ÅÄ czenie elementów z tworzyw sztucznych, cz. 3

Wytwarzanie i przetwórstwopolimerów!Łączenie elementów z tworzyw sztucznych, cz. 3 -­‐ klejenie dr in. Michał Strankowski Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Klejenie jest procesem łączenia materiałów za pomocą kleju. Podstawowymi składnikami klejów syntetycznych są polimery, które w mieszaninie z rozpuszczalnikami, rozcieńczalnikami, napełniaczami lub innymi składnikami dodatkowymi stanowią klej. Przy pomocy klejów można łączyć praktycznie wszystkie materiały m. in. tworzywa, metale, drewno, szkło, gumę oraz inne. Budowa polimeru istotnie wpływa na właściwości klejące – adhezję, która to jest charakteryzowana jako oddziaływanie na granicy faz. Istota klejenia oparta jest na dwu podstawowych zjawiskach, są to adhezja (przyczepność powierzchni granicznych), kohezja (wewnętrzna wytrzymałość warstwy kleju).

Warunki uzyskania połączenia klejowego:Adhezja od łac. „adhaesio” – sczepianie się, łączenie siępowierzchni dwóch różnych (stałych lub ciekłych) ciał(faz) na skutek przyciągania międzycząsteczkowego.Kohezja od łac. „cohaerere, cohaesum -łączyć się; stykaćsię - spójność, substancji, właściwość ciał, polegająca naprzeciwstawianiu się rozdzielaniu ich na części.

Adhezja (przyczepność powierzchni granicznych) Kohezja (wewnętrzna wytrzymałość warstwy kleju)

Adhezja mechanicznaSchemat złącza adhezyjnego orozwiniętej powierzchni, dwóch,łączonych za pomocą kleju ciałstałych.1,3 – ciała łączone, 2-warstwa klejuZe zwiększeniem chropowatości powierzchni danego materiału,zwiększa się liczba wgłębień o nieregularnych kształtach,do których może wnikać klej.Penetracja kleju zależy głównie od jego lepkości, temperatury,ciśnienia, czasu wnikania, a także od przekroju i głębokości tychwgłębień

Elektrostatyczna teoria adhezji• Według tej teorii, między dwoma różnymi materiałami, doprowadzonymi dobezpośredniego kontaktu, może nastąpić przepływ strumienia elektronów.• Efektem tego przepływu jest utworzenie się, po stronie materiału mniejelektroujemnego, nadmiarowego ładunku dodatniego, który stanowią jonydodatnie osadzone w warstwie wierzchniej.• Natomiast w warstwie wierzchniej materiału bardziej elektroujemnegopowstaje nadmiarowy ładunek ujemny, utworzony przez migrujące tamelektrony.• Efektem tego procesu jest tzw. podwójna warstwa elektryczna, znajdująca sięw obszarze międzyfazowym. Działające w tej warstwie siły przyciąganiaprzeciwdziałają rozdzieleniu obu materiałów tworzących złącze.

Dyfuzyjna teoria adhezji• Przyczyną dyfuzji jest różnica potencjałów termodynamicznychcząsteczek w obydwóch przylegających do siebie materiałach.Wyrównanie tych potencjałów, co prowadzi do stanu równowagitermodynamicznej układu, dokonuje się w wyniku zmianywzajemnego położenia atomów i cząstek znajdujących sięw obszarze międzyfazowym.• Proces dyfuzji zależy głównie od rodzaju przylegającychmateriałów oraz temperatury i ciśnienia.• Podstawowym kryterium powstawania dyfuzyjnych złączadhezyjnych jest jednakowa lub zbliżona rozpuszczalność obumateriałów.

Fizyczno-chemiczna teoria adhezji• P odstawowe znaczenie mają oddziaływaniamiędzycząsteczkowe, w tym szczególnie siły van der Waalsa.• Uwzględniona jest możliwość powstawania połączeń naturychemicznej w obszarze międzyfazowym dwóch łączonych zesobą materiałów.• Warunkiem koniecznym adhezji dwóch materiałów jestzbliżenie ich na odpowiednio małą odległość.

Czasy starożytne4000 lat p.n.e. – naczynia klejone żywicą 3000 lat p.n.e. – Sumeria – kleje zwierzęcego pochodzenia Starożytny Egipt – pierwsze meble fornirowane Starożytna Grecja – warzenie kleju rzemiosłem (kellepsos) 200 lat p.n.e. – piśmiennictwo dotyczące otrzymywania i stosowania klejów

Czasy nowożytneok. 1700 – Holandia – fabryka kleju ze skór rybich 1750 – Anglia -­‐ pierwszy patent na otrzymywanie kleju z rybich odpadów Kolejne lata: patenty dotyczące otrzymywania klejów ze skór, kości, kazeiny, gumy naturalnej. 1910 – początek ery tworzyw sztucznych – odkrycie bakelitu (żywicy fenolowo-­formaldehydowej)Wyroby z bakelitu

Do sporządzania klejów można używać tylko tych polimerów, które mają znaczną adhezje do materiałów łączonych i odpowiednią kohezje po utwardzeniu lub zestaleniu. Kleje muszą się odznaczać małym napięciem powierzchniowym w chwili zwilżania powierzchni materiału. Klejalność zwiększa obecność w kleju grup silnie polarnych. Trudne do sklejenia niepolarne poliolefiny są dowodem silnego wpływu właściwości polaryzujących. Dlatego też tworzywa niepolarne dają się sklejać tylko po odpowiedniej obróbce powierzchni, np. utlenianiu kwasami, wyładowaniami koronowymi lub aktywacją płomieniową.

Kleje dzielimy według różnych kryteriów. Istotne znaczenie ma jednak z przetwórczego punktu widzenia podział klejów ze względu na: Istotę przechodzenia ze stanu ciekłego lub plastycznego w stan stały -­‐ Kleje utwardzalne (zestalające się poprzez ochładzanie) -­‐ Kleje rozpuszczalnikowe (zastalające się na skutek odparowania lub absorpcji rozpuszczalnika); Temperaturę utwardzenia lub zestalenia -­‐ Kleje przechodzące w stan stały w temp. normalnej -­‐ kleje na zimno -­‐ Kleje przechodzące w stan stały w temp. podwyższonej (na ogół do 250 o C) -­‐ kleje na gorąco; Stan skupienia przed powleczeniem powierzchni materiału -­‐ Kleje ciekłe -­‐ Kleje plastyczne -­‐ Kleje stałe (proszek, granulat, pałeczki, folie -­‐ błony); Wytrzymałość połączeń klejowych Wytrzymałość połączenia klejowego zależy od wielu czynników, z których najważniejsze to: -­‐ rodzaj kleju; -­‐ przygotowanie warstwy wierzchniej do łączenia ; -­‐ warunki utwardzenia lub zestalenia kleju; -­‐ rozwiązania konstrukcyjne połączenia; -­‐ wartość, sposób i czas działania obciążenia.

Klejenie dyfuzyjne, możliwe w przypadku termoplastów (za wyjątkiem PE, PP, POM i PTFE), zachodzi w przypadku rozpuszczania lub spęczniania powierzchni łączonych. Połączenia te są podobne do połączeń spawanych. Klejenie adhezyjne w wyniku fizycznego lub też chemicznego łączenia się powierzchni klejonych, możliwe jest ono w przypadku wszystkich tworzyw.

Sklejalność niektórych materiałów polimerowych. Sklejalność Materiał Polarność Rozpuszczalność Klejenie dyfuzyjne Klejenie adhezyjne PS p/n r + + n-­‐PVC p r + + p-­‐PVC p r + + Dobra Warun-­‐kowa Trudna PMMA p r +/-­‐ + PC p r + + ABS p r + + CA P r + + PUR p n -­‐ + UP p n -­‐ + EP p n -­‐ + PF p n -­‐ + UF/MF p n -­‐ + PA p n +/-­‐ + POM p n -­‐ + PET p n -­‐ + KN p n +/-­‐ + PE n n -­‐ +/-­‐ PP n n -­‐ +/-­‐ PTFE n n -­‐ +/-­‐ SI p/n n -­‐ +

cd tabela Oznaczenia polimerów: PS – polistyren, n-­‐PVC – nieplastyfikowany poli(chlorek winylu), p-­‐PVC – plastyfikowany poli(chlorek winylu), PMMA – poli(metakrylan metylu), PC – poliwęglan, ABS – terpolimer akrylonitrylu-­‐butadienu-­‐styrenu, CA – poli(octan celulozy), PUR – poliuretany (także spienione), UP – żywice poliestrowe, EP – żywice epoksydowe, PF – żywice fenolowe, UM/MF – żywice melaminowo-­mocznikowe, PA – poliamidy, POM – poliacetale, PET – poli(tereftalan etylenu), KN – kauczuk, PE – polietylen, PP – polipropylen, PTFE – politetrafluoroetylen, SI – żywica silikonowa. Pozostałe oznaczenia: p – polarny, n – niepolarny, r – rozpuszczalny, n – nierozpuszczalny.

Klejenie jako technika łączenia różnych materiałów

Ogólnie połączenia klejowe wykazują największą wytrzymałość na ścinanie i odrywanie. Na rysunku 5.8.3./1. przedstawiono najważniejsze rodzaje połączeń klejowych. Właściwości połączeń klejowych zależą od wielu czynników do których można zaliczyć: przygotowanie warstwy wierzchniej, rodzaj kleju, warunki utwardzania kleju, wybór połączenia klejowego, obciążenie jakiemu będzie poddany element w miejscu łączenia.

Rodzaje połączeń klejowych Rys. 5.8.3./1. Rodzaje połączeń klejowych: a) doczołowe, b) zakładkowe proste o elementach ściętych prosto, c) zakładkowe proste o elementach ściętych ukośnie, d) zakładkowe skośne, e) zakładkowe proste ścienione, f)zakładkowe osadzone, g) przekładkowe, h) nakładkowe jednostronne o nakładce ściętej prosto, i) nakładkowe jednostronne o nakładce ściętej ukośnie, j) nakładkowe dwustronne o nakładkach ściętych prosto, k) nakładkowe dwustronne o nakładkach ściętych ukośnie, l) nakładkowe ścienione.

Znaczenie techniczne jako surowce do produkcji klejów znalazły następujące substancje: -­‐ żywice : epoksydowe, fenolowe, rezorcynowe, mocznikowe, melaminowe; -­‐ nienasycone żywice poliestrowe; -­‐ silikony, poliuretany, poli(octan winylu), chlorowany poli(chlorek winylu) kopolimery chloru i octanu winylu, polimetakrylany, poliakrylany, estry celulozy, polialkohol winylowy, poliacetale winylowe, polistyren, poliizobutylen, kopolimery butadienu i akrylonitrylu, polichloropren, polisiarczki. Wyżej wymienione substancje rzadko występują w kleju samodzielnie, są one najczęściej mieszane z różnego rodzaju dodatkami. Dopiero całość takiej mieszaniny stanowi o właściwościach kleju.

Kleje mogą występować w różnych postaciach: jako roztwory wodne, dyspersyjne, roztwory w rozpuszczalnikach organicznych, w postaci cieczy o małej lub też dużej lepkości – tzw. kleje rozpuszczalnikowe. Z kolei kleje reaktywne, to kleje których utwardzanie związane jest z reakcją chemiczną. Kleje mogą też występować w postaci ciała stałego (kleje topliwe), mogą być naniesione na nośniki lub w postaci folii. Kleje te w procesie klejenia przechodzą przez fazę ciekłą (ulegają topnieniu), w której następuje zwilżenie powierzchni klejonej. Jednym z podstawowych warunków jakie stawia się klejom jest to aby posiadały dobrą adhezję do powierzchni klejonej, co jest związane z niskim kątem zwilżania.

Stosowanie obciążeń złącz klejowych Na ogół połączenia klejowe wykazują największą wytrzymałość na ścinanie i odrywanie. Obciążenia oddzierające oraz zginające w przypadku połączeń doczołowych znacznie zmniejszają wytrzymałość połączeń. W związku z tym połączenia klejowe konstruuje się tak, aby przenosiły w największym stopniu obciążenia ścinające i odrywające, w najmniejszym zaś -­‐ oddzierające i zginające. Dąży się również do tego aby naprężenie w skleinie było jak najmniejsze. Można to osiągnąć przez: -­‐ powiększenie pola powierzchni klejonych -­‐ zaprojektowanie odpowiedniego stanu obciążeń w połączeniach

Podstawowe rodzaje obciążenia połączeń klejowych: a) na odrywanie, b) na ścinanie, c) na oddzieranie, d) na ściskanie, e) na ścinanie ze zginaniem

Konstrukcja połączeń klejowych Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych połączeń klejonych z podaniem w każdym przypadku korzystnych i niekorzystnych kierunków obciążenia połączenia. Połączenia klejowe teowe i kierunki ich obciążeń: 1-­‐niedopuszczalny, 2-­‐dopuszczalny, 3-­‐najwłaściwszy

Połączenia klejowe rur i kierunki ich obciążeń: a) doczołowe, b) zakładkowe walcowe, c) nakładkowe zewnętrzne, d) nakładkowe wewnętrzne; 1-­‐niedopuszczalny, 2-­‐dopuszczalny, 3-­‐najwłaściwszy

Technologia klejenia tworzyw Tworzywo sztuczne łączyć można za pomocą następujących technik klejowych: -­‐ łączenie za pomocą rozpuszczalników -­‐ zastosowanie klejów w postaci cieczy, past lub błon Niekrystaliczne, bezpostaciowe tworzywa termoplastyczne można łączyć ze sobą za pomocą odpowiednich rozpuszczalników roztworów polimeru w rozpuszczalnikach lub kompozycji monomerów. W przypadku łączeń dwóch różnych tworzyw sztucznych zaleca się stosowanie roztworów polimerów w rozpuszczalnikach. Elementy z tworzyw sztucznych, którym nadano kształt w formach metalowych, należy zawsze piaskować lub szlifować w celu usunięcia środków rozdzielających, zmniejszających wytrzymałość łącza. Przy klejeniu laminatów należy w miarę możności usunąć jedną warstwę materiału w miejscu sklejenia. W tym celu wciska się cienki nóż pod warstwę laminatu, oddziera odpowiedni fragment i odrywa.

Przede wszystkim przed użyciem kleju należy go odpowiednio przygotować. Sporządzenie kleju utwardzalnego polega najczęściej na zmieszaniu składników kleju w potrzebnych proporcjach i w odpowiedniej kolejności. Sporządzenie kleju w stanie stałym polega głównie na suszeniu, a gdy klej ma postać folii (błon) na wycięciu wykrojów o wymiarach i kształcie odpowiadających połączeniu. Powierzchnie przeznaczone do klejenia powinny być pozbawione zanieczyszczeń utrudniających ich zwilżanie przez klej. Wskazane jest także schropowacenie podłoża celem zwiększenia przyczepności kleju.

W przypadku elementów z polimerów utwardzalnych -­‐ duroplastów stosuje się często oczyszczanie papierem ściernym. Powlekanie klejem powierzchni odpowiednio przygotowanej odbywa się za pomocą ręcznych narzędzi pracy, takich jak pędzle, bagietki, łopatki, bądź za pomącą maszyn zwanych powlekarkami. Po naniesieniu kleju ściska się łączone elementy celem ich wzajemnego unieruchomienia oraz dokładnego przylgnięcia klejonych powierzchni. Folie łączone klejami o dużej przyczepności wystarczy tylko przewalcować wałkiem gumowym. Wyroby o skomplikowanym kształcie skleja się zazwyczaj w odpowiednich formach.

Przebieg procesu klejenia jest zdeterminowany przez: -­‐ temperaturę -­‐ temp. klejenia zależy przede wszystkim od temp. polimeryzacji lub topnienia użytego kleju, temp. topnienia albo mięknienia mat. łączonych oraz od żądanych właściwości połączenia -­‐ czas -­‐ czas klejenia określonym klejem zależy od temp. klejenia -­‐ nacisk -­‐ wywierany podczas klejenia powinien zapewniać właściwy przebieg procesu polimeryzacji, dokładne przyleganie do siebie łączonych części oraz optymalną grubość skleiny. Wartość nacisku zależy od tego czy klej przechodzi w stan stały w wyniku polimeryzacji kondensacyjnej (1 MPa) czy w inny sposób (0,05 MPa).

Aby otrzymać prawidłowe sklejanie łączonych części należy przestrzegać podanych poniżej zaleceń: -­‐ powierzchnie wyczyścić z brudu, kurzu, resztek farby i innych ciał obcych -­‐ powierzchnie zmatowić przez szlifowanie papierem ściernym -­‐ powierzchnie gruntownie odtłuścić. Nadają się do tego np. aceton, alkohol, rozpuszczalnik nitro -­‐ powierzchnie klejone wysuszyć -­‐ przygotowanych do klejenia powierzchnie nie dotykać dla uniknięcia przeniesienia tłuszczu ze skóry na tworzywo -­‐ klej nanieść równomiernie i cienką warstwą -­‐ niedopuszczać do zabrudzenia brudem lub kurzem świeżo pokrytych klejem -­‐ prace takie jak szlifowanie itp. przerwać, do czasu aż uzyska się wystarczające połączenie

Schemat powlekarki przenośnej: 1 — zbiornik kleju, 2 — tuleja, 3 — sprężyna dociskowa, 4 — wspornik, 5 — walec powlekający żłobkowany, 6 — grzybek zaworu, 7 — trzpień, 8 — dźwignia przyciskana ręką pracownika, 9 — rękojeść

Schemat powlekarki stacjonarnej: 1 — zbiornik kleju, 2 — walce podające, 3 — walec powlekający, 4 — stół, 5 — stojak, 6—przekładnia do bezstopniowej regulacji prędkości obrotowej walca powlekającego, 7 — korpus, 8 — silnik elektryczny, 9 — element do regulacji położenia zbiornika kleju w zależności od ilości kleju

Przyrząd do klejenia okładzin ciernych sprzęgła odśrodkowego: 1 — taśma stalowa, 2 — okładzina cierna, 3 — szczęka sprzęgła, 4 i 5 — uchwyty, 6 — sprężyna, 7 — popychacz, 8 — gałka ręczna, 9 — dźwignia, 10 — krzywka, 11 — prowadnice uchwytów

Klejenie tektury falistej (1) z kartonem (2) za pośrednictwem nici polimerowych, głównie poliamidowych (5) powleczonych uprzednio klejem termoplastycznym. Wymienione elementy są łączone w sposób ciągły za pomocą walców ogrzewanych (4), powodujących stopienie kleju i docisk wzajemny kartonu, tektury i nici, tworzących materiał opakowaniowy na pudła.

Klejenie tworzyw sztucznych Praktycznie wszystkie dostępne obecnie tworzywa sztuczne można z powodzeniem łączyć za pomocą klejów. Niektóre tworzywa sztuczne można skleić o wiele łatwiej od pozostałych. Powierzchnię wielu tworzyw należy przygotować do klejenia tylko przez piaskowanie, podczas gdy niektóre inne tworzywa wymagają chemicznej obróbki powierzchni w celu uzyskania dobrego zwilżenia.