Uvod
2
1.2 Cilji
Cilj naloge je pridobiti podatke o trdnosti spoja v natezni in strižni smeri ter podatke o negativnih zunanjih vplivih na trdnost spoja. V proizvodnem procesu je takt ključnega pomena, zato je potrebno pridobiti odvisnost trdnosti spoja tudi od časa strjevanja.
3
2 Teoretične osnove in pregled literature
2.1 Osnove lepljenih spojev
Lepljenje predstavlja enega od možnih načinov izdelave konstrukcij. Uporabo lepil se lahko zasledi že v času faraonov.
Lepljeni spoj je sestavljen iz lepila in lepljencev (delov, ki jih lepilo povezuje). Način prenašanja sile na lepilo pa imenujemo oprijemljivost (ang. adhesion). Pomanjkanje oprijemljivosti je uporabno za premaze proti sprijemanju in podobne aplikacije. [1]
2.1.1 Primerjava z drugimi spoji
Lepljeni spoji imajo pred drugimi načini spajanja določene prednosti in slabosti.
Prednost pri spajanju z lepilom je, da so napetosti v materialu bistveno bolje porazdeljene, kot pri spajanju z vijaki ali kovicami. Pri lepljenju ne prihaja do zareznega učinka, kar omogoča, da manj materiala prenese enako obremenitev, kot pri drugih oblikah spajanja.
Enakomerno porazdelitev napetosti čez celoten material omogočata še spoja z lotanjem ali varjenjem, vendar se težko izognemo temperaturno vplivnemu območju. [1], [2]
Lepljeni spoji imajo tudi prednosti pri utrujanju materiala, saj so ti bolj elastični, kar omogoča manjše sunke sile. Manjši sunki sile omogočajo, da spoj prenese bistveno več obremenitvenih ciklov. K temu pripomore tudi manjši zarezni učinek. Lepilo lahko deluje tudi kot tesnilo. S tem se izognemo dodatnim sestavnim delom in proizvodnim korakom. [1]
Ker so lepila večinoma neprevodni materiali, tudi preprečujejo galvanski učinek med lepljenci. [3] Lepila so tudi lažja od vijakov in podobnih sredstev za spajanje. [4]
Pri lepljenih spojih lahko spajamo različne materiale (še boljši na tem področju so vijaki in do neke mere varjenje), vendar pri lepilih zaradi njihove prožnosti ni večjih težav z različnimi koeficienti temperaturnega raztezanja. [2]
Teoretične osnove in pregled literature
4
Lepila omogočajo ustvarjanje gladkih površin, kar je zelo pomembno pri aerodinamičnih komponentah, ki imajo v nasprotnem primeru izbočene glave kovic. [2]
Slabost lepljenih spojev pa je, da za prenašanje enakovrednih obremenitev potrebujejo bistveno večjo površino spoja. Napetost, ki jo lahko spoj prenese, je močno odvisna od kvalitete površine lepljencev (hrapavost, umazanija, …), pri čemer je kvalitetno površino težko ali pa nemogoče zagotavljati. Ker je večina lepil polimerov, se pojavi tudi omejitev najvišje delavne temperature, ki je nižja od večine drugih spojev. Lepila potrebujejo za delovanje določen čas strjevanja, ki ga je potrebno upoštevati v procesu. [1], [2]
S stališča varnosti je velika slabost, da lepljenih spojev večinoma ne moremo vizualno preveriti, testi z nedestruktivnimi metodami pa so lahko zahtevni. [1], [2]
Ker so lepila slabi prevodniki, jih ne moremo uporabiti za prenos električnega ali toplotnega toka. Težavo se lahko odpravi z dodajanjem polnil. [3]
2.2 Vrste lepil
Glede na kemijsko osnovo ali tip delovanja lahko v grobi delitvi lepila razdelimo na:
Epoksije
Večinoma gre za dvokomponentna lepila, ki so še vedno najbolj pogosto uporabljena. Dobro lepijo kovine, keramiko in veliko polimerov. So kemijsko stabilna in izkazujejo majhne skrčke. Hitrost reakcije med obema komponentama je močno odvisna od temperature. [5]
Ker gre za termosete, se ob dovolj visokih temperaturah le razgradijo in se ne zmehčajo.
Zato veljajo za ena od najbolj temperaturno obstojnih lepil. [4]
Poliuretane
So lahko eno ali dvokomponentna lepila, ki lepijo kovine, polimere, steklo in kamen. So odporna na udarce in posledično zagotavljajo boljšo trdnost pri nizkih temperaturah. Njihovo strjevanje sproži vlaga v zraku, zato je proces brez katalizatorjev (druge komponente) počasen. [5]
Reaktivne akrile
So dvokomponentna lepila, saj potrebujejo poleg smole tudi manjši delež aktivatorja.
Aktivator je navadno tekočina, ki po aplikaciji izhlapi in je po združitvi s smolo strjevanje hitro. To omogoča, da lahko na eno površino sestava nanesemo lepilo, na drugo pa aktivator.
Tako pripravljene dele lahko v poljubnem času združimo. Pri tem steče proces strjevanja lepila. So bolj namenjena lepljenju polimerov. Lepijo lahko tudi kovine in so manj občutljiva na umazanijo na površini. [4], [5]
Anaerobne akrile
So večinoma znani kot lepila za vijake. Za njihovo delovanje mora biti vsaj en lepljenec kovinski, kar tudi precej pospeši strjevanje. Strjevati se začnejo ob pomanjkanju kisika, od koder tudi izvira njihovo ime. Višek lepila, ki je izpostavljen kisiku se običajno ne strdi. [5]
Niso primerni za večje reže in vpojne materiale, saj takrat ne moremo zagotoviti anaerobnih pogojev. [4]
Teoretične osnove in pregled literature
5 Cianoakrilate
Njihovo strjevanje poteka s pomočjo vlage, ki je prisotna na površini lepljenca. Večinoma so namenjeni lepljenju polimerov. Ker so termoplasti, imajo nizko uporabno temperaturo.
Poznamo jih kot super lepila. [5] Niso odporna na topila in zahtevajo dobro poravnavo samih površin za čim manjšo režo. [4]
Silikone
So uporabni predvsem zaradi elastičnosti in velikega temperaturnega območja. Uporabni so od nizkih temperatur do približno 250°C. Lahko so dvokomponentni in delujejo podobno kot epoksiji ali pa enokomponentni in se strjujejo s pomočjo vlage v ozračju. [5]
2.3 Princip delovanja
Sile, ki povezujejo molekule trdne snovi ali tekočine v povezano celoto, so enake tudi v lepljenem spoju. Če si spoj predstavljamo kot sistem, ima le ta težnjo po zavzemanju najnižjega energijskega stanja. [1]
Žal pa ne obstaja enotna teorija za popisovanje principa lepljenja. Na voljo je veliko teorij, ki se vsaka na svoj način in v manjših okvirih lotijo popisovanja tega problema. [1]
2.3.1 Sile med molekulami
Za lepila pomembne sile, ki se pojavijo med molekulami so:
2.3.1.1 Elektrostatična sila
Sila se pojavi med molekulami ali atomi z nabojem, poznana je tudi kot Coulomb-ova sila.
Če imata molekuli enak naboj, se odbijata, če imata nasprotni naboj, se privlačita. Privlak določa elektronegativnost. Večja kot je elektronegativnost, bolj se molekuli privlačita.
Elementi na desni strani periodnega sistema so bolj elektronegativni.
Potencialno energijo med molekulami se zapiše z enačbo (2.1), v kateri ε predstavlja dielektrično konstanto medija v katerem sta molekuli. Običajno se te vezi v drugih spojinah imenujejo ionske. [1]
Teorijo potrjuje sproščanje elektronov ob odstranitvi lepila z lepljenca. [2]
𝐸𝑝E = 𝑞1𝑞2 4 𝜋 𝜀 𝑟
(2.1)
Teoretične osnove in pregled literature
6