Склеивание — это метод соединения, используемый при производстве и ремонте широкого спектра изделий. Наряду со сваркой и пайкой , склеивание является одним из основных процессов соединения. В этом методе компоненты соединяются вместе с помощью клея . Широкий спектр доступных типов клея позволяет соединять многочисленные материалы в таких разнообразных изделиях, как транспортные средства, мобильные телефоны, средства личной гигиены, здания, компьютеры и медицинские приборы.
Клей можно определить как вещество, которое заставляет две поверхности склеиваться. Согласно этому определению, самый ранний «клей» можно считать разработанным три миллиарда лет назад, когда первобытные клетки вырабатывали липкую внешнюю мембрану, позволяющую им прилипать к соседним клеткам. Первое использование клея людьми можно датировать примерно 220 000 г. до н. э., когда смола из коры березы использовалась для приклеивания каменных наконечников стрел к древку. [1]
Согласно определению EN 923, архивировано 09.05.2019 на Wayback Machine : «Клеи. Термины и определения», клеи — это неметаллические вещества, способные соединять материалы путем поверхностного склеивания ( адгезии ), при этом связь обладает достаточной внутренней прочностью ( когезией )». Клей образует связующий элемент между двумя соединяемыми деталями, которые без него не склеились бы. Клеи можно сгруппировать по химическому составу, по применению или по механизму реакции.
Согласно ИЮПАК , адгезия — это «процесс прикрепления одного вещества к поверхности другого вещества». Взаимодействия между клеем и субстратом имеют очень короткий диапазон, менее одного нанометра . Поэтому для получения высококачественной связи требуется хорошее смачивание материалов, которые должны быть соединены клеем в жидком состоянии. Помимо смачивающей способности, клей и субстрат должны иметь совместимые молекулярные группы, чтобы могло происходить взаимодействие между клеем и субстратом и, таким образом, достигать адгезии.
Силы адгезии обычно основаны на физических взаимодействиях, например, между полярными или поляризуемыми группами, на водородных связях или силах Ван-дер-Ваальса . При склеивании пластмасс, в частности, с помощью клеев на основе растворителей, могут также играть роль процессы диффузии . В этом случае пластмасса на поверхности подложки растворяется растворителем, содержащимся в клее. Это приводит к повышению подвижности полимерных цепей пластмассы, что, в свою очередь, обеспечивает проникновение цепей клея. В конечном итоге между полимерными цепями клея и подложкой возникают дополнительные взаимодействия. После испарения растворителя образуется твердое соединение. Химические связи также важны в определенных сочетаниях клея/подложки, например, при склеивании стекла с помощью силиконовых клеев, дерева с помощью полиуретановых клеев и алюминия с помощью эпоксидных клеев. Химическое связывание приводит к значительно более высокой адгезии, чем физическое связывание. Кроме того, проникновение жидкого клея в подрезы может обеспечить дополнительную адгезию после его затвердевания.
Достижение адгезии между клеем и подложкой требует не только клея подходящего состава для подложки, но и предъявляет высокие требования к поверхности подложки. Из-за короткого диапазона сил адгезии решающее значение имеет характер поверхностного слоя подложки. Он должен быть достаточно прочно соединен с телом подложки. Например, многие клеи хорошо прилипают к корродированной стальной поверхности. Однако слой коррозии – ржавчина – не прочно соединен с подложкой. Под нагрузкой может произойти разрушение в корродированном материале или между слоем ржавчины и некорродированной сталью. То же самое относится к покрытым предметам. Клей должен создавать адгезию к покрытию. Покрытие, в свою очередь, должно быть достаточно прочно соединено с подложкой.
Аналогично, загрязняющие вещества, особенно те, которые из-за своего низкого поверхностного натяжения противодействуют смачиванию клеем (например, масла, разделительные составы и т. д.), препятствуют адгезионному взаимодействию. Загрязняющие вещества образуют как бы барьер между клеем и субстратом, который не может быть преодолен адгезионными силами из-за их короткого радиуса действия.
Поэтому обычно необходимо удалить загрязняющие вещества перед адгезией. Некоторые специальные клеи показывают определенную степень совместимости с определенными маслами. Они способны поглощать определенные масла во время отверждения клея, которое происходит при повышенных температурах, и таким образом удалять их из пограничного слоя между клеем и подложкой. Такие клеи используются, например, в автомастерских. Они позволяют склеивать листовые металлические детали с антикоррозионной защитой и волочильными маслами без предварительной очистки; отверждение клея происходит в печах, используемых впоследствии для отверждения лака, при температурах приблизительно от 150 до 200 °C. [2]
Предварительная обработка может использоваться для целенаправленной модификации поверхностей и, таким образом, для придания им большей адгезии. [3] Помимо покрытия субстратов усилителем адгезии ( праймером ) для обеспечения хорошей адгезии, поверхности также могут быть модифицированы различными способами для подготовки их к склеиванию. Наиболее распространенные методы предварительной обработки поверхности перечислены на соседнем рисунке.
Выбор процесса предварительной обработки зависит от конкретного применения и учитывает:
Выбор должен быть подтвержден соответствующими испытаниями.
По мере затвердевания клея его внутренняя прочность, когезия , увеличивается. Когезия также основана на физических взаимодействиях, в данном случае между полимерами клея. В случае клеев, которые отверждаются посредством химической реакции, т. е. образования полимеров посредством химической реакции компонентов клея, образующиеся химические связи играют важную роль.
Когезионные и адгезионные свойства клея в сочетании с подложкой определяют свойства связи. В то время как адгезионные свойства в значительной степени определяют, будет ли клей прилипать к конкретной подложке, когезионные свойства вносят большой вклад в механические свойства связи, в частности, в поведение деформации под нагрузкой.
Клеевые соединения не только подвержены определенным характеристикам старения, но их свойства зависят от конкретных условий окружающей среды, в частности температуры. Кроме того, как адгезионные взаимодействия между клеем и субстратом, так и межмолекулярные взаимодействия, вызывающие когезию , могут подвергаться неблагоприятному воздействию внешних воздействий (включая температуру, влажность, химикаты, радиацию, механическое напряжение). Степень ухудшения зависит от характера условий и их продолжительности; этот процесс называется старением. Поэтому при планировании операции склеивания, в дополнение к фактическим условиям окружающей среды, необходимо также учитывать их возможное долгосрочное воздействие на клей и субстрат.
Ввиду большого количества параметров, которые могут влиять на склеивание, и отчасти противоречивых требований к различным клеевым соединениям, очевидно, что так называемого «универсального клея» не может существовать.
Выбор подходящего клея для конкретного применения должен основываться на определенном профиле требований. В этом профиле требований перечислены все непосредственные, проверяемые требования к компоненту, который должен быть склеен, и, как следствие, к склеиванию и клею. Можно различать требования, которые должны быть выполнены, и те, выполнение которых выгодно, но не абсолютно необходимо. Кроме того, необходимо учитывать спецификации, полученные в процессе склеивания, включая спецификации, полученные на предыдущих и последующих этапах процесса. На диаграмме выше представлено резюме наиболее важных параметров, которые следует учитывать при выборе клеев.
Как и любая технология соединения, технология склеивания не только предлагает широкий спектр возможностей и множество преимуществ, но и имеет ограничения, которые необходимо учитывать при планировании и разработке процессов склеивания.
Основные преимущества:
Существует множество типов клея, и они часто разрабатываются с учетом конкретного использования. В результате то, что может восприниматься как недостаток определенного типа клея в некоторых приложениях, может быть его преимуществом в других. Поэтому важно использовать клей, подходящий для конкретного приложения. Характеристики клея, которые могут быть недостатками в определенных ситуациях, включают:
Склеивание может иметь преимущества по сравнению с другими методами соединения для конкретных применений, как показано в соседней таблице на примере соединения металлов в конструкции кузова автомобиля.
Недостаток отсутствия мгновенного склеивания, присущий многим клеям, можно преодолеть, используя подходящий быстроотверждающийся клей или комбинацию стандартного клея со вторым быстроотверждающимся клеем (например, двухсторонней клейкой лентой) или с другим методом соединения, таким как точечная сварка , заклепки , винты или соединение клинчем/прессованием . В случае этих процессов, которые называются гибридным соединением, из-за распределенного соединения подложек между другими точками соединения происходит значительное снижение пиков напряжения именно в этих точках соединения и достигается мгновенная прочность.
Современные клеи стали незаменимыми в современном мире. Их можно найти в повседневных и специализированных продуктах. Вот несколько примеров из разных областей:
Производство современных автомобилей было бы невозможно без клеев. Вот два примера:
Современные ветровые стекла изготавливаются из ламинированного безопасного стекла, которое состоит из двух или более стекол, склеенных с прочной на разрыв, вязкой, прозрачной термоплавкой клеевой пленкой. Эта пленка, среди прочего, обеспечивает, что ветровое стекло остается целым как единое целое после разрушения, тем самым сводя к минимуму риск травмирования осколками стекла. Кроме того, если раньше ветровые стекла крепились к кузову с помощью резинового уплотнителя, то сегодня они прочно приклеиваются и образуют неотъемлемую часть кузова. Это возможно только при использовании клея с правильными механическими свойствами для применения; с одной стороны, клей обеспечивает достаточную прочность для крепления ветрового стекла к кузову, а с другой стороны, он достаточно эластичен, чтобы компенсировать относительные движения между кузовом и ветровым стеклом во время движения, тем самым предотвращая поломку. Поскольку вклеенное ветровое стекло способствует жесткости транспортного средства, в определенных местах можно использовать более тонкие металлические листы, тем самым снижая вес транспортного средства и, в конечном итоге, его энергопотребление.
Появление все большего количества электроники в автомобилях, от систем управления двигателем, компонентов безопасности, таких как ABS и ESP , и систем помощи водителю, до функций повышения комфорта, было бы невозможно без современных клеев. Из-за небольших размеров устройств управления, датчиков, камер и т. д. возможности традиционных технологий соединения вскоре оказываются превышенными. Поэтому используемые сегодня компоненты в основном склеиваются с помощью клеев.
Для обеспечения надлежащего функционирования блоков управления и связанных с ними датчиков электроника должна быть надежно защищена от внешних воздействий, таких как влага, соль, топливо и другие автомобильные жидкости. Поэтому многие датчики инкапсулируются или защищаются надежно закрепленным корпусом. В обоих случаях используются клеи. В случае литья компонентов необходимо добиться заливки без пузырьков, а затвердевший заливочный материал должен обладать определенной механической устойчивостью, чтобы выдерживать абразивное воздействие песка и гравия во время движения. С другой стороны, он должен обладать достаточной эластичностью, чтобы избегать удароподобных тепловых циклов из-за различного поведения теплового расширения электронных компонентов, что может привести к утечкам или разрыву паяных соединений и, таким образом, к выходу из строя.
В связи с постоянно растущим количеством электронных компонентов увеличивается и риск возникновения помех из-за недостаточной электромагнитной совместимости (ЭМС). Для обеспечения достаточной ЭМС используются металлические корпуса, в которых крышка приклеивается с помощью специальных наполнителей, содержащих клеи. Это обеспечивает не только требуемую герметичность, но и требуемую ЭМС.
Склеивание имеет преимущество относительно низкой температуры склеивания, а также отсутствие электрического напряжения и тока. Основываясь на том факте, что пластины не находятся в прямом контакте, эта процедура позволяет использовать различные подложки, например, кремний, стекло, металлы и другие полупроводниковые материалы. Недостатком является то, что небольшие структуры становятся шире во время формирования рисунка, что затрудняет производство точного промежуточного слоя с жестким контролем размеров. [6] Кроме того, возможность коррозии из-за выделяющихся продуктов, термической нестабильности и проникновения влаги ограничивает надежность процесса склеивания. [7] Другим недостатком является отсутствие возможности герметичной инкапсуляции из-за более высокой проницаемости молекул газа и воды при использовании органических клеев. [8]
В медицине и медицинских технологиях клеи играют все более важную роль. Например, простой пластырь должен хорошо прилипать к различным типам кожи, но при этом его должно быть как можно менее болезненно снимать. Кроме того, трансдермальные пластыри доставляют лекарства в течение более длительного периода времени через кожу в кровоток, другие используются для долгосрочного крепления датчиков, используемых, например, для непрерывного измерения уровня сахара в крови. Эти пластыри должны надежно прилипать до 14 дней, иногда в экстремальных условиях, например, при принятии душа, плавании, занятиях спортом или в сауне. Само собой разумеется, что эти клеи должны быть безопасными для кожи. Используемые клеи представляют собой специальные чувствительные к давлению клеи на основе акрилатов или синтетического каучука.
В хирургии клеи используются для лечения некоторых хирургических ран. Эти клеи обычно основаны на фибрине , натуральном клеевом веществе, которое заставляет кровь сворачиваться при кровотечении. Поскольку фибрин естественным образом встречается в организме, его преимущество в том, что клей не отторгается организмом. Кроме того, со временем он распадается естественным образом сам по себе, что исключает необходимость в сложной последующей обработке, такой как снятие швов. Это свойство особенно важно при операциях на сердце или желудочно-кишечном тракте.
Инновационные клеи также используются в стоматологии. Они используются не только для пломбирования кариеса и изготовления зубных протезов, но и бесценны в ортодонтии. Скобы, через которые продеваются проволоки зубных брекетов, крепятся к зубам с помощью специальных клеев. С одной стороны, брекеты должны надежно удерживаться во влажной теплой среде рта, но впоследствии их можно будет снять без остатка.
Клеи теперь также незаменимы в технологии медицинских приборов. Например, иглы обычно приклеиваются к шприцам, а канюля из нержавеющей стали должна быть надежно прикреплена к их пластиковому адаптеру. Из-за больших объемов производства требуются короткие циклы. Часто используются светоотверждаемые клеи , которые достигают достаточной прочности через несколько секунд облучения светом определенной длины волны и способны выдерживать последующий процесс стерилизации , во время которого они могут подвергаться воздействию перегретого пара, этиленоксида или гамма-излучения.
Производство эндоскопов, где требуется крепление линз все меньшего и меньшего размера без натяжения, является еще одним хорошим примером эксплуатационных возможностей современных клеев. Здесь, помимо прочности соединения, важно сбалансировать различные тепловые расширения субстратов. В этом случае также важно предотвратить передачу напряжений, которые могут повлиять на качество изображения, от держателя линзы к линзе.
Клеи также широко используются в производстве бытовой техники, выполняя ряд различных требований к склеиванию. Например, термостойкие силиконовые клеи используются в производстве керамических варочных панелей или для герметизации окон в дверцах духовок. Соединения должны выдерживать температуру до 250 °C и, конечно, никогда не должны выделять никаких загрязняющих веществ. С другой стороны, мембранные клавиатуры панелей управления, а также таблички для обычных панелей управления крепятся к таким устройствам, как духовки, холодильники, стиральные машины и сушилки, с помощью двухсторонних клейких лент .
Клеи также часто используются при производстве небольших электроприборов. Например, в кофемашинах пластиковые ручки часто приклеиваются к стеклянным кувшинам. По сравнению с креплением с помощью металлического зажимного кольца, склеивание дает преимущества в процессе производства, так как позволяет избежать поломки кувшинов. Еще одним преимуществом в использовании является то, что при металлическом зажимном кольце частицы грязи и влага могут скапливаться между корпусом кувшина и кольцом, что приводит к коррозии зажимного кольца, делая его неприглядным. При фиксации ручки клеем это явление устраняется. Используются клеи на основе полиуретана или силикона, либо в виде двухкомпонентной, либо влагоотверждаемой системы. Используемый клей должен, среди прочего, обладать достаточной прочностью, быть безопасным для мытья в посудомоечной машине и иметь достаточную эластичность, чтобы компенсировать различное поведение теплового расширения стекла и пластикового материала ручки, чтобы предотвратить поломку стекла, и он должен сохранять эти характеристики в течение всего срока службы кофемашины, даже при температурах до 100 °C.
Кроме того, производство многофункциональных устройств, таких как те, которые облегчают приготовление пищи, перемешивание, замешивание, смешивание и измельчение, было бы невозможно в их нынешнем виде без современных клеев. Сердцем таких устройств часто является чрезвычайно мощный бесщеточный электродвигатель. С одной стороны, ему нужны высокие скоростные характеристики, чтобы измельчать, например, орехи, а с другой стороны, ему нужны высокие крутящие характеристики на низких скоростях, чтобы замешивать тесто. Поскольку некоторые из этих устройств подходят для использования в кулинарии, требуется соответствующая термостойкость. Светоотверждаемые клеи гарантируют, что ротор и статор, два основных компонента двигателя, образуют прочный блок. Отверждение клея происходит в течение очень короткого времени, поэтому большие партии устройств могут быть произведены экономически эффективно. Во время отверждения фотоинициаторы, содержащиеся в клее, образуют высокореактивные молекулы под воздействием света, что облегчает процесс химического отверждения клеевой смолы.
Большая часть упаковки для замороженных и пригодных для микроволновой печи продуктов питания состоит из биоразлагаемых пленочных композитов. Конечно, клеи, используемые для изготовления этих пленочных композитов, также должны быть биоразлагаемыми. Это достигается за счет использования молекул природных полимеров, таких как целлюлоза и крахмал, которые могут быть разложены на воду, углекислый газ и биомассу микроорганизмами с помощью ферментов. [9]
Penny Black была первой в мире самоклеящейся почтовой маркой, использовавшейся в государственной почтовой системе. Впервые она была выпущена в Великобритании 1 мая 1840 года, но была действительна для использования только 6 мая. Появление самоклеящихся почтовых марок тесно связано с развитием технологии клея. В то время клеи для марок состояли из натурального сырья, такого как патока, картофельный крахмал и иногда рыбий клей, но они были неэффективны. Поэтому марки либо склеивались, либо преждевременно отваливались и издавали неприятный запах. Кроме того, марки приходилось смачивать перед фиксацией, что часто делалось путем облизывания. Из-за неприятного вкуса это было довольно непопулярно. С развитием синтетических клеев в середине 20-го века было принято использование клеев без запаха и неприятного вкуса, изготовленных из поливинилацетата или поливинилового спирта. Это также устранило проблему склеивания и преждевременного отпадения марок. Сегодня предлагается все больше и больше марок, не требующих увлажнения. Эти самоклеящиеся штампы используют чувствительный к давлению клей, и перед тем, как приклеить их к письму, их нужно только снять с антипригарной бумажной подложки.
В связи с растущим использованием технологий склеивания в промышленности и профессиональных ремеслах и, как следствие, повышением требований к качеству и долговечности склеенных изделий были разработаны комплексные национальные и международные стандарты, в том числе для характеристики, классификации и испытаний клеев и клеевых соединений.
Склеивание составляет лишь часть профессиональной подготовки в нескольких профессиях, и в этом случае обычно преподаются только процессы склеивания, имеющие отношение к соответствующей профессии. В результате возникла необходимость в профессиональной подготовке персонала, занимающегося разработкой, производством и ремонтом клееных изделий. Эта потребность была удовлетворена путем введения трехуровневой концепции обучения. Обучение доступно в качестве специалиста по склеиванию, специалиста по склеиванию или инженера по склеиванию, как изложено в руководящих принципах EWF (Европейской федерации сварки, соединения и резки).
Кроме того, торговые ассоциации, такие как FEICA (Европейская ассоциация производителей клеев и герметиков), работают с заинтересованными сторонами цепочки поставок над разработкой и гармонизацией стандартов и методов испытаний, а также над поощрением передовой практики в области охраны труда, техники безопасности и охраны окружающей среды.