Анализ и расчет процессов адгезии пластмасс: выбор материала(субстрата), клея(адгезива), расчет прочности клеевого соединения

Для склеивания при повышенных температурах кроме полиуретановых и эпоксидных клеев пригодны также фенолополивинилацетальные композиции (типа БФ, ВС 0Т, ВС-350). Пластические массы на основе термореактивных полимеров (феноло- и карбамидоформальдегидных и меламиновых, полиэфиров, эпоксидов, полиуретанов и др.), как правило, хорошо склеиваются термореактивными клеящими композициями.Сравним прочность клеевых соединений внахлёстку, выполненных эпоксидным (К-153) и полиэфирным (ПН-1) клеем на поликарбонате и непластифицированном поливинилхлориде. Согласно таблице 48 [3] для склеивания поликарбоната и для склеивания поливинилхлорида оба вышеуказанных клея рекомендованы к применению.Приблизительный расчёт площади клеевого соединения осуществляют исходя из предела прочности клея и установленного коэффициента запаса прочности. Затем изготавливают образцы с учётом свойств выбранного клея, свойств склеиваемых пластмасс, условий эксплуатации изделия и т.д.Для определения длины нахлёстки клеевого соединения строят диаграмму зависимости прочности при сдвиге (по средним показателям) от коэффициента качества соединения (l/t), являющейся результатом испытания образцов с различной длиной нахлёстки l и толщиной субстрата t. Эти значения затем преобразуют при расчётах с помощью статически определённых коэффициентов, зависящих от разброса данных при испытаниях. Следует отметить, что полученную диаграмму можно использовать только для полученной серии испытаний. При изменении любого из условий испытания, она становится недействительной.Эти диаграммы дают возможность рассчитать оптимальную длину нахлёстки или оптимальную толщину субстрата с учётом конкретной нагрузки, действующей на клеевое соединение. Связь между параметрами соединения описывается уравнениями (1) (2) (3)где σ – значение нормальных напряжений в субстрате, Н/мм2;τ – значение напряжений сдвига в клеевом шве, Н/мм2;t – толщина субстрата в зоне нахлёстки, мм;l – длина нахлёстки, мм;Р – нагрузка, приложенная к единице ширины клеевого соединения, Н/мм.РасчётИсходные данныеДля расчётов примем, что поверхность склеиваемых пластмасс очищена и подготовлена к склеиванию.Субстрат 1: поликарбонат;Субстрат 2: поливинилхлорид непластифицированный;Адгезив (клей) 1: эпоксидный клей К-153;Адгезив 2: полиэфирный клей ПН-1.Справочные данныеРазрушающее напряжение при растяжении, Н/мм2Разрушающее напряжение при растяжении, Н/мм2Поливинилхлорид10-20Поликарбонат57-70Эпоксидный клей К-15345полиэфирный клей ПН-135РасчётРассчитаем прочность клеевых соединений поликарбоната с поликарбонатом с помощью клеев К-153 и ПН-1, а также поливинилхлорида с поливинилхлоридом с помощью клеев К-153 и ПН-1. В первом случае проведём расчёт для различной толщины субстрата в зоне нахлёстки (5, 10, 15, 20 и 50мм) при постоянной длине нахлёстки.Во втором случае проведём расчёт для различной длины нахлёстки (50, 100, 150 и 200 мм) при постоянной толщине субстрата.Расчёт прочности клеевого соединения пластин из поликарбоната клеем К – 153 при постоянной длине нахлёстки l = 50 мм и различной толщине субстрата в зоне нахлёстки t, ммДля оценки прочности клеевого соединения воспользуемся формулой, приведённой в справочнике [3].(3)где σ – значение нормальных напряжений в субстрате, Н/мм2;τ – значение напряжений сдвига в клеевом шве, Н/мм2;t – толщина субстрата в зоне нахлёстки, мм;l – длина нахлёстки, мм;субстратtсубстратlадгезивРисунок 6. Схема клеевого соединения.Значение напряжений сдвига в клеевом шве и будет являться приближённой количественной характеристикой прочности клеевого соединения. Данный расчёт применяют при конструировании клеевых соединений. На практике же, прочностные характеристики определяют при испытании моделей клеевых соединений [3].Величина σ является справочной. В справочнике [6] находим значения разрушающих напряжений при растяжении для клея К-153. Для поликарбоната разрушающее напряжение берём из учебного пособия [5].Величины t и l мы задаём сами. В данном случае длину нахлёстки мы принимаем постоянной, равной 50 мм. Толщину субстрата в зоне нахлёстки примем равной 5, 10, 15, 20 и 50 мм.Для определения напряжений при растяжении системы «субстрат/адгезив/субстрат» воспользуемся уравнением сложим справочные значения пластмассы и клея.σ= σсубстрата +σадгезива = (57+45) = 102 Н/мм2Подставим в формулу (3) необходимые значения.t=5 мм: = 10,2 Н/мм2;t=10 мм: = 20,4 Н/мм2;t=15 мм: = 30,6 Н/мм2;t=20 мм: = 40,8 Н/мм2;t=50 мм: = 102 Н/мм2;Расчёт прочности клеевого соединения пластин из поликарбоната клеем К – 153 при постоянной толщине субстрата в зоне нахлёстки t=5 мм и различной длине нахлёстки l = 50, 100, 150 и 200 ммДля оценки прочности клеевого соединения воспользуемся формулой, приведённой в справочнике [3]. (3)где σ – значение нормальных напряжений в субстрате, Н/мм2;τ – значение напряжений сдвига в клеевом шве, Н/мм2;t – толщина субстрата в зоне нахлёстки, мм;l – длина нахлёстки, мм;Значение напряжений сдвига в клеевом шве и будет являться приближённой количественной характеристикой прочности клеевого соединения. Данный расчёт применяют при конструировании клеевых соединений. На практике же, прочностные характеристики определяют при испытании моделей клеевых соединений [3].Величина σ является справочной. В справочнике [6] находим значения разрушающих напряжений при растяжении для клея К-153. Для поликарбоната разрушающее напряжение берём из учебного пособия [5]. Величины t и l мы задаём сами. В данном случае толщину субстрата в зоне нахлёстки принимаем постоянной, равной 5 мм, а длину нахлёстки примем равной 50, 100, 150 и 200 мм.Для определения напряжений при растяжении системы «субстрат/адгезив/субстрат» воспользуемся уравнением сложим справочные значения пластмассы и клея.σ= σсубстрата +σадгезива = (57+45) = 102 Н/мм2Подставим в формулу (3) необходимые значения.l=50 мм: = 10,2 Н/мм2;l =100 мм: = 5,1 Н/мм2;l =150 мм: = 3,4 Н/мм2;l =100 мм: = 2,55 Н/мм2;Результаты расчётов приведены ниже в виде таблиц и графиков.Таблица 2. Расчёт прочности клеевых соединений (напряжений сдвига в клеевом шве, Н/мм2) при постоянной длине нахлёстки, l = 50 мм и различной толщине субстрата в зоне нахлёсткиt,мм Субстрат/адгезивσ субстратаσадгезиваσ, Н/мм2τ при t=5 ммτ при t=10ммτ при t=15 ммτ при t=20 ммτ при t=50ммполикарбонат/ клей К-153574510210,220,430,640,8102поликарбонат/ клей ПН-15735929,218,427,636,892поливинилхлорид/ клей К-1531045555,51116,52255поливинихлорид/ клей ПН-11035454,5913,51845Рисунок 7. Зависимость напряжений сдвига в клеевом швепри постоянной длине нахлёстки и различной толщине субстрата в зоне нахлёстки.Ость х – значения толщины субстрата в зоне нахлёстки, мм;Ось y – значения напряжений сдвига в клеевом шве, Н/мм2Таблица 3. Расчёт прочности клеевых соединений (напряжений сдвига в клеевом шве, Н/мм2) при постоянной толщине субстрата в зоне нахлёсткиt = 5 мм и различной длине нахлёстки, мм  σ субстратаσадгезиваσ, Н/мм2τ при l=50 ммτ при l=100 ммτ при l=150 ммτ при l=200ммполикарбонат/ клей К-153574510210,205,103,402,55поликарбонат/ клей ПН-15735929,204,603,072,30поливинилхлорид/ клей К-1531045555,502,751,831,38поливинихлорид/ клей ПН-11035454,502,251,501,13Рисунок 8. Зависимость напряжений сдвига в клеевом шве при постоянной толщине субстрата в зоне нахлёстки и различной длине нахлёстки.Ость х – значения длины нахлёстки, мм;Ось y – значения напряжений сдвига в клеевом шве, Н/мм2Анализ расчётаИсходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что более прочное клеевое соединение, как для поликарбоната, так и для поливинилхлорида будет образовано эпоксидным клеем К-153. Однако, следует отметить незначительную разницу в значениях напряжений сдвига в клеевом шве для клеев К-153 и ПН-1. Следовательно, в зависимости от условий эксплуатации, дополнительных требованиях к клеевому соединению и технологическому процессу, возможно применение любого из выбранных клеев. Увеличение толщины субстрата в зоне нахлёстки способствует укреплению прочности клеевого соединения.Увеличение длины нахлёстки, напротив, делает клеевое соединение менее прочным. Список литературыР.Г. Тазетдинов, Физико-химические основы технологических процессов производства и обработки конструкционных материалов. Учебное пособие – М.: Инфра – М, 2014;Ю.Г. Богданова , Адгезия и её роль в обеспечении прочности полимерных композитов. Учебное пособие – М. : МГУ им. М.В. Ломоносова;А. Н. Шестопал, Справочник по сварке и склеиванию пластмасс, 1986;Г.В. Комаров, Способы соединения деталей из пластических масс/ - М.: Химия, 1979. - 288 с;Е.А. Бранцыхин, Э.С. Шульгина, Технология пластических масс: Учебное пособие – Л.: Химия, 1982. – 328с;Пособие по расчётным характеристикам клеевых соединений для строительных конструкций – М.: Издательство литературы по строительству, 1972.