Методы испытания клеев и мастик

К технологическим характеристикам клеев и мастик следует отнести внешний вид, плотность, вязкость, жизнеспособность, время отверждения, содержание наполнителя, концентрацию водородных ионов, термический коэффициент линейного расширения, усадку, собственные напряжения.

Внешний вид (ГОСТ 901—78). Для определения внешнего вида жидких клеев и мастик ограниченной жизнеспособности следует использовать только свежеприготовленные композиции. Внешний вид определяют визуально. Навеску композиции (25—50 г) помещают в стеклянный или фарфоровый стакан вместимостью 50—100 см³. Чистую сухую стеклянную палочку или шпатель погружают в клей и поднимают на 10—20 см над стаканом. Стекающая струя должна быть однородной, без посторонних механических примесей и сгустков.

Плотность (ГОСТ 21119.5-75). Наиболее точным для жидких композиций является метод определения плотности с помощью пикнометра. Используют также при определении плотности твердых клеев и мастик. Применение пикнометра для пастообразных композиций довольно сложно.

Для определения плотности жидких и пастообразных композиций используется обычный медицинский стакан вместимостью 15—30 см³. Для испытания жидких клеев используют толстую иглу, при работе с пастообразными композициями — шприц без иглы. Клей набирают в шприц, пузырьки воздуха удаляют. Из шприца клей выдавливают во взвешенную колбочку с притертой пробкой и определяют массу клея. Таким же образом находят массу дистиллированной воды в том же объеме. Плотность вычисляют путем деления массы клея на массу воды.

Плотность композиций, содержащих крупнодисперсный наполнитель, определяют следующим образом: мерный цилиндр на 50 см³ покрывают изнутри слоем противоадгезионной обмазки, взвешивают, заполняют клеем и взвешивают повторно. Плотность неотвержденного клея γ, г/см³, вычисляют по формуле

где G₁ — масса цилиндра с клеем, г; G₂ — масса пустого цилиндра, г.

Вязкость определяют на вискозиметрах В-36, Хепплера, ВП-3, ВК-2, ВЗ-1 и ВЗ-4. На вискозиметрах В-36 и ВЗ-4 определяют вязкость большинства смол и ненаполненных компаундов на их основе (ГОСТ 8420—74), вискозиметре Хепплера — вязкость всех исходных смол и соответствующих ненаполненных компаундов, а на вискозиметрах ВП-3 и ВК-2 (разработаны в ЦНИИСК В. В. Патуроевым) — вязкость особо густых клеев и т. п.

Вязкость при помощи вискозиметра В-36 (рис. 2.1) определяют следующим образом. Клеевую композицию наливают в промытый и высушенный резервуар вискозиметра до верхних острых концов указателя уровня, и резервуар регулирующими винтами устанавливают горизонтально. В качестве приемника под сопло вискозиметра помещают мерный цилиндр вместимостью 50—100 см³. В водяную рубашку вискозиметра наливают воду, имеющую температуру 20 °С. Когда температура смолы в резервуаре вискозиметра достигнет 20 °С, быстро вынимают стержень из сопла. В момент появления смолы в отверстии сопла пускают секундомер и останавливают его в момент наполнения приемника до объема 50 см³, определяемого по мениску. Определение проводят трижды. Расхождение результатов не должно превышать 5 % максимального значения. Замеры по секундомеру делаются с точностью до 0,2 с.

Рис. 2.1. Схема вискозиметра В-36
1 — плита;
2 — винт;
3 — сопло №2;
4 — гайки;
5 — прокладка;
6 — резервуар;
7 — ванна;
8 — конус иглы;
9 — стержень иглы;
10 — кольцо;
11 — винт установочный;
12 — крышка;
13 — втулки;
14 — указатель уровня;
15 — винт специальный;
16 — кронштейн;
17 — стойка

Условную вязкость, выраженную в градусах В-36, вычисляют по формуле
η=kt,
где k — константа сопла, устанавливаемая путем измерения времени истечения, с, через сопло 50 сма глицерина удельной массой 1,25 при 20 °С; константа может быть также определена путем сравнения с константами тарированных вискозиметров; t — время истечения клеевого раствора, с.

Для пересчета показаний вязкости, полученных на приборах, определяющих вязкость в абсолютных единицах, П, применяют переводное соотношение: 1 В-36=13,5 сП, или 100 сП=7,4° В-36. Этот пересчет допускается только для растворов, имеющих вязкость от 40 до 400° В=36.

Вязкость в вискозиметре Хепплера определяется по методу падающего шарика. Расчет ведут по формуле

где η — вязкость смолы, сП; k — константа шариков;  ζk— плотность шарика; ζt —плотность смолы; t — время падения шарика, с.

На приборе ВП-3 (рис. 2.2) условную вязкость определяют по изменению площади отпечатка следующим образом: из целлофана вырезают кружки диаметром 100 мм. На технических весах отвешиваются три навески исследуемого клея по 2 г с использованием целлофановых кружков в качестве подложки. После этого навески клея укладывают на предметное стекло прибора в местах центров концентрических окружностей и накрываются вторым верхним стеклом. Под действием веса верхнего стекла клей растекается, принимая форму окружности. С изменением вязкости изменяется диаметр отпечатка, а следовательно, и его площадь. По изменению площади судят об изменении вязкости в условных единицах площади отпечатка, выраженных в квадратных сантиметрах.

Рис. 2.2. Схема вискозиметра ВП-3 для определения вязкости по площади отпечатка
1 — корпус прибора;
2 — металлическая пластинка с тремя концентрическими окружностями;
3 — стекла

Вязкость на конусном вискозиметре ВК-2 с автоматической фиксацией времени (рис. 2.3) устанавливают следующим образом. Конус удерживают в верхнем положении электромагнитом, сосуд с клеем помещают в термостат. При помощи винта на стойке вершину подводят до соприкосновения с верхним уровнем клея. После этого тумблером выключают электромагнит, причем одновременно автоматически включается электросекундомер. Освобожденный конус под действием собственной массы опускается в клеевую массу на определенную величину е=75 мм. В этот момент стальной сердечник входит в зону индукционной катушки, и при помощи электронного реле выключает электросекундомер. Последний измеряет время прохождения конусом постоянного пути (75 мм) с точностью до 0,01 с. Условная вязкость определяется в секундах.

Для сравнительной оценки вязкости клеевых композиций приборы тарируют на компаунде из эпоксидной смолы ЭД-16 с различным содержанием окситерпенового растворителя. Вязкость этого компаунда определяется в сантипуазах по вискозиметру Хепплера.

Методика испытания на приборе ВЗ-1 аналогична методике определения вязкости на вискозиметре В-36, но конечный результат выражается в секундах без пересчета на градусы.

Жизнеспособность (ГОСТ 14231—78) является необходимой характеристикой для полимерных композиций, содержащих в своем составе отвердители и ускорители. В практике различают полную и рабочую жизнеспособность. Под полной жизнеспособностью понимают время с момента приготовления клея до начала его желатинизации. Рабочая жизнеспособность определяется временем с момента приготовления клея или мастики до приобретения ими вязкости, при которой они непригодны для нанесения на склеиваемые поверхности.

В большинстве случаев о жизнеспособности композиции судят по изменению ее вязкости с течением времени. Испытания проводят следующим образом: 200 г свежеприготовленного клея помещают в стеклянной или фарфоровой чашке в терсостат и выдерживают при температуре 20 °С. Начальную вязкость определяют по достижении клеем температуры 20 °С, далее вязкость определяют через каждые 10—20 мин, пока клеевая композиция не достигнет максимально допустимой вязкости.

В некоторых случаях, когда вязкость по тем или иным причинам не может быть установлена (например, у тиксотропных систем типа полиуретанового клея ПУ-2), жизнеспособность определяют, нанося клей кистью на металлические пластинки (из дуралюмина) размером 20X60 мм через каждые 30 мин, и отмечают время, в течение которого клей пригоден для нанесения.

Время отверждения определяют как для компонентов клеев {или мастик), так и для готовых клеевых композиций, например на основе модифицированных различными полимерами и мономерами феноло-альдегидных смол. Это испытание проводят также для получения ориентировочных данных, нужных при разработке новых композиций.

Для определения продолжительности отверждения навеску клея (0,5—2 г) наносят на нагретую металлическую поверхность электрической плитки и наблюдают за его отверждением в процессе нагревания при помешивании стеклянной палочкой или шпателем. Продолжительность отверждения — время, необходимое для перехода смолы в неплавкое состояние. Температура испытания в зависимости от природы компонентов клея может колебаться от 150 до 200 °С.

Содержание наполнителя. Обычно в клеевых или мастичных композициях содержание наполнителя известно, так как его вводят незадолго до нанесения. Для готовых композиций необходимо периодически контролировать содержание наполнителя. Для этого 2 г жидкого клея смешивают с растворителем до получения низковязкой консистенции и фильтруют. Остаток на фильтре промывают растворителем, высушивают и взвешивают. Фенолформальдегидные и резорциноформальдегидные клеи растворяют метиловым спиртом, меламиноформальдегидные — ледяной уксусной кислотой, полиэфирные и эпоксидные — метилэтилкетоном.

Концентрация водородных ионов (ГОСТ 14231—78) (рН) может быть определена электрометрическим и колориметрическим способами. Первый обладает большей точностью, но имеет довольно сложное аппаратурное оформление, определение ведут с помощью потенциометра ЛЛПУ-2; колориметрические методы менее точны, но значительно более просты и нашли широкое применение в лабораторной и заводской практике.

Наиболее распространенным является метод Михаэлиса, основанный на изменении окраски различных индикаторов в зависимости от рН раствора. Сравнивая цвет испытуемой жидкости с индикатором и цвет стандартных растворов колориметрической шкалы, определяют рН в пределах от 2,8 до 8,4. В качестве индикаторов Михаэлиса применяют производные нитрофенола, которые обладают большой чувствительностью и стойкостью. Предварительно с помощью известных индикаторов (лакмуса, фенолфталеина, универсального индикатора) ориентировочно устанавливают концентрацию водородных ионов, которую затем уточняют при сравнении со стандартными растворами.

Для определения рН некоторых типов клеев, в частности на основе карбамидоформальдегидных смол, предложен следующий способ подготовки материала для анализа. Клеевую пленку толщиной не более 0,5 м, нанесенную на силикатное стекло, сушат при комнатной температуре в течение 12—15 ч. Высохшую пленку снимают со стекла и измельчают в ступке. Навеску клея (около 2 г) помещают в колбу из кварцевого стекла и заливают 10 см³ дистиллированной воды. Через 15 мин определяют рН, после чего опыт повторяют через каждые 24 ч до получения совпадающих результатов.

Термический коэффициент линейного расширения определяют на образце испытуемой пленки, которую укладывают на поверхность стекла и подогревают теплым воздухом. При этом один конец пленки закреплен в подвижном зажиме, а другой свободно лежит на поверхности стекла. Изменение длины пленки в» зависимости от температуры определяют под микроскопом. То, что пленка находится на стекле или металле, приводит к неточности результатов. Для устранения этого недостатка предложено пленку помещать на поверхность ртутной ванны, обогреваемой электрическим током. Длину пленки измеряют металлографическим микроскопом, снабженным линзой с делениями.

Термический коэффициент линейного расширения α, 1/°С, вычисляется по формуле
     
где l₀ и l — начальная и конечная длина пленки, мм; t₀ и t — начальная и конечная температура, °С.

Усадку х, %, клеев и мастик на основе смол, не содержащих растворителей и сополимеров ненасыщенных полиэфиров с ди- или полифункциональными мономерами, можно определять исходя из разности плотностей исходной композиции и в отвержденном состоянии. Вычисление ведут по формуле

ρ₀ — плотность исходной композиции; ρ — плотность отвержденной композиции.

Плотность исходной и отвержденной композиций определяют с помощью пикнометров.

Простым и удобным является определение усадки на приборе НИИЖБ (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Прибор для определения объемной усадки
1 — цилиндрическая камера;
2 — затяжные болты;
3 резиновая пробка;
4 — микробюретка;
5 — машинное масло;
6 — исследуемая полимерная композиция;
7 — уплотнение

Собственные напряжения, возникающие в результате усадки клеевых и мастичных пленок в процессе их отверждения, существенно влияют на прочность клеевых соединений. Определять их можно консольным методом (рис. 2.5). Для этого на пластинку из металла или неметаллического материала, консольно закрепленную в соответствующем приспособлении, наносят жидкую композицию. По мере отверждения полимерной пленки в ней возникает упругая сила Р, определяемая по формуле
P= σ_B b а,
где σ_B — внутренние напряжения, МПа; b — ширина пленки, мм; а — толщина пленки, мм.

Под действием силы Р на конце закрепленной пластинки возникает изгибающий момент М, вычисляемый по формуле
,
где α — толщина пластинки, мм.

Угол отклонения пластинки характеризует внутренние напряжения, вызывающие деформацию пластинки за счет изгибающего момента М.

При плосконапряженном состоянии значение внутренних напряжений в полимерном покрытии определяют следующим образом. На металлический диск (сталь, алюминий) диаметром 120 мм, толщиной 1—1,5 мм наносят покрытие из исследуемой полимерной композиции, толщина которого соответствует толщине металлического диска. На свободную сторону диска наклеивают тензодатчик, выведенный на регистрирующий прибор. В процессе отверждения клеевой композиции фиксируются показания тензодатчика. Значения внутренних а напряжений вычисляют из выражения

где ε₀ — деформация свободной поверхности металлического диска; E₀ — модуль упругости материала диска; h₀ — толщина диска; µ_П— коэффициент Пуассона клеевой композиции; h_П — толщина полимерного покрытия.