CC BY
83
УДК 678
Э. Краус, Б. Баудрит, П. Хаидемаиер, М. Бастиан, И. А. Старостина, В. В. Курносов, О. В. Стоянов
ИННОВАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ТЕСТИРОВАНИЯ ДЛЯ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПЛАСТМАСС
Ключевые слова: Разрушающий контроль, тестирование склеенных пластмасс, клеевые полимерные соединения, технология склеивания, новые методы испытания, линейный метод испытания на сдвиг, анализ адгезии.
Представлены и оценены различные методы механических испытаний клеевых соединений в области технологии склеивания пластмасс. Определены недостатки нынешних методов разрушающего контроля склеенных полимерных соединений и разработан новый тест для определения качества склеенного шва методом линейного испытания на сдвиг под давлением. Представлен новый, инновационный и экономически выгодный метод для испытания и оценки адгезии для полимерных поверхностей.
Keywords: Destructive testing, testing glued plastic, adhesive polymer compounds, bonding technology, new methods of testing, the
linear method for shear testing, analysis of adhesion.
Presented and evaluated different methods of mechanical testing of adhesive joints in the technolo - gies bonding plastics. Identified weaknesses in current methods of glued -destructive testing of polymeric compounds and developed a new test to determine the quality of the glued seam by linear -foot shear test under pressure. A new , innovative and cost-effective method for the testing and evaluation of adhesion to polymer surfaces .
Введение
Технология „склеивания" играет все более важную роль в отрасли полимеров [1]. Многие научно-исследовательские институты, работая в этой сфере деятельности и сталкиваясь с очень специфическими требованиями промышленности в клеевых технологиях, вынуждены разрабатывать различные подходы к определению качества склеенного шва. Особенного внимания заслуживают в частности, сферы многофункциональных свойств клеевых соединений, склеивание новых полимерных материалов и разработка новых и инновационных методов испытаний.
Так, точное тестирование полимерных соединений имеет решающее значение, когда необходимо обеспечение конкретных стандартизированных значений (например: прочности и растяжения) в создаваемом продукте. В рамках недавно завершившегося исследовательского проекта "Склеивание высоконаполненных древесно-полимерных композитов для наружного применения" был разработан новый метод механического испытания клеевых пластиковых соединений, который особенно хорошо подходит для определения прочности склеенных полимерных соединений на сдвиг.
Теоретические аспекты
Современные методы разрушающего контроля для пластмассовых изделий с возможностью объективной оценки качества клеевого соединения часто экономически не выгодны [2-4]. Но всё же в настоящее время определение качества склеенных пластмасс часто возможно только иммено путем этих разрушающих методов, таких как механические и оптические испытания (например, испытание на растяжение и визуальная оценка разрушения). На основании большого разнообразия возможных комбинаций пластмасс и клеев, адгезионные свойства также можно охарактеризовать с помощью расширенного метода смачиваемости поверхности тестовыми жидкостями. С этой целью, например, может
использоваться метод характеризующий кислотно-основные взаимодействия между субстратом и клеем [5,6]. В конечном счете, качество склеенных образцов всё же всегда проверяется дополнительно с помощью механических испытаний.
Методы разрушающего контроля очень разнообразны и конкретны в каждом используемом случае [7]. Они зависят от применения, т.е. геометрии, дизайна, внешних воздействий и типичной нагрузки склеенного соединения. Эти механические испытания обеспечивают хорошие качественные и надежные результаты, но они часто ограничены определенными образцами, их геометрией и вариантами нагрузки. Механические тесты требуют усилий в процессе подготовки образцов и возможного повтора экспериментов, необходимого для статистической оценки процесса тестирования.
Стандартные методы испытаний для оценки кратковременной прочности клеевых соединений на сдвиг при растяжении описанны в стандартах ASTM D1002: " Standard Test Method for Apparent Shear Strength of Single-Lap-Joint Adhesively Bonded Metal Specimens by Tension Loading" и в DIN EN 1465: "Клей. Определение предела прочности при сдвиге высокопрочных адгезионных соединений". Эти методы испытаний являются наиболее распространенными и наиболее изученными методами испытаний для оценки адгезионных соединений [8]. Для определения прочности и характеристики сдвига при растяжении в этих стандартах используются простые перекрывающиеся образцы. Они состоят из двух листов с толщиной каждого материала S = 1,6 мм, длиной 100,0 мм и шириной 25,0 мм (без погрешности). Образцы листов склееваются с длиной перекрытия в 12,5 мм и, как правило, фиксируются в специальных устройствах для склеивания (см. рис. 1).
Этот стандартный тест очень часто используется для определения прочности при сдвиге на разрыв в металлических соединениях и имеет для склеенных полимерных соединений некоторые недостатки.
Рис. 1 - Размеры образца для тестирования на сдвиг согласно ASTM 1002 или DIN EN 1465 и устройство для фиксации склееных соединений
Помимо нежелательного многоосного напряжения во время испытания, приводящего к появлению гнущего момента, который в свою очередь зависит от толщины материала, указанной в этих стандартах, разрыв образца часто происходит рядом с фактической склеенной поверхностью в самом основном материале (рис. 2). Это часто связано с длиной перекрытия при склеивании установленной в нормах (из за распределения напряжения в образце).
Рис. 2 - Многоосное состояние перекрывающихся образцов во время тестирования на разрыв и распределение гнущего момента [9] (вверху), разрыв пластикового образца в основном материале (внизу)
Таким образом, не известно фактическое значение прочности на сдвиг склеенного соединения, а при тестировании определяется "предел прочности основного материала (субстрата)". В этих случаях исследованние образцов в области разрыва для определения и оценки (адгезионный или когези-онный разрыв) так же не возможны. Но как раз эти
исследования играют очень важную роль в оптимизации процессов склеивания и тем самым составляют существенный анализ склеенных соединений. Тем не менее, из результатов этих испытаний, могут быть вычислены некоторые характерные и основанные значения минимальной прочности для их применения в склеивании.
Но, как раз во многих случаях, не известная фактическая прочность клеевого соединения очень интересна и важна, в частности, когда сравниваются прочности, необходимые для определения долговременных свойств клеевого соединения (например, путём искусственного старения клеевых швов) или когда геометрическая конструкция реального продукта будет иметь более маленькую клеевую площадь перекрытия (< 12,5 мм).
Экспериментальная часть
Одним из способов для решения описанной выше проблемы, является возможность инициирования разрыва в шве адгезива за счет увеличения толщины используемых субстратов. Для этого могут быть использованы толстослойные образцы, описанные в DIN EN 14869-2: „Клеи строительные. Определение прочности швов при сдвиге. Часть 2. Метод испытания на растяжение с применением толстослойных образцов".
Достаточно равномерное и низкое напряжение и довольно маленький уровень деформации образцов являются преимуществами этого теста. Но сложность формы и соответственно сложность в изготовлении самих образцов, а так же очень трудная воспроизводилось регулировки толщины клеевого слоя, обуславливают значительно более высокую их стоимость. Для некоторых субстратов, применение толстослойных образцов так же не всегда возможно.
В качестве дополнительной возможности проверки прочности на сдвиг склеенных пластиковых соединений, является тестирование образцов с уменьшенной площадью перекрытия. Изменение длины (или площади) перекрытия, тем не менее, влияет на конечную рассчитанную прочность при растяжении при сдвиге, так как измененяется так же распределение напряжения и гнущего момента в соединительном слое клея. Тем самым рассчитанные значения прочности не сопоставимы со значениями, которые были определены общепринятыми методами тестирования.
Кроме того, это метод имеет целый ряд других недостатков. Так, небольшие флуктуации в процессе склеивания сказываются значительным влиянием на измеряемой прочности. Небольшие ошибки в клеевом слое часто приводят к большому статистическому разбросу измеренных значений прочности. Это приводит к большой дисперсии величин, что соответственно является недопустимым в описанных выше стандартах. Изходя из этих соображений, тестирование образцов с уменьшенной площадью перекрытия должны быть многократно продублировано.
Результаты
Для определения фактической прочности склеенных полимерных соединений был разработан и использован новый метод линейного сдвига (LST). LST это в настоящее время ненормированный метод испытания в технологии склеивания пластиков, который позволяет определить прочность полимерных клеевых соединений на сдвиг путём давления (сжатия). Метод испытания был первоначально разработан для определения механических свойств соединений трубопроводов сварными электро фиттинга-ми в рамках исследовательского проэкта SKZ в близком сотрудничестве с Widos GmbH [10].
Для использования этого метода в области технологии склеивания полимеров была разработана новая геометрия образца. Испытуемые для LST образцы состоят из круглого субстрата (сверху) диаметром 25,0 мм, прямоугольного субстрата (снизу) с размерами 25,0 х 50,0 мм а так же помещённой между ними пленки из PTFE с размерами DA = 25,0 мм и di = 16,0 мм (см. Рис. 3). Полученная площадь склеивания между субстратами имеет, следовательно, около 200 мм.
Рис. 3 - Тестовый образец для Ь8Т
Пленка из РТБЕ, которая вносится между склеивающимися субстратами, может быть различной толщины и служит для определенной и желаемой толщины слоя клея.
После нанесения определенного количества клея (необходимое количество клея зависит от желаемой толщины клеевого слоя), субстраты могут быть склеены (круглый и прямоугольный субстраты на рис. 3). Благодаря определённым разработанным размерам образцов, впоследствии они могут быть зафиксированы в обычных клеевых устройствах. После полного отверждения клея, испытательные образцы могут быть испытаны в Ь8Т. Ь8Т аппарат загружает склееные соединения только на сдвиг, с отсутствием гнущего момента.
Воздействующее усилие во время испытаний может непрерывно записываться компьютером с помощью особого датчика нагрузки встроенного в Ь8Т. Таким образом, возможен учёт и анализ историй изменения напряжения и растяжения образца. Это позволяет делать точное и воспроизводимое измерение прочности склеенного соединения при
линейном сдвиге под давлением. Скорость тестирования может изменяться от 1 до 5 мм/мин. Она зависит в основном от свойств соединения (механическая прочность и гибкость) клея и субстратов.
В настоящее время, идут широкомасштабные исследования по выявлению корреляций между методом LST и стандартными методами испытания (на растяжение) пластиковых образцов. Цель этих исследований заключается в определении теоретически рассчитанных коэффициентов преобразования прочности давления и растяжения после определения корреляций. Кроме того, новые разработанные методы тестирования проходят проверку для различных комбинаций из клеев (прочные и супергибкие) а так же полимерных материалов.
Другой способ получить надежные значения прочности для оценки адгезии клея к пластиковой поверхности обеспечивает "Анализатор Адгезии LUMIFrac® 200". Fa. LUM GmbH является производителем этой промышленно выпускаемой испытательной машины. Темперированная испытательная камера, а так же компьютерное управление центрифуги позволяют пользователю, помимо краткосрочных, долгосрочных и динамических свойств клеевых соединений, менять температуру окружающей среды (от -30 до + 80°C) для расчета значения прочности на различных температурах и уровнях нагрузки. Кроме того, возможно определение прочности на растяжение в соответствии с ISO 4624: „Лаки и краски определение адгезии методом отрыва", а также DIN EN 15870: "Клеи. Определение предела прочности при растяжении стыковых соединений".
Функция анализатора адгезии основана на определении центробежной силы через усилие отрыва на определенном расстоянии от оси вращения. Она зависит от веса тестиеруемого образца, кеевой площади и скорости вращения тестирующего барабана. Для этой цели, определенные весовые образцы помещаются в направляющие втулки и приклеиваются к тест-объектам. После полного отвердения клея, приготовленные образцы распологаются в роторе центрифуги LUMiFrac®, при этом запускается заранее определенная программа нагрузок. Кривые действующей силы, а так же силы разрушения образца записываются и анализируются с помощью подключенного к системе компьютера.
Большим преимуществом этой процедуры тестирования по отношению к классическим стандартизированным испытаниям является помимо относительно маленькой геометрии образца, очень большой и от исследуемого материала независимый диапазон измерения прочности (теоретически возможны нагрузки до 80 Мпа). Для вариантов зависимости механических свойств от температуры, с помощью этого аппарата возможна так же экономия времени путем измерения температуры в измерительной камере. Кроме того, возможны относительно сложные, ориентированные на прикладные исследования программы с различной динамикой нагрузок (синусоидальной, пилообразной и т.д.). После испытания может быть так же проведена микроскопическая оценка поверхности разрушения, ана-
логично другим, стандартизированным методам испытаний.
Недостатком этой процедуры измерения является невозможность определения удлинения, а также градиентов деформаций и напряжений. Кроме того, для получения воспроизводимого результата оператор нуждается в очень точной подготовки тестируемых образцов. Особенно важна в этом случае дозировка клея на поверхность субстрата.
Заключение
Представленные варианты тестов могут быть использованны преимущественно для определения механических свойств клеевых полимерных соединений, а также для тестирования адгезии на различных поверхностях. В настоящее время описанные выше и представленные новые и инноватив-ные методы механических испытаний, находятся в фундаментальном и прикладном рассмотрении для применения в области клеевых пластиковых соединений.
Примечание и благодарность
Исследования, касающиеся возможностей, преимуществ и потенциалов новых методов тестирования были сделаны в тесном сотрудничестве с производителями Widos GmbH и LUM GmbH. Мы искренне благодарим эти фирмы за поддержку в рамках исследовательских проектов. Мы также благодарим В.Шенкера и А.Гердт за помощь в лаборатории в контекстах данных исследовательских проектов.
Литература
1. DVS-Report: Forschungsbedarf zum Fuegen von Kunststoffen im Leichtbau und im Bereich der erneuerbaren Energien, DVS Media, Duesseldorf (2013)
2. R. Hanke: 2. Wuerzburger Fachtagung Innovative zerstoerungsfreie Pruefverfahren (ZfP) fuer moderne Kunststoffe, Symposium, Wuerzburg (2011)
3. IGF-Research project Nr.: ZN 04150/07: Terahertz-Spektroskopie zur zerstoerungsfreien Pruefung von stoff-schluessigen Kunststoffverbindungen mit Schwerpunkt Schweißqualitaetskontrolle, Report, SKZ, Wuerzburg (2011)
4. IGF-Research project Nr.: ZN 395/1: Entwicklung eines portablen Messsystems auf Basis der Terahertz-Zeitbereichstechnik fuer die zerstoerungsfreie Pruefung von geschweißten und geklebten Fuegeverbindungen, Report, SKZ, Wuerzburg (2014)
5. I.A. Starostina, N.V. Makhrova, O.V. Stoyanov, I.V. Aristov: On the Evaluation of the Acidity and Basicity Parameters of the Surface Free Energy of Polymers, The Journal of Adhesion 88:9, 751-765 (2012)
6. M.M. Chehimi, A. Azioune: Acid-Base Interactions: Relevance to Adhesion and Adhesive Bonding, in Handbook of Adhesive Technology, Second Edition, Marcel Decker Inc, N.Y. (2003)
7. M. Rasche: Handbuch Klebtechnik, Carl Hanser Verlag, Munich, Wien (2012)
8. A. V. Pocius: Adhesion and Adhesives Technology, An Introduction, 3rd Edition, Carl Hanser Verlag, Munich (2012)
9. G. Habenicht: Kleben, Grundlagen, Technologien, Anwendungen, 6th Revised edition, Springer Verlag Berlin Heidelberg (2009)
10. AiF-ProInno II Research project Nr. KF0031314FK7: Entwicklung eines Pruefgeraets zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften an HM und HD-Schweißnaehten, SKZ, Wuerzburg (2009)
© Э. Краус - магистр наук, аспирант КНИТУ (02.00.02 аналитическая химия), научный сотрудник и заместитель руководителя отдела „Склеивание и сварка полимеров" в немецком центре пластмасс (SKZ), Вюрцбург, Германия; Б. Баудрит - доктор наук, руководитель подразделения „Склеивание и сварка полимеров" в немецком центре пластмасс (SKZ), Вюрцбург, Германия; П. Хаидемаиер - доктор технических наук, управляющий директор немецкого центра пластмасс в области исследований и разработок (SKZ), Вюрцбург, Германия. М. Бастиан - профессор факультета "Технология полимерных материалов" университета Вюрцбург, доктор технических наук, управляющий директор немецкого центра пластмасс (SKZ), Вюрцбург, Германия; О. В. Стоянов - доктор технических наук, профессор, декан факультета технологий, обработки и сертификации пластмасс и композитов, зав. каф. технологии пластмасс КНИТУ, [email protected]; И. А. Старостина - доктор химических наук, доцент кафедры физики КНИТУ; В. В. Курносов - кандидат технических наук, доцент кафедры ТППКМ КНИТУ, [email protected].
© E. Kraus - Master of Science, Ph.D.-Student at KNRTU (02.00.02 Analytical Chemistry), research assistant and DeputyBusiness Unit Manager "Joining" in German Plastics Centre (SKZ), Wuerzburg, Germany; B. Baudrit - Doctor of natural Science, Business Unit Manager "Joining" in German Plastics Centre (SKZ) Wuerzburg, Germany; P. Heidemeyer - Doctor of engineering, managing Director of German Plastics Centre (SKZ) - Research and Development, Wuerzburg, Germany; M. Bastian - Professor at Faculty "Technology of polymeric materials" at the Julius-Maximilians-University, Doctor of engineering, managing Director of German Plastics Centre (SKZ), Wuerzburg, Germany; O. V. Stoyanov - Professor, Doctor of technical Science, Dean at Faculty of Technology, processing and certification of plastics and composites, Head of Department "Technology of Plastics" at KNRTU, Kazan, Russian Federation; I. A. Starostina - Doctor of chemical Science, Associate Professor at Department of "Physics" at KNRTU; V. V. Kurnosov - Associate Professor at Kazan National Research Technological University,Kazan, Russian Federation.
