Склеивание полимеров и выбор клеев

 

Склеивание - очень эффективный метод соединения, который позволяет соединять пластмассы между собой и с другими материалами. Химическое соединение (склеивание) компонентов представляет ряд преимуществ по сравнению с другими методами соединения:

• Равномерное распределение напряжения
• Нет повреждающих воздействий на материал
• Нет деформации соединенных деталей
• Могут быть соединены различные комбинации деталей
• Отдельные участки соединения склеиваются одномоментно
• Требуется меньшее количество компонентов

Практически все полимеры обладают хорошей стойкостью к химическим веществам, поэтому их соединение с помощью клеевых составов подразумевает определенные сложности и высокую степень внимания. Одно из самых надежных соединений – это механическое соединение или сварка, однако не всегда конструкция или имеющееся оборудование позволяют применить эти виды соединений. В таких случаях применяется склеивание пластиков.

Для склеивания пластмасс существует очень большое число клеев на основе почти всех промышленных полимеров. При выборе клея учитывают, прежде всего, химическую природу соединяемых материалов, полярность, растворимость, реакционную способность, структуру поверхности. Не меньшую роль играют условия работы соединения, термический коэффициент линейного расширения соединяемых материалов, конструктивные особенности изделия и требования к технологическим свойствам клея. Существуют и универсальные клеи, которыми можно склеивать материалы любой химической природы. Это – клеи на основе эпоксидных полимеров, полиуретановых форполимеров, полиарилатов, каучуков и др. Как правило, рекомендуется использовать клеи, одинаковые или близкие по химической природе к полимерной основе материала.

Общие рекомендации по склеиванию

Материалы, которые не подходят для склеивания или лишь условно подходят для склеивания: TECAFLON PTFE (Фторопласт 4), TECAFLON PVDF (Фторопласт 2), TECAFORM AH / AD (Полиацетали), TECAFINE PE (Полиэтилен), TECAFINE PP / TECAPRO MT (Полипропилен). Обычно пластики, которые плохо склеиваются, прекрасно соединяются сваркой. Для большинства этих полимеров изготавливаются специальные сварочные прутки (длинные электроды), которые существенно облегчают процесс сварки.

Решающие факторы для хорошего клеевого соединения:

• Характеристики материала
• Адгезивность
• Адгезивный слой
• Поверхность (предварительная подготовка)
• Геометрическая форма склеиваемого соединения
• Условия эксплуатации нагрузки

 

Склеивание Полиамида, Полиацеталей, Полиэфирэфиркетона, Полисульфонов, Фторопласта, Поликарбоната, Полиэтилена, Полипропилена и других пластмасс

Моменты, которые важно учесть

• Порой процесс склеивания требует длительного времени
• Иногда затруднен выбор клея
• Процесс склеивания может проходить в несколько стадий каждая из которых должна соблюдаться
• Необходимо проверить стойкость клея к возможным химическим веществам, воздействующим при дальнейшей эксплуатации детали
• Необходимо учесть рабочую температуру (как постоянную, так и кратковременную), ведь не каждый клей может выдержать диапазоны температур, при которых эксплуатируются полимерные детали
• Соединяемые части, детали должны иметь подходящую конструкцию
• Последующая прочность склеенного пластика предусматривает аккуратную механическую обработку и дальнейшую эксплуатацию

Если профессионально подойти к процессу склеивания можно добиться желаемого результата. Определенно на качество клеевого соединения пластиков влияет и клей, и выбранный процесс склеивания, а также то, насколько качественно проведена обработка поверхности перед соединением. Следует обратить внимание и на конструктивные особенности соединяемых материалов (дизайн).

Перед склеиванием необходимо очистить и обезжирить поверхности. Эти рекомендации Вы всегда найдете на упаковке клея или в технической документации. Некоторые материалы требуют шлифовки, зачистки или даже пескоструйной обработки, а другие полимеры желательно протравить химическими веществами. Активировать соединяемые поверхности можно и газовым пламенем, плазмой или при помощи воздействия коронного разряда, однако эти методы менее популярны в России.

→ Выбор клея зависит от вида соединяемых материалов, поверхности частей или деталей, влажности и воздействия химических веществ, а самое главное – от температуры эксплуатации. Стоит задуматься и об электрических свойствах, типе нагрузки, физиологии и времени циклов в производстве. А иногда обращают внимание и на внешний вид клея (особенно когда нужна прозрачность).

Условно все клея можно подразделить на несколько категорий: растворяющий клей, клей горячего расплава, клей на основе эпоксидки, полиуретана, акрилата или цианоакрилата.

Принцип действия растворяющего клея основан на частичном растворении поверхности пластика, которая и служит в дальнейшем веществом для соединения. К примеру, для соединения Полиамида 6, 66, 46 (Текамид, TECAMID, Эрталон и пр.) подходит муравьиная кислота (90% для PA 6, 95% для PA 66), а для литьевого Полиамида 6 (TECAST, Текаст, Эрталон, Капролон) рекомендуется 12% водный фенольный раствор. Благодаря высокой химической стойкости сложно соединяется Полиацеталь (Полиоксиметилен, TECAFORM, Эртацетал и пр.), но и его можно склеить с применением вещества со сложным названием «сесквигидрат гексафторацетона». Такие аморфные и капризные полимеры как Поликарбонат, Полисульфон и Полиэфиримид можно склеить с использованием метиленхлорида.

→ Прочность клеевого соединения при использовании клеев-растворителей хорошая, однако, при их использовании можно склеить только одинаковые по химическому составу пластмассы.

При работе с клеем горячего расплава действует другой принцип. При нагревании компоненты клея-расплава переходят из твердого состояния в жидкое состояние. Клеевая масса в жидком состоянии обладает хорошей адгезией. При остывании тонкий слой клея быстро переходит в твердое состояние. При этом получается прочный клеевой шов, который при повторном нагревании опять может перейти в жидкое состояние. Поэтому не всегда данный клей можно применить для соединения высокотемпературных пластмасс.

Эпоксидный же клей не только очень популярен в нашей стране, недорог, но и доступен. Одним из основных достоинств клеев на основе эпоксидки является и последующая высокая температура эксплуатации (от -50 до + 150°C, а в некоторых случаях и до +200°C), а также простота применения. Кроме этого эти клея обладают высоким сопротивлением сдвигу. Основной недостаток – длительное время отверждения.

Чтобы увеличить прочность склеиваемого соединения, необходимо подготовить поверхности склеиваемых пластиков для повышения активности этих поверхностей.

• Очистка и обезжиривание поверхности материала
• Увеличение шероховатости поверхности путем шлифования или пескоструйной обработкой (особенно рекомендуется)
• Физическая активация поверхности пламенем, плазмой или образованием короны
• Химическое травление для формирования определенного пограничного слоя
• Нанесение грунтовки

Полиуретановый клей также доступен и широко известен, однако обладает меньшим диапазоном температур эксплуатации, зато обеспечивает очень высокую эластичность клеевого шва. Данному клею присуща высокая ударная вязкость.

→ Способ обработки поверхности зависит от типа пластмассы и природы клея.

Акрилатные и цианоакрилатные клея стоят дороже, чем вышеописанные, но позволяют существенно сократить время склеивания и получить хорошее соединение. В сравнение с полиуретановыми и эпоксидными клеями, они обладают меньшей температурой эксплуатации (-40°C + 120°C – акрилатные, -50^оС +80^оС (а иногда до 200^оС) – цианоакрилатные).

Клей на основе эпоксидки, полиуретана и цианоакрилата подходит для соединения таких пластиков как: TECASINT (Полиимид), TECAPEEK (Полиэфирэфиркетон, РЕЕК), TECATRON (Полифениленсульфид, PPS), TECAFLON PTFE и PVDF (Фторопласт-4 и Фторопласт-2). Применяя эти клея, обратите внимание на температуру эксплуатации, т.к. все перечисленные полимеры имеют большую температуру эксплуатации, чем клеевые составы. TECAMID (Полиамид, РА) и TECAFORM (Полиацеталь, РОМ) также могут быть склеены этими клеями.

TECAFINE PE и PP (Полиэтилен и Полипропилен) склеиваются клеем на основе эпоксидки или полиуретана, также как и TECANAT (Поликарбонат, РС). TECAPET (Полиэтилентерефталат, РЕТ) и TECADUR (Полибутилентерефталат, РВТ) клеятся эпоксидными или и цианоакрилатными составами. Стоит обратить внимание, что TECAFINE PP, TECAFINE PE, TECAFINE PE-5 проще соединить методом сваривания, чем склейкой. Специальные стержни для сварки, своего рода электроды, упрощают и ускоряют процессы. При соблюдении всех параметров сварки Вы получите прекрасную прочность сварного шва. А избавиться от следов сварки можно зачистив соединения в месте сваривания. В результате Вы получаете прочное и эстетичное соединение. Немного хуже обстоят дела с соединением сверхвысокомолекулярного полиэтилена TECAFINE PE-10. TECAFINE PE-10 плохо склеивается и сваривается. Для сварки TECAFINE PE-10 обычно применяют те же сварочные прутки/проволоку что и для сварки TECAFINE PE-5.

Полиэтилен (TECAFINE PE , ПЭ) без предварительной обработки поверхности не может быть прочно склеек, так как большинство клеев имеют низкую адгезию. Это объясняется низкой полярностью полимера, нерастворимостью его в органических растворителях и высокой степенью кристалличности. Кроме того, ПЭ содержит низкомолекулярные примеси и добавки – стабилизаторы, смазки и т.п., которые мигрируют на поверхность и образуют там пограничный слой, уменьшающий адгезию. Эти примеси могут быть удалены перекристаллизацией, экстракцией или другим способом.

Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) и низкой плотности (ПЭНП) без подготовки поверхностей может быть склеен клеями на основе полиизобутилена натурального каучука, синтетического каучука, смеси полиакрилатов и поливинилацетата.

Для склеивания необработанного ПЭ рекомендуется также клеи на основе кремнийорганических соединений и полибутадиена. Особый случай представляют плиты, например из вспененного или напыленного полиэтилена с открытыми парами, которые могут быть склеены без подготовки поверхности между собой и с другими материалами эпоксидными клеями.

→ В любом случае самый верный способ проверить – попробовать. Основное, что нужно помнить – относитесь внимательно и к процессам и к выбору, тогда результат будет надежным и Ваше настроение не испортится из-за излишних хлопот.

Соединение ПВХ, выполненные клеями на основе форполимера метакрилата, стойки в течение нескольких месяцев и действию горячей воды (337К), метанола, уксусной кислоты, атмосферных факторов. Жесткий ПВХ и ПВХ, содержащий менее 30% пластификатора, можно склеивать с помощью композиций на основе нитрильного и полихлоропренового каучука, полиуретанов, полиакрилатов, эпоксидные и фенолформальдегидные клеи обладают низкой адгезией и ПВХ. Для получения швов со свойствами, близкими и свойствами соединяемого материала, целесообразно пользоваться полиуретановой композицией, модифицированной хлорвиниловой смолой.

→ Поливинилхлорид (ПВХ, TECAFINIL) также как и Полиэтилен, Полипропилен прекрасно сваривается и демонстрирует прочное соединение.

При склеивании пластифицированного (35-50% пластификатора) ПВХ клеями, которые хорошо склеивают жесткий ПВХ, через несколько суток или месяцев наблюдается ослабление или разрушение первоначальной безупречного шва, происходящие под действием пластификаторов, диффундируют в клеевую прослойку.

Стойкость к пластификаторам обладают клеи на основе нитрильного каучука с добавками хлоркаучука или смол. Однако недостатком этих клеев является слишком короткая выдержка, которая не может превышать 5-10 мин, что затрудняет затруднением этих клеев при склеивании больших поверхностей. Этого недостатка лишены клеи на основе полихлоропренового каучука.

Для склеивания монолитных деталей из ПС (пленки, трубы литые детали) рекомендуются полиуретановые, стиролсодержащие полиэфирные, цианокрилатные клеи, композиции на основе полихлоропрена, нитрильного каучука, ПС хорошо растворяется в растворителе полиуретаного клея, в стироле, входящий в состав полиэфирного клея, и в цианокрилате способствует достижению наиболее полного контакта клея со склеиваемым материалом.

Выбор клея зависит от следующих параметров:

• материалов
• поверхностей
• типа напряжения
• химических веществ, влажности
• температуры
• внешнего вида / прозрачности
• электрических требований
• времени циклов при производстве
• физиологии

Эпоксидные клеи характеризуются низкой адгезией и ПС. Так, образцы из ПС и стали, склеенные эпоксидным клеем при 337К в течение 6г, разрушается при испытании на сдвиг при напряжении 9,0 мПа.

Поликарбонат склеивается легче, чем другие кристаллизующие термопласты, что объясняется его относительно хорошей растворимостью в некоторых органических соединениях. Наиболее подходящие для ПК считают эпоксидные клеи, полиэфирные, полиуретановые, кремнийорганические и фенолкаучуковые, отверждение которых происходит при температуре, не превышающей температуры склеивания ПК. Эпоксидные клеи, отверждаемые аминами или полиамидами, не рекомендуется для работы во влажной среде при температуре выше 393К. При склеивании поликарбоната клеями, отверждаемые ангидридами, возникает опасность теплового старения материала во время термообработки шва.

Склеивание Оргстекла

Листы из экструзионного Оргстекла можно склеивать между собой и с другими материалами, получая при этом высокопрочный и долговечный шов. Перед склеиванием желательно провести термообработку (выпаривание влаги и снятие напряжения материала). Этапы склеивания Оргстекла такие же, как и у других термопластов и содержат следующие стадии: предварительная обработка (придание шероховатости, очистка, отжиг), подготовка и нанесение клея, стыковка и фиксирование деталей, отверждение и охлаждение, удаление фиксации и окончательная обработка - отжиг.

Следующие материалы и клея для соединения Оргстекла могут быть использованы:

• клей специальный для оргстекла COSMOFEN-PMMA;
• клей цианакрилатный моментальный универсальный Ko-Kleber 3 и 12 секундный;
• клей нитриловый универсальный KORALIT F 140;
• клеящие ленты, двухсторонний скотч;
• раствор полиметилметакрилата в летучем растворителе;
• полимеризуемый тип клея (отличается высоким пределом прочности и атмосферостойкостью): на базе ПММА, содержит диметиланилин, в момент склеивания добавляют инициатор полимеризации - перекись бензола;
• другие типы клея: эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые и др. марок АК-90, МП-88;81;БФ-2(4,6);
• растворители: дихлорэтан, хлористый метилен;
• клеящие лаки и растворители (ALTUGLAS SPC);
• на основе растворителей (ALTUGLAS S2003);
• на основе полимера (ALTUGLAS Р-10)

  → После сушки и застывания клея при комнатной температуре рекомендуется провести отжиг в течение 2-5 часов при температуре 60°C .

Ограничение ответственности

Мы не первый год на рынке и часто сталкиваемся с ненадлежащим вниманием, а порой и с присущим многим из нас так называемым «человеческим фактором», поэтому стоит сказать еще об одном.

Прочность соединения и дальнейшая эффективная эксплуатация склеенных компонентов зависят от многих факторов, одним из которых является геометрия изделия, индивидуальные условия эксплуатации. Эта статья основана на данных представленных техническим отделом компании Ensinger (производство полимерных заготовок), некоторая информация взята из справочников и открытых источников, некоторые данные основаны на опыте. Следовательно, все данные получены на основе опыта, анализа и рекомендаций производителей пластиков, клеевых составов. Но Ваша индивидуальная конструкция изделия может быть не предназначена для соединения путем склеивания. Ни мы, ни производители пластиков или клеевых составов не несут какой-либо ответственности за использование и применение, а, следовательно, и за результаты соединения, полученные на основе представленной выше информации.

Пожалуйста, обратитесь к производителям клеевых составов за помощью в выборе марки клея.