Методы измерения адгезии

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет
АДГЕЗИЯ В ПОЛИМЕРНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
Методические указания
к выполнению учебно-исследовательской лабораторной работы
по курсу «Химия и технология полимерных композиционных
материалов» для студентов специальности 240502.65
и направления 240100.62 дневного и заочного обучения
Саратов 2011
ВВЕДЕНИЕ
Адгезия имеет место в самых разнообразных процессах: при склеивании материалов, получении и применении лакокрасочных покрытий, производстве слоистых пластиков, в полимерных композиционных материалах
(ПКМ) и т.д. У каждого из перечисленных материалов имеются свои специфические свойства. Но все они - органические и неорганические полимерные клеи, связующие, покрытия, эмали - должны иметь одно общее свойство - способность образовывать прочное соединение с поверхностью другого материала. Поэтому адгезией называют молекулярную связь, возникающую между поверхностями разнородных тел, приведенных в контакт.
Частный случай адгезии - аутогезия, реализуемая при молекулярном
контакте двух одинаковых по составу и строению объектов [1].
Контактирующие твердые тела составляют основу образующегося в результате молекулярного (т.е. по всей межфазной площади) контакта адгезионного соединения называются субстратами, а вещества, обеспечивающие
соединение субстратов - адгезивами. Обычно субстраты - твердые тела (металлы, полимеры, реже стекла, керамики), а адгезивы - жидкости (растворы
или расплавы).
Наиболее изучена адгезия полимеров, определяющая закономерности
склеивания, сварки, совмещения, получения композитов. Адгезия проявляется в процессах трения, смазки, порошковой металлургии, флотации, а также
при взаимодействии биологических объектов (целостность тканей и др.).
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА
АДГЕЗИВ-СУБСТРАТ
Адгезия зависит от природы контактирующих фаз, свойств их поверхностей и площади контакта. Она определяется силами межмолекулярного
притяжения и усиливается, если одно или два тела электрически заряжены,
если при контакте тел образуется донорно-акцепторная связь, а также вследствие капиллярной конденсации паров. Между молекулами адгезива и субстрата могут возникнуть самые различные силы, начиная от наиболее слабых дисперсионных, и, заканчивая силами химической природы [1].Таким
образом, причины возникновения адгезионной связи - действие межмолекулярных сил или сил химического взаимодействия.
Определяющую роль в адгезии имеют химическая природа адгезива и
субстрата, то есть тип и количество функциональных групп на поверхности
адгезива и субстрата и их способность к взаимодействию.
Характеристикой прочности адгезионного соединения служат прочностные показатели, например, сопротивление раздиру и разрыву, предел
прочности при изгибе и растяжении и т.д.
Закономерности образования и разрушения адгезионных соединений
описываются на основе двух независимых теорий - молекулярной (адсорб2
ционной) и термодинамической. В рамках первого подхода рассматриваются когезионные свойства адгезивов и субстратов (прочность и обусловливающие ее параметры, вязкость адгезива, а также условия их контакта (температуру, давление и продолжительность контакта); в рамках второго - энергетические характеристики (поверхностные энергии адгезива, субстрата, межфазной границы [2,3].
Для повышения адгезионной прочности можно проводить модификацию субстрата или адгезива, в результате появляются реакционноспособные группы, способные к взаимодействию.
С термодинамической точки зрения условие равновесия капли жидкости на твердой поверхности выражается равенством Юнга:
    Ж   Ж  cos
(1)
где Т - равновесное поверхностное натяжение твердого тела; Ж - равновесное поверхностное натяжение жидкости; ТЖ - межфазное поверхностное натяжение на границе твердое тело – жидкость;  - кажущийся краевой
угол.
Адгезия жидкости к твердому телу может быть описана уравнением
Дюпре, определяющим работу по замене поверхности твердое тело - жидкость на поверхность твердое тело - пар и жидкость - пар:
W      Ж   Ж
(2)
где WА - обратимая работа адгезии.
Уравнение Дюпре (1) в сочетании с равенством Юнга (2) дает:
W   Ж (1  cos  )
(3)
Полученная зависимость, известная как равенство Дюпре - Юнга,
позволяет оценить величину равновесной работы адгезии жидкости к
твердому телу, которую надо затратить для разделения фаз. Применяя
уравнения (2) и (3) к границе раздела жидкость - жидкость, образованной
двумя слоями одной и той же жидкости, можно найти удельную обратимую работу когезии WК, то есть работу, необходимую для разрыва жидкости и создания двух новых поверхностей раздела с поверхностным натяжением ж:
W  2   Ж
(4)
С учетов условия самопроизвольного растекания жидкости по твердой поверхности:
 Ж cos  1  0
(5)
коэффициент растекания S, представляет собой разность WA и WK:
3
S  W  W   Ж cos   1
(6)
Рассмотренные термодинамические зависимости характерны для
идеального случая: капля жидкости на чистой и гладкой твердой поверхности. Но в действительности приходится учитывать ряд дополнительных
факторов, например, наличие на поверхности твердого тела молекул газов
или паров.
Из уравнения (2) следует, что для достижения высокой адгезии
необходимо, чтобы т и ж имели большие значения, но при этом т
должно быть выше ж или в общем виде:
субстрата > адгезива .
(7)
ВЛИЯНИЕ МОРФОЛОГИИ ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ
НА ФОРМИРОВАНИЕ АДГЕЗИОННОГО КОНТАКТА
Увеличение площади контакта между адгезивом и субстратом приводит к повышению адгезии независимо от того, какими силами обусловлена связь между фазами. На величину площади контакта оказывают влияние такие факторы, как смачивание, способность адгезива заполнять неровности твердой поверхности, вытесняя при этом воздух. Многочисленные пузырьки воздуха, находящиеся в глубоких бороздках и порах поверхности образца, препятствуют достижению максимально возможного
контакта. Таким образом, морфология поверхности субстрата, ее топография, микрорельеф и чистота являются важными факторами, влияющими на
полноту контакта и в конечном итоге на адгезию.
Микрорельеф и шероховатость твердой поверхности, обусловленные
особенностями внутренней структуры, можно условно назвать первичными или атомно-молекулярными. Также шероховатость может быть механической, при этом имеются ввиду многочисленные дефекты (поры, трещины, капилляры), появляющиеся в результате процессов структурообразования, старения и т.д. К этой группе относится и искусственный микрорельеф, создаваемый различными способами.
На топографию твердой поверхности оказывают влияние такие процессы как окисление и гидролиз. При этом на поверхности возникает своеобразный чехол, толщина которого не равномерна. В этом случае говорят о
дополнительной шероховатости, которая называется вторичной.
Основными видами неровностей твердой поверхности являются
макроскопические нарушения (А), волнистость поверхности (В), микроскопические (С) и ультрамикроскопические (D) неровности (рис.1).
4
Рис.1. Схема основных видов неровностей твердой поверхности
Наибольшую роль во взаимодействии на границе раздела адгезив –
субстрат играют микроскопические и ультрамикроскопические неровности. Величина последних колеблется в пределах 10 -100 Å и в ряде случаев
лежит за пределами чувствительности стандартных методов изучения
твердой поверхности.
В полимерах можно выделить несколько основных типов структурных образований, определяющих своеобразие геометрии поверхности.
Простейшими типами, встречающимися как в стеклообразных, так и в высокоэластичных полимерах, являются различные глобулярные структуры,
элементы которых – глобулы - состоят из одной или нескольких свернутых
полимерных молекул. Для многих эластомеров характерны ленточные и
полосатые структуры. Распространен пачечно-фибриллярный тип структур, характерный для хорошо упорядоченных полимеров. В полимерах
также встречаются крупные структурные образования - кристаллиты и
сферолиты, построенные из пачек, фибрилл, глобул, а также еще более
крупные агрегаты, построенные из сферолитов и пластин, построенных из
этих лент.
Таким образом, для достижения наибольшей адгезии необходимо,
чтобы молекулы адгезива проникали не только в крупные, но и микроскопические и ультрамикроскопические дефекты поверхности полимерного
субстрата, так как в этом случае величина поверхности контакта достигает
огромных размеров.
НАПРЯЖЕНИЯ В АДГЕЗИВЕ И ИХ РЕЛАКСАЦИЯ
Любая система адгезив – субстрат характеризуется не только величиной адгезии, но и типом нарушения связи между компонентами, то есть
характером разрушения. Вопрос о характере разрушения имеет теоретический и практический интерес. Зная слабые звенья системы, можно искать
пути повышения ее работоспособности. Общепринятой является следующая классификация видов разрушения: адгезионное (адгезив полностью
отделяется от субстрата) (рис.2, а), когезионное (разрыв происходит по
массиву адгезива или субстрата) (рис.2, б) и смешанное (происходит частичное отделение адгезива от субстрата и частичное разрушение адгезива) (рис.2, в).
5
1
2
б
а
в
г
Рис. 2. Виды разрушений адгезионных соединений:
а – адгезионное; б, в – когезионное; г – смешанное;
1 – адгезив; 2 – субстрат
Работа адгезии
Прочность адгезионных соединений зависит от ряда факторов. Вопервых, величина адгезионной прочности имеет четко выраженную скоростную зависимость: увеличение скорости нарастания разрушающего
усилия приводит к повышению предела сопротивления разрушению
(рис.3).
Скорость
Рис.3. Зависимость адгезии от скорости приложения нагрузки:
 - когезионное разрушение; --- - смешанное разрушение;
 - адгезионное разрушение
Когезионное разрушение наблюдается при небольшой скорости разрушения. Повышение скорости приводит к смешанному разрушению, а
при высоких скоростях разрыв имеет преимущественно адгезионный характер. Величина адгезионной прочности в значительной степени зависит
от температуры испытания, причем эта зависимость имеет немонотонный
характер.
Временная зависимость прочности присуща всем материалам, а скорость разрушения механически напряженного тела определяется величи6
ной напряжения и температурой. Разрушение полимерных материалов
происходит в результате роста трещин, возникших в том месте, где локальные напряжения превышают прочность материала. Величина перенапряжения в вершине образовавшейся трещины и определяет скорость прорастания трещины, то есть фактическую прочность материала. Распределение опасных мест, в которых возможно зарождение трещины, подчиняется законам статистики.
Таким образом, прочность полимерных материалов зависит от продолжительности воздействия нагрузки, вызывающей разрушение и от скорости деформации, причем скорость деформации проявляется в кинетике
разрастания трещин.
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ АДГЕЗИИ
Методы измерения адгезии можно классифицировать по способу
нарушения адгезионной связи: неравномерный отрыв, равномерный отрыв
и сдвиг [5]. Разрушающие методы могут быть статическими и динамическими. Однако следует иметь в виду, что не существует методов, при использовании которых напряжения распределялись бы действительно равномерно и представляли бы собой сдвиг или отрыв в чистом виде. Поэтому
такая классификация весьма условна.
В зависимости от метода испытания за меру адгезии могут быть
приняты сила, энергия или время. Для динамических методов показателем
прочности адгезионного соединения служит число циклов нагружения до
разрушения.
Наиболее распространены методы неравномерного отрыва (отслаивания, расслаивания). Они позволяют выявить колебания в величине адгезии на отдельных участках испытуемого образца. Кроме того, эти методы
дают достаточно хорошую воспроизводимость результатов и отличаются
простотой. Предположение об одновременном нарушении связи между адгезивом и субстратом по всей площади контакта (методы равномерного
отрыва и сдвига) не всегда правильно. По этой причине усилие отрыва или
сдвига, отнесенное к площади отрыва, можно рассматривать только как
весьма приближенную характеристику адгезии [5].
Наряду с количественной характеристикой прочности адгезионного
соединения необходимо знать характер разрушения - когезионный, адгезионный или смешанный.
Методы неравномерного отрыва
Методы неравномерного отрыва весьма разнообразны. Общим признаком для них является нарушение связи между адгезивом и субстратом,
7
причем усилие прикладывается не к центру соединения, а к одному его
краю, поэтому связь нарушается постепенно.
Разделение двух гибких материалов называют расслаиванием, а отделение гибкого материала от жесткого - отслаиванием. Если пленка адгезива (покрытия) недостаточно прочна, то при отделении от субстрата она
может разрушиться. Чтобы этого не произошло, пленка укрепляется подходящим армирующим материалом. Пользоваться армирующим материалом приходится и в тех случаях, когда адгезив или субстрат под действием
расслаивающего усилия способен сильно деформироваться - растягиваться. В тех случаях, когда разделяются путем постепенного нарушения связи
два монолитных, негибких материала, такое испытание называют раскалыванием или отдиром. Все эти виды испытаний могут быть объединены одним общим термином - неравномерный отрыв. Различные схемы испытаний на неравномерный отрыв приведены на рис.4,5.
Рис. 4. Схемы испытаний по отслаиванию жестких материалов:
а – внецентренное растяжение для блочных материалов;
б – изгиб для плиточного и листового материалов;
в – изгиб для листового материала; г – консольный изгиб
Рис.5. Схемы испытаний по отслаиванию гибких материалов от жесткой подложки
под углом 90° (а, б, в) и 180° (г) и по расслаиванию гибких материалов (д)
Распределение напряжений в системе зависит от угла приложения
силы. Меняя угол приложения силы, можно получить чистый сдвиг, чистое расслаивание, а также их сочетание. Сопротивление отслаиванию при
постоянной скорости и прочих равных условиях является, таким образом,
8
функцией величины угла отслаивания , то есть угла между направлением
действующей силы и плоскостью склеивания.
Напряжения, возникающие под действием приложенной внешней
силы, распределяются равномерно по толщине и ширине образца и являются функцией расстояния от передвигающейся границы разрушения. По
мере изменения угла отслаивания меняется характер процесса разрушения.
Минимальное сопротивление отслаиванию имеет место при угле 180. По
мере уменьшения угла сопротивление отслаиванию постепенно возрастает. При некотором малом угле отслаивания наблюдается переход от разрушения вследствие отслаивания к разрушению под действием сдвига, а
при угле отслаивания, равном 0, разрушение осуществляется только путем сдвига.
Методы равномерного отрыва
Методом равномерного отрыва измеряют величину усилия, необходимого для отделения адгезива от субстрата одновременно по всей
площади контакта. Усилие при этом прикладывается перпендикулярно
плоскости клеевого шва, а величина адгезии характеризуется силой, отнесенной к единице площади контакта (в Н/м2).
Чаще всего для измерения адгезии пользуются образцами грибкового типа, между торцовыми поверхностями которых находится адгезив.
Таким способом измеряют, например, адгезию резины к металлам. Формы
грибков и прослоечной резины весьма различны (рис.6).
Рис.6. Резино-металлические образцы для определения адгезии резины к металлам
Чтобы избежать образования шейки при испытании, предложены
образцы с диаметром резинового диска, превышающим диаметр металлического грибка. В последнее время рекомендованы грибки конической
формы. Однако ценность такой модификации сомнительна: концентрация
усилий у вершины конуса, а также сочетание сдвига с отрывом создают
весьма сложное распределение напряжений.
Для измерения адгезии заливочных компаундов к металлам, полимеров к стеклу, прочности связи между слоями в стеклопластиках два
грибка или цилиндра, имеющие на торцевой части уже сформированное
покрытие, склеивают специально подобранным клеем, адгезия которого к
9
покрытию должна быть выше, чем адгезия покрытия к подложке. К поверхности покрытия, нанесенного на подложку, иногда приклеивают отрывающее приспособление, а затем прикладывают усилие, направленное
перпендикулярно поверхности покрытия (рис.7). Применение этого метода ограничено из-за трудности подбора соответствующего клея.
Рис.7. Схемы измерений адгезии полимеров к различным материалам методом
отрыва: а – резина к ткани (1 – ткань, укрепленная на деревянном грибке; 2 - резина);
б – смола к стеклу (1 – металлические цилиндры; 2 – стеклянные пластинки; 3 – клей;
4 – слой смолы); в – заливочные компаунды к металлам (1 – металлическая подложка;
2 – компаунд; 3 – держатели)
Иногда вместо склеенных встык цилиндров для измерения адгезии
методом отрыва применяют образцы в виде крестовины (рис.8). Таким методом измеряют адгезию клеев к металлам, дереву и стеклу.
Рис.8. Определение адгезии клеев к различным материалам на образцах
в форме крестовины: 1 – клеевой шов;
2 – захват для крепления образца при испытании; 3 – бруски
В образцах типа грибков и крестовин под действием нагрузки возникают сложные и неоднородные напряжения. Адгезив растягивается
сильнее, чем субстрат, и в большей степени подвергается поперечному
сжатию. При этом возникают сдвиговые напряжения. Результирующие
10
напряжения в слое адгезива оказываются неодинаковыми в различных местах площади контакта. Кроме того, растягивающее усилие не всегда прикладывается точно по оси образца. Все это вызывает наряду с отрывом появление расслаивания.
Более равномерного распределения напряжений можно добиться
увеличением длины цилиндрического образца и уменьшением площади
склеивания, что снижает влияние расслаивания при отрыве.
Методы сдвига
Касательные напряжения создают в клеевых конструкциях различными путями, например растяжением соединенных внахлестку материалов. Этим методом измеряют адгезию металлов, древесины, пластмасс, а
также резины к резине и металлам. Различные схемы испытаний на сдвиг
при растяжении образцов показаны на рис.9.
Рис.9. Схема испытаний клеевых соединений на сдвиг растягивающей нагрузкой:
а – шов односторонний внахлестку; б – двусторонний внахлестку; в - односторонний
внахлестку с накладкой; г - двусторонний внахлестку с накладкой; д – скошенный шов
Установлено, что разрушающее напряжение не зависит от ширины
образца, но линейно зависит от его длины до некоторого предела. При
дальнейшем увеличении длины образца разрушающая нагрузка стремится
к постоянной величине. Причина этого заключается в концентрации
напряжений у концов образца, вызванной разностью деформаций склепных элементов и их изгибом.
Испытание клеевых соединений на сдвиг (срез) под действием сжимающих нагрузок (рис.10) наиболее характерно для соединения материалов значительной толщины. Иногда этим методом испытывают и образцы
из тонких слоев металла, но в таких случаях к ним подклеивают для
устойчивости толстые деревянные бобышки.
11
Рис. 10. Схема испытаний клеевых соединений на сдвиг сжимающей нагрузкой:
а – одностороннее соединение плиточных материалов; б – двустороннее соединение
плиточных материалов; в, г – соединение цилиндра со стержнем
Испытание на сдвиг при кручении образцов имеет перед рассмотренными методами растяжения и сжатия одно важное преимущество:
при кручении возникает чистый сдвиг без отрывающего усилия. В наиболее чистом виде сдвиг реализуется при скручивании двух тонкостенных
цилиндров, скленных торцами. На рис.11 приведены схемы испытаний
клеевых соединений скручиванием.
Рис.11. Схемы испытаний клеевых соединений на сдвиг при кручении:
а – соединение прутков встык; б – соединение труб внахлест;
в – соединение прутка с трубой внахлест; г – соединение труб встык
Широкое распространение получили методы измерения адгезии путем выдергивания из блока полимера введенной туда заранее нити корда,
металлической проволоки или стеклянной нити. Часто таким способом
определяют адгезию кордной нити и металлокорда к резине. В настоящее
время наиболее распространен Н-метод (Аш-метод), названный так из-за
формы образца, напоминающего букву Н (рис.12). Этот метод используют
12
и для определения адгезии стекловолокна к связующему (рис13), а также
для измерения адгезии в системе полимер-металл (рис.14).
Рис.12. Схема измерения прочности
связи корда (текстильного или металлического) с резиной:
1 – держатель образца;
2 – резиновые блоки; 3 - нить
Рис.13. Схема измерения адгезии стекловолокна к связующему:
1 – волокно;
2 – слой смолы, нанесенный на волокно
Рис.14. Схема измерения адгезии клея к металлам:
1 – металлическая нить; 2 – слой клея; 3 – планка с отверстием
Сдвиговые усилия возникают на границе между адгезивом и субстратом и в случае деформации полимерного блока, внутри которого
находится субстрат. На этом принципе основан метод измерения адгезии
резины к текстилю. При испытании по методу отслоения при статическом
сжатии нить корда располагают внутри образца по диаметру среднего сечения. Испытание заключается в определении усилия сжатия, при котором
сдвиговые напряжения между резиной и кордом достигают величины,
равной прочности связи между материалами. В тот момент, когда воронкообразное углубление, возникшее на поверхности образца при его сжатии, исчезает (рис.15) измеряют нагрузку. Момент отслоения нити опре13
деляют визуально или с помощью тензодатчиков, контролируя величину
внутренних напряжений.
Рис.15. Схема измерения прочности связи резины с кордом при статическом сжатии:
а – образце до испытания; б – сжатый образец;
в – сжатый образец после отслоения нити
Все рассмотренные методы измерения агдезии характеризуются
кратковременным приложением нагрузки. Это статические методы. Но
иногда проводят измерения адгезии путем приложения знакопеременных
циклически изменяющихся нагрузок, ударных и длительных статических
нагрузок.
Практически многие методы, применяющиеся при статических
кратковременных испытаниях, могут быть использованы для испытаний
на длительную статическую прочность. Это относится к испытаниям клеевых соединений металлов и других материалов.
Приборы для измерения адгезии
Наиболее распространенным прибором для измерения адгезии являются обычные силоизмерители типа разрывных машин (динамометры).
Конструкции динамометров весьма разнообразны. Наиболее часто применяются маятниковые динамометры. Они очень просты в работе, однако, им
присущи некоторые недостатки: помимо громоздкости и пониженной точности из-за трения в оси маятника эти приборы отличаются инерционностью. Поэтому в некоторых случаях, например, при измерении адгезии методом отслаивания или расслаивания, инерционность силоизмерителя может вносить ошибку в показания прибора. Поэтому в настоящее
время применяются безынерционные силоизмерители. Деформация упругого элемента в этих приборах измеряется с помощью электронной аппаратуры.
14
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
Ц е л ь р а б о т ы : на характерных примерах полимерных композиционных материалов и с применением различных методов оценить прочность
адгезионного соединения.
Задание 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ КЛЕЕВОГО ШВА
МЕТОДОМ РАВНОМЕРНОГО ОТРЫВА
Сущность метода заключается в определении величины разрушающей силы при растяжении стандартного образца клеевого соединения встык, усилиями, направленными перпендикулярно плоскости
склеивания.
Порядок выполнения работы: приготовить не менее 5 образцов для
испытаний. Для этого на подготовленные и обезжиренные торцевые поверхности полимера цилиндрической формы (рис.19) наносят слой клея. Диаметры склеиваемых друг с другом половин образца не должны отличаться один от другого более чем на 0,1 мм. Взаимное смещение двух
половин склеенного образца не должно превышать 0,5 мм. Склеиваемые
поверхности должны быть плоские и перпендикулярны продольной оси
образца, а опорные поверхности головок образца должны быть параллельны склеиваемым поверхностям. Образцы помещают в приспособление
(пресс), в котором создают необходимые для склеивания поверхностей
давление и температуру.
Клеевой шов
25±0,1
Рис 19. Форма и размеры образца для
определения разрушающего напряжения при равномерном отрыве
15
Вид полимера, марка клея и параметры склеивания выбираются по
приложению 1.
Одновременно готовятся образцы исходного полимера (исходных
материалов, если склеиваемые поверхности различны) для испытания с
другим адгезивом (по заданию преподавателя).
Полученные образцы выдерживают до испытания при комнатной
температуре не менее 12 ч, если время не оговорено соответствующей технической документацией, утвержденной в установленном порядке. Затем
осуществляются замеры диаметра образцов с точностью до 0,1 мм и производится разрушение на разрывной машине ИР5046-5 в специальных
приспособлениях при скорости нагружения 10 мм/мин.
Разрушающее напряжение при равномерном отрыве определяют по
формуле, МПа:
Р
 отр  ,
(13)
F
где Р - разрушающая нагрузка, Н; F - площадь склеивания или площадь
поперечного сечения образца, м 2, вычисляемая по формуле:
 d2
F
,
(14)
4
где d - наименьший диаметр образца, м.
Предел прочности при отрыве вычисляют до третьей значащей
цифры.
По результатам испытаний вычисляют среднее арифметическое
значение предела прочности:
1 n
 сротр    iотр
(15)
n i 1
где п - число испытанных образцов; iотр - значения пределов прочности образцов.
По полученным данным оценивают прочность адгезионного взаимодействия поверхностей при использовании различных адгезивов.
Результаты измерений и испытания оформляются в табл.1.
Таблица 1
Склеивае№
Клей Режимы склеи№ мые матевания
п/п
риалы
I ма- II маТ,
Р,
,
0
те- териС МПа мин
риал ал
16
Диаметр
образца, d,
м
Площадь
склеивания,
м2
Разрушающая
нагруз
ка, Р,
кН
Прочность
клеевого соединения,
, МПа
Характер разрушения
по по склеиклее- ваемым
вому материашву
лам
Задание 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ КЛЕЕВОГО ШВА
МЕТОДОМ НЕРАВНОМЕРНОГО ОТРЫВА
Сущность метода заключается в определении разрушающей нагрузки, приходящейся на единицу ширины образца, с которого происходит отрыв покрытия при неравномерном распределении напряжений по площади
склеивания.
Порядок выполнения работы: приготовить не менее 10 образцов для
испытаний. Форма и размеры образца для испытания должны соответствовать указанным на рис.20. Толщина основания h должна быть не менее
10 мм. Склеивание образцов производят по методике, описанной в задании 1.
Одновременно готовятся образцы исходного полимера (исходных
материалов, если склеиваемые поверхности различны) для испытания с
другим адгезивом (по заданию преподавателя).
Испытания проводят сразу после окончания технологической выдержки образцов или после хранения их при температуре 18±5°С и относительной влажности воздуха 65±10%.
4

1
b
3
2
h
5
40±0,5
20±0,1
Рис.20. Форма и размеры образца для испытания клеевого шва
методом неравномерного отрыва: 1 – гибкий лист (облицовочный материал и т.п.);
2 - основание образца - жесткий материал (древесина и т.п.);3 2 - клеевой слой;
4 - линия для установки пуансона 3 - основание образца
Перед испытанием каждый образец нумеруют. Ширину образца b у
торцов основания и толщину облицовочного материала  измеряют с погрешностью не более 0,1 мм. Посередине длины на боковых кромках образца проводят линию 4 (рис.20) для правильной установки пуансона.
Для проведения испытания должны применяться следующие аппаратура и приборы:
17
- испытательная машина, оснащенная реверсом, с погрешностью измерения нагрузки не более 2 Н (0,2 кгс);
- приспособление для испытания (рис.21) заостренные опоры приспособления должны быть расположены в горизонтальной плоскости параллельно друг другу, допускаемое отклонение от горизонтальной плоскости 0,1/1000 мм; на непараллельность - 0,1 мм по их длине;
- штангенциркуль или микрометр.
Р
7
2
3
6
60
Р
1
4
5
75
Рис.21. Схема установки для испытания на неравномерный отрыв:
1 - пуансон; 2 – заостренные опоры; 3 - самоустанавливающаяся опора
с цилиндрическим основанием; 4 - стержень; 5 - опора с плоским основанием;
6 - образец; 7 - винт М5
Образец устанавливают на опоры приспособления. Пуансон центрируют по линии действия нагрузки (рис.21), совпадающей с линией, отмеченной на образце. Образец нагружают с постоянной скоростью перемещения подвижного захвата машины, равной (0,4-0,5)·10-3 м/с
(24-30) мм/мин.
По шкале машины определяют разрушающую нагрузку Р в начальный момент отрыва гибкого материала.
Прочность клеевого соединения при испытании на неравномерный
отрыв (q) вычисляют с погрешностью не более 0,1 кН/м (0,1 кгс/см) по
формуле:
P
q
,
(16)
2b
где Р - разрушающая нагрузка, кН (кгс); b - ширина образца, м (см).
За результат испытания принимают среднее арифметическое значение прочности клеевого соединения всех испытанных образцов.
По полученным данным оценивают прочность адгезионного взаимодействия поверхностей при использовании различных адгезивов (клеев).
Результаты измерений и испытания оформляются в табл.2.
18
Таблица 2
№
п/п
Склеиваемые
материалы
Клей
мате- гибкий
риал матеосно- риал
вы
Режимы
склеивания
Ши- Разру- ПрочХарактер
рина шаюность
разрушения
общая
клеевого
Т, Р,
по кле- по склеи,
разнагрузсоедине0
С МПа мин
евому ваемым
ца,
ка, Р,
ния,
шву
материаb, м
кН
q, кН/м
лам
Задание 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ПРИ МЕЖСЛОЕВОМ СДВИГЕ
ПРИ СЖАТИИ
г
в
1
в
Порядок выполнения работы. Образцы (не менее 5 образцов) готовят из брусков древесины, органического стекла или стеклотекстолита.
Размеры и форма образцов приведена на рис.22. Материалы субстрата и
адгезивов (или режимы склеивания) выбираются по таблице приложения 1. Разрушение образца проводят в специальном приспособлении
на испытательной машине РТ 50М-2Л, обеспечивающей нагрузку 10 20 МПа/мин, скорость нагружения - 10 мм/мин.
2
3
а
б
Рнс. 22. Образец для определения прочности клеевого соединения при сдвиге:
1,3 – склеиваемые материалы, 2 -клеевой шов либо полимерная прослойка.
Для древесины а - 65, б - 50, в - 25, г – 50 мм;
для оргстекла а - 50, б - 20, в - 8, г -20 мм
Разрушающее напряжение при сдвиге, МПа, определяют по формуле:
сд=P/F ,
(17)
где Р- разрушающая нагрузка, Н; F— площадь склеивания, м2
За результат испытания принимают среднее арифметическое значение прочности клеевого соединения всех испытанных образцов.
19
По полученным данным оценивают прочность адгезионного взаимодействия поверхностей.
Результаты измерений и испытания оформляются в таблице, аналогичной табл.1.
Задание 4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ПРИ РАССЛАИВАНИИ
Прочность при расслаивании является характеристикой склеивания
пленочных материалов (бумаги, ткани, фольги, кожи и др.) между собой
Порядок выполнения работы. Испытания проводят на разрывной
машине ИР5046-5 при скорости нагружения 100-200 мм/мин. Образцы
имеют форму прямоугольной полоски шириной 25 мм и длиной 150 мм,
количество образцов для испытаний должно быть не менее 5-ти. Материалы, а также режимы склеивания выбираются по таблице приложения 1,
или по заданию преподавателя. Клей наносят на длину 110 мм, а концы
образца закрепляют в захватах испытательной машины, рис.23.
40
110
1
2
Рис.23. Образец для испытания на прочность при расслаивании:
1 — пленка; 2 — клеевой шов.
Прочность склеивания при расслаивании (МН/м) вычисляют по
формуле:
Fnor = P/b ,
(18)
где Р - средняя нагрузка, при которой происходит расслаивание образца.
За результат испытания принимают среднее арифметическое значение прочности клеевого соединения всех испытанных образцов.
По полученным данным оценивают прочность адгезионного взаимодействия поверхностей.
Результаты измерений и испытания оформляются в таблице, аналогичной табл.2.
20
Задание 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ПРИ ОТСЛАИВАНИИ
Прочность при отслаивании определяют при склеивании материалов, если один из них пленочный, а другой - твердое тело.
Порядок выполнения работы. Для этого готовят образцы (не менее
5-ти), например, из металлической пластины или фанеры толщиной
3-4 мм и размером 50х125 мм и, приклеивают к ним пленку, ткань, кожу и др. материалы, как показано на рис.24. Испытания проводят при
скорости нагружения 100-110 мм/мин. Материалы субстрата и адгезивов и режимы переработки выбираются по приложению 1 или по заданию преподавателя.
3
40
2
1
Рис.24. Схема испытания клеевого соединения на отслаивание:
1 - ткань; 2 - фанера; 3 - клеевой шов
Прочность при отслаивании определяют по формуле:
Fпог. = Р/b ,
(19)
где Р - средняя нагрузка, при которой происходит отслаивание пленки
(ткани), Н.
По полученным данным оценивают прочность адгезионного взаимодействия поверхностей.
Результаты измерений и испытания оформляются в таблице, аналогичной табл.2.
Задание 6
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ СКЛЕИВАНИЯ
ПЛЕНКИ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
21
Порядок выполнения работы. Две полоски пленки от каждого рулона размером 150х250 мм склеивают под давлением по узкой стороне
(150 мм) на ширине 30-40 мм между двумя пластинами, нагретыми до
температуры 120-130°С. Для получения достаточно прочного склеивания пленки, ее выдерживают под давлением в течение 20 с. Склеенные образцы после охлаждения разрезают вдоль на полоски шириной
25 мм. Полоски поочередно помещают в клеммы динамометра и прикладывают усилие перпендикулярно слипшимся поверхностям пленок.
Прочность склеивания определяют в Н как среднее арифметическое
из десяти определений.
По полученным данным оценивают прочность адгезионного взаимодействия поверхностей.
Результаты измерений и испытания оформляются в таблицы, аналогичной табл.1.
Задание 7
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АДГЕЗИИ ЛАКОВОГО ПОКРЫТИЯ
К ЦЕЛЛОФАНУ
Порядок выполнения работы. Силу сцепления лакового покрытия
с поверхностью целлофана определяют органолептически. В стаканчик с
дистиллированной водой при температуре 20°С опускают две полоски лакированной пленки шириной 10-5 мм, вырезанные из середины образца
первого вида. Одну из полосок вынимают из воды через каждые 5 мин и
при слабом трении между пальцами определяют отставание покрытия.
С момента отставания покрытия на первой полоске начинают проверять
вторую полоску, которая находилась непрерывно в воде. Отставание
покрытия в этом случае наступает несколько позже.
Среднее время между двумя показателями характеризует адгезию
лакового покрытия к целлофану.
ОТЧЕТ О РАБОТЕ
По результатам лабораторной работы составляется письменный и
сдается устный отчет. Письменный отчет о работе должен содержать краткое теоретическое обоснование проводимых опытов, описание установки и
ее схему, ход работы, расчеты, таблицы результатов, графики и выводы по
работе. Графики выполняются на миллиметровой бумаге.
22
ВОПРОСЫ К ОТЧЕТУ
1. Что такое адгезия? За счет чего возникает адгезионное взаимодействие?
2. Понятие смачивания, адсорбции, поверхностного натяжения адгезива и субстрата.
3. Что такое работа адгезии? Пути повышения работы адгезии.
4. Понятие когезии и работы когезии.
5. В чем заключается сущность молекулярной теории адгезии?
6. В чем заключается сущность термодинамической теории адгезии?
7. Перечислите факторы, определяющие прочность адгезионного соединения.
8. Перечислите методы измерения адгезии.
9. Приборы для определения адгезии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Берлин А.А. Основы адгезии полимеров / А.А. Берлин, В.Е. Басин. - М.: Химия, 1969. - 319 с.
2. Вакула В.Л. Физическая химия адгезии полимеров / В.Л. Вакула,
Л.М. Притыкин. - М.: Химия, 1984. - 224 с.
3. Повстугар В.И. Строение и свойства поверхности полимерных
материалов / В.И. Повстугар, В.И. Кодолов, С.С. Михайлова. - М.: Химия,
1988.-192 с.
4. Андреева А.В. Основы физико-химии композитов: учеб. пособие
для вузов /А. В. Андреева. - М.: Радиотехника, 2001.- 192 с.
5. Горбаткина Ю.А. Адгезионная прочность а системах полимер
волокно / Ю.А. Горбаткина. - М.: Химия, 1987. - 192 с.
6. Басин В.В. Адгезионная прочность / В.Е. Басин. - М: Химия,
1981.-208 с.
7. Методы физико-механических испытаний химических волокон,
нитей и пленок. - М.: Легкая индустрия, 1969. - 398 с.
8. Папков С.П. Полимерные волокнистые материалы / С.П. Папков. М: Химия, 1986. - 224 с.
9. Лабораторный практикум по текстильному материаловедению:
учеб. пособие для вузов / А. И. Кобляков, Г.Н. Кукин. - М.: Легпромбытиздат, 1986.-344 с.
23
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
2
Взаимодействие на границе раздела адгезив-субстрат
2
Адсорбционная (молекулярная) теория адгезии
3
Термодинамическая трактовка адгезии
6
Влияние морфологии твердой поверхности
10
на формирование адгезионного контакта
Напряжения в адгезиве и их релаксация
12
Методы измерения адгезии
15
Приборы для измерения адгезии
24
Лабораторные работы
25
Вопросы к отчету
32
Литература
33
24
Приложение
Режим склеивания и свойства клеевых соединений при использовании синтетических и природных
клеев
Условия склеивания
Свойства клеевых соединений
темпера- время, ч
избыточное
прочность при сдвиге теплостойкость,
тура, °С
давление,
°С
при 20°С для металлов,
МН/м2 (кгс/см2)
МН/м2 (кгс/cм2)
1
2
3
4
5
5
5
Синтетические термореактивные клеи
Феноло-формальДревесина, фенопласты,
20
4-6
0,2-0,4
10-15
75-100
дегидный
графит
50-60
0,5-1,5
(2-4)
(100-150)
Фенольно-каучуковый
Металлы, термореактивные 150-200
1-2
0,8-2
15-25
200-300
пластики, силикатные стек(8-20)
(150-250)
ла
ФенольноМеталлы, пластмассы, ке140-200
0,5-,0
0,8-2
15-30
200-250
поливинилацетатный
рамика и др.
(8-20)
(150-300)
Эпоксидный
Металлы, неметаллические
20
24
0,03-0,3
10-30
60-125
материалы
120-200 0,5-0,7
(0,3-3,0)
(100-300)
Полиэфирный (на основе Металлы, неметаллические
20
24
контактное
7,5-12,5
60-125
ненасыщенного полиэфи- материалы
80
0,5
(75-125)
ра со стиролом)
Полиуретановый
Металлы, неметаллические
20
24
0,05-0,5
10-20
75-125
материалы
100
4
(0,5-5)
(100-200)
Резиновый (на основе по- Резины, неметаллические
12
24
0,02
1,3а
50-60
лихлоропрена)
материалы, металлы, стекло
(0,2)
(13)
Карбамидный (мочевино- Древесина
20
4-6
0,1-0,5
10-13б
75-125
формальдегидный)
(1,0-5,0)
(100-130)
Кремнийорганический
Металлы, неметаллические 150-250
1-3
0,3-0,8
10-17,5
350-1200
материалы
(3-8)
(100-175)
Тип клея
Склеиваемые материалы
25
1
Полибензимидазольный
3
4
5
Синтетические термопластичные клеи
Металлы, керамика, пласт20
24
0,15
массы
(1,5)
Неметаллические материа20
24
0,01-0,3
лы, металлы
80
4-6
(0,1-3)
Неметаллические материа150
0,1-0,5
лы, металлы
(1,0-5,0)
Бумага, кожи, ткани, пла20
1 0,5-1
контактное
стические массы
Пластифицированный и не20
6-24
0,01-0,3
пластифицированный поли(0,1-3,0)
винилхлорид, ткани, пластмассы
Металлы, стеклопластики
150-350
3-5
1,5-40)
Полиимидный
Металлы, стеклопластики
Карбинольный
Полиакриловый
Полиамидный
Поливинилацетатный
Перхлорвиниловый
2
180-315
1,5-8,0
Природные клеи
20
48
60
12
20
48
0,14-,3
(1,4-)
6
7
10-5
(100-150)
15-25
(150-250)
15-25
(150-250)
5-12в
(50-120)
4-8г
(40-80)
15-30
(150-300)
15-30
(150-300)
50-60
60-100
50-60
60
60
350-540
300-375
0,3-,5
6-8б
(3-5)
(60-80)
0,3-1,0
5-8б
(3-0)
(50-80)
а
б
в
Прочность на отрыв резины к металлу. Испытания на образцах древесины сосны. Испытания на образцах этрола. гИспытания на образцах непластифицированного поливинилхлорида.
Казеиновый
Древесина, бумага, кожа,
ткани
Глютиновый (столярный) Древесина
26
50
50