Новые разработки в области клеев, склеивания и смежных технологий

1. Источники информации
2. Клеи и сырье для клеев
3. Технология склеивания
4. Применение клеев
5. Смежные технологии
6. Заключение

Технология склеивания

Успех от применения клеев зависит не только от их состава, умения их выбора, но и от технологии склеивания, в которой важнейшую роль играют подготовка склеиваемых поверхностей, нанесение и формирование клеевого слоя. Ниже приведены сравнительно свежие примеры новых разработок в этой области. 

Подготовка поверхности

Углепластики обычно используются в конструкциях, для которых особенно важны удельные упруго-прочностные характеристики. Однако склеивание углепластика при создании крупногабаритных конструкций проблематично. Недавно для улучшения адгезии углепластика была использована предварительная лазерная обработка. Так, в работе [8] исследовали влияние равномерной предварительной обработки лазером поверхности углепластика при циклических испытаниях на расслаивание образцов клеевых соединений в виде двойной консольной балки (рис. 4). Предел усталости соединения характеризовали устойчивостью к росту усталостных трещин. Образцы перед их склеиванием равномерно обрабатывали либо высоким (с лазерной абляцией), либо низким (с лазерной очисткой) облучением импульсным CO2-лазером среднего ИК-диапазона с длиной волны 10,6 мкм. Было установлено, что подобная лазерная обработка значительно увеличила предел усталости. При этом у образцов, подвергнутых лазерной абляции (углеродные волокна на их поверхности были полностью обнажены) этот показатель оказался в три раза выше, чем у образцов, лишь очищенных лазером.

В большинстве исследований влияния подготовки поверхностей к склеиванию авторы подвергают изучению какой-то один из выбранных методов. Вместе с тем из-за желания, видимо, добиться большего эффекта в повышении прочности клеевого соединения исследователи иногда обращаются к анализу возможности сочетать несколько методов обработки поверхности одного лишь субстрата, не меняя при этом тип клея. Примером служит статья, посвященная склеиванию трудно склеиваемого титанового сплава [9]. Образцы сначала подвергали пескоструйной обработке при разном давлении, а затем несколько раз — одновременной обработке УФ-излучением и озоном (УФ/озон). Сканирующая электронная микроскопия и лазерная конфокальная микроскопия показали изменение морфологии поверхности образцов и ее повышенную шероховатость после пескоструйной обработки под давлением (рис. 5). С помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии было установлено, что титан все в большей степени окисляется с увеличением продолжительности обработки УФ/озоном, что приводит к уменьшению контактного угла смачивания (рис. 6) и, как следствие, улучшению характеристик клеевого соединения встык при испытании на растяжение, что доказывает эффективность этой обработки поверхности титана.

По оценкам немецкой компании Plasmatreat, в будущем ожидается рост объемов применения клеев и герметиков в изделиях электроники, например в дисплеях и человеко-машинных интерфейсах [10]. В данном секторе экологически чистые, а также электромагнитно совместимые клеи и уплотнения должны защищать электронику от самых разных воздействий окружающей среды. Одной из проблем здесь, однако, является необходимость стабильного соединения таких разнородных материалов, как металл, стекло и пластик, поскольку их склеивание и герметизация очень сложны. В этом случае оптимальной, по мнению Plasmatreat, становится технология одновременной обработки поверхностей деталей плазмой на открытом воздухе (атмосферной плазмой), которая используется при их окончательной сборке непосредственно перед склеиванием или герметизацией (рис. 7). При этом достигается двойной эффект, который заключается в удалении возможных загрязнений с обрабатываемых поверхностей и их активации (повышении поверхностной энергии), что в совокупности способствует хорошему смачиванию соединяемых поверхностей и высокой прочности соединений. Поскольку потребность в указанных изделиях электроники растет в самых разных отраслях промышленности, будет расти спрос и на оборудование и технологии плазменной обработки, считают в Plasmatreat.

Результаты исследований, посвященных разным технологиям подготовки дентина зубных каналов к соединению [11, 12], могут быть полезны, очевидно, не только стоматологам, но и специалистам, перед которыми стоит задача склеивания с эмалью и керамикой.

Нанесение клеев

В производстве таких изделий, как повседневная или спортивная обувь, вопрос подготовки поверхностей не стоит так остро, как при склеивании в авиа- или автомобилестроении. Более важную роль здесь играет нанесение клеев, которое часто выполняется вручную, обычно кистью. При этом многое зависит от человеческого опыта, поскольку при склеивании материала верха и подошвы важно соблюдать точную дозировку клея и очень точное его локальное нанесение, чтобы не отклеилась подошва и чтобы не было избытка клея, в качестве которого хорошо зарекомендовали себя полиуретановые дисперсии. Однако попытки автоматизировать этот процесс и повысить тем самым его производительность пока не увенчались успехом. Выходом могут стать термопластичные полиуретановые клеи-расплавы марки Desmomelt U от компании Covestro, которые наносятся автоматически и в точных дозах с помощью цифровой печати (рис. 8) [13]. Таким образом, производители обуви могут с максимальной точностью автоматизировать нанесение клея. По данным Covestro, клеевые соединения имеют такое же высокое качество, как и в ручном производстве.

Теплопроводящие пасты и клеи используются прежде всего в тех случаях, когда необходимо отводить теплоту от каких-либо изделий или узлов и защитить их, кроме того, от механических воздействий, в том числе вибрации. Типичными примерами таких изделий являются печатные платы (рис. 9) и другие компоненты электроники. При нанесении высоковязких абразивных паст и клеев требуется обеспечить стабильный, повторяемый процесса дозирования с длительным сроком службы дозирующих систем [14]. При этом возникают три проблемы. Во-первых, необходимо избегать включений воздуха, который, как известно, обладает плохой теплопроводностью. Поэтому пустоты между деталями должны быть герметично заполнены. Во-вторых, подобные клеи и пасты обладают обычно высокой вязкостью. Наконец, в третьих, в их составе может быть абразивный наполнитель, который не только еще более увеличивает вязкость пасты или клея, но и может ускорить износ дозирующей системы. Благодаря особенностям принципа непрерывной поршневой подачи и соответствующим составам клеев и паст, микродозаторы Preeflow, по заявлению их производителя — немецкой компании ViscoTec, оптимально подходят для нанесения теплопроводящих высоконаполненных клеевых композиций без образования пузырьков воздуха (рис. 10).

Дозаторы компании ViscoTec успешно используются и для автоматизированного нанесения клея при склеивании магнитов (рис. 11), которое является альтернативой их механической фиксации в производстве электродвигателейи предоставляет ряд преимуществ, среди которых [15]. 

• высокая производительность процесса;
• предотвращение шума, вызванного возможной вибрацией крепежных элементов;
• отсутствие контактной коррозии склеиваемых деталей;
• компенсация допусков на соединяемые детали.

При этом используются одно- или двухупаковочные клеи на основе эпоксидных или полиэфирных смол, быстро отверждающиеся при нагреве. Предварительный нагрев деталей благоприятствует процессу усадки клея и способствует более быстрому отверждению клея. Для достижения наилучшего результата сопрягаемые поверхности должны быть чистыми и свободными от загрязнений. Клей наносится после того, как магниты будут зафиксированы. Это может быть реализовано различными способами в зависимости от конструкции упаковки из листового металла и требований: например, путем заполнения магнитных карманов или путем нанесения клея на магниты.

Многие клеи в настоящее время при их использовании наносятся автоматически. К преимуществам такого метода относятся, например, короткое время цикла, высокая точность и скорость нанесения, а также воспроизводимость. Однако основным требованием для этого является необходимость окупаемости высоких инвестиционных затрат на автоматизацию, которая не всегда оправдана из экономических соображений. Поэтому для предприятия становится более выгодным ручное нанесение клея в мелкосерийном или даже единичном производстве, когда, например, необходимо индивидуальное и по спецзаказу клиента изготовление изделия. В этих производственных процессах клей наносится часто вручную и с более высокими расходами. Во многих приложениях В этих случаях оптимальным становится использование концепции повторно заправляемых картриджей. Так, для заполнения картриджного блока клеем компания FeRe Dosier- und Klebsysteme разработала специальные приспособления, описанные в статье [16]. Преимуществами данной концепции, по мнению компании, являются:

• использование проверенной технологии и простота в обращении,
• разумные вложения, дешевая закупка материалов и меньшие логистические затраты;
• экономия рабочего места, поскольку нет необходимости хранить полные и использованные картриджи;
• возможность неоднократного использования статических смесителей двухупаковочных клеев в течение открытого времени, поскольку заменяется только картридж.

Наконец, использование перезаправляемых картриджей означает сокращение количества отходов (клея, паст, картриджей и статических смесителей), благодаря чему снижаются затраты на утилизацию и решаются задачи охраны окружающей среды (рис. 12). 

Отверждение клеев

Быстро растущее использование конструкционных клеев, особенно для автомобильных кузовов, побудило к различным исследованиям влияния процесса отверждения клея на свойства соединений. Конструкционные клеи для автомобильной промышленности требуют термического отверждения, которое в то же время создает термическую нагрузку на склеиваемые детали. Например, процесс отверждения приводит к возникновению сложных остаточных напряжений в клеевом соединении, которые отрицательно сказываются на эксплуатационных характеристиках соединения, в частности на его ударной прочности. Чтобы оценить такие нежелательные эффекты, в работе [17] был предложен инновационный экспериментальный метод анализа термического отверждения клея в многослойном одинарном соединении внахлестку, сопряженный с корреляцией цифровых изображений. Далее сравнивались характеристики соединений, вызванные остаточными напряжениями, и соединений без напряжений при нагрузке на растяжение с различными скоростями деформирования. Ожидается, что данный метод и соответствующие результаты этого исследования помогут всесторонне понять процесс склеивания отверждающимися клеями и его потенциальные побочные эффекты на работоспособность кузова автомобиля и подобных конструкций.

Китайскими исследователями в статье [18] подтвержден вывод, сделанный еще в 1982 г. в работе российских специалистов [19], о том, что обработка клея с помощью ультразвуковой (УЗ) вибрации при склеивании углепластиков обеспечивает формирование прочной адгезионной связи между соединяемыми поверхностями. Высокочастотная вибрация может эффективно повысить текучесть клея и повлиять на образование поперечных связей в структуре клеевого слоя, способствуя тем самым более полному проникновению клея в микроструктуру подложки и улучшая механические свойства клеевых соединений. Так, у соединений углепластика прочность нахлесточных образцов при растяжении может достигать 18,7 МПа, что на 55 % выше, чем без УЗ обработки клея. Было показано также, что можно значительно повысить и вязкость разрушения клеевых соединений, причем продолжительность УЗ обработки является важным технологическим фактором. Стоит обратить внимание, однако, что для разных клеев влияние ультразвука на характеристики соединения различно. Результаты исследования дают представление о возможности склеивания с использованием УЗ вибрации и заслуживает внимания отечественных специалистов.

Список литературы можно просмотреть по ссылке

New Developments in the Field of Adhesives, Bonding and Related Technologies
(Continued from PM No. 5 2023)
G. V. Komarov
Progress in the field of bonding and adhesive joints is characterized by the appearance of new adhesives and adhesive objects, numerical modeling of technological processes and behavior of finished joints, the development of new equipment and testing devices. All this is reflected in publications on the pages of VINITI RAS publications and allows us to follow the current trends of this assembly method in various fields of technology, which, in fact, has become the subject of analysis in this work.
(To be continued)

.