Лако-красочные материалы — производство

Рассмотрим рис. 6.10 и представим ситуацию, в которой существуют какие-то реаль­ные клеи и субстрат. Влияние смачиваемости на адгезию очевидно. Криволинейная поверхность, например, показанная на рис. 6.8. нс обязательно является абсолютно чистой. Очевидно, что на поверхности имеются загрязнения, образующие «слабый граничный слой» (см. раздел 6.10). Кроме того, реальный клей обладает реальной вязкостью (что было рассмотрено в предыдущем разделе). В большинстве случаев для клея необходима операция отверждения, и вязкость этих материалов быстро растет в зависимости от продолжительности после их нанесения. Можно ожидать, что нижняя часы, нор может оказаться незаполненной, оставляя пустоты. Следо­вательно. клеевое соединение может иметь незаполненные места на поверхности, каждое из которых ведет себя как зона концентрации напряжений. Для того чтобы понят ь эту проблему, рассмотрим повторно рис. 1. t. I la этом рисунке представлены две ситуации; одна соответствует идеальному монолитному материалу, в кото|юм отсутствуют трещины или пустоты, а другая показывает тот же материал, содер­жащий трещину.

Можно представить себе нагрузку, которая приложена к обоим образцам. Пока зано, что нагрузка распространяется через бездефектный материал в виде непре­рывных силовых линий. В случае материала, имеющего дефекты, силовые линии не могут быть непрерывными из-за наличия дефекта. Силовые линии, так как они

/W. в. W. Схематическое изображение состояния «реального» клеевого соединения, при ко — гором поверхность субстрата имеет загрязнении, а клей имеет какую-то конечную вязкость. Проникновение клея в пору является неполным, на границе раздела остаются пустоты. Наличке пустот наряду с коїезионно ослабленными загрязне­ниями уменьшают прочность клеевого соединения до уровня ниже ее теоретиче­ского значения

должны быть непрерывными, накапливаются на краю дефекта и их интенсивность воарастает. Для такой эллиптической трещины увеличение интенсивности может быть рассчитано довольно просто. Если размеры трещины таковы, что большая ось эллипса оказывается в 100 раз длиннее его короткой оси, величина роста интенсив­ности напряжения равна 201. Таким образом, сила в 1 Н у конца материала достигает величины порядка 201 Н у краев такой трещины. В данном случае это приближен­ный вариант «коэффициента интенсивности напряжений», используемого в меха­нике разрушений [15]. Клеевое соединение с дефектной границей раздела является еще одним примером указанного состояния. Пустоты или слабые граничные мате — ришты увеличивают на периферии дефекта приложенную на удалении силу. Очень часто это вызывает рост дефекта. Если для материала не характери механизм по­глощения энергии, этот материал разрушается при нагрузках, меньших (или иногда даже намного меньших) чем теоретическая прочность материала. Следовательно, получение удовлетворительного смачивания является одним из способов исключе­ния появления дефектов на границе раздела, чтобы прочность клеевого соединения оказалась максимально близкой к теоретической прочности.

Вопросы, связанные с адгезией, нельзя исследовать отдельно от изучения явле­ния смачиваемости и краевого угла смачивания. Для того чтобы обеспечить удо — влетворителъпую силу адгезии, клей и субстрат должны вступить в тесный кон­такт. Получение тесного контакта клея с поверхностью равносильно требованию, чтобы дефекты на поверхности раздела были сведены к минимуму или вообще от­сутствовали. Тесный контакт появляется в том случае, когда клей самопроизвольно растекается по поверхности, обеспечивая максимальный контакт на границе раздела и уменьшая до минимума соприкосновение с другими фазами. Анализ растекания клея (самопроизвольного или вынужденного) можно оценить по результатам из­мерения краевого угла смачивания. В данном разделе показана взаимосвязь между смачиванием и адгезией.

В упрощенном виде такая взаимосвязь представлена на рис. 6.11. где показан краевой угол смачивания каплей эпоксидного клея поверхности различных мате­риалов. Поверхностная энергия стандартной эпоксидной смолы составляет около 42 мДж/м2. Капля имеет относительно низкий профиль в случае таких субстратов, как отвержденный композиционный материал на основе эпоксидной смолы или поливинилхлорид (ПВХ). хотя смачивание поверхности ПВХ не происходит само­произвольно. В случае полиэтилена (ПЭ), для кото|юго критическое поверхностное натяжение смачивания составляет около 31 мН/м, капля имеет более высокий про­филь. Для выполнения лабораторных экспериментов был использован листовой ПЭ. Для клеев свойственно очень высокое значение краевого угла смачивания по­литетрафторэтилена (ПТФЭ), имеющего критическое поверхностное натяжение смачивания, равное 18 мИ/м. Поэтому можно было предположить, что эпоксид­ный клей имеет плохую адгезию к ПТФЭ. и это оказалось правильным. Материалы с низкой поверхностной энергией, например, ПТФЭ. обладают плохой способно­стью к склеиванию и рассматриваются как разделительные или антиадгезионные слон. Материалы тина ПТФЭ являются основным компонентом при изготовлении «антипригарной» кухонной посуды. Если показать, что яйца в процессе приготов­ления яичницы не прилипают к посуде, можно получить очевидное представление

о взаимосвязи между смачиванием, критическим натяжением смачивания Зисмана и адгезией. Яичный бедок обычно относят к классу протеи неодержанні материалов. Однако поскольку иротениы находятся в водном растворе, полагают, что яйцо имеет поверхностное натяжение 60 70 мІІ м. Краевой угол смачивания между яйцом и ПТФЭ имеет высокое значение. В этом случае смачивание оказывается слабым и нссамопроизво. іьньїм. поэтому яйцо не прилипает к поверхности.

Способность клея самопроизвольно смачивать поверхность можно оценить с помощью уравнения Зисмана. приведенною в гл. 4. Другими словами, клей само­произвольно смачивает поверхность, когда его поверхностная энергия меньше по­верхностной энергии субстрата, на которую он наносится. Таким образом, основной критерий для получения удовлетворительной силы адгезии и смачивания может быть описан следующим образом: оля получения самопрои:июлыюго смачивания и удовлетворительной силы адгезии необходимо выбирать клей, поверхностная анер­гия которого меньше критического натяжения смачивания поверхности, на которую он наносится. Основанием для такого заключения является рис. б. 11.

Самые показательные эксперименты, связанные с анализом явлений смачивания и адгезии, были выполнены Левайном. Иллкой и Вейсом [10]. В этой работе иссле­дователи измеряли краевой угол смачивания различными жидкостями поверхно­стей твердых полимеров. Затем они определяли прочность при растяжении стыко­вого клеевого соединения, полученного на основе этих пластиков и одного и того же определенного клея. С хематичоское изображение этих результатов показано на рис.

0. 12. Существует прямая зависимость между указанной прочностью и параметром (1 + cos 0). как можно было бы предположить, если бы существовала зависимость между термодинамической работой адгезии и практической работой сил адгезии. Уравнение Дюпре показывает, чго в случае определенного сочетания материалов

термодинамическая работа сил адгезии уменьшается при увеличении энергии границы раздела. На рис. 6.12 показана также зависимость практической энергии сил адгезии от межфазного поверхностного натяжения. Практическая работа сил адгезии уменьшается согласно уравнению Дюнрс. Аналогично этому, если крити­ческое поверхностное натяжение смачивания твердого тела становится меньше но-

верхностной энергии клея, происходит уменьшение прочности стыкового клеевого соединения при растяжении.

Другой пример взаимосвязи между уравнением Янга-Дюпре и силой адгезией представлен в работе Барбариси [ 17J. который исследовал подготовку поверхности ПЭ. Подготовка поверхност и представляет собой важный технологический фактор в науке об адгезии, так как установлено, что большинство поверхностей но ряду при­чин нс имеют низкого значения поверхностной энергии. Вопрос о подготовке по — нерхносги различных субстратов рассматривается в гл. 7. Использованный Барбари­си способ подготовки поверхности заключался в ее травлении хромовой кислотой. Установлено, что в зависимости от продолжительности обработки величина краево­го угола смачивания водой обработанной поверхности полиэтилена уменьшается. Вследствие этого возрастают величина параметра (1 + cos 0) и прочность реального клеевого соединения в случае использования в качестве субстрата полиэтилена с об­работанной поверхностью. В процессе всех указанных экспериментальных исследо­ваний был использован один и тот же эпоксидный клей. Доказательства, демонстри­рующие взаимосвязь между смачиваемостью и силом адгезии, можно найти в книге Adhesion Science and Technology в главе, написанной Митталом 118].