pobieranie: 14 Techniki łączenia tworzyw sztucznych - klejenie
Pobierz dokument pdfPrzeglądaj wersję html pliku:
Instytut In ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
1. Cel wiczenia
Celem wiczenia zaznajomienie studentów z zagadnieniami dotycz cymi metod ł czenia tworzyw sztucznych, a tak e wykonanie poł czenia próbek wybranymi metodami .
2. Okre lenie podstawowych zagadnie oraz opis metod ł czenia.
Tworzywa sztuczne mo emy ł czy poprzez klejenie, poł czenia mechaniczne (nity, gwinty, zatrzaski). Tworzywa termoplastyczne mo na dodatkowo ł czy technikami zgrzewania i spawania. Wybór metody ł czenia zale y od postaci ł czonych elementów, zastosowania, warunków eksploatacji a tak e od budowy chemicznej i wła ciwo ci fizycznych ł czonych materiałów.
2.1. Klejenie
Klejenie jest to proces ł czenia materiałów polegaj cy na naniesieniu mi dzy ł czone powierzchnie warstwy kleju, który po stwardnieniu trwale ł czy spajane elementy. Wytrzymało poł czenia zale y od rodzaju zastosowanego kleju oraz rodzaju ł czonych elementów. Technik klejenia mo emy trwale ł czy ze sob materiały o ró nych wła ciwo ciach np. tworzywa sztuczne, metale, drewno, szkło itp. Kleje s to najcz ciej substancje polimerowe zawieraj ce przewa nie dodatki takie jak rozpuszczalniki, napełniacze, utwardzacze, plastyfikatory, stabilizatory itp. Kleje mo na podzieli ze wzgl du na sposób utwardzenia na: rozpuszczalnikowe (po odparowaniu rozpuszczalnika pojawiaj si oddziaływania fizyczne mi dzy cz steczkami kleju), reaktywne (w kleju zachodz reakcje chemiczne i powstaj wi zania kowalencyjne mi dzy atomami cz steczek kleju), termotopliwe (po obni eniu temperatury termoplastyczny klej si ponownie zestala). 2.1.1. Poj cia adhezji i kohezji. W procesie klejenia wykorzystuje si dwa zjawiska fizyczne: adhezj , i kohezj . Adhezja odpowiedzialna jest za „trzymanie” si kleju ł czonej powierzchni, natomiast kohezja za spójno samego kleju tzn. jego wytrzymało . Na adhezja wpływaj oddziaływania mechaniczne jakie pojawiaj si po wnikni ciu kleju w mikropory i nierówno ci a tak e oddziaływania mi dzycz steczkowe (siły przyci gania Van der Waalsa) a czasami równie siły wi za chemicznych jakie w niektórych przypadkach powstaj mi dzy klejem a powierzchni ł czon . Na kohezj składaj si : siły Van der Waalsa oraz powstanie wi za chemicznych miedzy ła cuchami polimerowymi (sieciowanie). Zwi kszenie sił kohezji nast puje po utwardzeniu kleju.
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
2 C5@
2 C5@
6
D
A
2
D
B
D 2
2
2
9
D
2
D
D 2 2 D 2
1 !0¢'(!%&%$" !¨¦¤¢ ) ¥ © # # ¥ © §¥£ ¡ D @ @ 2 2 E 2 5 2 A E 2 2 2 A 6 2 2 6 8 6 @ @ ¨D 2 D @ @ 2 6 6 5 2 6 2 2 D 2 2 C5@ E 2 5 2 A D 6 D 6 D 2 5 2 2
3
6
5
2
D
6
D
B
7
2
4
6
2
6
D
2
D
1
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
Rys. 12. Obrazowe przedstawienie adhezji i kohezji.
2.1.2. Warunki powstania prawidł owego zł cza klejowego. Pó niejsza wytrzymał ci zł cza zale y zarówno od nawil enia klejem powierzchni (aby o osi gn peł kontakt mi dzycz steczkowy), jak i od jej wł ciwo ci adhezyjnych. Mo e si zdarzy , ny a e pomimo dobrej adhezji kleju do powierzchni nie został ona dostatecznie zwil ona co zasadniczo a obni y poł czenie. Przy podanym napi ciu powierzchniowym kleju zwil alno zale y od napi cia powierzchniowego detalu i lepko ci kleju. Tak e zanieczyszczenia powierzchni mog spowodowa obni enie stopnia jej nawil enia klejem. Bardzo wa nym aspektem od którego zale y dobra przyczepno jest polarno kleju i ego poł czenia dwóch materiał polarnych, ów substancji sklejanej. Nie mo na uzyska wytrzymał sklejonych klejem o charakterze niepolarnym i odwrotnie. Sił przyci gania mi dzy ró noimiennymi y biegunami dipoli kleju i podł a s cz ci ogólnej sił adhezji mi dzy polarn powierzchni i polarnym o y klejem. Gdy na powierzchni kleju osi gnie si zorientowanie przynajmniej wi kszo ci grup polarnych w kierunku powierzchni klejonej, sił adhezji staj si do znaczne. Zorientowanie takie uzyskuje si tym y ł atwiej, im wi ksz pł ynno wykazuje klej, gdy wtedy jego cz steczki s bardziej ruchliwe i ich grupy aniu polarne ł atwiej ulegaj dział siłprzyci gaj cych grup polarnych powierzchni klejonej. Poza odpowiedni przyczepno ci istnieje szereg wymaga stawianych dobrym klejom. A wi c powinny si one odznacza dostateczn spójno ci , by poł czenie klejone wykazywał wystarczaj c o wytrzymał na dział o anie czynników mechanicznych. W takiej sytuacji nale ał raczej stosowa oby kleje na bazie tworzyw termoutwardzalnych. Poza tym klej przeznaczony dla konstrukcji bardziej obci onych nie powinien wykazywa znaczniejszego pł cia pod wpł yni ywem dł ugotrwał obci e ych statycznych, a jego starzenie powinno by nieznaczne, aby nie wpł o w powa niejszym stopniu na ywał czynniku jego wł ciwo ci mechaniczne. Wa n kwesti jest dobór substancji klej cej o współ a rozszerzalno ci cieplnej zbli onym do współ czynnika podł a. Je li współ o czynniki kleju i podł a ró ni o si znacznie, to przy zmianach temperatury w spoinie wyst puj du e napr enia wewn trzne, mog ce spowodowa zniszczenie wi zania. Z punktu widzenia mechanicznej teorii przyczepno ci substancja klej ca powinna speł trzy nia warunki: 1) by ciekł , 2) dobrze zwil a sklejane powierzchnie, 3) odznacza si zdolno ci t enia, przy czym najistotniejsze znaczenie ma zdolno zwil ania. Zale y ona przede wszystkim od lepko ci i napi cia powierzchniowego. Miar zwil alno ci powierzchni jest k t zwil ania θ, zawarty mi dzy zwil an powierzchni a styczn do powierzchni zwil aj cej cieczy. W miar wzrostu adhezji kleju do y powierzchni k t zwil ania maleje a do momentu zrównania si sił adhezji z sił spójno ci kleju. Wtedy k t ma warto równ zeru. Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie 2
g
g
q hfb
bb i
e b i f i b f b i f b e f b e f f Cge f ¨i b e i g gf g b e b b i ¨i f b i f b f f e f f b b bf
g
i
i
Cge
i f
b
f
b
f
f
e i b
f
i
Cge f
f
Cge
a V U ` I R Q X R X !0¢Y(!%&%$W V!R¨¦¤¢F UI T S Q PIH G b b f e e q i b b b i f pge i b f b e b b e b b f f c i g g b b ¨i b f e i b i b e g e f g pge f b b b b f f
b g g e e e
b i
Cge b
Cge
d
f b f f ghb b i b b f i hfb i b
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 czony 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 czenie 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 adne) 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 adnych ogranicze zwi zanych z czasem przydatno ci takiej mieszaniny.
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
3
C u x w x !0¢ (!%&%$ !x¨¦¤¢r u y w vut s h ¨ ¨
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
C
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
Kiedy zostanie zamkni ty w szczelinie zł cza i pozbawiony kontaktu z tlenem nadtlenki w reakcji z jonami metalu, zamieniaj si w wolne rodniki.
Posta utwardzona przedstawia zwart struktur z wi zaniami poprzecznymi ł cuchów. a
Rys. 13. Proces zastygania kleju utwardzanego anaerobowo. Kleje utwardzane poprzez reakcj anaerobow posiadaj na ogółnast puj ce cechy: - bardzo wysoka wytrzymał na cinanie o - dobra odporno na temperatur (od -55°C do maks. +230°C) - szybkie utwardzanie - poniewa s jednoskł adnikowe, ł atwo je dozowa dozownikami automatycznymi - nie jest tu konieczna precyzyjna obróbka cz ci; dopuszczalna chropowato powierzchni wynosi 8 do 40 µ m (Rz) - równoczesne dział uszczelniaj ce przy doskonał odporno ci chemicznej anie ej - dobra odporno na wibracje - dobra odporno na obci enia dynamiczne Wpł materiał pasywnych i aktywnych na utwardzanie anaerobowe yw ów
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
r q
n
q
Cpo
n
n q
n
Nast pnie wolne rodniki inicjuj polimeryzacyjnych .
formowanie si
q Cpo
n
m h g l d j d j !0¢k(!%&%$i h!d¨¦¤¢ g f e o q r n p q n ¨q o p n q n q o ppo q hsn Cpo pCo Cpo
W stanie pł ynnym klej zachowuje stabilno dopł ywowi tlenu
dzi ki stał emu
ł cuchów a
n s
4
n
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad Materiał aktywne y Szybkie utwardzanie Mosi dz Br z Mied elazo Stal Materiał pasywne y Wolne utwardzanie*) anodowe zawarto ci Cu) chromowane wysokostopowa tlenkowe sztuczne nierdzewna
*) aktywator przyspiesza proces utwardzania b) KLEJE UTWARDZANE WIATŁEM UV Czas utwardzania tych klejów zale y od nat enia i dł ci fal wiatł UV. Dlatego prawidł ugo a owa polimeryzacja wymaga zawsze doboru ródł promieniowania UV do danego produktu. Promieniowanie a UV powoduje rozszczepianie fotoinicjatorów. Z kolei tak powstał wolne rodniki rozpoczynaj e polimeryzacj . Procesy utwardzania UV dzieli si na trzy rodzaje: - utwardzanie wskro ne przez promieniowanie UV - utwardzanie powierzchniowe przez promieniowanie UV - wtórne systemy utwardzania
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
5
~ } w z y z !0¢(!%&%$ ~!z¨¦¤¢t }w | { y xwv u
Powł oki Aluminium (z nisk Ceramika Warstwy Szkł o Stal Nikiel Warstwy Tworzywa Srebro Stal Cyna Cynk
¨
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
Kiedy zostan poddane dział aniu wiatł UV ... a
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 wiatł 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, ródł promieniowania UV powinno emitowa fale o wysokim nat eniu w zakresie dł ci o ugo o fal poni ej 280 nm ( wiatł UVC). Jest to bardzo skuteczne, gdy chce si unikn niepo danej reakcji przy kontakcie klejonej powierzchni z powietrzem atmosferycznym, które hamuje utwardzanie si produktu. Widma promieniowania "wysokoenergetycznych" systemów wiatł UV gwarantuj a niezawodne utwardzanie, nie pozostawiaj c lepkiej powierzchni kleju. Utwardzanie przy pomocy mechanizmów wtórnych W wielu przypadkach wiatł UV nie dociera do wszystkich miejsc pokrytych klejem. Dlatego o opracowano kleje z dodatkowymi systemami utwardzania w przestrzeniach nie obj tych wiatł UV: em - utwardzanie anaerobowe - utwardzanie na gor co - utwardzanie poprzez wilgo z powietrza Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie 6
h¢
Ła cuchy polimeryzacyjne poprzeczne
sieciuj
tworz c
wi zania
...fotoinicjatory zmieniaj si w wolne rodniki, które inicjuj a tworzenie si ł cuchów monomeru.
!0¢(!%&%$ !¨¦¤¢ ¢ ¢
W stanie pł ynnym monomery i fotoinicjatory współ istniej bez adnych interakcji
¡
- utwardzanie aktywatorem Jak uprzednio wyja niono, utwardzanie klejów UV zale y od dł ci fali i nat enia wiatł na ugo a powierzchni klejonej. Tak wi c wa nym kryterium doboru najwł ciwszego kleju jest stopie a przenikalno ci ró nych materiał dla wiatł UV. Do ł czenia cz ci wykonanych z PC (poliw glan), ów a PVC (polichlorek winylu) czy podobnych materiał przeznaczone s "kleje utwardzane wiatł ów, em widzialnym". Kleje te mo na utwardza wiatł UVA, lecz znacznie lepszy efekt uzyskuje si , gdy em podda si je dział aniu wiatł o du ym nat eniu i dł ci fali okoł 420 nm ( wiatł widzialne). a ugo o o
Kleje utwardzane wiatł UV generalnie charakteryzuj si nast puj cymi wł em asno ciami: - znaczna wytrzymał o - wysoka zdolno wypeł niania szczelin - bardzo krótkie czasy utwardzania do osi gni cia wytrzymał ci r cznej o - dobra do bardzo dobrej odporno na rodowisko - jako kleje jednoskł adnikowe s ł atwe do dozowania w automatycznych systemach nanoszenia c) KLEJE UTWARDZANE POPRZEZ REAKCJ ANIONOW (CYJANOAKRYLANY) Jednoskł adnikowe kleje cyjanoakrylowe ulegaj polimeryzacji w kontakcie z powierzchniami lekko alkalicznymi. Na ogół wilgotno w powietrzu i na klejonych powierzchniach wystarcza, aby w ci gu kilku sekund nast pił utwardzenie. Wilgotno klejonej powierzchni neutralizuje zawarty w kleju o stabilizator, tak wi c polimeryzacja przenosi si z jednej powierzchni na drug . Aby jak najszybciej osi gn wytrzymał r czn , nale y zredukowa wymiar szczeliny praktycznie do zera. Najlepsze o wyniki daj warunki robocze, kiedy wzgl dna wilgotno otoczenia wynosi 40 do 60% w temperaturze pokojowej. Ni sza wilgotno powoduje wolniejsze utwardzanie; wy sza z kolei przyspiesza ten proces, abienie ko cowej wytrzymał ci kleju. o jednak mo e spowodowa osł
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
´
³
³ ¶
¶ ´
µ
½
¶ ³
´
³
C¸´
C¸´
¸
¶ ³
¶
¼
´ C¸´
¶
·
C¸´
µ
³
¸ C¸´ ³ ¶ C¸´
C¸´
³
C¸´
º»¹
Rys. 15. Przenikalno
szkł i tworzyw dla UV. a
7
·
¶
¶
´
´
¨¶ µ
´ ´ ¨¶ µ µ ´ ¶ ´¸ µ ³ ¨¶ ´ ³ ´ µ ´ ´ µ ¶ ´ µ ´ ² ¬ ± ¦ © ¨ ¯ © ¯ !0¢°(!%&%$® !©¨¦¤¢£ ¬¦ « ª ¨ §¦¥ ¤ ¶ ´ µ µ ³ ³
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
¸h³ ³
³
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
... i rozpoczyna si polimeryzacja.
Powstaje wiele ł cuchów polimeryzacyjnych, które sieciuj c a ł cz si wzajemnie.
Rys. 16. Proces utwardzania klejów cyjanoakrylowych.
Po naniesieniu kleju trzeba natychmiast ł czy cz ci, gdy polimeryzacja zaczyna si w ci gu zaledwie kilku sekund. Czas przydatno ci po nał eniu produktu zale y od wzgl dnej wilgotno ci o powietrza, wilgotno ci klejonych powierzchni, rodzaju kleju i temperatury otoczenia. Poniewa kleje cyjanoakrylowe zastygaj bardzo szybko, s one szczególnie przydatne do klejenia mał cz ci. ych Kleje te nale y nanosi oszcz dnie, tylko na jedn powierzchni . Najlepszy efekt daje nał enie takiej o tylko ilo ci, aby wypeł szczelin . ni Jak wyja niono powy ej, szybko zastygania zale y te od wilgotno ci klejonych powierzchni. Je li u chce si przyspieszy proces utwardzania albo uniezale ni od wilgotno ci otoczenia, mo na posł y si aktywatorami. Przy pomocy aktywatorów mo na spowodowa zastygni cie w ci gu sekund nawet cał kropli kleju (np. u ytej do mocowania przewodów elektrycznych) lub jego wypł ej ywki. Kleje cyjanoakrylowe charakteryzuj si na ogółnast puj cymi cechami: - bardzo wysoka wytrzymał na cinanie i rozci ganie o - bardzo du a szybko utwardzania (sekundowe ustalanie) - nadaj si do klejenia wi kszo ci materiał ów - dobra odporno na starzenie
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
ÐÓ
Ï
Î
Ï
¨Ñ Ï Ó Î Ñ
Ó
Ó
Ñ
Î
Ñ
Ó
Ï
Ï
Ó
Ð
Ñ
Ð Ó Ó Ó
Ó ¨Ñ Ð Î Ï
Ò
Î Ñ
Ñ
Î
Î
Ó
CÐÏ
Wilgotno
powierzchniowa neutralizuje stabilizator ...
Î
Í È Ç Ì Á Ä Ã Ê Ä Ê !0¢Ë(!%&%$É È!Ĩ¦¤¢¾ ÇÁ Æ Å Ã ÂÁÀ ¿ Î Ñ Î Î Î Ï Ï Ñ CÐÏ Ï pÐÏ Ñ Î CÐÏ Ñ Ñ Î Ð Ð Ó Ó Ð CÐÏ Ï
Stabilizator kwasowy zapobiega wszelkim reakcjom cz steczek kleju utrzymuj c klej w stanie pł ynnym.
Ó
Ñ Î
Ó
Î
Ï
Ï
Ñ
Ñ
8
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad d) KLEJE UTWARDZANE AKTYWATORAMI (AKRYLOWE MODYFIKOWANE) Przy u yciu aktywatorów kleje te utwardzaj si w temperaturze pokojowej. W zale no ci od rodzaju kleju mo na nakł ada na klejone powierzchnie osobno klej i aktywator albo te mo na je uprzednio zmiesza w mieszalniku statycznym. Do niektórych klejów u ywa si aktywatorów o niskiej lepko ci. Tych klejów nigdy nie nale y uprzednio miesza . W tych przypadkach trzeba zawsze oddzielnie nakł ada klej i aktywator. Proces utwardzania rozpoczyna si dopiero po poł czeniu cz ci. Eliminuj c pł ynny aktywator opracowano tak e kleje akrylowe z aktywatorami o tej samej konsystencji. S tutaj dwa sposoby nanoszenia - osobno kleju i aktywatora: wst ga obok wst gi albo jedna wst ga na drugiej. Kiedy klejone cz ci zostan poł czone, produkt wymiesza si pod wpł ywem ruchów podczas monta u. Je li czas przydatno ci kleju po zmieszaniu skł adników wynosi 5 lub wi cej minut, mo na zastosowa mieszalnik statyczny. Daje to t dogodno , e nanosi si ju gotowy, wymieszany uprzednio produkt i mieszanie nie jest uzale nione od ruchów ł czonych cz ci podczas monta u.
Modyfikowane kleje akrylowe charakteryzuj si zwykle nast puj cymi cechami: - bardzo wysoka odporno na cinanie i rozci ganie - du a odporno na uderzenia - szeroki zakres temperatur pracy (-55°C do +120°C) y - mog klei prawie wszystkie materiał - dobra zdolno wypeł niania szczelin (szczególnie wst pnie mieszane) - dobra odporno rodowiskowa Typowe zastosowania to klejenie gł ników i klejenie magnesów. o e) KLEJE UTWARDZANE WILGOTNO CI OTOCZENIA Te kleje/uszczelniacze polimeryzuj (w wi kszo ci przypadków) poprzez reakcj z wilgoci atmosferyczn . Do tej kategorii nale dwa gł ówne typy chemiczne: Silikony: Wulkanizacja tych materiał nast puje w temperaturze pokojowej poprzez reakcj z wilgoci ów otoczenia (RTV - Room Temperature Vulcanizing). W porównaniu z reakcj anionow cyjanoakrylanów, gdzie wilgo neutralizuje stabilizator, silikony potrzebuj przy sieciowaniu cz steczek wody. Znaczy to, e wilgo musi przenikn do silikonu, do miejsca, gdzie nast puje wulkanizacja. Kiedy cz steczki silikonu poł cz si z cz steczk wody, powstanie produkt uboczny. W zale no ci od skł adu chemicznego, wył oniony produkt uboczny mo e by kwa ny (np. kwas octowy), zasadowy (np. amina) lub neutralny (np. oksym lub alkohol). Szybko utwardzania tych klejów zale y przede wszystkim od wilgotno ci wzgl dnej.
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
9
ä
ä
ä
»êîìë
æ
æ
ç å
ä
íêCìë
Rys. 17. Zale nie od potrzeb, mo na wybra metod a) lub b). W ka dym przypadku cz trzeba nanie w taki sposób, aby obie wymieszał si podczas ł czenia. y
A i cz
B produktu
æ
ç¨æ
å å ç å å æ
ä
æ
å æ
æ
æ
æ
ã Þ Ý â × Ú Ù à Ú à !0¢á(!%&%$ß Þ!Ú¨¦¤¢Ô Ý× Ü Û Ù Ø×Ö Õ ä ¨æ ç ä å ç æ æ æ ä å Cèç ä æ é ï è æ ç æ ç è å æ ä ä æ ä ëë ä ä æ ä ä å å ñ ð ê ç å å æ òäå ç ä ç Cèç ç¨æ é è ä hèä ç Cèç ç Cèç è è è
æ ä ä
Cèç
å
å
å
è ä
ä
é»êì
è
ä
è
Cèç
ä
å
ç
å
ä
å
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
¨ ©§
¨ ©§
¦
¥
¦
¥
¦
ý ü ¢ ö ù ø ÿ ù ÿ !0£ ¡!%&%$þ ý!ù¨¦¤¢ó üö û ú ø ÷öõ ô
¨ § § ¦ ¥ ¦ § § ¨ ©§ ¦ ¦ ¦ § ¥ § ¦ § ¦ ¥ § § ¦ ¦ ¨ ©§ ¥ ¥ ¦ ¦ ¦ ¨ ©§ ¥ ¥ ¥ ¤ ¥ ¨ ©§ ¨ ©§ ¦ ¥
¨ ¥
¦
©§ ¨
©§ ¨
§
§
¨
¥
¦
¦
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad 2.1.4. Charakterystyka zł czy klejowych Wytrzymał zł czy klejowych zale y m.in. równie od typu poł czenia i rodzaju dział cych o aj obci e poł czenia (rys. 19). Najwi ksz wytrzymał zł cza klejowe wykazuj na cinanie i tak o nale y planowa w miar mo liwo ci geometrie zł cza. Zdecydowanie nie powinny pracowa na oddzieranie, gdy niezale nie od wielko ci zł cza nast pi jego zniszczenie. Porówna to mo na np. do odrywania ta my klej cej od powierzchni, do której został przyklejona. Gdyby my próbowali oderwa a j dział c sił wzdł tej powierzchni to nast pił by zerwanie ta my przed jej odklejeniem. aj u o Obci enia odrywaj ce pojawi si wtedy, gdy sił przył ona jest osiowo i dział prostopadle do a o a zł cza. Jest to przypadek, rzadko pojawiaj cy si w praktyce, gdy nawet nieznaczna nieosiowo dział cych sił spowoduje pojawienie si momentu sił i w rezultacie napr e zł onych, na które aj o poł czenie klejowe jest mniej wytrzymał e.
Rys. 19. Podstawowe rodzaje obci e poł cze klejowych: a) odrywaj ce, b) cinaj ce, c) oddziaraj ce
3. Sposób wykonania wiczenia
Instrukcja obsł urz dze wraz z danymi technicznymi oraz uwagami dotycz cymi BHP ugi ugiwanie urz dze do spawania i zgrzewania jest powinna znajdowa si na stanowisku. Obsł dozwolone tylko w obecno ci prowadz cego wiczenie po uprzednim zapoznaniu si z instrukcj lub przeszkoleniu. Nale y ci le stosowa si do polece prowadz cego wiczenie. Nale y zachowa szczególn ostro no , gdy w przeciwnym wypadku istnieje gro ba poparzenia.
3.1. Klejenie tworzyw sztucznych
Przy pomocy klejenia zostan poł czone na zakł adk próbki z blachy stalowej. W celu zbadania wpł ywu sposobu przygotowania powierzchni i warunków klejenia na wytrzymał ci wykonanych o poł cze , po utwardzeniu si kleju zostanie przeprowadzona próba wytrzymał ciowa. o
4. Literatura
B
1. LOCTITE Ogólne informacje http://www.multibo.swidnik.pl/multibo.htm dotycz ce technologii klejenia -
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
11
E
E
E ©D
E
B
B
F
I
B
F
D
D
F
H
E
B
G H F
D
D
I
1 ) 9 " 2@£8¡2#67653 4 " 4 D E B S F G B I U B B F F H E ©D G B B B H E
120('%"#!£ ) & $ B F B R H B H B D I B E H D G B H R PQI F T B B H F D C D D H F A B F H E ©D B E ©D F B E F F E B B D B B B F G B F G B F B B B B B
14 Techniki łączenia tworzyw sztucznych - klejenie
Instytut In ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
1. Cel wiczenia
Celem wiczenia zaznajomienie studentów z zagadnieniami dotycz cymi metod ł czenia tworzyw sztucznych, a tak e wykonanie poł czenia próbek wybranymi metodami .
2. Okre lenie podstawowych zagadnie oraz opis metod ł czenia.
Tworzywa sztuczne mo emy ł czy poprzez klejenie, poł czenia mechaniczne (nity, gwinty, zatrzaski). Tworzywa termoplastyczne mo na dodatkowo ł czy technikami zgrzewania i spawania. Wybór metody ł czenia zale y od postaci ł czonych elementów, zastosowania, warunków eksploatacji a tak e od budowy chemicznej i wła ciwo ci fizycznych ł czonych materiałów.
2.1. Klejenie
Klejenie jest to proces ł czenia materiałów polegaj cy na naniesieniu mi dzy ł czone powierzchnie warstwy kleju, który po stwardnieniu trwale ł czy spajane elementy. Wytrzymało poł czenia zale y od rodzaju zastosowanego kleju oraz rodzaju ł czonych elementów. Technik klejenia mo emy trwale ł czy ze sob materiały o ró nych wła ciwo ciach np. tworzywa sztuczne, metale, drewno, szkło itp. Kleje s to najcz ciej substancje polimerowe zawieraj ce przewa nie dodatki takie jak rozpuszczalniki, napełniacze, utwardzacze, plastyfikatory, stabilizatory itp. Kleje mo na podzieli ze wzgl du na sposób utwardzenia na: rozpuszczalnikowe (po odparowaniu rozpuszczalnika pojawiaj si oddziaływania fizyczne mi dzy cz steczkami kleju), reaktywne (w kleju zachodz reakcje chemiczne i powstaj wi zania kowalencyjne mi dzy atomami cz steczek kleju), termotopliwe (po obni eniu temperatury termoplastyczny klej si ponownie zestala). 2.1.1. Poj cia adhezji i kohezji. W procesie klejenia wykorzystuje si dwa zjawiska fizyczne: adhezj , i kohezj . Adhezja odpowiedzialna jest za „trzymanie” si kleju ł czonej powierzchni, natomiast kohezja za spójno samego kleju tzn. jego wytrzymało . Na adhezja wpływaj oddziaływania mechaniczne jakie pojawiaj si po wnikni ciu kleju w mikropory i nierówno ci a tak e oddziaływania mi dzycz steczkowe (siły przyci gania Van der Waalsa) a czasami równie siły wi za chemicznych jakie w niektórych przypadkach powstaj mi dzy klejem a powierzchni ł czon . Na kohezj składaj si : siły Van der Waalsa oraz powstanie wi za chemicznych miedzy ła cuchami polimerowymi (sieciowanie). Zwi kszenie sił kohezji nast puje po utwardzeniu kleju.
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
2 C5@
2 C5@
6
D
A
2
D
B
D 2
2
2
9
D
2
D
D 2 2 D 2
1 !0¢'(!%&%$" !¨¦¤¢ ) ¥ © # # ¥ © §¥£ ¡ D @ @ 2 2 E 2 5 2 A E 2 2 2 A 6 2 2 6 8 6 @ @ ¨D 2 D @ @ 2 6 6 5 2 6 2 2 D 2 2 C5@ E 2 5 2 A D 6 D 6 D 2 5 2 2
3
6
5
2
D
6
D
B
7
2
4
6
2
6
D
2
D
1
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
Rys. 12. Obrazowe przedstawienie adhezji i kohezji.
2.1.2. Warunki powstania prawidł owego zł cza klejowego. Pó niejsza wytrzymał ci zł cza zale y zarówno od nawil enia klejem powierzchni (aby o osi gn peł kontakt mi dzycz steczkowy), jak i od jej wł ciwo ci adhezyjnych. Mo e si zdarzy , ny a e pomimo dobrej adhezji kleju do powierzchni nie został ona dostatecznie zwil ona co zasadniczo a obni y poł czenie. Przy podanym napi ciu powierzchniowym kleju zwil alno zale y od napi cia powierzchniowego detalu i lepko ci kleju. Tak e zanieczyszczenia powierzchni mog spowodowa obni enie stopnia jej nawil enia klejem. Bardzo wa nym aspektem od którego zale y dobra przyczepno jest polarno kleju i ego poł czenia dwóch materiał polarnych, ów substancji sklejanej. Nie mo na uzyska wytrzymał sklejonych klejem o charakterze niepolarnym i odwrotnie. Sił przyci gania mi dzy ró noimiennymi y biegunami dipoli kleju i podł a s cz ci ogólnej sił adhezji mi dzy polarn powierzchni i polarnym o y klejem. Gdy na powierzchni kleju osi gnie si zorientowanie przynajmniej wi kszo ci grup polarnych w kierunku powierzchni klejonej, sił adhezji staj si do znaczne. Zorientowanie takie uzyskuje si tym y ł atwiej, im wi ksz pł ynno wykazuje klej, gdy wtedy jego cz steczki s bardziej ruchliwe i ich grupy aniu polarne ł atwiej ulegaj dział siłprzyci gaj cych grup polarnych powierzchni klejonej. Poza odpowiedni przyczepno ci istnieje szereg wymaga stawianych dobrym klejom. A wi c powinny si one odznacza dostateczn spójno ci , by poł czenie klejone wykazywał wystarczaj c o wytrzymał na dział o anie czynników mechanicznych. W takiej sytuacji nale ał raczej stosowa oby kleje na bazie tworzyw termoutwardzalnych. Poza tym klej przeznaczony dla konstrukcji bardziej obci onych nie powinien wykazywa znaczniejszego pł cia pod wpł yni ywem dł ugotrwał obci e ych statycznych, a jego starzenie powinno by nieznaczne, aby nie wpł o w powa niejszym stopniu na ywał czynniku jego wł ciwo ci mechaniczne. Wa n kwesti jest dobór substancji klej cej o współ a rozszerzalno ci cieplnej zbli onym do współ czynnika podł a. Je li współ o czynniki kleju i podł a ró ni o si znacznie, to przy zmianach temperatury w spoinie wyst puj du e napr enia wewn trzne, mog ce spowodowa zniszczenie wi zania. Z punktu widzenia mechanicznej teorii przyczepno ci substancja klej ca powinna speł trzy nia warunki: 1) by ciekł , 2) dobrze zwil a sklejane powierzchnie, 3) odznacza si zdolno ci t enia, przy czym najistotniejsze znaczenie ma zdolno zwil ania. Zale y ona przede wszystkim od lepko ci i napi cia powierzchniowego. Miar zwil alno ci powierzchni jest k t zwil ania θ, zawarty mi dzy zwil an powierzchni a styczn do powierzchni zwil aj cej cieczy. W miar wzrostu adhezji kleju do y powierzchni k t zwil ania maleje a do momentu zrównania si sił adhezji z sił spójno ci kleju. Wtedy k t ma warto równ zeru. Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie 2
g
g
q hfb
bb i
e b i f i b f b i f b e f b e f f Cge f ¨i b e i g gf g b e b b i ¨i f b i f b f f e f f b b bf
g
i
i
Cge
i f
b
f
b
f
f
e i b
f
i
Cge f
f
Cge
a V U ` I R Q X R X !0¢Y(!%&%$W V!R¨¦¤¢F UI T S Q PIH G b b f e e q i b b b i f pge i b f b e b b e b b f f c i g g b b ¨i b f e i b i b e g e f g pge f b b b b f f
b g g e e e
b i
Cge b
Cge
d
f b f f ghb b i b b f i hfb i b
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 czony 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 czenie 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 adne) 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 adnych ogranicze zwi zanych z czasem przydatno ci takiej mieszaniny.
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
3
C u x w x !0¢ (!%&%$ !x¨¦¤¢r u y w vut s h ¨ ¨
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
C
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
Kiedy zostanie zamkni ty w szczelinie zł cza i pozbawiony kontaktu z tlenem nadtlenki w reakcji z jonami metalu, zamieniaj si w wolne rodniki.
Posta utwardzona przedstawia zwart struktur z wi zaniami poprzecznymi ł cuchów. a
Rys. 13. Proces zastygania kleju utwardzanego anaerobowo. Kleje utwardzane poprzez reakcj anaerobow posiadaj na ogółnast puj ce cechy: - bardzo wysoka wytrzymał na cinanie o - dobra odporno na temperatur (od -55°C do maks. +230°C) - szybkie utwardzanie - poniewa s jednoskł adnikowe, ł atwo je dozowa dozownikami automatycznymi - nie jest tu konieczna precyzyjna obróbka cz ci; dopuszczalna chropowato powierzchni wynosi 8 do 40 µ m (Rz) - równoczesne dział uszczelniaj ce przy doskonał odporno ci chemicznej anie ej - dobra odporno na wibracje - dobra odporno na obci enia dynamiczne Wpł materiał pasywnych i aktywnych na utwardzanie anaerobowe yw ów
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
r q
n
q
Cpo
n
n q
n
Nast pnie wolne rodniki inicjuj polimeryzacyjnych .
formowanie si
q Cpo
n
m h g l d j d j !0¢k(!%&%$i h!d¨¦¤¢ g f e o q r n p q n ¨q o p n q n q o ppo q hsn Cpo pCo Cpo
W stanie pł ynnym klej zachowuje stabilno dopł ywowi tlenu
dzi ki stał emu
ł cuchów a
n s
4
n
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad Materiał aktywne y Szybkie utwardzanie Mosi dz Br z Mied elazo Stal Materiał pasywne y Wolne utwardzanie*) anodowe zawarto ci Cu) chromowane wysokostopowa tlenkowe sztuczne nierdzewna
*) aktywator przyspiesza proces utwardzania b) KLEJE UTWARDZANE WIATŁEM UV Czas utwardzania tych klejów zale y od nat enia i dł ci fal wiatł UV. Dlatego prawidł ugo a owa polimeryzacja wymaga zawsze doboru ródł promieniowania UV do danego produktu. Promieniowanie a UV powoduje rozszczepianie fotoinicjatorów. Z kolei tak powstał wolne rodniki rozpoczynaj e polimeryzacj . Procesy utwardzania UV dzieli si na trzy rodzaje: - utwardzanie wskro ne przez promieniowanie UV - utwardzanie powierzchniowe przez promieniowanie UV - wtórne systemy utwardzania
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
5
~ } w z y z !0¢(!%&%$ ~!z¨¦¤¢t }w | { y xwv u
Powł oki Aluminium (z nisk Ceramika Warstwy Szkł o Stal Nikiel Warstwy Tworzywa Srebro Stal Cyna Cynk
¨
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
Kiedy zostan poddane dział aniu wiatł UV ... a
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 wiatł 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, ródł promieniowania UV powinno emitowa fale o wysokim nat eniu w zakresie dł ci o ugo o fal poni ej 280 nm ( wiatł UVC). Jest to bardzo skuteczne, gdy chce si unikn niepo danej reakcji przy kontakcie klejonej powierzchni z powietrzem atmosferycznym, które hamuje utwardzanie si produktu. Widma promieniowania "wysokoenergetycznych" systemów wiatł UV gwarantuj a niezawodne utwardzanie, nie pozostawiaj c lepkiej powierzchni kleju. Utwardzanie przy pomocy mechanizmów wtórnych W wielu przypadkach wiatł UV nie dociera do wszystkich miejsc pokrytych klejem. Dlatego o opracowano kleje z dodatkowymi systemami utwardzania w przestrzeniach nie obj tych wiatł UV: em - utwardzanie anaerobowe - utwardzanie na gor co - utwardzanie poprzez wilgo z powietrza Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie 6
h¢
Ła cuchy polimeryzacyjne poprzeczne
sieciuj
tworz c
wi zania
...fotoinicjatory zmieniaj si w wolne rodniki, które inicjuj a tworzenie si ł cuchów monomeru.
!0¢(!%&%$ !¨¦¤¢ ¢ ¢
W stanie pł ynnym monomery i fotoinicjatory współ istniej bez adnych interakcji
¡
- utwardzanie aktywatorem Jak uprzednio wyja niono, utwardzanie klejów UV zale y od dł ci fali i nat enia wiatł na ugo a powierzchni klejonej. Tak wi c wa nym kryterium doboru najwł ciwszego kleju jest stopie a przenikalno ci ró nych materiał dla wiatł UV. Do ł czenia cz ci wykonanych z PC (poliw glan), ów a PVC (polichlorek winylu) czy podobnych materiał przeznaczone s "kleje utwardzane wiatł ów, em widzialnym". Kleje te mo na utwardza wiatł UVA, lecz znacznie lepszy efekt uzyskuje si , gdy em podda si je dział aniu wiatł o du ym nat eniu i dł ci fali okoł 420 nm ( wiatł widzialne). a ugo o o
Kleje utwardzane wiatł UV generalnie charakteryzuj si nast puj cymi wł em asno ciami: - znaczna wytrzymał o - wysoka zdolno wypeł niania szczelin - bardzo krótkie czasy utwardzania do osi gni cia wytrzymał ci r cznej o - dobra do bardzo dobrej odporno na rodowisko - jako kleje jednoskł adnikowe s ł atwe do dozowania w automatycznych systemach nanoszenia c) KLEJE UTWARDZANE POPRZEZ REAKCJ ANIONOW (CYJANOAKRYLANY) Jednoskł adnikowe kleje cyjanoakrylowe ulegaj polimeryzacji w kontakcie z powierzchniami lekko alkalicznymi. Na ogół wilgotno w powietrzu i na klejonych powierzchniach wystarcza, aby w ci gu kilku sekund nast pił utwardzenie. Wilgotno klejonej powierzchni neutralizuje zawarty w kleju o stabilizator, tak wi c polimeryzacja przenosi si z jednej powierzchni na drug . Aby jak najszybciej osi gn wytrzymał r czn , nale y zredukowa wymiar szczeliny praktycznie do zera. Najlepsze o wyniki daj warunki robocze, kiedy wzgl dna wilgotno otoczenia wynosi 40 do 60% w temperaturze pokojowej. Ni sza wilgotno powoduje wolniejsze utwardzanie; wy sza z kolei przyspiesza ten proces, abienie ko cowej wytrzymał ci kleju. o jednak mo e spowodowa osł
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
´
³
³ ¶
¶ ´
µ
½
¶ ³
´
³
C¸´
C¸´
¸
¶ ³
¶
¼
´ C¸´
¶
·
C¸´
µ
³
¸ C¸´ ³ ¶ C¸´
C¸´
³
C¸´
º»¹
Rys. 15. Przenikalno
szkł i tworzyw dla UV. a
7
·
¶
¶
´
´
¨¶ µ
´ ´ ¨¶ µ µ ´ ¶ ´¸ µ ³ ¨¶ ´ ³ ´ µ ´ ´ µ ¶ ´ µ ´ ² ¬ ± ¦ © ¨ ¯ © ¯ !0¢°(!%&%$® !©¨¦¤¢£ ¬¦ « ª ¨ §¦¥ ¤ ¶ ´ µ µ ³ ³
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
¸h³ ³
³
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
... i rozpoczyna si polimeryzacja.
Powstaje wiele ł cuchów polimeryzacyjnych, które sieciuj c a ł cz si wzajemnie.
Rys. 16. Proces utwardzania klejów cyjanoakrylowych.
Po naniesieniu kleju trzeba natychmiast ł czy cz ci, gdy polimeryzacja zaczyna si w ci gu zaledwie kilku sekund. Czas przydatno ci po nał eniu produktu zale y od wzgl dnej wilgotno ci o powietrza, wilgotno ci klejonych powierzchni, rodzaju kleju i temperatury otoczenia. Poniewa kleje cyjanoakrylowe zastygaj bardzo szybko, s one szczególnie przydatne do klejenia mał cz ci. ych Kleje te nale y nanosi oszcz dnie, tylko na jedn powierzchni . Najlepszy efekt daje nał enie takiej o tylko ilo ci, aby wypeł szczelin . ni Jak wyja niono powy ej, szybko zastygania zale y te od wilgotno ci klejonych powierzchni. Je li u chce si przyspieszy proces utwardzania albo uniezale ni od wilgotno ci otoczenia, mo na posł y si aktywatorami. Przy pomocy aktywatorów mo na spowodowa zastygni cie w ci gu sekund nawet cał kropli kleju (np. u ytej do mocowania przewodów elektrycznych) lub jego wypł ej ywki. Kleje cyjanoakrylowe charakteryzuj si na ogółnast puj cymi cechami: - bardzo wysoka wytrzymał na cinanie i rozci ganie o - bardzo du a szybko utwardzania (sekundowe ustalanie) - nadaj si do klejenia wi kszo ci materiał ów - dobra odporno na starzenie
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
ÐÓ
Ï
Î
Ï
¨Ñ Ï Ó Î Ñ
Ó
Ó
Ñ
Î
Ñ
Ó
Ï
Ï
Ó
Ð
Ñ
Ð Ó Ó Ó
Ó ¨Ñ Ð Î Ï
Ò
Î Ñ
Ñ
Î
Î
Ó
CÐÏ
Wilgotno
powierzchniowa neutralizuje stabilizator ...
Î
Í È Ç Ì Á Ä Ã Ê Ä Ê !0¢Ë(!%&%$É È!Ĩ¦¤¢¾ ÇÁ Æ Å Ã ÂÁÀ ¿ Î Ñ Î Î Î Ï Ï Ñ CÐÏ Ï pÐÏ Ñ Î CÐÏ Ñ Ñ Î Ð Ð Ó Ó Ð CÐÏ Ï
Stabilizator kwasowy zapobiega wszelkim reakcjom cz steczek kleju utrzymuj c klej w stanie pł ynnym.
Ó
Ñ Î
Ó
Î
Ï
Ï
Ñ
Ñ
8
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad d) KLEJE UTWARDZANE AKTYWATORAMI (AKRYLOWE MODYFIKOWANE) Przy u yciu aktywatorów kleje te utwardzaj si w temperaturze pokojowej. W zale no ci od rodzaju kleju mo na nakł ada na klejone powierzchnie osobno klej i aktywator albo te mo na je uprzednio zmiesza w mieszalniku statycznym. Do niektórych klejów u ywa si aktywatorów o niskiej lepko ci. Tych klejów nigdy nie nale y uprzednio miesza . W tych przypadkach trzeba zawsze oddzielnie nakł ada klej i aktywator. Proces utwardzania rozpoczyna si dopiero po poł czeniu cz ci. Eliminuj c pł ynny aktywator opracowano tak e kleje akrylowe z aktywatorami o tej samej konsystencji. S tutaj dwa sposoby nanoszenia - osobno kleju i aktywatora: wst ga obok wst gi albo jedna wst ga na drugiej. Kiedy klejone cz ci zostan poł czone, produkt wymiesza si pod wpł ywem ruchów podczas monta u. Je li czas przydatno ci kleju po zmieszaniu skł adników wynosi 5 lub wi cej minut, mo na zastosowa mieszalnik statyczny. Daje to t dogodno , e nanosi si ju gotowy, wymieszany uprzednio produkt i mieszanie nie jest uzale nione od ruchów ł czonych cz ci podczas monta u.
Modyfikowane kleje akrylowe charakteryzuj si zwykle nast puj cymi cechami: - bardzo wysoka odporno na cinanie i rozci ganie - du a odporno na uderzenia - szeroki zakres temperatur pracy (-55°C do +120°C) y - mog klei prawie wszystkie materiał - dobra zdolno wypeł niania szczelin (szczególnie wst pnie mieszane) - dobra odporno rodowiskowa Typowe zastosowania to klejenie gł ników i klejenie magnesów. o e) KLEJE UTWARDZANE WILGOTNO CI OTOCZENIA Te kleje/uszczelniacze polimeryzuj (w wi kszo ci przypadków) poprzez reakcj z wilgoci atmosferyczn . Do tej kategorii nale dwa gł ówne typy chemiczne: Silikony: Wulkanizacja tych materiał nast puje w temperaturze pokojowej poprzez reakcj z wilgoci ów otoczenia (RTV - Room Temperature Vulcanizing). W porównaniu z reakcj anionow cyjanoakrylanów, gdzie wilgo neutralizuje stabilizator, silikony potrzebuj przy sieciowaniu cz steczek wody. Znaczy to, e wilgo musi przenikn do silikonu, do miejsca, gdzie nast puje wulkanizacja. Kiedy cz steczki silikonu poł cz si z cz steczk wody, powstanie produkt uboczny. W zale no ci od skł adu chemicznego, wył oniony produkt uboczny mo e by kwa ny (np. kwas octowy), zasadowy (np. amina) lub neutralny (np. oksym lub alkohol). Szybko utwardzania tych klejów zale y przede wszystkim od wilgotno ci wzgl dnej.
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
9
ä
ä
ä
»êîìë
æ
æ
ç å
ä
íêCìë
Rys. 17. Zale nie od potrzeb, mo na wybra metod a) lub b). W ka dym przypadku cz trzeba nanie w taki sposób, aby obie wymieszał si podczas ł czenia. y
A i cz
B produktu
æ
ç¨æ
å å ç å å æ
ä
æ
å æ
æ
æ
æ
ã Þ Ý â × Ú Ù à Ú à !0¢á(!%&%$ß Þ!Ú¨¦¤¢Ô Ý× Ü Û Ù Ø×Ö Õ ä ¨æ ç ä å ç æ æ æ ä å Cèç ä æ é ï è æ ç æ ç è å æ ä ä æ ä ëë ä ä æ ä ä å å ñ ð ê ç å å æ òäå ç ä ç Cèç ç¨æ é è ä hèä ç Cèç ç Cèç è è è
æ ä ä
Cèç
å
å
å
è ä
ä
é»êì
è
ä
è
Cèç
ä
å
ç
å
ä
å
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
¨ ©§
¨ ©§
¦
¥
¦
¥
¦
ý ü ¢ ö ù ø ÿ ù ÿ !0£ ¡!%&%$þ ý!ù¨¦¤¢ó üö û ú ø ÷öõ ô
¨ § § ¦ ¥ ¦ § § ¨ ©§ ¦ ¦ ¦ § ¥ § ¦ § ¦ ¥ § § ¦ ¦ ¨ ©§ ¥ ¥ ¦ ¦ ¦ ¨ ©§ ¥ ¥ ¥ ¤ ¥ ¨ ©§ ¨ ©§ ¦ ¥
¨ ¥
¦
©§ ¨
©§ ¨
§
§
¨
¥
¦
¦
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad 2.1.4. Charakterystyka zł czy klejowych Wytrzymał zł czy klejowych zale y m.in. równie od typu poł czenia i rodzaju dział cych o aj obci e poł czenia (rys. 19). Najwi ksz wytrzymał zł cza klejowe wykazuj na cinanie i tak o nale y planowa w miar mo liwo ci geometrie zł cza. Zdecydowanie nie powinny pracowa na oddzieranie, gdy niezale nie od wielko ci zł cza nast pi jego zniszczenie. Porówna to mo na np. do odrywania ta my klej cej od powierzchni, do której został przyklejona. Gdyby my próbowali oderwa a j dział c sił wzdł tej powierzchni to nast pił by zerwanie ta my przed jej odklejeniem. aj u o Obci enia odrywaj ce pojawi si wtedy, gdy sił przył ona jest osiowo i dział prostopadle do a o a zł cza. Jest to przypadek, rzadko pojawiaj cy si w praktyce, gdy nawet nieznaczna nieosiowo dział cych sił spowoduje pojawienie si momentu sił i w rezultacie napr e zł onych, na które aj o poł czenie klejowe jest mniej wytrzymał e.
Rys. 19. Podstawowe rodzaje obci e poł cze klejowych: a) odrywaj ce, b) cinaj ce, c) oddziaraj ce
3. Sposób wykonania wiczenia
Instrukcja obsł urz dze wraz z danymi technicznymi oraz uwagami dotycz cymi BHP ugi ugiwanie urz dze do spawania i zgrzewania jest powinna znajdowa si na stanowisku. Obsł dozwolone tylko w obecno ci prowadz cego wiczenie po uprzednim zapoznaniu si z instrukcj lub przeszkoleniu. Nale y ci le stosowa si do polece prowadz cego wiczenie. Nale y zachowa szczególn ostro no , gdy w przeciwnym wypadku istnieje gro ba poparzenia.
3.1. Klejenie tworzyw sztucznych
Przy pomocy klejenia zostan poł czone na zakł adk próbki z blachy stalowej. W celu zbadania wpł ywu sposobu przygotowania powierzchni i warunków klejenia na wytrzymał ci wykonanych o poł cze , po utwardzeniu si kleju zostanie przeprowadzona próba wytrzymał ciowa. o
4. Literatura
B
1. LOCTITE Ogólne informacje http://www.multibo.swidnik.pl/multibo.htm dotycz ce technologii klejenia -
Techniki ł czenia tworzyw sztucznych – klejenie
11
E
E
E ©D
E
B
B
F
I
B
F
D
D
F
H
E
B
G H F
D
D
I
1 ) 9 " 2@£8¡2#67653 4 " 4 D E B S F G B I U B B F F H E ©D G B B B H E
120('%"#!£ ) & $ B F B R H B H B D I B E H D G B H R PQI F T B B H F D C D D H F A B F H E ©D B E ©D F B E F F E B B D B B B F G B F G B F B B B B B
