Склеивание деталей из акрилового стекла
Склеивание – наиболее популярный способ соединения деталей из ПММА. Благодаря физическим и химическим свойствам акрилового стекла возникающие при склеивании деталей из этого пластика между собой или с деталями из других материалов соединения чаще всего имеют очень высокую прочность. Одновременно с этим качеством соединения отличаются высокой оптической прозрачностью. Существует возможность путем бесшовного склеивания (с невидимым швом) изготавливать детали, аналогичные произведенным одной отливкой. Качество склеивания во многом определяется опытом работающего, поэтому при использовании новых способов склеивания рекомендуется провести ряд предварительных проб.
Клеевые системы
Для склеивания акрилового стекла с различными материалами разработаны специальные клеи. По механизмам реакции они разделяются на две группы:
1. химически схватывающие (реакционные) – полимеризационные клеи и клеи ступенчатой полимеризации;
2. физически схватывающие – клеи на основе растворителей и склеивающие лаки.
Химически схватывающие клеи коренным образом отличаются от физически схватывающих. Отвердевание клея происходит за счет химической реакции между различными компонентами клея. Реакция отверждения начинается с момента смешивания компонентов, подведения тепла или при контакте с активаторами, отвердителями, влагой воздуха (водой). В клеях такого типа нет растворителя. Прочность соединения основывается на силах адгезии между клеем и акриловым стеклом. Так как реакционный клей заполняет соединение, он хорошо подходит для склеивания поверхностей.
Основу полимеризационных клеев составляет метилметакрилат и полиметилметакрилат. Выпускаются такие составы в одно- и двухкомпонентном исполнении. Клеевые соединения занимают большой объем и, несмотря на усадку в течение реакции отверждения (полимеризации), всегда остается заполненный клеем шов. Полимеризационные клеи обеспечивают высокую прочность, прозрачность и устойчивость к погодным условиям.
Клеи ступенчатой полимеризации содержат в составе мономер полиуретана. Такие двухкомпонентные клеи специальной формулы не содержат растворителей и отличаются высокой прозрачностью, простотой смешивания и экологической чистотой. Они пригодны для склеивания акрилового стекла с другими материалами. Как и полимеризационные клеи, клеи ступенчатой полимеризации обеспечивают прочность соединения и его погодостойкость.
Физически схватывающий клей с химической точки зрения уже готов к применению, он не нуждается в смешивании. Отвердевание клея происходит фактически за счет испарения растворителя. Прочность клеевого соединения определяется в основном адгезией1) между клеем и акриловым стеклом, а также когезионными2) силами внутри самого клея. Физически схватывающий клей, клей на основе растворителей или склеивающий лак имеет смысл использовать только при тонкой, плоской и короткой зоне склеивания. Склеиваемая поверхность должна гарантировать достаточное испарение растворителя.
1) адгезия – соединение в пограничном слое вследствие химических и физических процессов у поверхностей.
2) когезия – соединение в клеевом слое вследствие молекулярных и межмолекулярных связей.
Клеи на основе растворителей в основном состоят из растворителей, которые воздействуют на склеиваемые поверхности. После операции склеивания происходит испарение растворителей и осуществляется процесс диффузии. Таким образом происходит отверждение клеевого соединения. Прочность клеевого соединения не настолько высока, как в случае применения химически схватывающих клеев.
Склеивающие лаки можно охарактеризовать как сгущенный клей на основе растворителей с добавлением полимеров. Испарение растворителей в таких клеях происходит медленнее, чем при использовании клеев на основе только растворителей, что дает возможность увеличить продолжительность обработки. Склеивающий лак следует применять только в тех случаях, когда не требуется высокая устойчивость к действию химических реагентов и погодостойкость.
Реакция материалов на склеивание
Литое и экструзионное стекло демонстрируют различное поведение при склеивании, поэтому при выборе клея необходимо учитывать свойства имеющегося материала.
Для склеивания литого высокомолекулярного акрилового стекла преимущественно используется полимеризационный клей. Таким образом можно получить высокопрочные (до 75 %) собственной прочности акрилового стекла) и оптически безупречные соединения, способные стабильно себя вести на открытом воздухе. Растворители в чистом виде очень плохо растворяют поверхности литого стекла по причине его высокомолекулярности, поэтому применимы условно. Склеивающий лак с замедленным испарением растворителя подходит больше чистого растворителя. Склеивающий лак дольше остается в клеевом соединении и, таким образом, удлиняется время растворения пластика. Соединяемые детали из литого акрилового стекла имеют незначительную склонность к трещинообразованию, обусловленному внутренними напряжениями, по причине почти полного отсутствия собственных напряжений (что обеспечивается особенностями производства). В связи с этим отжиг соединяемых деталей (за исключением труб) перед склеиванием обычно не требуется.
Для склеивания экструзионного низкомолекулярного акрилового стекла можно применять полимеризационные клеи и клеи на основе растворителей. При использовании полимеризационных клеев деталь предварительно должна быть освобождена от внутренних производственных напряжений, чтобы исключить образование трещин. В некоторых случаях перед склеиванием требуется отжиг при температуре 60 – 80 °С для сокращения собственных напряжений детали, возникших в результате пиления, фрезерования, полировки или глубокой вытяжки. Существуют специальные растворители и склеивающие лаки, использование которых из-за особенностей рецептуры не требует отжига перед склеиванием. Эти клеи также можно применять для создания соединений, подвергающихся в процессе эксплуатации негативным атмосферным воздействиям.
Помимо определяемых молекулярным весом свойств акрилового стекла, существенных для склеивания, необходимо обращать внимание на следующее:
• добавки, внесенные в материал для повышения огнестойкости, могут удлинять процесс отверждения полимеризационных клеев при одновременном сокращении конечной прочности соединения;
• для окрашенного акрилового стекла существует опасность, что красители под воздействием клеев обесцветятся;
• соединение деталей из материала, содержащего пигмент в высокой концентрации (например, имеющего в своем составе плотный белый пигмент), может быть затруднено. Часто наблюдается существенное ухудшение прочностных характеристик в зоне соединения;
• ударно-вязкие детали в области склеивания могут становиться хрупкими;
• вытянутые или горячеформованные детали в направлении, перпендикулярном плоскости вытяжки, имеют незначительную прочность клеевого соединения.
Для всех типов акрилового стекла рекомендуется защищать поверхность перед склеиванием в целях увеличения прочности склеиваемой зоны. Эта предварительная операция особо важна для механически нагруженных деталей (производство емкостей и функциональных элементов оборудования).
Операции склеивания
Процесс склеивания состоит обычно из следующих рабочих операций:
1. Предварительная обработка поверхностей соединяемых деталей.
Поверхности рекомендуется зачистить влажной шлифовальной бумагой (грануляция 320 – 400). После этого, с учетом информации производителя клея, очистить и обезжирить соединяемые поверхности, уделяя особое внимание совместимости используемых веществ. В большинстве случаев перед склеиванием необходимо осуществить отжиг деталей, чтобы свести к минимуму внутренние напряжения, вызванные предыдущими обработками, и, таким образом, избежать образования трещин. Для клеев ступенчатой полимеризации отжиг деталей как правило не требуется. Для защиты от повреждений растворителями или от контактных механических повреждений в процессе обработки поверхности следует оклеить соответствующими защитными пленками.
2. Приготовление клея (в случае двух- или многокомпонентных реакционных клеев).
3. Нанесение клея.
Следует уделять внимание равномерному нанесению клея на поверхность и сохранению постоянной толщины слоя. Способ нанесения зависит от вязкости клея.
4. Выждать (если есть такая необходимость) пока клей будет готов к работе.
5. Соединить и зафиксировать детали.
При склеивании деталь не должна перекашиваться; между соединяемой деталью и клеевым слоем не должно быть воздуха. Нанесенный клей при соединении деталей не должен быть стерт или смазан. Корректировки после соединения возможны только до некоторой степени. Фиксировать соединенные детали рекомендуется посредством соответствующих приспособлений, исключающих при отвердевании клея смещение деталей относительно друг друга и позволяющих точно устанавливать желаемую ширину перекрытия. При необходимости дополнительно может быть встроено устройство для регулировки давления прижима и температуры. Необходимо учитывать, что клей на основе растворителей требует большего давления при соединении, т. к. усадка при схватывании проявляется в большей степени, чем у реакционных клеев.
6. Отверждение (и охлаждение).
7. Удаление фиксирующих элементов.
8. Дополнительная обработка.
Отжиг после склеивания необходим для лучшего отверждения клеевого соединения и для повышения его прочности. Эта дополнительная операция надолго обеспечит привлекательный, без трещин внешний вид изделия. Для клеев ступенчатой полимеризации завершающий отжиг не требуется.
Конструктивные меры
При повышенных нагрузках клеевые соединения могут разрушаться. Однако при принятии соответствующих мер, а также при достаточно большой поверхности склеивания они могут выдерживать очень большие нагрузки. Возможные формы нагрузок показаны на рисунке 1. Появления нагрузок на расслаивание и на разрыв следует по возможности избегать. Этого можно добиться с помощью простых конструктивных мер, которыми являются соединения на скос и элементы жесткости в области передачи сил между отдельными соединяемыми деталями.
| Рис. 1 Формы нагрузок | |
| Нагрузка на расслаивание | Нагрузка на разрыв |
 |  |
| Нагрузка давлением | Нагрузка на срез |
 |  |
| Нагрузка давлением на срез |
 |
Техника склеивания
Применяемая техника склеивания зависит от различных механизмов реакции существующих типов клеев.
Клей на основе растворителей
Склеиваемые края соединяемых деталей должны быть по возможности непротяженными, тонкими и плоскими. В качестве предварительной операции их необходимо гладко отполировать или отфрезеровать. Посредством окончательного шлифования, обработки циклей или многократного протирания клеем можно дополнительно улучшить поверхность. В результате этих действий в будущем уменьшается вероятность появления пузырьков. После смачивания поверхности склеивания, фиксации соединяемых деталей и прохождения времени растворения (ок. 30 сек.) необходимо приложить давление к поверхности склеивания не менее 100 г/см².
Для нанесения клея существуют два метода.
1. Метод погружения.
Этот метод распространен в наибольшей степени. Одна из соединяемых деталей погружается поверхностью склеивания в клей. Время погружения следует выбрать таким, чтобы достичь размягчения материала. Во избежание нежелательного размягчения других краев их следует заранее оклеить. При этом необходимо использовать стойкую к растворителям клейкую ленту из сложного полиэфира или целлюлозы. В качестве сосуда для погружения подходит плоская стеклянная ванночка или плоские листы стекла (кварцевого), заранее смоченные клеем.
2. Капиллярный метод.
Перед смачиванием детали соединяются в желаемом положении. Далее клей наносится тонкой канюлей, трубочкой или иглой вдоль всех краев поверхности склеивания. Вследствие капиллярного эффекта клей самостоятельно просачивается в клеевое соединение. Этот метод предоставляет большие возможности соединения крупных деталей по сравнению с методом погружения. Чтобы облегчить попадание клея в соединение, можно использовать проволоку диаметром 0,3 мм.
Клеящий лак
Клеящий лак наносится из тюбика, шприцем или канюлей, можно также использовать метод погружения. Капиллярный метод в этом случае неприменим.
Количество наносимого клея должно быть таким, чтобы после соединения деталей по обе стороны клеевого соединения немного клея вышло наружу. Последующее соединение и приложение нагрузки осуществляются как в уже описанном методе погружения.
Клеи на основе растворителей и склеивающий лак малопригодны для склеивания больших поверхностей.
Полимеризационный клей
В отличие от клея на основе растворителей и склеивающего лака, при склеивании данный тип клея накладывается таким образом, чтобы поверх клеевого соединения образовался клеевой валик. Это требование обусловлено усадкой в момент отверждения. Склеивание осуществляется таким образом, чтобы возможная коррозия и внешняя среда имели с клеем наименьшую контактную зону. Ширина клеевого шва выбирается между 0,2 и 0,5 мм.
Фиксация зависит от метода склеивания.
• Склеивание встык – фиксация на плоской пластине.
• Склеивание под углом – фиксация с помощью специального приспособления. Перемещения угла в течение отверждения следует непременно избегать. Если речь идет об угловых или V-образных швах, соединяемые детали могут располагаться друг на друге.
• Склеивание плоских поверхностей – создание горизонтального или вертикального промежутка между соединяемыми деталями с помощью проволоки или блоков.
• Склеивание пустотелых изделий – можно использовать различные способы расположения.
В течение отверждения соединяемые детали не должны быть под нагрузкой. Путем защитного оклеивания полиэфирной или самоклеящейся алюминиевой лентами можно избежать попадания клея на другие участки деталей.
Клей ступенчатой полимеризации
Процесс склеивания при помощи составов ступенчатой полимеризации подобен склеиванию полимеризационными клеями. Поскольку клей ступенчатой полимеризации не содержит растворителей, существует необходимость в основательном очищении поверхностей перед склеиванием.
Советы по технике безопасности при работе с клеями
Клеи и содержащиеся в них растворители относятся к классу опасных веществ. При их применении существует высокая пожаро- и взрывоопасность, а также риск нанесения ущерба здоровью человека при непосредственном контакте в процессе работы. Поэтому должны приниматься меры, обеспечивающие защиту персонала, предприятия и окружающей среды. При работе с клеями необходимо неукоснительно следовать действующим инструкциям по технике безопасности и охране труда. Следует руководствоваться «Положением об опасных веществах» и принимать во внимание рекомендации по безопасности, данные производителем клея.
! Большинство клеев огнеопасно. Их пары при соединении с воздухом могут образовывать взрывоопасные смеси.
Защитные меры
• Не размещать рабочее место в непосредственной близости от источников тепла (электроизлучателей), искрения (искра при переключении электроприборов, электростатический заряд) и открытого пламени.
• В рабочем помещении запрещается курить и принимать пищу.
• Работы по склеиванию должны проводиться только в хорошо проветриваемом (без сквозняков), незапыленном помещении.
• Поскольку пары растворителя имеют более высокую плотность по сравнению с воздухом, вытяжку необходимо устанавливать у пола.
• При большом объеме работ с клеями дополнительная вентиляция должна устанавливаться непосредственно у рабочего места.
• Следует избегать непосредственного контакта с клеями и их парами, пользоваться средствами индивидуальной защиты.
• При попадании растворителя на кожу очищать ее необходимо только водой и мылом, ни в коем случае не используя других растворителей.
• Необходимо осуществлять уход за кожей после окончания каждой рабочей операции и применять одноразовые полотенца.
• В течение склеивания ни в коем случае нельзя дотрагиваться пальцами до глаз.
• Настоятельно рекомендуется при работе с клеями пользоваться защитными очками.
! Частый контакт с кожей и постоянное вдыхание паров растворителя могут спровоцировать аллергические реакции и нанести ущерб здоровью.
! Растворитель разрушает естественный жировой слой кожного покрова.
! Содержащиеся в клеях отвердители могут вызывать химические ожоги в случае контакта со слизистой оболочкой глаза. Попавший в глаз клей отверждается с выделением тепла, которое может привести к поражению роговицы.
Первая помощь
При попадании клея в глаза следует их немедленно промыть проточной водой в течение 10 – 15 мин., затем срочно обратиться к врачу, предоставив ему упаковочную этикетку с информацией о составе клея.
Уничтожение отходов
Отходы клея не относятся к бытовым отходам и не могут выбрасываться бесконтрольно. В соответствии с существующими правилами они должны отвозиться в разрешенное для уничтожения (хранения) место или сдаваться уполномоченным организациям.
Если жидкие вещества были пролиты или произошла их утечка, они должны быть собраны с помощью поглощающих материалов – песка, кизельгура и т. п., помещены в отдельные, соответствующим образом маркированные емкости, и в соответствии с предписаниями уничтожены.
