Краткие теоретические сведения. Определение клеящих свойств карбамидоформальдегидных смол

Лабораторная работа № 5

Определение клеящих свойств карбамидоформальдегидных смол

Цель работы: практическое освоение методики определения клеящей способности смолы методом испытания фанерных образцов.

Краткие теоретические сведения

Основной показатель качества клея – его клеящая способность. Клеящие свойства смол обусловлены сложным комплексом факторов, зависящих от природы смол и способов их синтеза.

На клеящую способность КФС особенно большое влияние оказывает соотношение исходных компонентов. В процессе конденсации карбамида (К) с формальдегидом (Ф) при мольном соотношении К : Ф = 1 : 1 образуются вещества, которые не обладаютадгезией к древесине (адгезия – см. лаб. работу № 2). С увеличением избытка формальдегида до К : Ф = 1 : 1,5клеящие свойства резко повышаются, дальнейшее повышение доли формальдегида практически не улучшает клеящих свойств, но увеличивает скорость отверждения. К тому же увеличение доли формальдегида в мольном соотношении К : Ф ухудшает санитарно-гигиенические свойства смолы (см. приложение 1).

Силы сцепления разнородных молекул, находящихся в поверхностных слоях контактирующих тел, называются адгезионными силами, а само взаимодействие – адгезионным взаимодействием.

Говоря про адгезионное взаимодействие, обычно подразумевают взаимодействие между клеем и твердым телом. Может быть контакт и двух твердых тел, но при этом адгезия очень мала, так как ввиду неровностей поверхностей мала фактическая площадь контакта поверхностей тел. В качестве примера адгезии твердых тел можно отметить склеивание фанеры бакелитовой пленкой. Для улучшения контакта между пленкой и шпоном повышают удельное давление прессования.

Адгезия определяется работой, или сопротивлением разрыву, при соответствующей деформации (отрыв или сдвиг). Работа, затраченная на преодоление сил сцепления при разделении частиц двух разнородных поверхностей, называется работой адгезии.

Связь между поверхностями двух однородных тел называется аутогезией; возникающие при этом силы называются силами аутогезии.

Когезией называется сцепление молекул, атомов, ионов вещества между собой в объеме тела (клеящего вещества). Когезия обусловливается различными силами – силами Ван дер Ваальса, химическими связями (ковалентными и электровалентными, водородными и др.).

Прочность склеивания разнородных поверхностей определяется соотношением сил адгезии и когезии.Силы адгезии должны быть больше сил когезии. Если когезия полимера больше, чем его адгезия к древесине или древесному материалу, возможно отделение клеевого слоя от склеиваемого материала. Для полимерных гетерогенных систем (наполненных полимеров, лакокрасочных покрытий, клеевых соединений) важным фактором, определяющим надежность всей системы, является прочность и стабильность контактов между древесным материалом и полимером.

Различия в свойствах клеев и склеиваемых древесных материалов приводит к возникновению на границе их раздела дополнительных напряжений, которые препятствуют нормальной эксплуатации клеевых соединений. Недостаточное внимание к процессам, протекающим при образовании адгезионного соединения, не дает возможности получить эффективно работающие древесные клеевые конструкции. От понимания и использования на практике этих процессов зависит прочность и долговечность клеевых соединений. Существует большое число теорий адгезии.

Механическая теория адгезии (автор – Мак-Бен, подробно изложена в трудах ученых Дебройна и Гувинка) утверждает, что клеевое соединение образуется исключительно за счет механического зацепления полимера в неровностях соединяемых материалов. Чем больше открытых пор или чем меньше плотность материала, тем прочность склеивания выше. Механическая теория адгезии объясняет склеивание только пористых материалов, чем ограничивается возможность ее применения.

Адсорбционная теория(авторы – Мак-Ларен, Дебройн, Ставерман) рассматривает адгезию как процесс образования связей между склеиваемыми поверхностями под влиянием сил Ван дер Ваальса, т. е. силами притяжения между атомами и молекулами. Эти силы малы по сравнению с силами химических связей, они определяют, в числе прочего, адсорбцию. Адсорбцией называется свойство поверхностей твердых или жидких тел связывать молекулы другого вещества из жидкой или газообразной фазы, соприкасающейся с этой поверхностью. Однако адсорбционная теория не может объяснить высокой адгезии между неполярными полимерами, для которых молекулярные силы малы.

Диффузионная теория разработана российским ученым С. С. Воюцким [7], она объясняет склеивание материалов диффузией цепных молекул или их участков из полимера в склеиваемую поверхность, т. е. взаимной растворимостью материалов. Диффузионная теория позволяет понять механизм склеивания взаиморастворимых полимеров, но не объясняет процессов склеивания древесины, металлов и других материалов.

Электрическая теория (разработана Б. В. Дерягиным и Н. А. Кротовой) объясняет склеивание двух поверхностей образующимся на границе двух фаз слоем из зарядов противоположного знака. Следствием развития электрической теории стала электронная теория адгезии, в соответствии с которой через границу адгезионного слоя переносятся электроны, при этом полимер, а точнее его функциональные группы, являются донорами или акцепторами электронов.

Химическая теория адгезии основана на том, что соединение двух материалов обусловлено химическими связями между полимером (адгезивом) и склеиваемым материалом (субстатом). В частности, предполагается, что при склеивании древесины карбамидоформальдегидными и фенолоформальдегидными клеями образуются химические связи между гидроксильными группами макромолекул целлюлозы (–ОН–) и метилольными группами смол (–СН₂ОН–) с образованием эфирных групп (–СН₂–О–СН₂–).Естественно предполагать, что в любом соединении возникает то или иное количество химических связей между клеем и склеиваемым материалом. Однако мало доказательств, что только они ответственны за прочность соединения. Большое количество более слабых вандерваальсовых и водородных связей может дать большую суммарную энергию взаимодействия, чем малое число более сильных химических связей.

Кроме этого, имеется ряд других теорий адгезии, однако ни одна из них не объясняет в полной мере всех явлений, происходящих при склеивании материалов. Единая теория адгезии до сих пор не создана.

Адгезия зависит от смачиваемости поверхности твердого тела клеем. Если клей плохо смачивает поверхность материала (субстрат), то между полимером и субстратом не может быть достигнут достаточно плотный контакт для обеспечения адгезионного взаимодействия. Смачивание и связанная с ним растекаемость клея (или другого полимера, например, лака) по субстрату определяется соотношением поверхностных энергий этих материалов. Для хорошей смачиваемости поверхностная энергия (поверхностное натяжение) полимера должна быть меньше, чем поверхностная энергия субстрата.

Исходя из этого, существует классификация [9] склеиваемых материалов:

- с поверхностным натяжением менее 30 МДж/м² – плохо склеиваемые (полиэтилен, полистирол);

- с поверхностным натяжением 33…36,5 МДж/м² – образуют клеевые соединения ограниченной прочности (поливинилхлорид, сополимеры стирола);

- с поверхностным натяжением более 41 МДж/м² – хорошо склеиваемые (фенольные и карбамидные пластики, ацетат целлюлозы).

Модификация полимера спиртами или поверхностно-активными веществами (ПАВ) снижает поверхностную энергию и улучшает адгезию полимера.

На клеящую способность влияетдоля сухих веществ в смоле (МДСО, сухой остаток). При повышении концентрации смолы от 48…50 до 60…63 % прочность склеивания возрастает, дальнейшее увеличение концентрации до 70 % и более не оказывает значимого влияния на клеящую способность.

Клеящая способность оценивается по прочности клеевого соединения на образцах различной формы и из различных древесных материалов.

Наиболее распространенным для определения клеящей способности является испытание на скалывание. По ГОСТ 15613.1–84 для испытания на скалывание вдоль волокон применяют образцы из клееной древесины, причем клееные образцы изготавливают из древесины той породы, из которой изготавливают клееную продукцию по технологии, применяемой для данного вида продукции. Образцы для проверки клеящей способности методом скалывания вдоль волокон представлены на рис. 5.1, приспособления для испытания – на рис. 5.2, 5.3.

Преимущество метода заключается в простоте формы образцов и процедуры испытания. Метод позволяет получить концентрацию напряжений сдвига в узкой зоне клеевого шва. Однако метод не дает чистого сдвига из-за наличия

эксцентриситета сил, приложенных к образцу. Поэтому получаемые показатели прочности рассматриваются как относительные, служащие для сравнения с нормативными данными, а не как расчетные характеристики.

Рис. 5.1. Образцы для проверки клеящей способности:

а – основной образец; б – малый образец

Рис. 5.2. Приспособление для испытания основного образца:

1 – пуансон; 2 – самоцентрирующая опора; 3 – вкладыш; 4 – пружина;

5 – стойка; 6 – образец

Рис. 5.3. Приспособление для испытания малого образца:

1 – корпус; 2 – пружина; 3 – подвижная планка; 4 – ролики; 5 – нажимная призма с шаровой опорой; 6 – образец; 7 – подвижная опора; 8 – устройство для прижима подвижной опоры

Для клееных деталей типа реечных щитов, для которых более типичным являются не напряжения сдвига вдоль волокон, а напряжения отрыва поперек волокон при изменении влажности древесины после склеивания, разработан метод двухстороннего раскалывания клиньями по ГОСТ 15613.2–77.

По ГОСТ 14231–88 для оценки клеящей способности КФС используют метод определения предела прочности при скалывании по клеевому шву фанеры после замачивания образцов в воде в течение 24 ч; по ГОСТ 20907–75 для ФФС используют метод определения предела прочности при скалывании по клеевому шву фанеры после кипячения в воде. Образец для испытания представлен на рис. 5.4, приспособление – на рис. 5.5.

Рис. 5.4. Образец для испытания фанеры на скалывание

Рис. 5.5. Приспособление для испытания образцов фанеры:

1 – образец; 2 – упорная планка; 3 – планка; 4 – захват; 5 – упор; 6 – траверса

Методы испытания на скалывание часто не позволяют получить разрушение по клеевому шву ввиду сравнительно невысокой прочности древесины при этом виде нагружения.

Чтобы исключить влияние низкой прочности древесины на результат определения клеящей способности смолы, применяют склеивание двух образцов многократного использования диаметром 20 мм длиной 100 мм. Образцы изготавливают из древесины бука. Их склеивают гладко опиленными торцами и испытывают клеевое соединение на растяжение вдоль волокон. Высокая прочность древесины на растяжение вдоль волокон гарантирует адгезионное или когезионное разрушение по клеевому шву.