Data dodania:

2014-11-26

Opracował:

Marek Bernaciak

Zobacz także:

Kleje upraszczają konstrukcje z tworzyw kompozytowych

Nowe kleje z grupy MA do łączenia tworzyw sztucznych i metali

Wstęp.

Kleje konstrukcyjne mogą być pomocne przy obniżaniu emisji, zwiększeniu szybkości montażu i produktywności. Artykuł wyjaśnia w jaki sposób te kleje uprościły proces konstrukcyjny w wielu zastosowaniach kompozytów w architekturze, transporcie, przemyśle morskim i budowlanym.

Zużycie klejów konstrukcyjnych znacznie wzrosło w ostatnich kilku dekadach. Kleje te zostały m.in. użyte do klejenia płytek tarczy termicznej wahadłowca i zastąpiły mechaniczne mocowania w dobrze znanych bombowcach i myśliwcach typu stealth. Lecz co to takiego są kleje konstrukcyjne? W jaki sposób upraszczają one konstrukcje z tworzyw kompozytowych?

W uproszczeniu "kleje konstrukcyjne" są to takie kleje, które, niezależnie od budowy chemicznej, są używane w połączeniach przenoszących obciążenia. Zastosowania obejmują klejenie części, które są duże lub drogie, albo połaczenia, w których uszkodzenie połączenia klejonego mogą być bardzo niebezpieczne. Użycie klejów konstrukcyjnych, a w szczególności metakrylowych klejów konstrukcyjnych, przyspiesza produkcję struktur z udziałem kompozytów wzmocnionych włóknem szklanym ( GRP - glass reinforced plastics ) poprzez umożliwienie sklejania takich elementów bez kosztownej obróbki powierzchni czy też piaskowania. Robocizna jest przy tym obniżona a produkcja uproszczona.

Kleje metakrylowe.

Jedną z większych zalet klejów metakrylowych jest ich zdolność do klejenia większości materiałów z małym lub też bez żadnego przygotowania powierzchni. W szczególności kleje na bazie metakrylu posiadają silne działanie rozpuszczające na prawie wszystkie żywice poliestrowe i żelkoty. Tak więc, części z GRP, wykonywane w formach otwartych bądź zamkniętych, zwykle mogą być klejone bez piaskowania lub szorstkowania. Kleje metakrylowe z powodzeniem używa się do klejenia prawie wszystkich żywic. W taki sam sposób jak monomer metakrylanu metylu solwatuje żywicę poliestrową, również rozpuszcza on większość wosków użytych w wielu innych żywicach. Z drugiej strony, jeśli elementy są starsze niż kilka tygodni może okazać się konieczne pewne przygotowanie powierzchni. Aby odpowiedzieć definitywnie czy takie przygotowanie jest niezbędne, we wszystkich przypadkach należy dokonać laboratoryjnego sprawdzenia .

Zastosowania architektoniczne.

Użycie kompozytów w zastosowaniach architektonicznych gwałtownie wzrasta. Architekci szybko uczę się, że bardzo złożone konstrukcje mogą być wykonane z GRP szybko i łatwo. Konstrukcje te są nie tylko niedrogie ale równiez wyjątkowo trwałe.

Głównym punktem rozważań w takich konstrukcjach jest pytanie jak połączyć je z budynkiem. Ogólnie rzecz biorąc, oznacza to również, że taka struktura może zostać przymocowana do budynku później. Wysoka wytrzymałość i duże wydłużenie kleju metakrylowego zapewniają im wystarczającą sztywność i trwałość do wypełnienia tego zadania. Ponadto, kleje te sprawdzają się także w łączeniu materiałów o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej.

Klejenie metalowych wsporników.

Podczas klejenia wsporników do GRP należy zwrócić uwagę na dwie ważne sprawy. Pierwsza: pomocniczo należy używać zacisków przegubowych dla zapewnienia właściwej siły docisku podczas utwardzania się kleju. Druga: użycie otworów guzikowych daje szybkie wizualne sprawdzenie, że jest wystarczająco dużo kleju we właściwym miejscu pod wspornikiem.

Zawsze gdy metalowe wsporniki są mocowane do konstrukcji kompozytowych, należy zadbać o to, aby eliminować efekt "przenikania"/ prześwitywania połączenia na powierzchni czołowej (licowej). Efekt ten może powstawaæ, gdy podczas utwardzenia się klej zbytnio kurczy się powodując wgłębienia na powierzchni czołowej i szczególnie często występuje gdy laminat jest jeszcze bardzo świeży lub bardzo cienki. Na szczęście postępy w technologii klejenia doprowadziły do powstania nowych klejów charakteryzujących się niskim skurczem, dzięki czemu eliminowany jest efekt przenikania spowodowanego skurczem kleju.

Rys.1. Nieco przejaskrawiony schemat odkształconego
profilu aluminowego, sklejanego z konstrukcją kompozytową.

Naprężenia i odkształcanie się źle pasowanych części jest innym zjawiskiem, które również może powodować "prześwity". Na rysunku 1 pokazany jest prosty szkic wzmocnienia aluminiowego (rzeczywista aplikacja), którego krzywizna nie pokrywa się z konturem części wykonanej z GRP. Mimo że wspornik aluminiowy być bardzo sztywny, monter docisnąć części razem w zacisku. Oczywiście po utwardzeniu kleju, aluminiowy wspornik powrócił do pierwotnego kształtu i spowodował odkształcenie części (rys. 2). Ponieważ sklejany zespół był elementem fasady dużego centrum rekreacyjnego taki prześwit był niedopuszczalny.

Rys.2. Po sklejeniu w efekcie otrzymuje się wklęsłą powierzchnię, która
jest nie do przyjęcia ze względów estetycznych.

Zastosowanie morskie.

Przemysł morski bardzo szybko wykorzystał zalety klejenia. Aplikacje, które były wykonywane zwykle przy użyciu mat szklanych (łączenie elementów konstrukcyjnych z żywicą i szkłem), teraz rutynowo wykonuje się przy użyciu klejów konstrukcyjnych. Główną zaletą klejów konstrukcyjnych w tych zastosowaniach jest to, że są szybsze i lżejsze od żywic i szkła. Inną nabierającą znaczenia zaletą jest znacznie obniżona emisja organicznych substancji lotnych.

Rys. 3

Rys. 3 pokazuje kadłub 10-metrowego jachtu motorowego po nałożeniu kleju. Pokład oczekuje nad kadłubem gotowy do opuszczenia na miejsce, gdy tylko robotnicy skończą nakładanie kleju. Do nakładania nie są konieczne żadne drogie urządzenia dozujące, ponieważ kleje konstrukcyjne można dozować większością dostępnych dozowników. Na zdjęciu 4 widać robotnika używającego zwykłej plastikowej torby do dozowania wymieszanego kleju. Czas nakładania kleju dla łodzi tych rozmiarów wynosi około 15 minut.

Rys. 4

W konstrukcji łodzi występują dwa popularne typy łączeń pokładu z kadłubem. Rys.5 przedstawia " połączenie sworzniowe" (knuckle-joint), wzór typowy dla Europy, Australii i Nowej Zelandii.

Rys. 5.

Na rys. 6 przedstawiono połączenie określone jako "pudełko do butów" (shoe-box joint), bardziej powszechne w USA.

Rys. 6.

Z technologicznego punktu widzenia połączenie sworzniowe może wymagać dodatkowego czasu i materiału na wytworzenie wystarczająco dużych powierzchni flanszowych do klejenia. Od strony klejenia takie połączenie jest lepsze od "pudełka do butów" w każdym aspekcie. Po pierwsze, pozioma powierzchnia flansz pozwala na łatwiejsze i bardziej spójne nakładanie kleju przez personel montujący. Po drugie, spójna nitka kleju przekłada się bezpośrednio na mocniejsze i bardziej odporne na przecieki połączenie. Ostatecznie, pasujące płaskie powierzchnie połączenia sworzniowego pozwalają na łatwiejsze ustawienie pokładu na kadłubie.

Po klejeniu, połączenia mogą być skrócone śrubami lub nitowane w regularnych odstępach zależnie od założonych parametrów projektu producenta oraz od tego czy łódź ma być certyfikowana zgodnie z wymaganiem Lloyds of London, Det Norske Veritas (DNV) czy American Bureau of Shipping (ABS). We wszystkich przypadkach złącze jest przykryte poręczą nadburcia - relingiem).

Inną technikę konstrukcyjną, która znajduje coraz większe zastosowanie w branży morskiej, jest użycie w konstrukcji łodzi wzdłużników wykonanych w całości z kompozytów GRP.

Rys. 7

Od dziesięcioleci szkutnicy używali systemów wzdłużników wykonywanych ze sklejki jako wewnętrznego szkieletu wzmacniającego kadłub i wyłożenie podłogi w łodzi. Takie systemy były dostatecznie łatwe do wykonania i bardzo oszczędne. Z drugiej strony, woda i wilgoć mogą zaatakować drewniane wzdłużniki i powodować ich gnicie. W odwiecznej walce z wodą morską wielu budowniczych projektuje teraz swoje wzdłużniki całkowicie wykonane z kompozytów GRP. Mimo początkowego wzrostu kosztów związanych z narzędziami i materiałami, zwiększenie produktywności i podwyższona trwałość przynosi bardzo szybki zwrot nakładów budowniczym. Badania wykazują, że wklejenie wzdłużników z GRP zwiększa wytrzymałość dna o 20%, a boczną o 10%, na dodatek odbywa się to bez dodatkowego ciężaru i robocizny.

Rys. 8

Oprócz wydajności, którą daje klejenie wzdłużników, klienci i sprzedawcy zauważają również polepszenie jakości. Gdy otwiera się luk bagażowy można znaleść piękne żelkotowe pomieszczenie, a nie tylko goły pokład, czy też starodawne drewno.

Zastosowania transportowe.

Dziś wiele kabin wielkich ciężarówek, ich części noclegowych, owiewek jest wykonywanych z GRP. Zużycie elementów kompozytowych ciągle wzrasta ponieważ projektanci dążą do tego aby ich ciężarówki były jeszcze bardziej aerodynamiczne. Ponadto, ponieważ wnętrza projektuje się, aby zwiększyć komfort dla właściciela, operatora, wewnątrz kabin coraz więcej używa się elementów GRP z przeznaczeniem na schowki i miejsca wypoczynku (i rozrywki).

Rys. 9

Rys. 9 pokazuje klejenie wzdłużnika do dachu kabiny sypialnej wielkiej ciężarówki . Wzdłużnik, który jest przyklejany do dachu ma flansze o szerokości około 20 mm przeznaczone do sklejenia. Operator umieszcza wzdłużnik na dachu i robi jego obrys czerwonym pisakiem. Następnie nakłada klej wewnątrz dachu i umieszcza wzdłużnik we właściwej pozycji. Potem, przy pomocy ścisku wzdłużnik utrzymywany jest w tej pozycji przez 80 - 90 minut zanim klej nie osiągnie wytrzymałości wstępnej.

Użycie konstrukcyjnego kleju metakrylowego oznacza, że nie wymaga się piaskowania, ani szorstkowania przed klejeniem. Ponadto, nakładanie kleju i montaż można wykonać w przeciągu mniej niż połowy czasu wymaganego przy łączeniu z użyciem żywic i mat szklanych.

Zalety konstrukcyjnego klejenia w zastosowaniach w wielkich ciężarówkach wykraczają poza eliminację prostego przygotowania powierzchni. Użycie kleju eliminuje potrzebę używania elementów mocujących, takich jak nity. Nawet dzisiaj, większość ciężarówek ciągnikowych posiada poszycia metalowe łączone tysiącami nitów. Każdy nit tworzy potencjalną drogę przecieku przez poszycie. Użycie klejów eliminuje potencjalne przecieki i oraz tworzy estetyczny wygląd. Ponadto, kiedy części są wykonane z GRP, kleje obniżają obciażenia punktowe, przez co, redukuję potencjalne pękania żelkotu.

Emisja organicznych substancji lotnych (VOC).

Zastępując klejeniem łączenie kompozytów za pomocą mat szklanych i żywic, wymagana ilość kleju stanowi ogólnie rzecz biorąc jedną trzecią ilości żywicy.

Emisja organicznych substancji lotnych (VOC) dla żywicy styrenowej ogólnego stosowania w porównaniu do typowego kleju metakrylowego

Żywica poliestrowa
Klej metakrylowy
Wymagana ilość 1500g 500g
Emisja podczas utwardzania 6% (styren) 1% (monomer MMA)
Wyliczenie emisji 1500 x 6% = 500g x 1% =
Emisja netto 90g 5g

Tabela 1.

Tabela 1 pokazuje kalkulacje emisji dla żywicy poliestrowej i typowego kleju metakrylowego. Z tabeli jasno wynika, że emisje organicznych substancji lotnych mogą być zredukowane o ponad 90%!

Uproszczenie montażu.

Wymienione w niniejszym artykule aplikacje pokazują jak kleje konstrukcyjne upraszczają montaż w konstrukcjach z materiałów kompozytowych.

Dwa zastosowania pokazane w przemyśle morskim - klejenie pokładu z kadłubem oraz wklejanie wzdłużników - znajdują coraz większą akceptację w świecie. Użycie dla tych celów metakrylowych klejów konstrukcyjnych pozwala producentom łodzi zwiększać wydajność i nie odbywa się to kosztem jakości.

W ostatnich latach budowa kabin wielkich ciężarówek ewoluowała od płata blachy mocowanego tysiącami nitów do wykorzystywania kompozytów żywiczno-szklanych (GRP) łączonych klejami konstrukcyjnymi. Użycie klejów konstrukcyjnych pozwala na szybszy montaż, zmniejszenie obciążeń punktowych w połączeniach pracujących pod obciążeniem oraz prawie całkowitego braku prześwitywania konstrukcji kabiny czy też maski lub poszycia samochodu. Innymi słowy, uzyskana przez klejenie część jest mocniejsza, bardziej trwała a także bardziej estetyczna.

Na koniec, użycie klejów konstrukcyjnych w miejsce żywic poliestrowych może przynieść również korzyść dla środowiska naturalnego poprzez redukcję emisji organicznych substancji lotnych (VOC) w trakcie montażu kompozytów nawet więcej niż o 90%.

Zobacz również: Kleje MA