6.3. Подготовка поверхности склеиваемых материалов

Целью обработки поверхности субстрата перед склеиванием является достижение максимально возможной смачиваемости его выбранным клеем (в случае плавких клеев — их расплавами). Тем самым обеспечиваются оптимальные условия для контакта клея с поверхностью субстрата и создаются предпосылки для возникновения адгезионных связей. Чем большая площадь склеиваемой поверхности участвует в создании этих связей и чем больше их число, тем выше прочность соединения.

Было показано , что в случае очень гладкой поверхности двух субстратов значительный адгезионный эффект достигается и без участия клея при соприкосновении субстратов. Но поскольку обычно поверхности все же имеют неровности в пределах 1—10 мкм, то для их сцепления необходимо нанести тонкий слой клея, выравнивающего эти неровности и способствующего соединению поверхностей.

При обработке поверхности важно, чтобы на субстратах не оставалось никаких посторонних веществ, загрязнений и шероховатостей. Кроме того, необходимо обеспечить оптимальные физико-химические свойства поверхности, что достигается с помощью различных способов физической и химической обработки:

Рис. 6.1. Основные типы неровностей на склеиваемых поверхностях; а — цилиндрические; б - конические глубокие; в — конические с обратным уклоном; г — конические плоские; д — чашеобразные.

1) физическая обработка: механическая (абразивное шлифование, обработка металлической щеткой, обработка наждачной бумагой, обработка пескоструйным аппаратом, фрезерная или токарная обработка); облучение (γ-лучамн, ультрафиолетовыми и инфракрасными лучами, ионная бомбардировка); обработка ультразвуком; обработка статическим и высокочастотным разрядом; газопламенная обработка; сушка.

2) химическая обработка: обезжиривание [тампоном, в парах растворителя, в ванне (возможно в комбинации с ультразвуком), поливом обезжиривающих веществ (не рекомендуется)]; травление; фосфатированне; анодирование; использование адгезионных грунтов.

В настоящее время нельзя количественно теоретически оценить эффективность этих способов обработки. Однако накоплено достаточно много практических рекомендаций, на основе которых путем комбинирования перечисленных способов обработки определяют последовательность операций при подготовке к склеиванию тех или иных материалов.

При склеивании шероховатых поверхностей на прочность соединения влияют размеры и форма шероховатостей. Заполнение шероховатостей клеем (рис. 6.1) обусловлено их формой, которая может быть цилиндрической, трапециевидной, конусообразной или круглой. Решающее значение имеют краевой угол смачивания θ и угол наклона поверхностной шероховатости (стенки капилляра)Ψ. Если θ+Ψ=180°, то капиллярное давление положительно, происходит смачивание, и клей достаточно прочно закрепляется в шероховатостях. Капиллярное давление можно рассчитать по уравнению:

=

где γ — поверхностное натяжение; R— радиус мениска поверхности клея в капилляре; r —радиус капилляра в месте мениска; x—длина участка капилляра, который смачивается.

На практике достаточно определить значение суммы ψ+θ, которая должна быть меньше 180°.

Согласно ряду современных представлений, адгезия зависит от возможности возникновения сил Ван-дер-Ваальса, которые в значительной степени обусловлены полярностью соединяемых материалов. Помимо этих сил в некоторых случаях (например, при склеивании каучуков, металлов или стекла изоцианатами) возникают химические связи, что доказано экспериментально. Силы Ван дер-Ваальса зависят от расстояния, на котором они действуют, на что можно повлиять улучшением смачиваемости. Возникновение химических связей можно стимулировать применением специальных веществ — адгезионных грунтов (например, различных силанов).

Способствуют адгезии и активные центры на поверхности субстратов, имеющие повышенную полярность, реакционносиособные группы и т. п. Адгезия прямо пропорциональна числу этих активных центров, которое можно увеличить с помощью некоторых из указанных выше способов обработки (например, обработкой γ-лучами, ультрафиолетовым облучением и т. п.).

Общая энергия адгезии выражается уравнением:

_LS = γ_LG + γ_SG + γ_SL

где W_LS — энергия адгезии (свободная энергия) на границе клей — субстрат; γ_LG— поверхностная энергия клея на границе с воздухом; γ_SG — поверхностная энергия субстрата на границе с воздухом; y_SL — поверхностная энергия субстрата на границе с клеем.

Она может быть также представлена в виде:

W_LS = W_LG(1 + cosθ)

Отсюда следует, что в результате тщательной обработки поверхности и правильного выбора клея с тем, чтобы краевой угол θ с поверхностью субстрата был наименьшим, можно добиться максимальной адгезии.