nadaj¥ si¦ do malowania - doskonał odporno§ chemiczna a Aby uzyska¨ jak najlepsz¥ i najtrwalsz¥ adhezj¦ zaleca si¦ stosowanie odpowiednich zmywaczy i adu musi by¨ dostosowany do rodzaju podkł adów (§ rodki poprawiaj¥ ce adhezj¦ ). Rodzaj podkł powierzchni. Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie 10
¨ ©
¨ ©
¦
ýü¢ öùøÿùÿ !0£ ¡!%&%$þ ý!ù¨¦¤¢ó üö û ú ø ÷öõ ô
§ § § ¨ © § ¨ © ¨ © ¨ © ¨ © ¥
¨
© ¨ © ¨
§
¥
Instytut InA ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad 2.1.4. Charakterystyka zł czy klejowych Wytrzymał zł czy klejowych zaleF y m.in. równieF od typu poł czenia i rodzaju dział cych oD ajB obciB eG poł czenia (rys. 19). NajwiH kszB wytrzymał zł cza klejowe wykazujB na cinanie i tak oD naleF y planowaE w miarH moF liwoD ci geometrie zł cza. Zdecydowanie nie powinny pracowaE na oddzieranie, gdyF niezaleF nie od wielkoD ci zł cza nastB pi jego zniszczenie. PorównaE to moF na np. do odrywania taD my klejB cej od powierzchni, do której został przyklejona. GdybyD my próbowali oderwaE a jB dział c sił wzdł tej powierzchni to nastB pił by zerwanie taD my przed jej odklejeniem. ajB uF o ObciB enia odrywajB ce pojawiB siH wtedy, gdy sił przył ona jest osiowo i dział prostopadle do a oF a zł cza. Jest to przypadek, rzadko pojawiajB cy siH w praktyce, gdyF nawet nieznaczna nieosiowoD dział cych sił spowoduje pojawienie siH momentu sił i w rezultacie naprH eG zł onych, na które ajB oF poł czenie klejowe jest mniej wytrzymał e.
Rys. 19. Podstawowe rodzaje obciI eR poł czeR klejowych: a) odrywajI ce, b) cinajI ce, c) oddziarajI ce
3. Sposób wykonania wiczenia
Instrukcja obsł urzB dzeG wraz z danymi technicznymi oraz uwagami dotyczB cymi BHP ugi ugiwanie urzB dzeG do spawania i zgrzewania jest powinna znajdowaE siH na stanowisku. Obsł dozwolone tylko w obecnoD ci prowadzB cego wiczenie po uprzednim zapoznaniu siH z instrukcjB lub przeszkoleniu. NaleF y ciD le stosowaE siH do poleceG prowadzB cego wiczenie. NaleF y zachowaE szczególnB ostroF noD , gdyF w przeciwnym wypadku istnieje groU ba poparzenia.
3.1. Klejenie tworzyw sztucznych
Przy pomocy klejenia zostanB poł czone na zakł adkH próbki z blachy stalowej. W celu zbadania wpł ywu sposobu przygotowania powierzchni i warunków klejenia na wytrzymał ci wykonanych oD poł czeG , po utwardzeniu siH kleju zostanie przeprowadzona próba wytrzymał ciowa. oD
4. Literatura
1. LOCTITE Ogólne informacje http://www.multibo.swidnik.pl/multibo.htm dotyczB ce technologii klejenia -
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
11
E ©
D
F
1)9 " 2@£8¡2#67653 4"4 E B S B E © B E
120('%"#!£ ) & $ B B I PQ T C B D E © E © B B B F F B B B
