Возможность нанесения клеев после контактной сварки при изготовлении клеесварных конструкций

Принципиальная возможность применения способа нанесения клеев после сварки определяется физико-химическими свойствами клеев, зазором и шириной нахлестки, а также условиями подготовки поверхности. На процесс проникновения клеев в полость нахлестки влияют физико-химические свойства клеев, в частности вязкость, поверхностное натяжение, краевой угол смачивания, изменение температуры клеев после введения отвердителя и т. д. Комплекс этих свойств носит название реологических свойств клеев, грунтов или любой другой вязкотекучей композиции.

Изменение физико-химических свойств наиболее широко применяемых клеев КК-1МС, К-4С, КЛН-1 и ВК-39 изучали в зависимости от времени с момента введения отвердителя и температуры окружающей среды.

Вязкость клеев измеряли на шариковом вискозиметре Геплера и на ультразвуковом вискозиметре УЗВ-61. Вязкость определяли при температуре 18 и 28° С. Для достижения постоянства этих температур при замерах клеи помещали в термостат.

На рис. 1, 2 представлено изменение вязкости клеев в течение 90 мин с момента приготовления (введения отвердителя). Замеры проводили через каждые 5 мин. Вязкость свежеприготовленных клеев ВК-1МС, К-4С, КЛН-1 и ВК-39 при температуре 18° С соответственно равна 1,9; 1,4; 5,5 и 2,2 Н×с/м², а при температуре 28° С — 1,45; 1,1; 4,2 и 1,5 Н×с/м². Следовательно, самая высокая исходная вязкость у клея КЛН-1, а самая низкая у клея К-4С.

Рис. 1. Зависимость вязкости клеев  от времени и температуры выдержки после приготовления:

1 – клей КЛН-1, 18° С; 2 – то же, 28° С; 3 – клей К-4С, 18° С; 4 – то же, 28° С; 5 – клей ВК-1МС, 18° С; 6 – то же, 28° С

Рис. 2. Зависимость вязкости клеев от времени и температуры выдержки после приготовления:

1 – клей ВК-17, 18° С; 2 – клей ВК-39, 18° С; 3 – клей ВК-17, 28° С; 4 – клей ВК-39, 28° С

При выдержке клеев при постоянной температуре (при 18° С и при 28° С) вязкость повышается. При выдержке клея ВК-1МС при 18° С через 10, 30, 60 и 90 мин вязкость соответственно равна 2,5; 4,0; 6,0 и 7,2 Н×с/м², при температуре клея 28° С для тех же интервалов времени вязкость соответственно равна 1,5; 2,2; 45 и 8,6 Н×с/м².

В первые 5—15 мин после приготовления вязкость всех клеев при 28° С заметно ниже, чем при 18° С. Однако в дальнейшем такое соотношение не сохраняется, так как вязкость клеев в значительной степени зависит от температуры. При температуре 18° С наблюдается равномерное повышение вязкости клеев в течение всего периода выдержки, при 28° С уже через 15…20 мин повышается вязкость клеев К-4С и КЛН-1. Так у клея КЛН-1 через 20 мин после введения отвердителя резко повышается вязкость. У клеев ВК-1МС и ВК-39 при повышении температуры от 18 до 28° С резкого увеличения вязкости не наблюдается.

После выдержки в течение 60 мин вязкость клеев ВК-1МС, К-4С, КЛН-1 и ВК-39 соответственно увеличивается в 2,7; 5,1; 3,1 и 1,6 раза (при 18° С). Через 90 мин вязкость увеличивается соответственно в 3,7; 6,5; 4,1 и 1,8 раза (при 18° С). Следовательно, при постоянной температуре наибольшее повышение вязкости отмечается у клея К-4С, а наименьшее у клея ВК-39.

Повышение температуры клея К-4С с 18 до 28° С приводит к значительному повышению вязкости во времени. Например, через 90 мин после приготовления клея К-4С и при выдержке при 18 и 28° С вязкость его возросла соответственно в 6,5 и 12 раз. Следовательно, повышение температуры выдержки всего на 10° С привело к увеличению вязкости почти в 2 раза. Примерно аналогичные зависимости наблюдаются для клеев КЛН-1, ВК-1МС и ВК-39.

Одним из важных критериев оценки свойств клеев с точки зрения их введения после сварки является краевой угол смачивания, по величине которого наряду с поверхностным натяжением можно судить о термодинамической адгезии клея. Краевой угол смачивания определяли методом сидячей капли. Геометрические параметры капли замеряли микрометрическим методом. Краевой угол смачивания рассчитывали по формуле

,

где  — высота капли;  — диаметр основания капли.

Клей наносили на поверхность алюминиевого сплава после подготовки ее химическим путем. Краевой угол измеряли в течение 90 мин (замер через каждые 5 мин) с момента нанесения на поверхность металла капли свежеприготовленного клея. Кроме того, другую часть измерения краевого угла проводили немедленно после нанесения на поверхность металла капли клея из стаканчика после различной выдержки в термостате при 18° С.

На рис. 3 представлена зависимость краевого угла смачивания от времени с момента нанесения на поверхность образца свежеприготовленного клея. По ходу кривых видно, что время формирования капли для исследуемых клеев равно 5…15 мин. Краевой угол для клея КЛН-1 через 15 мин после нанесения при температуре 18 и 28° С соответственно равен 45 и 37°, для клея К-4С — 28 и 25°, для клея ВК-1МС — 29 и 26° и для клея ВК-39 — 30 и 26°. Клей КЛН-1 имеет наибольший угол смачивания при 18 и при 28° С, что, по-видимому, можно объяснить большой вязкостью по сравнению с клеями ВК-1МС, К-4С и ВК-39. Равенство углов смачивания клеев ВК-1МС и К-4С при 18 и 28° С можно объяснить одинаковым влиянием наполнителя в клее ВК-1МС и разбавителя в клее К-4С. По-видимому, наполнитель (цинковая пыль в клее ВК-1МС) и низкомолекулярный разбавитель (ЭФГ) в клее К-4С, адсорбируясь на поверхности капли, снижает поверхностную энергию данных клеевых композиций.

Рис. 3. Зависимость краевого угла  от времени выдержки с момента нанесения капли свежеприготовленного клея на поверхность металла:

1 – клей КЛН-1, 18° С; 2 – клей ВК-1МС без наполнителя, 18° С; 3 – клей КЛН-1, 28° С; 4 – клей ВК-39, 18° С; 5 – клей К-4С, 18° С; 6 – клей К-4С, 28° С; 2 – клей ВК-1МС с наполнителем 28° С

Результаты измерения краевого угла для клеев, выдержанных перед нанесением в стакане при 18° С приведены на рис. 4. Краевой угол для клеев К-4С и ВК-1МС (с наполнителем) практически одинаков в течение первых 40 мин после приготовления. Затем наблюдается увеличение краевого угла для клея К-4С, по-видимому, из-за более быстро протекающего процесса структурирования (повышение вязкости в результате протекания реакции аддитации). Клей ВК-1МС (с наполнителем) не повышает краевой угол в течение всего периода замеров. Сравнение кривых изменения краевого угла во времени для клея с наполнителем (кривая 3) и без наполнителя (кривая 2) показывает, что введение наполнителя уменьшает краевой угол. По-видимому, последнее происходит в результате снижения поверхностного натяжения. Для клея КЛН-1 наблюдается наибольший угол смачивания до 45°, который заметно увеличивается после выдержки в течение 35…40 мин.

Рис. 4. Зависимость краевого угла  от времени выдержки клея после приготовления в стакане при температуре 18° С:

1 – клей КЛН-1; 2 – клей ВК-1МС без наполнителя; 3 – клей ВК-39; 4 – клей ВК-1МС с наполнителем; 5 – клей К-4С

Поверхностное натяжение определяли методом максимального давления газового пузырька на приборе П.А. Ребиндера. При температуре 18° С измеряли давление, необходимое для отрыва пузырька воздуха от конца капилляра, опущенного в исследуемый клей.

Поверхностное натяжение всех исследованных клеев увеличивается в течение выдержки их после приготовления. Степень этого увеличения определяется химической природой каждого клея. Клей КЛН-1 через 5 мин после приготовления имеет поверхностное натяжение 4,6 Н/м², а через 60 мин 6,0 Н/м². Для клея ВК-1МС поверхностное натяжение в начальный момент равно 4,6 Н/м², затем в течение 20 мин наблюдается интенсивный рост до 5,2 Н/м2, далее при выдержке от 20 до 60 мин оно остается практически одинаковым — на уровне 5,2 Н/м². По-видимому, в этот период на поверхностное натяжение не влияет процесс структурирования. Только после выдержки клея ВК-1МС более 60 мин поверхностное натяжение значительно увеличивается и через 90 мин достигается 6,5 Н/м². Для клея ВК-39 поверхностное натяжение в начальный момент равно 4,4 Н/м², по мере выдержки через 90 мин оно увеличивается до 5,2 Н/м² (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость поверхностного натяжения П от времени выдержки клеев с момента приготовления при температуре 18° С:

1 – клей КЛН-1; 2 – клей К-4С; 3 – клей ВК-1МС; 4 – клей ВК-39

Вследствие экзотермической реакции при отверждении клеев их температура повышается. Интенсивность роста температуры в клеях замеряли при выдержке 100 г клея в фарфоровом стаканчике с соотношением высоты столба клея к диаметру стаканчика 1:1,5. Температуру замеряли ртутным термометром.

При выдержке клея без охлаждения в первые 15 мин после введения отвердителя температура поднимается плавно и практически для всех клеев находится на одном уровне (рис. 6). По истечении 15 мин температура клея К-4С резко возрастает и через 35…45 мин он переходит в твердое состояние. Клей КЛН-1 без охлаждения переходит в твердое состояние через 45 мин. Температура клея ВК-1МС плавно повышается в течение 40…50 мин, а затем стабилизируется на уровне 40° С. При дальнейшей выдержке клея ВК-1МС до 80….90 мин отмечается даже некоторое снижение температуры на 10…15° С. Температура клея ВК-39 при выдержке до 90 мин практически не возрастает и находится в пределах 24…30° С. Полученные изменения температуры клеев при выдержке без охлаждения, по-видимому, объясняются значительным отличием отвердителей и их количеств в клеях. Например, отвердителя полиэтиленполиамина (ПЭПА) в клее К-4С примерно в 2,5 раза больше, чем в клее ВК-1МС.

Рис. 6. Зависимость температуры клеев от времени выдержки с момента приготовления:

1 – клей К-4С; 2 – клей КЛН-1; 3 – клей ВК-1МС; 4 – клей ВК-39

Проникновение клея в зазор под нахлестку происходит под действием капиллярных сил. При увеличении вязкости клея проникновение его под нахлестку затрудняется. Входящие в состав клеев разбавители в начальный момент после приготовления уменьшают исходную вязкость и соответственно увеличивают проникающую способность клеев. Однако при дальнейшем протекании отверждения и адсорбции на поверхности количество разбавителей в объеме клея уменьшается, что приводит к повышению вязкости и уменьшению проникающей способности. Краевой угол смачивания и поверхностное натяжение также оказывают влияние на капиллярные силы. Прямая корреляция этих показателей затруднена из-за нестабильности всех параметров клеевых систем при длительной выдержке. Однако вязкость клеев, по-видимому, является доминирующим факторов, определяющим их проникающую способность.

Приведенные на рис. 1, 2 и 6 результаты изменений вязкости и температуры клеев показали, что для сохранения клеев с меньшей вязкостью в течение более длительного времени необходимо хранить их в водоохлаждаемых емкостях при температуре  С.