Kleje i klejenie - zastosowania, zalety i wady, Schematy z Inżynieria

Pobierz Kleje i klejenie - zastosowania, zalety i wady i więcej Schematy w PDF z Inżynieria tylko na Docsity! KLEJE I KLEJENIE 1. WYKŁAD 1 a. zastosowania ● lotnictwo ● elektronika ● motoryzacja ● sprzęt sportowy ● konstrukcja drewna b. Zalety i wady Zalety Wady •Nie narusza integralności podłoża [trwale łączymy elementy, bez robienia dziur] •Duża wytrzymałość na zmęczenie •Niski ciężar • Możliwość jednoczesnego łączenia i uszczelniania [porcelana] • Możliwość łączenia materiałów wrażliwych na wstrząsy • Możliwość łączenia materiałów wrażliwych galwanicznie [np. połączenie elementów aluminiowych i stalowych i jednoczesne odseparowanie je w sensie elektrycznym] •Niższy koszt niż połączeń mechanicznych [to zależy] • Możliwość łączenia zestawów o złożonym kształcie • Brak konieczności dostarczania energii mechanicznej (PSA) • Poprawiona sztywność i dźwiękochłonność •Dodatkowe funkcje (np. barwa) •Wytrzymałość zależna od stanu powierzchni podłoża [trzeba odpowiednio przygotować powierzchnię] • Brak nieniszczących metod badania • Trudności w przewidywaniu właściwości połączeń •Większa powierzchnia kontaktu (niż mech.) dla uzyskania tej samej wytrzymałości • Problematyczny recykling [niemożliwe wyizolowanie kleju bo penetruje w głąb] •Dłuższy czas przetwarzania [czas wysychania] • Toksyczność •Ograniczona żywotność [jakość spoiny gorsza niż przy świeżym] • Kruchość / plastyczność spoin •Uzależnienie cen od ceny ropy naftowej (kleje syntetyczne) c. integralność podłoża d. pojęcia ● Klej Jest to substancja zdolna do trwałego połączenia dwóch powierzchni w wyniku działania sił przyczepności do powierzchni klejonej (adhezja) i sił spójności wewnętrznej spoiny klejowej (kohezja). ● Adhezja (przyleganie) Zjawisko łączenia ze sobą powierzchniowych warstw ciał fizycznych lub faz (stałych lub ciekłych), pozwalające na przenoszenie między nimi obciążeń. [przyleganie może być bez dodatku warstwy np. przez oddziaływanie elektrostatyczne] ● Kohezja Ogólna nazwa zjawiska stawiania oporu przez ciała fizyczne poddawane rozdzielaniu na części. Jej miarą jest praca potrzebna do rozdzielenia określonego ciała na części, podzielona przez powierzchnię powstałą na skutek tego rozdzielenia. [im mniejsza kohezja tym łatwiej rozdzielić materiał] ● Połączenie adhezyjne Połączenie dwóch lub więcej elementów wykonane przy użyciu kleju. Ciała stałe inne niż klej występujące w połączeniu adhezyjnym to podłoże (substrat). ● Substancja podstawowa Główny błonotwórczy składnik kleju zapewniający oddziaływania adhezyjne i kohezyjne oraz definiujący właściwości masy klejowej (także: spoiwo). ● Żywica Polimer lub jego roztwór stanowiący substancję podstawową masy klejowej; naturalna lub syntetyczna substancja organiczna w postaci lepkiej cieczy lub ciała stałego; wśród żywic syntetycznych można wyróżnić żywice termoplastyczne i termoutwardzalne. ● Masa klejowa Przeznaczona do bezpośredniego klejenia, mieszanina substancji podstawowej, utwardzacza, rozpuszczalnika, ew. innych dodatków. warunki: - podłoże musi być porowate - odpowiednia niska lepkość kleju - podłoże musi być zwilżone przez klej rozwinięcie powierzchni: 1 - siła F prosto rozdzieli warstwy kleju i substratu ze względu na matematycznie płaską powierzchnię 2 - nieregularna pow.; nastąpi deformacja, zgniecenia; energia będzie rozproszona; gdy siła będzie wystarczająco duża spowoduje pęknięcie im bardziej płaska powierzchnia tym siła potrzebna do oderwania mniejsza 2. WYKŁAD 2 a. toria dyfuzyjna dwa mat. po zetknięciu ze sobą po jakiś czasi zanika granica fazy-łączą się właściwości dwóch faz zmieniają się - przejścia mają wymieszane właściwości A i B warunki: - zbliżone parametry rozpuszczalności - muszą się wzajemnie w sobie rozp. - duże powinowactwo kleju do podłoża - ma dobrą adhezje do niego - występowanie rozpuszczalnika który spęczania podłoże [np. woda dla drewna] pewne składniki drewna penetrują do kleju, a pewne kleju do drewna klej penetrując w ścianę komórkową zmienia jej właściwości mechaniczne Jeżeli dwa materiały są w sobie rozpuszczalne i znajdują się w bezpośrednim kontakcie, w wyniku dyfuzji po pewnym czasie utworzą roztwór. Jednocześnie przestanie istnieć granica faz, a pojawi się obszar międzyfazowy. W układach w których parametry rozpuszczalności kleju i podłoża są zbliżone, podczas rozciągania złącza zniszczeniu ulega substrat, co oznacza że energia adhezji jest większa od energii kohezji. Maksymalną adhezję wykazują układy, w których parametry rozpuszczalności substancji są sobie równe. b. pojęcie energii powierzchniowej energia powierzchniowa - Jest wyrażona przez pracę potrzebną do utworzenia jednostkowej powierzchni podczas rozdziału faz znajdujących się w równowadze każda faza która nie jest gazem ma granicę faz, powierzchnię cząsteczki w powierzchni są w równowadze - > reagują na siebie nawzajem zaś cząsteczki przy powierzchni - nadmiar energetyczny w stosunku do cząsteczek w środku więc powstaje energia pow. γ woda = 72 mJ/m2 różne materiały będą różnie reagowały z różnymi innymi materiałami c. kąt zwilżania to kąt płaski 0 zawarty pomiędzy płaszczyzną ciała stałego a styczną do powierzchni kropli cieczy spoczywającej na tym ciele (w punkcie styku cieczy i ciała stałego) im kąt bliższy 0 tym lepiej - > zwilżalność dobra przy małej energii powierzchniowej podłoża oddziaływania pow. są silniejsze niż oddziaływania adhezyjne z podłożem przy dużej przegrywają z oddziaływaniem adhezyjnym d. teoria adsorpcyjna aby uzyskać dużą adhezję cieczy do podłoża to oddziaływanie międzycząsteczkowe cieczy i podłoża muszą być silniejsze od oddziaływań wewnątrzcząsteczkowych cieczy Warunki: dobra zwilżalność podłoża( Gdy kąt zwilżania jest większy od 90⁰ ciecz nie zwilża pow. ciała stałego, gdy przyjmuje on wartość 0⁰ występuje zwilżalność doskonała. W pierwszym wypadku pow. kontaktu jest zminimalizowana, a w drugim zmaksymalizowana i sprzyja oddziaływaniom międzyfazowym.) materiały identyczne ze sobą oddziałują warunek dobrej zwilżalności : γ kleju < γ powierzchni siła przylegania (adhezji) powinna być większa od napięcia pow. cieczy można wpłynąć na to jaką energię powierzchniową ma drewno ! przez przygotowanie powierzchni odpowiednio - np papierem ściernym (stare warstwy usunięte, robi się to na krótko przed klejeniem); plazmowanie (zmiana skł. chem.), papier ścierny + plazmowanie e. teoria wiązania chemicznego - teoria oddziaływania na granicy faz f. teoria słabych warstw granicznych przyjmując matematycznie płaską granicę warstw zniszczenie następuje w najsłabszy miejscu - blisko lecznie na samej granicy faz bo w wyniku obróbki mech. warstwy przy granicy faz są osłabione g. połączenie adhezyjne - model Marry nie ma wyraźnej granicy między klejem a drewnem ii. zestalanie kleju (polimeryzacja, utrata rozpuszczalnika, ochłodzenie kleju topliwego) iii. całkowite utwardzenie pełna wytrzymałość dla różnych polimerów - stężenie różne największa wytrzymałość gdy duża zwilżalność energia pow. różnych gatunków różna: (gęstość, warunki wzrostu itd. wpływ na wynik) - jesion 74-87 mJ/m2 - sosna 71-83 - buk 50-68 - świerk 56-73 - dąb 43 lepkość: maleje wraz z temp. stężenie - zwiększa lepkość masa cząsteczkowa - zwiększa lepkość 4. WYKŁAD 4 a. lepkość im bardziej rozciągnięty w czasie wzrost lepkości tym dłuższej trwa wzrost wytrzymałości ● klej topliwy - b. szybko wzrasta wytrzymałość [sekundy] ● klej reaktywny topliwy - wytrzymałość ostateczna po wielu godzinach/dniach ● klej rozpuszczalnikowy - po jakimś czasie stromo wzrasta lepkość i wytrzymałość (woda musi odparować) ● klej wodny - okres inercji również; woda musi odparować, wytrzymałość spoiny dłużej ● dwuskładnikowy reaktywny - płaski początek i wypłaszczenie; musi zajść reakcja między składnikami ● jednoskładnikowy reaktywny - szybkość utwardzania zależna od il. wody; im jej więcej to szybszy wzrost lepkości i wytrzymałości głębokość wnikania (μm) - UF 4-6 - PF 0-3 - MUF 2,5-3 - PMDI 1,5-2,5 szlifowane papierem ściernym przed klejeniem szkodzi? zmniejsza powierzchnię, działania, mniejsza porowatość [dla litego drewna] stosuje się struganie b. etapy utwardzania kleju i. klej w postaci ciekłej ii. zestalenie kleju (polimeryzacja, utrata rozpuszczalnika, ochłodzenie kleju topliwego) czynniki które wpływają na proces - wilgotność, szybkość utwardzania, szybkość wymiany ciepła klej powinien przestać być płynny i zmienić się w ciało stałe czas żelowania - (1) maksymalny czas, po którym układ (masa klejowa) traci wszystkie cechy cieczy; (2) czas potrzebny do przejścia masy klejowej w żel w określonych warunkach badania zależy od: temp., ilości utwardzacza, reaktywności kleju energia aktywacji - minimalny zasób energii układu potrzebny do przebiegu reakcji chemicznej (zmienia się w zależności od składu masy klejowej) zmiana temp. z 80C na 100C zmniejsza czas żelowania wpływ temp. jest tym większy im większa jest energia aktywacji kleje reaktywne - wzrost łańcucha, budowana sieć trójwymiarowa; sieć budowana pod wpływem wilgoci, utwardzaczy itp. odparowanie rozpuszczalnika - w klejach niereaktywnych woda znika i łańcuchy polimeru tworzą zwartą błonę klejową; wilgoć wpływa na wytrzymałość;Ss im więcej wody tym trudniej będzie znikać czas otwarty - podany w karcie kleju trzeba w odp. momencie skleić produkty; jeśli poczekamy zbyt długo i woda odparuje za dużo lub wniknie w materiał to po połączeniu części ze sobą zostaną szczeliny dobrze zrobiona spoina - większa wytrzymałość ciśnienie prasowania Bardzo ważnym parametrem w procesach klejenia jest ciśnienie. Zbyt niskie ciśnienie powoduje tworzenie grubej spoiny o obniżonych właściwościach mechanicznych lub spoiny wadliwe np. (nieciągłość błony klejowej). Uzyskanie odpowiednio cienkiej spoiny i właściwego rozpływu kleju na podłożu wymaga odpowiedniego ciśnienia prasowania. Dla drewna litego typowy przedział ciśnienia to 0,5-1,0 MPa. Niższe wartości przyjmują się dla drewna iglastego, a wyższe dla liściastego. spoina powinna mieć do 0,1 mm zestalanie kleju topliwego (mat. termolastyczny) polimery plastyczne - Zachowują budowę chemiczną, zmienia się natomiast znacznie ruchliwość łańcuchów ze zmianą temperatury wyznacza się krzywe termomechaniczne A - stan szklisty; B - stan lepkosprężysty, C - stan plastyczny; Tg i temp zeszklenia; Tp - temp. płynięcia i. środowisko - woda drogi wnikania w spoiny wody - Dyfuzja przez warstwę kleju na krawędziach; - Przenoszenie wzdłuż granicy klej/podłoże; - Wciskanie kapilarne przez spękania w warstwie kleju i/lub podłożu - Dyfuzja przez przenikalne podłoże np. drewno woda wnika przez krawędzie; zniszczenie pow., blisko krawędzi, rozwarstwienie woda niebezpieczna fizyko-chem. nawet dla kleju wodoodpornego działanie długotrwałe jest niebezpieczne skutki: - Uplastycznienie spoiny, - Pęcznienie podłoża (Naprężenia wewnętrzne) - Osłabienie spoiny procesy odwracalne do pewnego stopnia j. naprężenia Klej o module sprężystości mniejszym od modułu sprężystości podłoża zapewnia większą wytrzymałość połączenia w idealnym sztywnym ukł. deformacje są takie same wszędzie wew. zakładki i na zew. w rzeczywistości inne reakcje naprężeń klej musi być bardziej elastyczny niż podłoże (ale nie za bardzo) Układy rzeczywiste to kombinacje materiałów o różnych modułach sprężystości. W efekcie naprężenia w spoinie osiągają: Minimum: sztywne podłoże – elastyczny klej. Maksimum: elastyczne podłoże – sztywny klej. trzeba dobrze dobrać klej! k. Zależność między modułem sprężystości podłoża i kleju a wytrzymałością spoiny im większy moduł sprężystości tym większa wytrzymałość im bliższe są sobie te moduły tym bliżej doskonałej wytrzymałości drewno - moduł sprężystości - 14 000 MPa trudno znależć dobry klej do łączenia metalu i drewna; bo drewno od wilg. zmienia wymiary zaś metal reaguje na temp. l. środowisko - temperatura Naturalny zakres pracy spoiny -20 -60C (rozszerzalność cieplna mięknienie) Warunki pożarowe powyżej 280C (degradacja). m. podsumowanie - na trwałość i wytrzymałość spoin klejowych istotny wpływ mają: i. Rodzaj kleju/skład masy klejowej ii. Właściwości mechaniczne i fizykochemiczne drewna iii. Sposób przygotowania powierzchni do klejenia iv. Sposób i warunki aplikacji kleju v. Geometria złącza vi. Warunki użytkowania produktu 6. WYKŁAD 6 a. klasyfikacja klejów i. pochodzenie 1. Zwierzęce (glutynowy, kazeinowy, albuminowy) 2. Roślinne (białkowy, skrobiowy, celulozowy, kauczukowy, garbnikowy) 3. Mineralne 4. Syntetyczne (polikondensacyjne, poliaddycyjne etc.) ii. natura fizykochemiczna 1. Odwracalne – termoplastyczne i wtórnie rozpuszczalne (naturalne, niektóre syntetyczne) 2. Nieodwracalne – chemo- i termoutwardzalne, nierozpuszczalne (reaktywne syntetycznie i mineralne). iii. postać handlowa 1. Ciekłe 2. Proszkowe 3. Filmy i błony klejowe 4. Granulaty iv. odporność na wodę i wilgoć 1. W pełni wodoodporne (odporne na warunki atmosferyczne, zimną i wrzącą wodę oraz parę wodną) 2. Wodoodporne (odporne na zimną wodę) 3. Suchotrwałe v. sposób przetwarzania 1. Do klejenia na zimno (poniżej 30oC) 2. Do klejenia na ciepło (30 do 80oC) 3. Do klejenia na gorąco (powyżej 80oC) vi. mechanizm zestalania 1. Utrata rozpuszczalnika 2. Reakcja chemiczna (inicjowana katalizatorem, utwardzaczem, ciepłem lub ich kombinacją) 3. Zmiana postaci fizycznej w zależności od temperatury, ciśnienia etc b. emisja formaldehydu - źródła i. wolny formaldehyd w żywicy po syntezie ii. mostki dimetyloeterowe przekształcają się w mostki metylowe z wydzieleniem formaldehydu iii. grupy Ch2OH które są na końcach łańcuchów żywicy ciekłej ile emitowane - zależy od stosunku F/U, stopnia utwardzenia, temp. otoczenia, wilgotności otoczenia (gdy wilg. 10-15% emisja 50%) im wyższe ph tym więcej się wydziela formaldehydu metody - ile emisji: - metoda komorowa w ppm - metoda analizy gazowej mg/m2h - metoda perforatora mg/100g drewna klasy emisji - E1; E0,5; E0; Super E0 c. przeciwdziałanie emisji formaldehydu i. Dodatek pochłaniaczy i buforów ii. Sezonowanie iii. Działanie gazowym amoniakiem iv. Pokrywanie powierzchni środkami chemicznymi lub materiałami v. barierowymi vi. Obniżanie stosunku molowego F/U (obecnie <1) d. drewno klejone warstwowo - glulam i. Powstaje z łączenia cienkich, giętkich desek dzięki czemu w trakcie produkcji może być łatwo kształtowane w łuki; ii. Może funkcjonować na obiektach sportowych i basenach bez dodatkowej impregnacji czy lakierów (w Polsce zabezpiecza się przeciwko korozji biologicznej); iii. Drewno klejone o pełnym, litym przekroju nie pali się dobrze samoczynnie gaśnie. 7. WYKŁAD 7 a. kleje syntetyczne i. aminowe ii. fenolowe iii. izocyjanianowe iv. PVAc b. typowe izocyjaniany i. PMDI ii. TDI iii. MDI iv. IPDI v. TMI c. wilgotność drewna a czas żelowania 1k PUR poliuretany wymagają wilgoci aby się utwardzić kluczowa wilgoć podłoża i powietrza - determinuje szybkość dyfuzji wilgoci do spoiny - szybkość zestalania dla mat. o wilg. >12% zmiana jest znaczna