Исследование прочности клеевого соединения
автомобильных стекол
Проблема прочности и долговечности клеевых
соединений охватывает комплекс разнообразных
вопросов, многие из которых изложены в [1, 2]. По
этому в статье рассмотрено главным образом дли
тельное и кратковременное действие температурно-влажностных и временных факторов на клеевое
соединение стекло – окрашенный металл.
В настоящее время на ОАО "Автоваз" для вклеивания автомобильных стекол семейства автомобилей ВАЗ-2110 и семейства автомобилей ВАЗ-1118
используют полиуретановые клеи марок "Теростат8590UHV/M" фирмы "Хенкель" и "Бета
сил 1701" и фирмы "Дау". Для достижения наибольшей прочности адгезии фирмами–производителями клеевых систем рекомендуется использовать
соответствующие очистители и праймеры, которые
подбирают в зависимости от типа склеиваемых материалов.
Очиститель – разбавитель применяют, как правило, производства той же фирмы, что и клей, для
очистки поверхностей перед склеиванием или уплотнением. Для стекла применяют специальные
очистители, которые не оказывают вредного воздействия на краску.
Праймер – это защитный слой, который применяют для
предохранения клеевого соединения от воздействия ультрафиолетовых лучей и для
лучшей адгезии стекла с металлом. Его наносят на стекло и
краску на кузове.
В авиации, машиностроении и некоторых других отраслях промышленности получили распространение испытания на прочность клеевых соединений при заданных условиях, обусловленных
конкретными требованиями к клеевому соединению в данной конструкции.
Одним из главных показателей при испытаниях клеевого соединения
является прочность при сдвиге:
τсд = F / S ,
где τсд – прочность при сдвиге, МПа;
F – разрушающая нагрузка, Н;
S – площадь склеивания, м2.
Испытанию подвергают как неотвержденные,
так и отвержденные клеи, подвергнутые температурно-влажностным и временным воздействиям.
Факторами, в значительной степени влияющими на скорость полимеризации полиуретанов, являются
температура и относительная влажность окружающей среды, в которой происходит
операция склеивания материалов.
Отличительной особенностью механизма полимеризации полиуретановых
клеевых систем следует отметить кинетику отверждения от верхнего слоя в глубину
нанесенного шва. Время полной полимеризации Т0 полиуретановых клеевых систем
при температуре (23±2)°С и относительной влажности (50±5) % с применением праймера составляет семь суток.
Если к прочности клеевого соединения подходить с теоретической
точки зрения, то рассмотрим один из наиболее часто встречающихся случаев:
отверждение клея произведено при повышенной температуре (напряжениями, возникшими при отверждении, пренебрегаем); испытания соединения проводятся при нормальной температуре. Это означает,
что [1] при F > 0:
;
h – высота адгезива;
k – постоянная Больцмана:
Теоретические кривые зависимости адгезионной прочности τ от температуры испытаний на
сдвиг соединений внахлестку представлены на
рис. 1.
Способность рассматриваемой адгезионной модели противостоять, не разрушаясь, температурному воздействию условно назовем термической
прочностью.
В общем случае модель может разрушиться от
действия влаги (набухания), усадочных деформаций при отверждении адгезива и т.п.
В случае с рассматриваемыми полиуретановыми
клеями происходят также процессы изменения
прочности под влиянием влажности – ее увеличение в определенных условиях. Поэтому для наглядности происходящих адгезионных процессов можно ограничиться рассмотрением лишь термической прочности модели.
Целью настоящей работы было определение
влияния температурно-влажностных факторов и
времени выдержки полиуретановых (ПУ) клеевых
систем на прочность вклейки стекол.
Для этого в лабораториях ИЦ ОАО "АвтоВАЗ" были проведены
сравнительные испытания по определению прочностных характеристик соединений, полученных с использованием применяемых
на заводе полиуретановых клеев, в различных временных и температурно-влажностных условиях.
Собранные образцы соединений "стекло + окрашенный металл" выдерживали в течение 2,5 и 6 ч
в различных условиях:
- оптимальные условия – в камере при темпера
туре (23$±2)°С и относительной влажности (50±5) %;
- в пониженной влажности 20…22 % при комнатной температуре;
- при дополнительном орошении водой в целях
повышения скорости полимеризации. Орошение
производили с помощью распылителя непосредственно на собранные образцы.
1. Механические характеристики физических свойств используемых материалов
Материал |
Модуль
упругости Е,
МПа |
Предел
текучести
σт, МПа |
Коэффициент
Пуассона, μ |
Плотность
р, г/см3 |
Сталь 08Ю |
185000 |
190 |
0,3 |
7,9 |
Стекло |
74000 |
- |
0,2 |
2,2 |
Клей |
9 |
- |
0,48 |
1,3 |
2. Результаты испытаний после выдержки образцов в течении 2.5 часов
Относительная
влажность, % |
Прочность при сдвиге после
выдержки
образцов при (23 ± 2)°С,
ИПа |
Теростат
8590UHV/M |
Бетасил-1701 |
20 ... 22 |
0,04 |
0,04 |
50 ±
5 |
0,19 |
0,09 |
Дополнительное
орошение |
0,12 |
0,09 |
3. Результаты испытаний после выдержки образцов в течении 2.5 часов
Относительная
влажность, % |
Прочность при сдвиге после
выдержки
образцов при (23 ± 2)°С,
ИПа |
Теростат
8590UHV/M |
Бетасил-1701 |
20 ... 22 |
0,10 |
0,09 |
50 ±
5 |
0,50 |
0,20 |
Дополнительное
орошение |
0,29 |
0,19 |
Размер образцов, мм: металл – 100х50х1,5; стекло – 80х50х5,2. Площадь склеивания образцов
0,045 м2; точность метода до 1 %.
Испытания проводили на разрывной машине,
скорость движения зажима машины 50 мм/мин.
Физико-механические свойства материалов со
единения представлены в табл. 1.
Результаты испытаний представлены в табл. 2, 3.
Прочность клеевого соединения измеряли после
выдержки образцов в течение 2,5 ч (табл. 2) и 6 ч
(табл. 3).
Повышение прочности клеевого соединения
очевидно при повышении влажности воздуха
(рис. 2).
Результаты испытаний показали, что прочность
клеевых материалов марок "Теростат8590UHV/M"
и "Бетасил1701" после выдержки образцов в течение 2,5 ч недостаточна. Положительные результаты получены после выдержки образцов в течение
6 ч при (23±2)°С и относительной влажности
(50±5) % и образцов с дополнительным орошением, собранных с применением клея "Теростат8590UHV/M".
Очевидно, это обусловлено рецептурными особенностями клея, влияющими на
скорость полимеризации клеевого шва.

Рис. 2. Зависимость прочности τ клеевого соединения от влажности воздуха после выдержки образцов в течение:
а – 2,5 ч; б – 6 ч; – – – – "Теростат8590UHV/M"; ––––
"Бетасил1701"
Дополнительно были проведены сравнительные испытания образцов
соединений стекло – окрашенный металл, собранных с использованием клея
марки "Теростат8590UHV/M", которые выдерживали в условиях недостаточной влажности, в условиях оптимальной влажности и в условиях улицы
при пониженных температурах. Результаты испытаний представлены в табл. 4 и на рис. 3.
4. Результаты испытаний на прочность при сдвиге
образцов соединений с использованием клея марки "Теростат-859090UHV/M"
Время
выдержки,
ч |
Прочность на сдвиг, МПа |
Температура,
°С |
23
± 2 |
- 20
± 5 |
Относительная влажность, % |
20 ... 22 |
50 ± 5 |
условия
улицы |
244 |
0,40 |
0,94 |
0,12 |
48 |
0,48 |
1,24 |
0,13 |
72 |
0,60 |
1,72 |
0,13 |

Рис. 3. Влияние прочности τ клеевого соединения
исследуемых клеев
в зависимости
от влажности воздуха после выдержки образцов в течение t = 24…72 ч:
1 – (23±2) °С, 20…22 %;
2 – (23±2) °С, (50±5) %;
3 –
(20±5) °С
Анализ результатов, приведенных на рис.3,
показывает, что в условиях выдержки образцов при
температуре (23±2)°С, относительной влажности
20…22 % и температуре (23±2)°С, относительной
влажности (50±5) % отмечается постепенное увеличение прочности клеевого
соединения при применении исследуемых марок полиуретановых клеев. В условиях выдержки образцов при минус
(20±5)°С (условия улицы) прочность клеевого со
единения не изменяется, т.е. процесс полимеризации клея останавливается.
Полученные в ходе проведенной работы результаты исследований показывают, что прочность
клеевого соединения полиуретановых клеев в значительной мере зависит от
температуры и влажности, в которых производится операция вклейки
стекол.
Вывод
Экспериментальная проверка представленных
теоретических расчетов доказывает взаимосвязь
показателей прочности клеевого соединения и
температурно-влажностновременных факторов.
Статья "Исследование прочности клеевого соединения автомобильных стекол"