Причины старения клеевого материала
Наиболее значимыми факторами, приводящими к ухудшению свойств клеевого соединения, являются:
- нагрузки, статические и динамические;
- температура и электромагнитные поля;
- вода, воздух (кислород) и свет (ультрафиолетовое облучение);
- различные микроорганизмы.
Некоторые из этих факторов действуют самостоятельно. Это относится к действию электрических и магнитных полей. То же можно сказать и о воздействии бактерий и других микроорганизмов. В то же время бактерии воздействуют на клей при определенной температуре и влажности. Фотоокисление под воздействием кислорода и ультрафиолетового облучения происходит при одновременном воздействии на клеевой шов различных других климатических факторов. Таким образом, на практике имеет место комплексное воздействие всех выше названных факторов на прочностные и другие свойства клеевых соединений.
Рассмотрим последовательно влияние каждого из них.
Температура. Температура может рассматриваться как фактор старения (деградации) и как фактор, ускоряющий отрицательное воздействие воды, ультрафиолета и пр.
Роль агента разрушения. Клеевые материалы разрушаются под воздействием тепла в результате процессов термодеструкции. В технических требованиях, предъявляемых к свойствам клеевого соединения, должны быть указаны не только значения предельных температур, но и длительность их воздействия и значения механических характеристик клеевых соединений при этих условиях. Например требуется, чтобы «клеевое соединение сохраняло исходные прочностные свойства в течение несколько тысяч часов при температуре свыше 260 °С, несколько десятков часов при температуре 320 —350 °С и несколько минут при температуре свыше 800 °С». Для того, чтобы грамотно определить период времени, в течение которого клеевое соединение не будет разрушаться в заданных температурных условиях, необходимо провести дифференциально термический анализ.
Кинетика отверждения. Измеряя изменение концентрации функциональных групп при воздействии температуры, определяют время, необходимое для отверждения клеевого материала при заданных условиях. Кинетику химических реакций традиционно описывают уравнением Аррениуса. Упрощенно считают, что скорость удваивается при каждом увеличении температуры на 10°: (например, при температуре 120 °С на проведение реакции требуется 9 ч., при комнатной температуре она будет продолжаться около одного года) при 120 °С длится на 1024 дольше, т.е. 1 год при температуре окружающей среды.
При использовании для расчетов уравнения Аррениуса следует помнить, что процессы структурирования и деструкции могут протекать практически одновременно. В этом случае значение энергии активации не соответствует энергии активации процесса снижения прочности (или другого показателя). Допускается для предварительных расчетов использовать уравнение:
Для расчетов достаточно определить константы А и В. На практике этими уравнениями пользуются ограниченно, поскольку о результатах процессов старения удобнее судить по изменению показателей прочности, деформационных характеристик или других свойств клеевого материала.
Влияние температуры на процессы старения под воздействием других эксплуатационных факторов
Если термостойкость клеевых материалов отвечает условиям эксплуатации склеенных конструкций, то и в этом случае она оказывает дополнительное отрицательное воздействие, поскольку способствует увеличению скорости протекания других процессов. Она ускоряет:
- скорость разрушения при воздействии напряжений, вызывает необратимые деформации, что приводит к текучести;
- скорость диффузии воды (влаги) ускоряет набухание клея, вызывает его деструкцию.
В качестве критерия, определяющего работоспособность клеевого соединения при воздействии повышенных температур, можно использовать разницу между температурой стеклования и предельными значения рабочих температур. Рассмотрим возможные варианты:
- 20-30°С, в этом случае клеевые швы не деформируются и клеевой материал сохраняет исходные свойства. Вероятность термодеструкции в этом случае невелика.
- Если температура стеклования меньше, чем рабочая температура эксплуатации клеевого соединения, то в этом случае в диапазоне (30 °С) начинают происходить процессы ускоренного старения.
Как следует из приведенной зависимости, области рабочих температур, где скорость старения клеевых материалов мала, всегда находятся ниже температуры стеклования на несколько десятков градусов 30 °С.
Влияние нагрузок. Способность клеевого соединения сопротивляться таким нагрузкам и является одним из важнейших требований, предъявляемых к клеевому соединению. Величины нагрузок, при которых начинаются процессы разрушения, можно рассматривать как ограничения условий, при которых данное клеевое соединение не может быть использовано.
Статические нагрузки. Испытания на ползучесть позволяют определить способность клеевых материалов выдерживать нагрузки при постоянной температуре в течение длительного времени. Если при воздействии таких нагрузок в клеевых материалах начинают происходить процессы пластической деформации (она является необратимой), клеевые соединения теряют свою способность сопротивляться условиям нагружения. В обоих случаях наблюдается постепенное изменение свойств (можно эти процессы назвать старением) и требуется определить скорости протекания этих процессов и предельные величины нагрузок.
Для большинства конструкционных клеевых материалов величины их когезионной прочности выше, чем адгезионной. Поэтому процессы разрушения начинают происходить на межфазной границе. Постепенно происходят процессы, связанные с реорганизацией макромолекулярных цепей, которые приводят к постепенному ухудшению когезионных свойств клеевого материала.
Для эластомерных клеев упрощенно принимают, что величины нагрузок не должны превышать 10% от разрушающих. Постоянные статические нагрузки (ползучесть) и одновременное воздействие климатических факторов являются типовыми условиями работы клеев, если они применяются для крепления наружных афиш. Для конструкционных клеев величины нагрузок, при которых начинают происходить процессы ползучести, несколько больше и зависят от свойств материалов.
Динамические нагрузки. Такой тип нагружения характеризуют величиной нагрузки, амплитудой и частотой приложения нагрузок. Даже если величина приложенной нагрузки существенно ниже предела прочности клеевых материалов, происходит постепенное снижение прочности. Эти потери прочности называют усталостью и объясняют нехваткой времени для полной релаксации напряжений при каждом цикле нагружения.
Такое объяснение не является точным, поскольку при циклических нагрузках также могут иметь место процессы деструкции и, следовательно, будет происходить необратимое изменение свойств клеевого материала.
Для динамических условий нагружения принято полагать, что допустимыми являются нагрузки, не превышающие 1-2% от предельно допустимых. Таким образом, величины допустимых динамических нагрузок в 5-0 раз меньше, чем величины допустимых статических нагрузок.
Вода и влажность. Клеевые соединения могут в течение всего срока эксплуатации изделий находиться под воздействием воды или ее паров. Вода приводит к быстрому изменению свойств клея и в первую очередь оказывает влияние на величину адгезионной прочности клеевого соединения.
Влияние воды и влаги на процессы старения клея и ухудшение свойств клеевого соединения. Конструкционные клеи. Традиционно в качестве образцов для определения влияния воды на свойства клеев используют диски определенного диаметра, которые погружают в воду и периодически путем взвешивания определяют их массу. Увеличение массы говорит о том, что материал набухает и происходит изменение его свойств.
Типовая зависимость массы от времени, где по одной оси отложены значения увеличение массы, а по другой оси — функции времени (в соответствии с уравнением Фика). На данной кривой можно выделить 4 участка.
I участок. Если поверхность образца большая («бесконечная» по законам Фика), а толщина, наоборот, малая, то по уголу наклона данной кривой можно определить значения коэффициента диффузии, который определяет при заданной температуре.
II участок. Этот участок соответствует области насыщения клеевого материала водой. Ему свойственна повышенная плотность. Увеличение массы, например, для клеев на основе эпоксидных и фенолоформальдегидных смол составляет 1—3%. Для акрилатных и полиэфирных — 5%, для клеев на основе термопластичных материалов, например, полиамидных и для клеев на основе целлюлозы, значения прироста массы могут превышать 10%. Структура клеевого материала в этой зоне остается неизменной и механические свойства клея также не изменяются. После сушки восстанавливается исходное значение массы.
III участок. В этой области происходит процесс пластификации клея водой. Вода также может вступать в химическое взаимодействие с имеющимися функциональными группами. С помощью сушки полностью восстановить исходную массу клея становится невозможным. Происходит снижение температуры стеклования, и ухудшаются механические свойства клеевого соединения.
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ:
Страницы: 1 2
Загрузка ...