Типы разрушения клеевых соединений

При определении прочности клеевого соединения различают несколько типов разрушения (рисунок 1): адгезионный (если адгезив целиком отделяется от субстрата), когезионный (разрушение происходит только по адгезиву или субстрату), и смешанный (наблюдается частичное отделение адгезива от субстрата, частичное разрушение адгезива и частичное разрушение субстрата.

При склеивании необходимо принимать во внимание прочность склеиваемых тел и склеивающего материала, т.е. учитывать когезию тел наравне с адгезией. Поэтому желательно, чтобы адгезия тел по своей величине была близкой к когезии, чтобы при разрушении системы был смешанный тип отрыва. Система с такими свойствами построена наиболее рационально.

 

 

Рисунок 1 – Типы разрушения клеевых соединений

 

Разрушение — всегда обрыв связей, которые в каждом случае ответственны за прочность. Таким образом, разрушение клеевых соединений может происхо­дить в результате обрыва как межатомных (химических), так и межмолекулярных связей. В зависимости от того, по каким местам происходит разрушение, его можно классифицировать по видам следующим образом (рисунок 1): адгезионное (I); аутогезионное (II); когезионное по адгезиву (III), по субстрату (IV) (Имеется в виду разрушение по субстрату в той его части, которая на­ходится в непосредственной близости к клеевому соединению, так что на ее напряженное состояние оказывает влияние клеевое соединение. Разрушение по субстрату вне этой зоны не следует относить к разрушению клеевых сое­динений) или по тому и другому (V); смешанное, происходящее частично когезионно и частично адгезионно либо аутогезионно (VI).

На рисунке 1 приведены условия реализации различных ви­дов разрушения, выраженные через соотношения прочности эле­ментов клеевого соединения и адгезионной (в частном случае аутогезионной) прочности. Вид разрушения зависит в значитель­ной мере от применяемого адгезива, от технологии склеивания и способа приложения нагрузки, другими словами, от характера работы клеевого соединения.

Вид разрушения следует учитывать при оценке результа­тов испытания клеевых соединений на прочность. Это дополни­тельная качественная характеристика прочностных свойств кле­евых соединений наряду с принятой для данного испытания ко­личественной характеристикой (например, нагрузкой в момент разрушения).

Для ответственных * клеевых соединений приемлемым может быть только когезионное разрушение вида IV или V, и только такие клеевые соединения можно считать достаточно надежными. В то же время для менее ответственных клеевых соединений вполне приемлемо когезионное разрушение по адгезиву (III) либо смешанное разрушение (VI). Для вспо­могательных клеевых соединений разрушение может быть коге­зионное по адгезиву (III), смешанное (VI), а иногда адгезионное (I), если клеевое соединение носит временный характер (например, предварительное клеевое соединение деталей верха при сборке заготовок ниточными швами). Аутогезионное разру­шение (II) в любом случае является неприемлемым и свиде­тельствует о неправильно проведенном процессе склеивания.

Выбирать адгезив и проектировать технологический процесс склеивания следует, руководствуясь изложенными соображе­ниями. Основным правилом при этом должно быть следующее: нужно стремиться не к возможно более высокой прочности кле­евого соединения, а лишь к прочности, соответствующей назна­чению клеевого соединения и требованиям, к нему предъяв­ляемым.

Адгезионная прочность характеризует способность адгезионного соединения сохранять свою целостность. Количественную характеристику этого свойства выражают сопротивлением разрушению адгезионного соединения по межфазной границе под действием внешних усилий (напряжений отрыва, отслаивания, расслаивания, сдвига, вырыва, кручения и т.п.). Характеристиками адгезионной прочности являются удельные значения величин, т.е. отношение сопротивления разрушению к единице площади контакта (при отрыве, сдвиге, вырыве, кручении) или к единице ширины образца (при отслаивании и расслаивании).

Среди факторов, оказывающих влияние на адгезионную прочность, особая роль отводится характеру межфазных молекулярных сил /3/ и механизму формирования адгезионного соединения /10/, который состоит из следующих стадий. Первая стадия заключается в нанесении клея и образовании зоны контакта между субстратом и этим слоем. Во второй стадии формируется адгезия между поверхностью и клеем. Третья связана с возникновением когезионной прочности слоя клея между двумя склеиваемыми поверхностями.

Помимо адгезии прочность клеевого соединения зависит еще от ряда других факторов, а также условий разрушения системы (скорости и способа приложения нагрузки, определяющих характер распределения напряжений, структуры субстратов, температурных условий и т.д.).

Так, характер разрушения клеевого соединения зависит от скорос­ти деформирования: при увеличении скорости отрыва пленки адгезива когезионный характер расслаивания переходит в адгезионный. Пере­ход когезионного типа отрыва в адгезионный зафиксирован также при постепенном понижении температуры.

Изменение характера отрыва объясняется различиями в прохожде­нии релаксационных процессов, которые при малых скоростях отрыва и достаточно высоких температурах происходят наиболее полно, в ре­зультате чего пленка адгезива подвергается значительным деформа­циям и разрушение происходит в объеме адгезива. При больших ско­ростях отрыва адгезив ведет себя, как твердое тело с высоким мо­дулем упругости, и наиболее слабым местом оказывается межфазовая граница. Поэтому сопоставимыми могут считаться только те резуль­таты определения прочности склеивания, которые произведены при оди­наковых скоростях отрыва. При испытании склеенных обувных мате­риалов скорость движения нижнего зажима динамометра принята рав­ной 100 мм/мин. При испытаниях с более высокими значениями скорости отрыва результаты будут завышенными, так как с повышений ем скорости отрыва возрастает и работа отслаивания.

В первое время при образовании клеевого соединения хи­мического взаимодействия между адгезивом и субстратом не происходит. Адгезив свободно растекается по поверхности суб­страта (химическое взаимодействие в той или иной мере препят­ствовало бы растеканию). После образования контакта, на ста­дии формирования клеевого соединения, возникает химическое взаимодействие между адгезивом и субстратом, а также в массе адгезива. При этом увеличивается как прочность связи на меж­фазной границе, так и когезия пленки адгезива.

 

Получение сплошного клеевого слоя является важнейшим условием прочного склеивания, клей должен смачивать склеиваемые поверхности и должен заполнять все участки поверхности. Для этого при склеивании должно соблюдаться соответствие между давлением и консистенцией клея. При использовании высоковязких адгезивов необходимо добиваться более полного контакта адгезива и субстрата путем принудительного воздействия. С этой целью повышают температуру, давление, продолжительность выдержки. Для повышения текучести клеев-расплавов вводят компоненты, способствующие снижению вязкости, но при добавке пластификаторов, имеющих тенденцию к миграции, ослабляется клеевой шов.

Для оценки собственно адгезии необходимо уметь определять деформационную слагаемую (затраты на деформацию компонентов адгезионного соединения). Прочность образцов при нормально отрыве существенно уменьшается с ростом толщины слоя адгезива.