1. Общие свойства

Чистое стекло обладает поверхностной энергией 200-300 мДж/м², что говорит о возможности достижения высокой адгезии. В случае использования покрытий, например, напыления нитрида титана для придания золотистого цвета, свойства поверхности меняются и нужны испытания прочности клеевого соединения, которые помогут также определить прочность сцепления самого покрытия. В стекле произведенном по флоат технологии свойства одной стороны, прилегающей к расплавленному олову в процессе производства, могут немного отличаться от другой, что также может иметь значение при склеивании [1].    

Стекло имеет низкий температурный коэффициент линейного расширения (9х10^-6 К^-1 в интервале температур от 20°С до 300°С) [2] и поэтому в соединениях стекла с металлами не создается больших напряжений при изменении температуры. Однако в протяженных соединениях с деталями из пластика разница температурной деформации склеенных материалов и связанных с ней напряжений нуждается в оценке.  Гладкая поверхность стекла позволяет использовать клейкие ленты с относительно жесткой основой, если это согласуется со всеми другими требованиями применения.

По своей химической природе стекло является силикатом (формула Na₂O·CaO·6SiO2) и обладает высокой химической стойкостью. Из относительно распространённых химикатов только фтороводородная (плавиковая) кислота способная разрушать микроструктуру стекла.

2. Гидрофильность

Это свойство очень важно с точки зрения получения надежного и долговечного клеевого соединения со стеклом. Чистая, необработанная поверхность стекла взаимодействует с водой, в том числе, влагой окружающего воздуха, образуя незаметный тонкий (примерно 1 нм) гелеобразный слой, который препятствует сцеплению клея с поверхности [1].   Механизм этого взаимодействия состоит в следующем [3]:

2. При дальнейшем контакте с водой особенно в присутствии щелочей происходит проникновение гидроксидов вглубь поверхностного слоя и дальнейшая гидратация силикатов с образованием кремниевой кислоты Si(OH)₄.

3. Кремниевая кислота вместе с водой и остатками NaOH образует на поверхности рыхлый гелеобразный слой, препятствующий образованию прочного сцепления клея с со стеклом.  

Этот слой может появляться и в процессе эксплуатации клеевого соединения в условиях высокой влажности или частом контакте с водой, даже если склеивание было проведено при низкой влажности и отсутствии геля, в результате миграции влаги под клеевое соединение, и тем самым, со временем ослаблять сцепление и приводить к отклеиванию стекла. Скорость этого процесса зависит от рН водной среды и температуры.

3. Подготовка к склеиванию

В качестве общего способа очистки стекла, в том числе от образовавшегося геля, является протирка раствором изопропилового спирта (ИПС) в воде в соотношении от 1:1 до 9:1 в соответствии со стандартной методикой.

Стекло, особенно используемое в стеклопакетах, может содержать следы силикона. Поэтому часто производители рекомендуют использовать очистители на базе смеси углеводородов, например, уайт-спирата. При сильном загрязнении неизвестной природы может использоваться метилэтилкетон или ацетон, но без привлечения механической или абразивной обработки во избежание появления микротрещин. После очистки этими растворителями  нужно протереть стекло раствором ИПС с водой в пропорции 1:1 до 9:1.

После очистки рекомендуется сушка в сухом помещении для предотвращения явления конденсации адсорбции воды. Учитывая, что при взаимодействии с водой гель может образовываться уже через несколько часов в зависимости от условий, очистку лучше проводить непосредственно перед склеиванием.

4. Применение силанового грунта

В качестве меры, препятствующей образованию геля на поверхности стекла, особенно для эксплуатации в условиях высокой влажности или контакта с водой, стекло обрабатывают специальными грунтами (праймерами). В качестве таких грунтов наиболее широко применяются растворы силанов. Молекулы силанов содержат две функциональные группы: одна группа после гидролизации связывается с ОН-фрагментами на поверхности стекла, а другая – с клеевым веществом.  Действие силанов заключается, с одной стороны, в предотвращении формирования геля, а с другой стороны, в придании поверхности более высоких адгезионных свойств через образование химической связи с молекулами клея или других механизмов адгезии [4]. 

При отсутствии готового раствора грунт приготовляют в виде 0,5 % раствора силана в смеси 91 частей ИПС и 9 частей воды путем тщательного перемешивания и выдерживая перед применением в течение 8 часов [5].   При нанесении силанового грунта нужно следовать рекомендациям производителя. Как правило, эти рекомендации включают следующее:

1. Поверхность стекла, на который наносится праймер, должна быть чистой и сухой, а температура нанесения праймера не должна быть ниже +15°С.

2. Лучше всего наносить грунт распылением, но могут быть использованы безворсовая салфетка или кисть.  Нанесение нужно производить однократным движением в одном направлении.
3M(TM) VHB(TM) Structural Glazing Tape Glazing Process – YouTube

3. Слой грунта должен быть тонким, поэтому наносить грунт надо быстро и так, чтобы он высыхал по мере нанесения. Для создания тонкого слоя можно протирать слой грунта сразу после нанесения сухой безворсовой салфеткой. После нанесения грунта стекло не должно терять прозрачности, иное говорит об излишке грунта, который надо удалить до его высыхания чистой сухой салфеткой. Если излишек грунта не удалось убрать сразу, то его нужно удалить полностью с помощью раствора ИПС 1:1 и повторить нанесение грунта снова.

4. Клейкую ленту следует наносить на стекло примерно через 5 минут после высыхания грунта.

5. Альтернативы силанам

Помимо силанов в качестве грунта для стекла применяются изоцианаты, которые действуют по схожему с силанами механизму: взаимодействуют с одной стороны с –ОН-группами, находящимися на поверхности стекла, а с другой, с молекулами клеев. У этого вида грунтовок высокие смачивающие свойства благодаря низкой вязкости и высокой концентрации функциональных групп.

В cвязи с усилением ограничений на использование летучих органических веществ (VOC) активно изучается использование “нехимических” методов подготовки поверхностей, в частности, плазменного. При этом обнаружено, что плазменная обработка, хотя и эффективна в очистки от загрязнений, но несколько снижает прочность клеевых соединений со стеклом [6]. Этот эффект отнесен к уменьшению доли ионизированных групп оксида Si–O^–, способствующих адгезии, на поверхности стекла и увеличению мостиковых Si–O–Si групп, что предположительно связывают с нагреванием поверхности при плазменной обработке. Однако снижение адгезии может быть уменьшено при предварительной обработке поверхности стекла ионизированной водой.

6. Опыт применений

К числу наиболее глубоко и всесторонне проработанных применений двусторонних клейких лент для приклеивания стекла можно отнести структурное остекление, опыт которого может быть полезен как с точки зрения технологии склеивания, так и особенностей распределения нагрузок в конструкциях со стеклом.

Ссылки

1 Lundevall A., Sundberg P., Mattsson L., Improved glass bonding with plasma treatment, Applied Adhesion Science, 2018, volume 6:9.

2. Гулоян Ю.А. Физико-химические основы технологии стекла. // Учебное пособие для высших и средних учебных заведений, систем научного и производственного обучения.- Владимир: «Транзит-ИКС», 2008,- 736 с. иллюстр.

3. ГОСТ EN 572-1-2016 Стекло натрий-кальций-силикатное. Основные характеристики.

4. Pantano C.G., Glass Surface Treatments: Commercial Processes Used in Glass Manufacture, Penn State University lecture.

5. Pleuddemann, E. P., Silane Coupling Agents, Plenum Press, New York, 1991.

6. 3M™ Solar Acrylic Foam Tape Glass Bonding and Silane Coupling Agents used to improve high humidity performance. Technical information, 2011.