Основные понятия
Клеевыми называются такие методы крепления, при которых в качестве крепителя используется клей, а скрепление осуществляется склеиванием.
Склеивание – процесс возникновения адгезии слоя клея к двум поверхностям и когезионной прочности в этом слое. Каждая из склеиваемых поверхностей обычно называется субстратом, а слой клея между ними – адгезивом.
Склеивающее вещество – высокомолекулярное соединение, обладающее благодаря своим адгезионным, когезионным и аутогезионным свойствам способностью соединять субстраты, не изменяя их структуры. Клей или клеевая композиция состоят из склеивающего вещества и растворителя (в случае необходимости), иногда разбавителя, пластификатора, наполнителя, стабилизатора, отвердителя, вулканизующих агентов, пигментов и др. В сухих клеях-расплавах отсутствуют растворители, разбавители и вулканизующие агенты.
После нанесения клея (адгезива) склеиваемые поверхности (субстраты) скрепляют друг с другом. Связь между поверхностями осуществляется в результате тех превращений, которые происходят в адгезиве. В процессах склеивания определенная роль отводится когезии и аутогезии, но существенное значение принадлежит адгезии.
Клеевой способ соединения представляет собой процесс, который позволяет физико-химическим путем образовывать из нескольких слоев материалов систему, работающую как единое целое и подчиняющуюся закономерностям адгезионного взаимодействия, включающего в себя стадии: образования непосредственного контакта между поверхностями склеиваемого материала (субстрата) и клеевого вещества (адгезива); проявление сил, обеспечивающих прочное сцепление в зоне контакта поверхностей адгезива и субстрата и, наконец, формирования когезионной прочности слоя адгезива, т.е. клея. Осуществление всех этих стадий в процессе склеивания обеспечивает прочность клеевого соединения в целом.
Адгезия – взаимодействие приведенных в контакт разнородных поверхностей, обусловленное возникновением адгезионной связи за счет действия межмолекулярных сил или сил химического взаимодействия (например, в случае химической адгезии). Адгезия характеризует связь между двумя телами, для нарушения этой связи необходимо внешнее усилие. Различают адгезию жидкости, пленок и частиц, которая может быть оценена количественно. Адгезия жидкости измеряется работой, адгезия частиц – силой, а адгезия пленок – адгезионной прочностью.
Когезия – межмолекулярное взаимодействие внутри любого материала. От когезии зависит прочность адгезива и субстрата.
Аутогезия – взаимодействие, обусловленное молекулярной связью, между поверхностями однородных тел, находящихся в контакте.
Клеевые соединения, применяемые в обувном производстве, должны быть надежными и долговечными. Прочность любого клеевого соединения в первую очередь зависит от адгезии и когезии применяемого клея – адгезива.
До сих пор нет единого взгляда на механизм процесса склеивания, на природу сил, действующих между клеем и поверхностью склеиваемого материала. Первые систематические исследования в области адгезии появились в 20-х годах. В этот период Мак-Бэном была развита так называемая механическая гипотеза, согласно которой решающая роль при склеивании отводится механическому заклиниванию адгезива в микродефектах и порах поверхности /3/.
В некоторых работах показано, что при склеивании пористых материалов (кожи, тканей), основную роль играет механическое сцепление. Другие авторы считают, что основной склеивания материалов является специфическая адгезия, объясняемая адсорбционной, электрической и диффузионной теориями адгезии.
В последующем с развитием научных исследований в этой области было выдвинуто более десяти “теорий адгезии” и концепций: механическая, адсорбционная, электрическая, электронная, электрорелаксационная, диффузионная, микрореологическая, реологическая, молекулярно-кинетическая и некоторые другие.
Адсорбционная теория рассматривает адгезию как результат проявления сил молекулярного взаимодействия между контактирующими молекулами адгезива и субстрата. Согласно этой теории важно, чтобы адгезив и субстрат обладали полярными функциональными группами, способными к взаимодействию. Эта теория делит процесс образования адгезионной связи на две стадии: на первой стадии в результате микроброуновского движения молекулы адгезива мигрируют из расплава к поверхности субстрата, на второй—при сближении молекул контактирующих поверхностей на расстояние менее 5А действуют молекулярные силы, приводящие к образованию прочных связей,. обусловленных действием межмолекулярных и межатомных сил.
Адсорбционная теория объясняет влияние некоторых факторов образования клеевого соединения (температуры, продолжительности склеивания, давления, рельефа склеиваемых .поверхностей, природы клеящего вещества и склеиваемых материалов) на его адгезионную прочность. Эта теория позволяет прогнозировать адгезионную прочность за счет воздействия на химическую природу адгезива и субстрата, но не в состоянии объяснить причины высокой адгезии между неполярными адгезивами и субстратами.
Диффузионная теория представляет собой адгезию высокополимеров не поверхностным, а объемным явлением и сводит ее к диффузии цепочечных молекул или их участков из одной фазы в другую. При этом предполагается, что при склеивании твердых тел перемещаются только молекулы адгезива.
Роль взаимной и даже односторонней диффузии при образовании клеевых соединений может оказаться значительной, если в качестве адгезива и субстрата взяты термодинамически совместимые системы (т.е. взаиморастворимые). Это может быть в том случае, когда энергии когезии полимеров различаются незначительно. При склеивании деталей одежды из тканей различие энергии когезии адгезива и субстрата довольно большое, а продолжительность процесса склеивания незначительна. Поэтому при склеивании тканей проявление сил взаимодействия, объясняющегося диффузионной теорией адгезии, будет выражено в меньшей степени.
Диффузионная теория объясняет образование промежуточного слоя в виде совмещенного адгезива и субстрата. Промежуточный слой при этом играет определяющую роль для получения прочного клеевого соединения.
При склеивании пористых материалов, к которым относятся ткани, большое значение имеет механическое сцепление. В некоторых работах механической адгезии при склеивании тканей отводится роль фактора, играющего хотя и важную, но подчиненную роль, существенно колеблющуюся в зависимости от структуры поверхности субстрата и свойств адгезива.
В последнее время развита микрореологическая теория адгезии, суть которой сводится к тому, что в процессе формирования пленки из расплава заполняются выемы, поры, трещины шероховатой поверхности соединяемых материалов, особенно тканей, при этом значительно увеличивается площадь фактического контакта, а следовательно, возрастает число связей между адгезивом и субстратом, что приводит к росту адгезионной прочности. При этом большое влияние на прочность склеивания и условия формирования клеевого соединения оказывает вязкость клея. Чем выше вязкость клея, тем меньше возможность его затекания в поры поверхности и, следовательно, меньше площадь адгезионного взаимодействия. Слишком низкие значения вязкости могут привести также к снижению прочности склеивания, особенно при соединении деталей из мягких пористых материалов, вследствие затекания большого количества клея в структуру материала и образования так называемой голодной склейки. В связи с этим важно установить для каждого вида клеевого соединения оптимальные значения вязкости клеящего вещества.
Микрореологические процессы часто рассматривают с позиций молекулярной теории как первую стадию процесса установления адгезионной связи.
Сформулирована электрическая теория адгезии, в основе которой лежит представление о двойном электрическом слое, возникающем при тесном контакте двух поверхностей (на межфазной границе раздела). Процессы разрушения клеевых соединений сопровождаются явлениями электрического характера (электризация поверхностей при отрыве, наличие разряда, эмиссия электронов). Согласно электрической теории адгезии система адгезив—субстрат отождествляется с конденсатором, образующимся в результате различия электронной плотности вещества адгезива и субстрата.
Исследование механизма образования двойного электрического слоя привело к выводу об электронном механизме взаимодействия между клеящим веществом и склеиваемым материалом.
Электрорелаксационная теория склеивания дополняет электрическую теорию представлениями о вкладе работы деформации адгезива в общую работу, затрачиваемую на разрушение клеевого соединения.
Однако, все эти теории и концепции рассматривают (или рассматривали) по существу частные вопросы и не охватывают проблемы в целом. Достоинства и недостатки различных взглядов на адгезию достаточно широко освещены в литературе.