Клеящие материалы и их свойства

Первые клеи были из одного компонента (растительные смолы, битумы, млечные соки растений и т.п.), часто даже не подвергнутого какой-либо обработке. Некоторые из них применяются и сейчас, но современные клеи представляют собой многокомпонентные системы из нескольких, иногда разной природы (органические, неорганические), материалов. Основной компонент — это клеящее вещество, обеспечивающее адгезионную и когезионную прочность в клеевом соединении. Остальные компоненты выполняют другие функции.

Разбавители применяются как регуляторы вязкости готовой композиции должны быть совместимы с остальными компонентами.

Катализаторы и отвердители являются отверждающими агентами для клеящих систем, обеспечивая отверждение за счет химической реакции с клеящим материалом или каталитического воздействия на него.

Ускорители, ингибиторы и замедлители регулируют скорость и степень отверждения. Ускоритель — это вещество, увеличивающее скорость процесса отверждения. Ингибитор должен останавливать реакцию отверждения до нужного, по технологии, момента. Замедлитель уменьшает скорость процесса отвердения, что удлиняет срок хранения и (или) жизнеспособности клея.

Модифицирующие агенты вводят в состав клеевых композиций для изменения исходных технологических и эксплуатационных характеристик. К модифицирующим агентам относятся наполнители, разбавители, пластификаторы, стабилизаторы и вещества, повышающие смачивающую способность клея.

КЛЕИ НА ОСНОВЕ РАЗЛИЧНЫХ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ СМОЛ

Кроме перечисленных термопластичных клеев, для специфических целей применяются многие другие синтетические материалы такого типа. Ниже, в обобщенной соответствующим образом форме, описываются некоторые из таких материалов, основные области их применения и свойства.

Кумароноинденовые смолы

Физическое состояние. Растворы в ароматических растворителях (бетнзол, толуол, ксилол) или мастики.

Свойства. Образуют жесткие, прочные пленки, размягчающиеся при повышенных температурах. Стойки к воздействию воды и щелочей, но не выдерживают контакта с маслами и смазками. Клеевые соединения имеют низкую прочность.

Области применения. Склеивание древесины, тканей, войлока. Употребляются в качестве компонентов в составе клеев-расплавов, а также для крепления и облицовки полов.

Дополнительные сведения. Преимущественно используются в качестве составных частей клеящих композиций, а не непосредственно как клеи.

Шеллак

Физическое состояние. Спиртовые растворы или расплавляемые мастики.

Свойства. Клей имеет хорошие диэлектрические свойства, но недостаточно эластичен, если не модифицирован другими материалами. Водостоек, устойчив к воздействию масел и смазок. При нагревании размягчается. Растворим во многих растворителях. Обеспечивает умеренную прочность клеевых соединений.

Области применения. Склеивание пористых материалов, металлов, керамики, пробки и слюды. Применяется также в уплотнительных цементах в качестве адгезионного грунта при склеивании металлов и слюды, как компонент клеев-расплавов в электроизоляционных герметизирующих восках, для различных целей в электротехнической промышленности.

Дополнительные сведения. Применение шеллака сокращается вследствие высокой его стоимости. Поставляется различных оттенков и с разной степенью чистоты.

Канифоль

Физическое состояние. Растворы или расплавляемые мастики.

Свойства. Канифоль малоустойчива к воздействию растворителей и масел, но имеет хорошую водостойкость. Подвержена окислению и плохо противостоит старению. Является хрупким материалом (ее обычно модифицируют введением пластификаторов). Обеспечивает умеренную прочность клеевых соединений, достигаемую весьма быстро после склеивания.

Области применения. Временное приклеивание бумаги и в качестве клеящих лаков для бумажных этикеток. Компонент липких клеев на основе дивинилстирольных сополимеров, а также клеев-расплавов.

Дополнительные сведения. Синтетические материалы заменили многие из канифольных клеев, основа которых является дефицитной. Сложные эфиры и производные канифоли нашли применение как компоненты клеев.

КЛЕИ НА ОСНОВЕ НАТУРАЛЬНОГО КАУЧУКА

Химическая природа — термопластичный эластомер растительного происхождения.

Физическое состояние. Полупрозрачные, высоковязкие растворы в растворителях (сухой остаток 12...20%), светло-коричневого цвета, обычно воспламеняющиеся низковязкие, белого молочного цвета, негорючие водные суспензии (сухой остаток 35%). Выпускаются в виде двухкомпонентных вулканизующихся клеев.

Срок хранения при 20°С. От 6 мес. до 1 г. в герметичных емкостях.

Жизнеспособность при 20°С. Открытая выдержка 5...30 мин или более. Вулканизируется в течение 8 ч.

Закрытая выдержка при 20°С. Для латексных клеев неограниченная при продолжительной открытой выдержке. Хорошо сохраняют высокую исходную липкость.

Механизм отверждения. В результате испарения воды, растворителя или в результате вулканизации, вызываемой нагревом либо катализатором.

Технологические особенности. Для пористых материалов используют способ мокрого склеивания с последующим удалением растворителя за счет миграции в склеиваемый материал. Для непористых материалов — контактное склеивание за счет кратковременного прижима субстратов с нанесенным и высушенным до отлипа слоем клея. Дисперсии, отверждаемые в результате вулканизации, требуют при склеивании приложения давления от контактного до 70 Н/см и выдержки при температуре 20...90°С. Полное отверждение достигается примерно за две недели.

Расход. 0.15...0.25кг/м².

Работоспособность при воздействии различных факторов. Обладают хорошей стойкостью к воде и воздействию микроорганизмов (в защищенном состоянии), низкой стойкостью к маслам, растворителям и окисляющим агентам. Клеи на основе невулканизованных каучуков разрушаются при температуре около 66°С, в то время как вулканизованные клеи стойки до 93°С. Вулканизованные латексные клеи имеют более высокую стойкость к воде и растворителям, хотя набухают при воздействии углеводородов. Клеевые швы приобретают хрупкость при -34°С; латексные клеи при замерзании разрушаются.

Способность невулканизуемых клеев сохранять свойства при воздействии солнечных лучей не очень хорошая; в то же время эти клеи обладают средним сопротивлением старению.

Области применения. В тех случаях, где к соединеию не предъявляется требование высокой прочности. Используются для склеивания бумаги и пористых материалов, приклеивания подошв (из кожи и резины) к обуви, при производстве мебели, для приклеивания тканей, резины и кожи, текстильных материалов, склеивания ковров, войлока, упаковочных материалов; в производстве слоистых материалов для приклеивания металлической фольги к бумаге или древесине; склеивания губчатых резин или их приклеивания к металлам и древесине. Употребляются, также для производства липких лент.

Дополнительные сведения. Клеи на основе натурального каучука обладают исключительной эластичностью, высокой исходной липкостью и хорошим ее сохранением. Поверхности, на которые нанесен клей, можно склеить при контактном давлении спустя несколько недель после его нанесения. Клеи на основе латексов и водных дисперсий обычно имеют щелочную реакцию и более высокий сухой остаток, чем растворы в органических растворителях.

Пленки клея, полученные из латекса, прочнее и более стойки к старению, чем пленки, полученные из клея, представляющего собой раствор в органическом растворителе. Латексные клеи коррозионно-активны по отношению к меди и медным сплавам. Клеи на основе натурального каучука часто модифицируют смолами и другими агентами.

КЛЕИ НА ОСНОВЕ БУТИЛКАУЧУКА И ПОЛИИЗОБУТИЛЕНА

Химическая природа. Термопластичные эластомеры; полиизобутилен является гомополимером, бутилкаучук представляет собой сополимер изобутилена и изопрена.

Физическое состояние. Вязкие жидкие продукты или мастики на основе эластомера, растворенного в растворителях (обычно в углеводородных растворителях, например бензине, циклогексане или хлорированном углеводороде) с добавками. Сухой остаток клеев изменяется от 5% (при нанесении способом распыления) до 70% (при нанесении шпателем).

Срок хранения при 20°С. От 3 мес до 1 г. в герметичной упаковке.

изнеспособность при 20°С. Соответствует сроку хранения при условии присутствия испарения растворителя.

Закрытая выдержка при 20°С. Не более 4 ч для составов на основе вулканизуемого бутилкаучука; в случае применения других составов не ограничивается.

Механизм отверждения. За счет удаления растворителя из клея, нанесенного на субстраты, или вулканизации (в случае клеев на основе бутилкаучука) при введении вулканизующих веществ (серы или полинитрозосоединений).

Технологические особенности. Пористые материалы соединяют после нанесения клея, и растворитель удаляется за счет адсорбции в субстрат. В случаях непористых материалов растворитель удаляют из клеевого слоя путем выдержки при температуре 90°С в течение 5...20 мин, затем следует контактное соединение липких субстратов при минимальном давлении. Вулканизацию осуществляют введением катализаторов и воздействием температуры (типичный режим вулканизации — выдержка в течение 2 ч при 115°С) после удаления растворителя.

Расход. Зависит от вязкости клеевой композиции.

Работоспособность при воздействии различных факторов. Полиизобутилен и бутилкаучуки имеют хорошую стойкость к старению, минеральным маслам, кислотам и химическим средам (исключая углеводороды), озону, воде, сверхнизкие газо-, паро- и водопроницаемость. Эластичность, удельное электрическое сопротивление и стойкость к абразивному износу, кислотам и термостарению клеев на основе бутилкаучука повышаются в результате вулканизации.

Области применения. Не находят широкого применения в клеевых композициях. Употребляются для склеивания бумаги и канцелярских принадлежностей, тканей и бутилкаучуков с другими эластомерами (исключая силоксановые каучуки); при изготовлении автомобильных шин (приклеивание протектора к каркасу и в качестве грунтовки для пропитанного латексом шинного корда при использовании вискозных или нейлоновых волокон), для приклеивания металла к резинам на основе бутилкаучука; приготовления мастик, применяемых в качестве герметиков и уплотнителей.

Дополнительные сведения. Свойства клеев этого типа аналогичны свойствам клеев на основе регенерированных каучуков. Полиизобутилен нельзя отвердить, но его можно использовать вместо бутилкаучука в рецептурах клеев иной химической природы. Низкие прочностные характеристики и плохая стойкость к маслам и растворителям в сочетании со склонностью к хладотекучести при небольших нагрузках ограничивают применение этих клеев. Хладотекучесть до некоторой степени уменьшается в результате изменения рецептуры. Химическую стойкость (в том числе стойкость к кислотам) улучшают введением таких добавок, как слюда, тальк и графит. Для повышения липкости и когезионной прочности применяют окись цинка, глинозем и углеродные сажи.

КЛЕИ НА ОСНОВЕ ПРОИЗВОДНЫХ КАУЧУКОВ

Клеящие композиции на основе химически обработанных натурального или синтетических каучуков выпускаются в виде растворов. К их числу относятся приведенные ниже разновидности.

Клеи на основе хлорированных каучуков

Используются главным образом для склеивания резин на основе натурального и синтетических каучуков с металлами и между собой. Служат в качестве адгезионных грунтов, наносимых на металл перед приклеиванием вулканизованных или невулканизованных резин с помощью клеев на основе нитрильных и хлоропренвых каучуков. Хлоропреновые и нитрильные резины накладываются непосредственно на металл, покрытый высушенным до липкого состояния грунтом на основе хлорированного каучука, а затем производится отверждение клеевого шва с нагревом. Аналогичным образом осуществляется крепление к металлу невулканизованных резин на основе натурального каучука, но в этом случае необходимо использовать промежуточный слой хлоропренового клея. Хлорированный каучук применяется в качестве добавки в клеящих композициях на основе нитрильного или хлоропренового каучука для улучшения специфической адгезии к металлам. Клеи обладают хорошей водостойкостью, стойкостью к соляному туману, маслам, топливам, а также к старению и биологическим поражающим факторам; ограниченно устойчивы к действию растворителей; имеют умеренную тепло- и морозостойкость. Максимальная рабочая температура — около 140°С.

Клеи на основе циклических каучуков

Циклические каучуки — смолоподобные, относительно твердые материалы с более высокими когезионной прочностью, долговечностью и химической стойкостью, чем необработанный каучук. Циклизацию осуществляют путем обработки натурального каучука сильными кислотами (например, серной) или некоторыми солями. Применяются главным образом для склеивания резин с металлами и между собой. Для крепления невулканизованных резин к металлу поверхности соединяют после высыхания нанесенных слоев клея, а затем производят вулканизацию резин под давлением. Циклический каучук используют в качестве адгезионного грунта, наносимого на поверхности металлов перед приклеиванием к ним резин клеями на основе различных каучуков.

Клеи обеспечивают хорошую водостойкость, стойкость к соляному туману, старению и биологическим поражающим факторам, но имеют низкие масло- и топливостойкость. Их теплостойкость выше, чем у клеев на основе хлорированного каучука. При воздействии низких температур происходит умеренное ухудшение прочности клеевых соединений.

Клеи на основе гидрохлорированных каучуков

Смолоподобный материал — гидрохлорированный каучук получают в результате обработки каучука соляной кислотой и употребляют главным образом в производстве упаковочных пленок. Применение в качестве клеев ограничено, но эти материалы используются для крепления резин к металлу с одновременной вулканизацией. Обладают хорошей влагостойкостью и устойчивостью к некоторым химикатам. Максимальная рабочая температура — около 110°С.

АКРИЛАТНЫЕ КЛЕИ

Химическая природа. Термопластичные смолы на основе акрилатов (свойства различных типов полиметилметакрилата рассмотрены ниже) или их производных (амидов или эфиров).

Физическое состояние. Применяют в виде эмульсий, растворов в органических растворителях и в виде смесей мономера и полимера (одно- или двухкомпонентных), в состав которых входят катализаторы (жидкие или порошкообразные). Известны жидкие однокомпонентные клеи, которые полимеризуются под действием ультрафиолетовых лучей.

Срок хранения при 20°С. До 1 г.

Жизнеспособность при 20°С. От 30 мин до 1 ч в зависимости от механизма отверждения.

Закрытая выдержка при 20°С. Определяется жизнеспособностью.

Механизм отверждения. Клеи в виде эмульсий и растворов отверждаются за счет испарения и абсорбции растворителя. Полимерные смеси отверждаются в результате реакции полимеризации при воздействии тепла, ультрафиолетового облучения, с помощью химических катализаторов или сочетания двух последних факторов.

Технологические особенности. Клеи, содержащие в своем составе растворитель, отверждаются примерно в течение 20 сут. при 20°С или 6 ч при 80°С. Время отверждения смеси полимеров зависит от способа полимеризации: 14 сут. при 20°С или 4 ч при 80°С (при инициировании реакции химическими продуктами); 5 ч (при воздействии ультрафиолетовых лучей); 2 ч при 55°С с последующей выдержкой 8 ч при 80°С (при нагреве). Давление при склеивании колеблется от контактного до 17 Н/см².

Работоспособность при воздействии различных факторов. Стойкость к воздействию климатических условий и влаги изменяется от низкой (для клеев с растворителем) до исключительно высокой (для смесей полимеров). В процессе хранения (в течение примерно 1 г.) может происходить ухудшение прозрачности в результате пожелтения. Клеи стойки к воздействию щелочей, кислот (но не окислителей), соляного тумана, нефтяных топлив; чувствительны к воздействию спиртов, сильных растворителей и углеводородов (ароматических и хлорированных); обладают высокой стойкостью к ультрафиолетовому облучению. Область рабочих температур клеев на основе акриловых смол лежит в интервале от -60 до 52°С.

Области применения. Для склеивания легких конструкций из прозрачных акриловых пластиков, приклеивания их к дереву, стеклу, металлам, резине, коже и текстильным материалам; бесцветного крепления декоративных слоистых пластиков; конвейерной сборки узлов изделий, где эффективным способом отверждения является ультрафиолетовое облучение; изготовления конструкций, работающих на открытом воздухе (например, крепления фирменных пластмассовых пластинок); работ по приклеиванию алюминиевой фольги; крепления лобовых и ветровых стекол, распределительных приборных досок, линз и оптических узлов в авиационной, судостроительной и автомобильной отраслях промышленности. Один из клеев этого класса — n-бутилметакрилат (не модифицированный или модифицированный канадским бальзамом) используется в качестве оптического цемента, имеющего хорошую стойкость к тепловому удару.

Дополнительные сведения. Для получения окрашенного клеевого слоя акриловые клеи совмещают с пигментами. В зависимости от применяемой марки клей может заполнять зазоры величиной от 0.025 до 5...6 мм. В случае использования акриловых клеев для приклеивания акриловых пластиков к другим материалам, имеющим более низкий коэффициент линейного расширения (например, к стали), необходимо применять промежуточный резиновый слой. При этом резину приклеивают эпоксидным клеем к материалу с меньшим коэффициентом линейного расширения. В случае акриловых цементов, отверждаемых при нагревании, можно получить значение прочности при сдвиге до 4500 Н/см². Для того чтобы при длительной эксплуатации избежать появления микротрещин в клеевом шве, величина растягивающих напряжений не должна превышать 1000 Н/см².

ПОЛИУРЕТАНОВЫЕ КЛЕИ

Химическая природа основы. Термопластичные или термореактивные продукты реакции полифункциональных изоцианатов с многоосновными спиртами или некоторыми полиэфирами.

Физическая форма. Однокомпонентные термопластичные композиции с растворителями (кетоны, углеводороды), часто содержащие небольшие количества катализаторов, добавляемых для обеспечения определенной степени сшивки полимера. Жидкие двухкомпонентные термореактивные композиции (с растворителем или без него), где второй компонент — катализатор.

Срок хранения при 20°С. От 3 до 6 мес. для содержащих растворитель композиций (при условии исключения его потерь).

Жизнеспособность при 20°С. Композиции с растворителями допускают открытую выдержку до 30 мин и более. Двухкомпонентные композиции в присутствии катализаторов отверждаются за срок до 8 ч. Подходящими катализаторами для отверждения при комнатной температуре являются третичные амины.

Закрытая выдержка при 20°С. В пределах 30 мин.

Принцип отверждения. Для однокомпонентных композиций — удаление раствлрителя и отверждение при комнатной температуре (в целях сокращения времени отверждения можно добавлять катализатор). Для двухкомпонентных систем — полимеризация при введении катализатора.

Технологические особенности. Для композиций с растворителем склеивание производят при контактном давлении после достижения липкости нанесенного слоя клея за счет испарения растворителя (или после реактивации полностью просохшего слоя клея горячим растворителем). Двухкомпонентные композиции предварительно перемешиваются и полностью отверждаются за 6 сут. при 20°С. Отверждение можно проводить с нагревом; выдержка от 3 ч при 90С до 1 ч при 180°С. Необходимое для склеивания давление колеблется в пределах от контактного до 35 Н/см².

Работоспособность при воздействии различных факторов. Некоторые из полиуретановых клеев обеспечивают хорошую водостойкость, стойки к воздействию большинства химикатов, масел, жиров, соляного тумана, озона, излучений, погодных условий. Максимальная рабочая температура для клеев термореактивного типа достигает почти 177°С (термопластичные композиции размягчаются в случае реактивации нагревом при температуре выше 70°С). Обеспечивают очень высокую прочность при сдвиге до -200°С, сохраняя в этих условиях прочность и стойкость к термоудару. Клеи имеют хорошие диэлектрические свойства и показывают низкую степень горючести. Очень хорошо выдерживают воздействие поражающих биологических факторов.

Области применения. Несиловые клеевые соединения, воспринимающие умеренные нагрузки. Склеивание металлов, резин, большинства пластиков (кроме полиолефинов и фторопластов), древесины, пробки, бумаги, текстильных материалов, стекла и керамики. В частности, употребляются для приклеивания эластичных и жестких поливинилхлоридных пластикой поскольку обладают хорошей стойкостью к пластификаторам. Используются для сборки металлических конструкций, работающих в криогенных условиях. Специфические области применения: склеивание уретановых резин между собой и с другими материалами; склеивание кож между собой и с пластиками (подошвенные материалы); крепление ворса к резинам и текстильным материалам; изготовления многослойных материалов из винильных пластиков и синтетических тканей.

Дополнительные сведения. Полиуретановые смолы используют в качестве модифицирующих агентов, способствующих адгезии клеев на основе каучуком. Хотя клеи обеспечивают в соединениях самых различных материалов прочные и эластичные клеевые швы, они ограниченно применяются только в указанных выше специфических областях, где имеют определенные преимущества. Они относительно дороги по сравнению с другими клеями на основе каучуков. Другой их недостаток — изоцианаты токсичны, неудобны в обращении (опасность представляют контакт с кожей и пары изоцианатов). Полиуретановые клеи обладай и высокой липкостью, часто обеспечивают мгновенную начальную прочность при контактном склеивании. Выдающимися свойствами полиуретановых материалов являются их высокая эластичность и стойкость к истиранию. Типичные значения прочности клеевых соединений на основе двухкомпонентных полиуретановых композиций [Н/см²]: при сдвиге соединений стали — 3000 (при -200°С) и 800 (при 25°С); при отрыве в соединениях стали — 5000 (при -200°) и 800 (при 25°С) а в соединениях алюминиевого сплава — 6000 (при -200°С) и 1600 (при 25°С) Прочность при отдире соединений пластиков, в общем, составляет около 20 Н/см, но при склеивании ПВХ может достигать 70 Н/см.