КЛЕЕВАЯ КОМПОЗИЦИЯ
ADHESIVE COMPOSITION

Изобретение относится к полимерной химии, в частности к области клеевых композиций на основе сополимера бутилметакрилата и метакриловой кислоты, применяемых для склеивания различных субстратов (металла, дерева, керамики и др.).
Известен клей, представляющий собой 30 мас.% раствор сополимера бутилметакрилата (95,0 мас.%) с метакриловой кислотой (5,0 мас.%) (БМК-5) в техническом ацетоне (В.С. Ратьковский "Применение клеев при производстве электромонтажных работ", М., "Энергия", 1978, с.18, 43). Клей применяется для склеивания металлов, пластмасс, дерева и т.д. Получаемые клеевые соединения характеризуются хорошей влагоустойчивостью, прозрачностью и светостойкостью. Однако прочность клеевого соединения невелика. Прочность при равномерном отрыве, например, склеенных стальных образцов составляет 1,0-1,2 МПа. Но главным недостатком этого клея является невысокая теплостойкость (до плюс 60°С). Это ограничивает применение клея на основе БМК-5, например, в машиностроении, где эксплуатация изделий происходит при температуре плюс 150°С и выше, в литейном производстве, где клеи используются при изготовлении песчаных стержней и литейных форм сложной конфигурации.
Для улучшения адгезионных и других свойств клея на основе БМК-5 в его состав вводят модифицирующие добавки.
Так, известна клеевая композиция для склеивания пластмасс с металлами или силикатными материалами, содержащая на 100 мас.ч. смолы БМК-5, 17-38 мас.ч. каучука СКУ-8ПГ, растворимого в ацетоне, 250-300 мас.ч. ацетона и 250-350 мас.ч. каолина (авторское свидетельство СССР №302354, опубл. 28.04.1971). Введение каучука в состав этой клеевой композиции повышает ее морозостойкость и эластичность. Однако прочность при отрыве склеенных образцов, например фенопластовых, от бетонного основания невысока и составляет 0,5-0,7 МПа. Теплостойкость этого клея также недостаточна и составляет плюс 60°C.
Известна также клеевая композиция для крепления материалов на битумной основе к металлическим и другим поверхностям, содержащая на 100 мас.ч. сополимера БМК-5 120-160 мас.ч. касторового масла, 15-60 мас.ч. мочевиноформальдегидной смолы, 5-20 мас.ч. жидкого стекла и 90-150 мас.ч. растворителя. (Авторское свидетельство СССР №883131, опубл. 23.11.1981 г.). Эта композиция работоспособна при температурах до плюс 250°C. Однако при склеивании металлических изделий прочность клеевого шва очень низкая, предел прочности при отрыве составляет 0,5-0,6 МПа, а при испытании при 20-25°C после прогрева при плюс 200°C в течение 1 часа уменьшается до 0,1 МПа.
Прототипом предлагаемого изобретения является клеевая композиция для склеивания металлов, пластмасс, дерева и других материалов, содержащая 18 мас.% смолы БМК-5, 42 мас.% ацетона, 40 мас.% каолина и 0,5 мас.% аэросила на 100 мас.% вышеуказанной смеси (В.С. Ратьковский "Применение клеев при производстве электромонтажных работ", М., "Энергия", 1978 г., с.43). Использование в составе клеевой композиции наполнителей (каолина и аэросила) снижает усадочные явления и сокращает время отверждения клея. Однако прочность при равномерном отрыве невысокая и составляет, например, для склеенных стальных образцов 0,6 МПа при 20°C. Теплостойкость этой клеевой композиции также невысока, температура, при которой возможно применение этого клея, не превышает плюс 40°C.
Целью предлагаемого изобретения является повышение адгезионной прочности клеевой композиции на основе сополимера БМК-5 при комнатной (20-25°C) и повышенной температуре.
2
5
4-n
2
5
3
n
Для достижения поставленной цели клеевая композиция, включающая сополимер 95 мас.% бутилметакрилата с 5 мас.% метакриловой кислоты, органический растворитель и аэросил, содержит органический силан формулы (CHO)-Si-[OSi(ОСН)], где n=0-2,
и воду при следующем соотношении компонентов композиции, мас.ч.:
сополимер 95 мас.% бутилметакрилата с 5 мас.%
метакриловой кислоты
20,0-30,0
органический силан указанной формулы
3,0-10,0
вода
0,5-3,0
аэросил
2,0-10,0
органический растворитель
46,99-67,5
В качестве органических силанов могут использоваться:
- этилсиликат-28 (ТУ 2435-419-057634441-2003 с изм. 1), представляющий собой тетраэтоксилан:
2
5
4
Si(ОСН)
- этилсиликат-32 (ТУ 2435-397-057634441-2003 с изм. 1,2), являющийся смесью тетраэтоксилана с гексаэтоксидисилоксаном:
2
5
4
2
5
3
2
5
3
Si(ОСН)+(CHO)Si-О-Si(ОСН)
- этилсиликат-40 (ТУ 2435-427-05763441-2004 с изм. 1), состоящий из смеси тетраэтоксилана, гексаэтоксидисилоксана и октаэтокситрисилоксана:
2
5
4
2
5
3
2
5
3
2
5
3
2
5
3
2
5
3
Si(ОСН)+(CHO)Si-O-Si(OCH)+(CHO)Si-O-Si(ОСН)-O-Si(ОСН) и другие силаны.
В качестве органического растворителя можно применять ацетон, ксилол, метилэтилкетон и др. или их смеси.
Клеевая композиция может дополнительно содержать до 20 мас.ч целевых добавок, таких как неорганический наполнитель, краситель, пластификатор, сшивающие добавки и др.
Предлагаемая клеевая композиция может быть использована для склеивания металлов, дерева, керамики и т.д.
Ниже приведены примеры, иллюстрирующие применение заявляемой композиции для склеивания металлов.
Пример 1 (по изобретению)
Клеевые композиции готовят путем смешивания составляющих ее компонентов. В трехгорлый реактор, снабженный мешалкой, обратным холодильником и загрузочной воронкой заливают 65,5 мас.ч. ацетона и при постоянном перемешивании и температуре 20-25C добавляют порциями 24,0 мас.ч. БМК-5. После полного растворения БМК-5 в реактор последовательно добавляют 5,0 мас.ч. этилсиликата-28, 0,5 мас.ч. воды и 5,0 мас.ч. аэросила. Перемешивание продолжают в течение 5-8 часов до полной гомогенизации раствора.
Испытания полученного клея проводят следующим образом. На поверхность образцов по ГОСТ 14760-69 из стали 1218Н10Т при 20-25C наносят клеевую композицию и выдерживают 0,5-1 мин, образцы совмещают. Отверждение и испытание проводят при 20-25C. Затем определяют следующие характеристики соединения:
1
- предел прочности при равномерном отрыве по ГОСТ 14760-69 через 24 часа () после начала отверждения;
2
- предел прочности при равномерном отрыве по ГОСТ 14760-69 на образцах, выдержанных 24 часа при 20-25C и дополнительно 1 час при плюс 200C ().
Состав клея и результаты его испытаний приведены в таблице 1.
Примеры 2-9 (по изобретению)
Способ приготовления клеевых композиций и методы их испытаний по примеру 1.
Состав и свойства полученных клеевых композиций приведены в таблице 1.
Пример 10 (по прототипу) Примеры 11-17 (для сравнения)
Способ приготовления клеевых композиций и методы их испытаний по примеру 1. Состав и свойства полученных клеевых композиций приведены в таблице 1.
Таблица 1
Состав и свойства клеевых композиций на основе БМК-5 при склеивании металлических поверхностей
№ п/п
Состав композиции
Предел прочности при отрыве на образцах из стали 12×18Н10Т, МПа
Компоненты
мас.ч.
σ<sub>1</sub> (через 24 часа при 20-25°С)
σ<sub>2</sub> (через 24 часа при 20-25°C и 1 час при 200°C)
По изобретению
1.
БМК-5
24,0
2,5
5,8
этилсиликат-28
5,0
вода
0,5
аэросил
5,0
ацетон
65,5
2.
БМК-5
24,0
2,7
6,9
этилсиликат-28
3,0
вода
0,5
аэросил
5,0
ацетон
67,5
3.
БМК-5
24,0
4,2
8,3
этилсиликат-28
10,0
вода
3,0
аэросил
5,0
ацетон
58,0
4.
БМК-5
20,0
3,6
5,4
этилсиликат-32
7,0
вода
1,2
аэросил
5,0
ацетон
66,8
5.
БМК-5
28,0
3,4
7,0
этилсиликат-40
3,0
вода
0,6
аэросил
2,0
ацетон
66,4
6.
БМК-5
20,0
3,1
9,4
этилсиликат-32
7,0
вода
1,2
ТГМ-3(диметакриловый эфир триэтиленгликоля)
7,0
АДН(азобисизобутиронитрил)
0,1
каолин
9,0
аэросил
3,9
ацетон
41,8
ксилол
10,0
7.
БМК-5
30,0
4,5
8,1
этилсиликат-28
10,0
вода
2,0
диоктилфталат
5,0
Краситель органический жирорастворимый темно-красный «Ж»
0,01
аэросил
6,0
ацетон
46,99
8.
БМК-5
22,0
3,2
8,7
этилсиликат-28
4,0
вода
3,0
ТГМ-3
5,0
аэросил
10,0
ацетон
56,0
9.
БМК-5
24,0
2,9
6,0
этилсиликат-28
5,0
вода
0,5
аэросил
5,0
метилэтилкетон
65,5
Для сравнения
10.
По прототипу БМК-5
18
0,61
0,1
ацетон
42
каолин
40
аэросил
0,5 (сверх 100 мас.ч)
11.
БМК-5
30,0
1,0-1,2
без нагрузки
ацетон
70
12.
БМК-5
24,0
0,7
0,8
этилсиликат-28
5
аэросил
5
ацетон
66
13.
БМК-5
24,0
0,5
0,1
вода
0,5
аэросил
5,0
ацетон
70,5
14.
БМК-5
24,0
1,0
0,3
этилсиликат-28
2,8
вода
1,2
аэросил
5
ацетон
67,0
15.
БМК-5
24,0
0,9
0,4
этилсиликат-28
11,0
вода
2,8
аэросил
5,0
ацетон
57,2
16.
БМК-5
24,0
1,1
0,7
этилсиликат-28
5,0
вода
0,4
аэросил
5,0
ацетон
65,6
17.
БМК-5
24,0
0,8
0,6
этилсиликат-28
5,0
вода
4,0
аэросил
5,0
ацетон
62,0
1
2
Из приведенных в таблице 1 данных видно, что для заявляемого клея предел прочности при отрыве на образцах из стали при комнатной температуре (σ) составляет 2,5-4,5 МПа, а после прогрева при 200°C через 24 часа (σ) повышается до 5,4-9,4 МПа, что значительно превосходит показатели прототипа (см. пример 10 в сравнении с 1-9).
1
2
Применение БМК-5 в количествах ниже заявляемых пределов приводит к резкому снижению прочностных показателей σ и σ, а в количествах выше заявляемых пределов клей становится высоковязким, его применение затруднено.
Применение органических силанов и воды в количествах, отличных от пределов заявляемых, приводит к снижению прочностных показателей (см. примеры 14-17).
1
2
Примеры 11-13 показывают, что использование в составе клея отдельно органосилана и воды или без них приводит к снижению прочности (σ) и (σ) в сравнении с применением смеси органосилана и воды в заявляемых пределах (см. примеры 1-9).
Приведенные в таблице №1 данные подтверждают, что заявляемая клеевая композиция может успешно применяться для склеивания металлических поверхностей. Клеевая композиция является термостойкой. Прочность склеивания после выдержки в течение 1 часа при 200°C значительно повышается.
Область применения заявляемой клеевой композиции не ограничивается только склеиванием металлических поверхностей, аналогичные результаты получены при склеивании дерева, пластмасс и т.д.
Приведенная ниже таблица 2 подтверждает возможность использования заявляемой композиции для склеивания дерева.
Таблица 2
Состав и свойства клеевой композиции для склеивания деревянных поверхностей
№ п/п
Состав композиций
Предел прочности при отрыве на образцах из дерева, МПа
Компоненты
мас.ч.
σ<sub>1</sub> (через 24 часа при 20-25°C)
σ<sub>2</sub> (через 24 часа при 20-25°C и 1 час при 200°C)
По изобретению
1.
БМК-5
24,0
2,2
3,8
этилсиликат-28
5,0
вода
0,5
аэросил
5,0
ацетон
65,5
2.
БМК-5
20,0
3,5
6,0
этилсиликат-32
7,0
вода
1,2
аэросил
5,0
ацетон
66,8
3.
БМК-5
28,0
3,7
6,2
этилсиликат-40
3,0
вода
0,6
аэросил
2,0
ацетон
66,4
Для сравнения
По прототипу
4.
БМК-5
18,0
0,2
0,1
ацетон
42,0
каолин
40
аэросил
0,5 (сверх 100 мас.ч.)
Из приведенных в таблице 2 данных видно, что заявляемая клеевая композиция обеспечивает прочность клеевого шва на деревянных поверхностях и его термостойкость, значительно превосходит результаты, полученные при склеивании клеем по прототипу (см. таблицу 2 примеры 1-3 в сравнении с 4).
Приведенные в описании данные не ограничивают область возможного применения заявляемой клеевой композиции. Она может применяться также для склеивания керамики, строительных конструкций из кирпича и бетона, песчаных стержней и литейных форм в литейном производстве и др.