Из всех теорий адгезии, описанных в литературе [123, с. 12; 141; 174; 273, с. 21; 274; 280; 281, с. 7; 282], в которых сделана попытка объяснить причину сцепле­ния, наиболее признанной является адсорбционная, или, как она называется в отечественной литературе' [174, 280], молекулярная теория адгезии,- согласно которой, сцепление между разнородными телами обусловлено действием межатомных (химических) и (или) межмоле­кулярных (физических) сил, имеющих электрическую природу.

В соответствии с этой теорией, для обеспечения вы­сокой адгезионной прочности необходимо присутствие В клее и на склеиваемых поверхностях химически актив­ных, полярных Или способных поляризоваться групп. В этом случае между соединяемыми поверхностями ''возникают соответственно химические, ориентационные или индукционные связи. Однако необходимо учиты­вать, что природа атомных групп в полимерной основе клея влияет не только на его адгезионное взаимодейст­вие со склеиваемой поверхностью, о чем преимуїдествен-

но пишут исследователи, но и на когезионную прочность клеевой прослойки. В связи с этим нельзя считать, что прочность клеевого соединения обусловлена только ад­гезионным взаимодействием.

Положительное влияние полярности на прочность склеивания подтверждается тем, что хорошими клея­щими свойствами по отношению к полярным полиме­рам и пластмассам на их основе обладают полимеры, макромолекулы которых содержат уретановые, изоциа­натные, гидроксильные, эпоксидные, карбоксильные и другие полярные группы (полиуретаны, фенопласты, полиэпоксиды, пол и акр платы, карбоксил содержащие

каучуки и др.) [273, с. 34; 287, с. 26] . Вместе с тем известны случаи, когда неполярный полимер, например пол и изобутилен, может буть хорошим клеем [273, с. 28], а полярный полимер, например полиамид, с трудом склеивается [273, с. 37]. Это свидетельствует о том, что такие характеристики полярности материала, как ди­польный момент р. атомных групп или молекул, отно­шение р2/е, где е — диэлектрическая проницаемость, или плотность энергии когезии атомных групп, не могут являться мерой оценки клеящих свойств.

Повышение полярности клея приводит к росту его адгезии к полярной подложке, но повышение полярно­сти клея при неполярном или слабололярном склеивае­мом материале приводит к снижению прочности соеди­нения [174, с. 248]. Основной путь повышения адгезии к таким неполярным полимерам, как полиэтилен, полй- изобутиден, политетрафторэтилен, — применение клеев менее полярных, чем склеиваемые материалы.

Высокая прочность сцепления клея со склеиваемым материалом, различающихся полярностью, достигается, если поверхностная энергия первого'равна или меньше поверхностной энергии второго. При соединении мате­риалов различной полярности высокая прочность до­стигается при использовании клея на основе полимера, макромолекулы которого содержат различные по по­лярности и реакционной способности группы,[ 174, с. 365; 273, с. 37].

Зависимость прочности клеевых соединений от со­держания полярных групп в полимере клея имеет экстремальный характер [174, с,. 40; 273, с. 32; 287, с. 31]. При изменении содержания полярных групп в

£02

> 

ПОЛЙМерё ОДНОБреМеННй' с прочностью сцепления изме­няются (в результате роста жесткости макромолекул снижается вероятность контакта функциональных групп клея и 'склеиваемого материала) механические свойства клеевой прослойки. Одной из причин снижения прочности после достижения максимального значения можно считать повышение хрупкости клеевой прослой­ки. Таким образом, усиление внутри - и межмолекуляр­ного взаимодействия в пределах одной фазы препятст­вует взаимодействию па границе раздела фаз. Следо­вательно, применение клея, в состав которого входят соединения с оптимальным содержанием. активных групп, — один из эффективных способов регулирования - прочности клеевых соединений.

Клеевые соединения в большинстве случаев эксплуа­тируются в условиях действия высоких температур, агрессивных сред, атмосферных факторов, а межмоле - кулярпые связи в этих условиях оказываются недоста­точно устойчивыми. Наиболее высокую прочность соеди­нения достигают с помощью такого, клея, который обе - . спечивает образование межатомных связей между ним и склеиваемым материалом [273, с. 43; 288].

Для полного использования в процессе склеивания межатомных и межмолекулярных сил требуется, сбли­жение молекул клея и подложки на расстояния 0,1— 0,5 нм (1—5 А), т. е. необходимо полное смачивание клеем склеиваемой поверхности. Полнота смачивания клеем зависит (в соответствии с уравнением Юнга) от соотношений поверхностных натяжений на-трех меж­фазных границах: клей — воздух (укД подложка — воз - дух (уп) и клей — подложка (укп); начальной вязкости клея; состояния поверхности; прилагаемого давления и продолжительности смачивания клеем поверхности. Ме­рой смачиваемости поверхности клеем служит краевой угол смачивания 0 (рис, VI. І), . который уменьшается С увеличением Уп и уменьшением ук. С помощью 0 можно охарактеризовать клеящую способность полимера [289^— 291], но этого иногда бывает недостаточно, чтобы су­дить о возможной прочности соединения [292].

Истинная смачиваемость поверхности полимерного материала клеем может быть искажена наличием, на ней различных загрязнений, низкомолекулярных ве­ществ, выполняющих функцию вспомогательных ве-

ществ при переработке или мигрирующих из объема на поверхность, продуктов хи­мического взаимодействия полимера с окружающей _ средой, которые имеют бо - лее низкое или, наоборот, более высокое поверхност­ное натяжение, ,чем чистый полимерный материал. Пол­ное смачивание соответству­ет условию у'к^Уп—Укп. при котором 0=0 рад. Значения Уп и укп не поддаются непосредственному эксперимен­тальному определению, поэтому для оценки смачивае­мости часто пользуются эмпирической характеристи­кой — критическим поверхностным натяжением смачи­вания у с.

Клей полностью смачивает полимерный материал при ук<ус. Если ук>ус (а это можно при склеива­нии пластмасс), смачивание неполное, но увеличивается пропорционально адгезии клея к поверхности по' мерге уменьшения разности ук—ус [286]. Из условия смачива­ния следует также, что, например, расплавленный, поли-, этилен с критический поверхностным натяжением 31 X ХШ_3 Н/м должен иметь отличное сцепление с отверж­денными эпоксидной, мсламино - или карбамидоформ - альдегидной смолой и другими полимерными материа­лами, имеющими более высокое значение критического поверхностного натяжения,. Сополимер тетрафторэтиле - на с гексафторпропиленом, критическое поверхностное натяжение которого равно Ш,2-10~3 Н/м, должен бы быть хорошим клеем для всех материалов.

При полном смачивании значительные различия между у„ и ус нежелательны, так как клеевая прослойка 'на основе полимера с низкой поверхностной. энергией имеет низкую когезионную прочность [289]. Именно этим можно объяснить снижение прочности клеевого соединения после достижения максимума по мере умень­шения поверхностного натяжения клея.

Склеиваемая поверхность, может быть частично или полностью покрыта пленкой другого материала, кото­рая хорошо смачивается клеем, но сама имеет слабую

адґезйЮ К поверхности.

В этом случае хорошая сма­чиваемость не обеспечит на­дежного склеивания.

Поверхностное натяже­ние клея можно изменить химической модификацией,,

Так, фторирование эпоксид-1 ной смолы и полидиметил - силоксана снижает поверх­ностное натяжение соответ­ственно с 44-10~3 до 20Х ХЮ~3 Н/м и с 24-lfh3 до 10-10-г Н/м [273, с. 45].

Такими клеями могут быть

склеены практически любые полимерные. материалы. Смачиваемость можно регулировать также, добавляя в клей поверхностно-активные вещества, разбавители,

' пластификаторы, наполнители и др. Чтобы обеспечить хорошее смачивание и адгезионное сцепление поверхно­сти с клеем, последний применяют в виде подвижных жидкостей или вязко-текучих композиций.

На полноту смачивания поверхности клеем влияют форма и размер углублений и выступов на ней, вяз­кость клея,, продолжительность и давление склеивания [294—29Д]. Любая поверхность имеет определенную шероховатость, зависящую от способа обработки. Наи­более часто встречается и наиболее благоприятна для полного смачивания призматическая форма углуб­лений (выступов). Мелкие углубления на поверхности заполняются клеем под влиянием капиллярного давле­ния и давления, прилагаемого при нанесении клея и запрессовке. При этом находящийся в капиллярных уг­лублениях (порах) воздух сжимается и препятствует их заполнению, клеем. Критерием смачивания служит сумма угла наклона ф углубления и краевого угла 0 сма­чивания (рис. VI.2). Капиллярное давление превосходит давление воздуха, и смачивание происходит, если ф + +0<л рад [297, с. 43]. Чем больше угол ф, тем меньше глубина h проникновения клея в углубление поверхно­сти. Зависимость глубины h заполнения клеем неров­ностей конической формы от прилагаемого давления р, начального давления рв воздуха в углублениях и поверх-

2Q5

При формировании клеевой прослойки на шерохова­той поверхности необходимо считаться с тем, что время достижения равновесного смачивания увеличивается с повышением вязкости клея, которое может происходить в результате его отверждения [294]:

Лук c°s0

где Л — глубина затекания клея в пору со средним' диаметром D за время f; уи — поверхностное натяжение клея; 0 — краевой угол сма­чивания; и — вязкость клея.

Если скорость растекания клея оказывается ниже, чем скорость его отверждения, то на склеиваемых по­верхностях остаются незаполненные клеем полости! При склеивании, например, отвержденных реактопла - стов желательно, чтобы поверхность была по возмож­ности более гладкой.

Однако по мере повышения температуры склеива­ния скорость растекания клея по шероховатой поверх­ности становится больше скорости отверждения клея.

Для - обеспечения полного смачивания необходимо, чтобы исходная вязкость клея сохранялась в течение длительного времени. В термодинамически совместимых системах при достаточно большом периоде индукции полимеризации основы клея последний успевает не только смочить поверхность, но и диффундирует внутрь, что обеспечивает большую прочность и долговечность клеевого шва [298].

Невозможностью заполнения клеем неровностей по­верхности в случае его скоростного (например, высоко­частотного) отверждения можно объяснить факт сни­жения прочности соединения по зашкуренным поверх­ностям, обнаруженный в работе [193].

Адгезия, которая была достигнута на стадии форми­рования клеевого шва, может измениться в процессе отверждения и/ или затвердевания клеевой прослойки. Усадка полимера в этом случае может привести к уве; личению расстояния между взаимодействующими моле-.

кулами или атомными группами и снижению в резуль­тате этого адгезионной прочности, или к возникновению остаточных напряжений.

В процессе эксплуатации соединения адгезионная прочность может изменяться под влиянием окружающей среды Xагрессивные среды, температура, постоянно дей­ствующие нагрузки и др.), а также в результате разли­чия деформационных, теплофизических и других харак­теристик клеевой прослойки И соединяемых материалов или химических и физических процессов, протекающих внутри клеевого шва и па поверхности его контакта с соединяемыми материалами.