- Источники информации.
- Клеи и сырье для клеев.
- Технология склеивания.
- Применение клеев.
- Смежные технологии.
- Заключение.
Применение клеев
Анализ ряда литературных источников позволяет отметить рост интереса исследователей к применению клеев в облегченных и гибридных конструкциях, а также в медицине.
Облегченные и гибридные конструкции
Производство облегченных и гибридных конструкций тесно связано между собой. Если проследить историю развития принципа гибридизации в различных отраслях промышленности и в строительстве, то несложно обнаружить, что одной из основных целей введения в состав изделия нового материала является как раз желание снизить его вес и (или) материалоемкость. Поэтому часто в облегченной конструкции можно найти признаки гибридизации, а гибридное изделие можно рассматривать как облегченное. И именно поэтому бывает трудно иной раз сказать про какое-либо изделие, к какой категории его отнести — к облегченным или к гибридным. Примерами служат панели с пенопластовым, сотовым или микросферическим заполнителем, а также железобетонные балки с накладкой из углепластика.
Из-за различий в тепловом расширении склеиваемых разнородных деталей в гибридных клеевых соединениях могут возникать высокие остаточные напряжения, особенно при большой разнице температур склеивания и эксплуатации, и, как следствие, разупрочнение клеевой прослойки. Эти остаточные напряжения могут быть компенсированы только при условии выбора соответствующего клея. Фраунхоферский институт эксплуатационной прочности и надежности систем LBF совместно с партнерами (Dupont Transportation & Industrial, TUEV Sued Product Service, Inpro и др.) изучает этот вопрос в рамках исследовательского проекта GOHybrid, который был запущен весной 2020 г.
Будь то пластмассы, композиты на основе волокон, алюминий, стекло или древесина — технология склеивания позволяет соединять практически все комбинации материалов, как идентичных, так и разнородных (гибридных). При этом достигаются не только экономия веса, но и сохранность свойств материалов — преимущество, которое обычно не предоставляют другие технологии соединения, в частности сварка и механическое крепление [20].
Авторы из КНР [21] отмечают, что в последнее время к созданию облегченных конструкций в качестве армирующих материалов чаще стали привлекать экологически чистые натуральные волокна из базальта. В исследовании [21] было изучено влияние скорости нагружения и различных свойств материалов на механические свойства и поведение при растяжении одинарных нахлесточных клеевых соединений армированного базальтовым волокном пластика (БП) и алюминия (Al). Процессы растяжения и разрушения были записаны и проанализированы с помощью высокоскоростной камеры и метода цифровой корреляции изображений. Также был исследован с помощью микроскопии характер разрушения. Результаты показали, что все образцы были чувствительны к скорости нагружения. Так, средняя пиковая нагрузка увеличилась на 50 % при скорости 5 м/с по сравнению со стандартной для квазистатических испытаний (2 мм/мин), при этом соединения БП/БП имели более высокую прочность, чем БП/Al. Разрушение клеевой прослойки начиналось на краю детали с большей пластической деформацией. Вырыв волокон произошел во всех БП при увеличении скорости нагружения и плохом сцеплении между базальтовыми волокнами и матрицей.
Несколько работ посвящено упрочнению на изгиб железобетонных балок (ЖБ) при наклеивании на них внешних слоев композитных материалов. Так, в статье [22] проанализирована устойчивость к изгибу трехпролетных ЖБ-балок длиной 9 м и сечением 15´25 см, усиленных или отремонтированных путем приклеивания листов из стекло- или углепластика. Экспериментальные испытания с монотонным нагружением проводились путем изменения уровня нагрузки, типа композитной накладки и ее толщины. Наблюдалось пять видов разрушения упрочненных балок. Результаты показали, что предельный изгибающий момент балки может быть улучшен от 14 до 26,6 % в случае балок, усиленных углепластиком, и от 7,2 до 11,8 % за счет приклеивания листов стеклопластика.
Пластичные клеи благодаря их высокой деформационной способности более подходят, чем хрупкие, для усиления стальных конструкций путем приклеивания углепластика. Специалисты из КНР с помощью численных методов исследовали подобное соединение, полученное с помощью пластичного клея [23]. Были изучены взаимосвязь нагрузки и смещения на нагруженном конце растягиваемого соединения, а также распределение деформации вдоль углепластиковой пластины.
Клеевые соединения в медицине
За сложную задачу по разработке подходящих тканевых клеев, которые могли бы эффективно использоваться для перевязочных материалов и склеивать влажные внутренние органы человека с приемлемой прочностью адгезии и биосовместимостью, взялись авторы работы [22]. Было установлено, что некоторые адгезивные белки мидий, такие как катехоловая группа дигидроксифенилаланина (I-ДОФА) и его аналоги, наряду с шероховатостью поверхности некоторых наночастиц, вводимых в состав клея, могут улучшать адгезионную способность к любому субстрату. Чтобы обеспечить свободную от бактерий среду, улучшающую процесс заживления, в желатин-катехоловую матрицу клея были включены наночастицы оксида цинка (НЧ ZnO) в количестве 1 и 3 % мас. соответственно. Полученные нанокомпозитные биоклеи были исследованы методами ИК-спектроскопии с полным ослаблением отражения (ATR-FTIR), сканирующей (SEM) и просвечивающей электронной микроскопии (TEM). Оценивали механические и клеящие свойства биоклеев, набухание, гидролитическую деградацию, антимикробную активность и цитотоксичность. Согласно полученным результатам, добавление наночастиц ZnO существенно влияет на механические и биологические свойства нанокомпозитного клея, который проявляет превосходные антимикробные свойства, особенно при 3 % мас. НЧ ZnO, в то время как клеящие свойства повышаются при добавлении 1 % мас. НЧ ZnO. Таким образом, новизна этого исследования заключается в создании тканевых биоклеев с известными показателями адгезии в сочетании с улучшенными антимикробными свойствами, имеющих хорошие перспективы в качестве материалов для ран и перевязочных материалов.
Новый биосовместимый УФ-клей марки Vitralit UV 7030 для эластомеров, особенно пригодный к применению в медицинской технике, разработала компания Panacol [23]. Клей сертифицирован по классу VI USP и отверждается за секунды под действием УФ-излучения. Инфузионные трубки или катетерные шланги в основном изготавливаются из эластомеров, а затем склеиваются. В частности, клеи УФ- и светодиодного отверждения на основе акрилата подходят для быстрого соединения и, следовательно, для рентабельного производства. В качестве материала соединительных элементов часто используются трудно склеиваемые пластики, такие как полиэфирэфиркетон или полиэтиленнафталат. Именно для этих целей компания Panacol и разработала клей Vitralit UV 7030.
Известно, что спасательная операция, при которой необходимо восстановить ткани пищеварительного канала человека, сопряжена с некоторыми рисками. Игла и нить сами по себе не обязательно являются идеальным хирургическим инструментом для наложения швов на две части кишечника. Команда исследователей из Швейцарского федерального института испытания и исследования материалов (EMPA) разработала пластырь, который надежно закрывает два прилегающих участка кишечника и таким образом предотвращает опасность рецидива (рис. 13) [24].
Идея наложения пластыря на поврежденную ткань в брюшной полости уже была однажды реализована. Но после того, как первые такие продукты оказались плохо переносимыми или даже токсичными, в настоящее время эти пластыри изготавливают из биоразлагаемых белков. Проблема в том, что результаты их применения зависят от вида склеиваемой ткани организма. Так, яичные пластыри в первую очередь предназначены для поддержки процесса заживления, но они слишком быстро растворяются при контакте с разрушающими пищеварительными соками. Основой нового пластыря стал синтетический комбинированный материал, состоящий из четырех акриловых веществ, образующих химически стабильный гидрогель. Кроме того, пластырь активно взаимодействует с тканями кишечника, так что жидкость больше не проходит сквозь клеевое соединение. «Квартет» из акриловой кислоты, метилового эфира акриловой кислоты, акриламида и N,N’-метиленбисакриламида работает в идеальной синергии, поскольку каждый компонент вносит свой вклад в общую работу, обладая определенными свойствами — стабильным связыванием со слизистой оболочкой, образованием сеток, стабильностью в отношении пищеварительных соков и водонепроницаемостью. При этом их адгезионная способность в 10 раз выше, чем у обычных клеевых материалов.
Примеры новых разработок
Регулярно на страницах журнала Adhäsion публикуются статьи по склеиванию самых разнообразных материалов различного назначения. Например, в статье, посвященной склеиванию древесины, подробно сопоставляется поведение феноло-резорцино-формальдегидного одноупаковочного полиуретанового и эпоксидного клеев в различных условиях эксплуатации [25].
Требования к конструкциям авиакосмического назначения, свойствам материалов и их рабочим характеристикам чрезвычайно высоки, потому что каждый дополнительный грамм веса увеличивает затраты. В настоящее время вряд ли появятся какие-либо новые материалы в этой сфере, и основные тенденции будут направлены на дальнейшее развитие производственных процессов с использованием существующих материалов, например, 3D-печати и термопластичных пластиков [26]. В зависимости от объекта производства доля ручного труда в таких сложных задачах, таких как сборка крупногабаритных конструкций, в том числе с применением склеивания, останется высокой, но будет поддерживаться более мощными средствами механизации, контроля и цифровизации (рис. 14).
Чтобы улучшить защиту потребителей во всем мире, на многих рынках вводятся более строгие законы и правила в отношении безопасности продукции. Являясь одним из ведущих производителей клеев для упаковочного сектора, компания Henkel разработала специальное семейство клеев, которое, как считает компания, «устанавливает новые стандарты безопасности пищевых продуктов для конечных упаковочных решений» [27].
Экологически безопасную альтернативу продуктам, содержащим и не содержащим растворители, производителям гибкой упаковки представляет компания BASF в виде водосодержащих клеев типа Epotal [28]. Согласно ее данным, высокая начальная прочность клеев позволяет осуществлять непосредственную дальнейшую обработку склеенных ими пленок путем нанесения печати или ламинирования, что означает большую гибкость для клиентов, поскольку время выполнения заказа значительно сокращается. Благодаря своему химическому составу, водосодержащие клеи являются по своей сути безопасными системами и поэтому хорошо подходят для использования в пищевой упаковке. Более того, клеи Epotal облегчают переработку отходов многослойной упаковки, так как отдельные слои упаковочных пленок могут легко отделяться друг от друга.
Компанией Panacоl специально для декора и нанесения купольного покрытия на конструкции из пластмассы, стекла или металла разработана композиция Vitralit UC 6685 [29]. Она представляет собой прозрачный одноупаковочный клей на основе эпоксидной смолы, который обеспечивает привлекательный внешний вид поверхностного структурного слоя и изображений под ним благодаря небольшому эффекту увеличения. По данным Panacоl, благодаря своей вязкости клей подходит для декоративного применения на флаконах и бутылках или для покрытий, например, брелков, нагрудных значков, пуговиц, именных бирок, ручек и ювелирных изделий. Под воздействием УФ-излучения в диапазоне длин волн от 320 до 390 нм клей может быть отвержден за несколько секунд, что обеспечивает высокую производительность склеивания. После отверждения клей создает очень твердый и стойкий к царапинам слой, характеризуется блестящей прозрачностью и отсутствием желтизны.
Новый класс материалов, вызвавший в печати определенный ажиотаж, получил название Vitrimere [30]. Он представляет собой экологически чистый пластик, который самовосстанавливается, обладает «умными» свойствами и при необходимости может быть вторично переработан. В настоящее время эти материалы привлекают внимание разработчиков материалов по всему миру, в том числе потому, что они «переключаемы». Это означает, что с их помощью становится возможным производить композиционные материалы, которые затем можно разделить, а потом использовать снова. По тому, как Vitrimere охарактеризованы в упомянутой статье, можно предположить, что они могут быть клеями в разбираемых клеевых соединениях.
В краткой публикации японских авторов [31] сообщается о демонтируемом фотоотверждаемом клее, который состоит из мультиакрилатного олигомера с третичным эфиром, фоторадикального инициатора, генератора фотокислот и фосфатзамещенного акрилата в качестве промотора адгезии. Фотоэкспонирование клея, зажатого между двумя предметными стеклами, вызывает их сцепление и склеивание друг с другом. Последующая термообработка способствует катализируемому кислотой разложению затвердевшего клея, что приводит к значительному снижению адгезионной прочности. Щелочной проявитель может удалить остатки клея с отклеенных стеклянных пластин, тем самым восстанавливая прозрачность стекла.
Смежные технологии
С давних пор клеи успешно применяются также в технологиях, смежных по отношению к склеиванию. Речь идет, например, о ремонте, приформовке или производстве клеемеханических соединений. Так, в работе [32] с использованием экспериментального и аналитического подходов исследовано влияние формы композитных накладок на эффективность ремонта конструкций летательных аппаратов. Испытания на усталость при нагрузке с постоянной амплитудой с положительным коэффициентом напряжений проведены на образцах с V-образной трещиной (рис. 15) с использованием двух алюминиевых сплавов — 2024-T3 и 7075-T6, которые восстанавливаются с помощью приклеенных накладок из эпоксидного углепластика различной формы — прямоугольной, трапециевидной и треугольной. Треугольные формы накладок, ориентированные влево и вправо, были использованы для анализа влияния их ориентации на эффективность ремонта. Численные модели, построенные с учетом форм и ориентации этих накладок, позволили рассчитать коэффициенты интенсивности напряжений и напряжения в клеевых прослойках для количественной оценки ремонтных характеристик этих накладок.
Экспериментальные результаты показали, что прямоугольные «заплаты» обеспечивают наиболее эффективный ремонт, в то время как треугольная форма с левой ориентацией может привести к катастрофическим результатам, особенно с алюминиевым сплавом 2024-T3. Результаты моделирования показали хорошее согласование с экспериментальными данными (рис. 16).
Увеличение использования композитов в нагруженных конструкциях требует передовых методов ремонта, таких как приформовка двойной, многоступенчатой или со скосом накладок для восстановления поврежденного изделия до его проектной несущей способности. Например, целью работы [33] было добиться приемлемой прочности и одновременного сокращения затрат на ремонт ремонтируемого изделия за счет оптимизации профиля композитной накладки со скосом. В лучшем случае удалось достигнуть 75 % от начальной прочности при растяжении при уменьшении стоимости ремонта на 60 %.
Механические крепежные элементы обладают высоким потенциалом для эффективного улучшения свойств клеевых соединений углепластика, приклеенного к стали. Так, в работе [34] на основе экспериментальных и аналитических исследований соединений углепластика со сталью с двойным перекрытием было показано, что торцевое механическое крепление может заметно увеличить несущую способность клеемеханического соединения.
Заключение
Публикации в периодических СМИ дополняются информацией на отраслевых специализированных конференциях и симпозиумах. Так, за рубежом одним из наиболее значимых для отрасли клеев мероприятий является ежегодный международный симпозиум в Мюнхене, где референты из исследовательской и промышленной отрасли со всей Европы, а также из США, Японии и других стран представляют научно-технические доклады о применении клеев и технологии склеивания в таких областях как автомобилестроение, авиация, электроника, медицина, облегченные конструкции, композиты и др. [35].
Подобное мероприятие в России — Международную научно-техническую конференцию «Современные достижения в области клеев и герметиков: материалы, сырье, технологии» — традиционно организует НИИ химии и технологии полимеров имени академика В. А. Каргина (г. Дзержинск, Нижегородская обл.). В 4-й раз она состоится 26–28 сентября 2023 г. Программа мероприятия будут включать пленарные доклады ведущих ученых и специалистов, устные, стендовые и заочные доклады по актуальным научным и прикладным проблемам.
В рамках конференции будут обсуждаться следующие вопросы:
- современные тенденции и научные исследования в области создания клеевых и герметизирующих материалов на основе акриловых, уретановых, эпоксидных, силиконовых тиоколовых и других соединений;
- новые достижения в создании и применении адгезионных материалов;
- исследования в области синтеза мономеров, олигомеров и (со)полимеров для клеев и герметиков;
- синтез и модификация отвердителей, наполнителей, пластификаторов и других добавок для получения клеев и герметиков, а также перспективы их производства, в том числе с использованием российского сырья;
- современные приборы и методы исследований полимерных адгезионных материалов.
Условия участия и дополнительная информация приведены сайте.
New Developments in the Field of Adhesives, Bonding and Related Technologies
(Continued from PM No. 5, 6 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.
Литература
Ознакомиться со списком литературы можно по ссылке.
