Почему мы не проваливаемся сквозь пол

Гордон Джеймс Эдвард

Шурупы, которые с удовольствием применяют плотники-любители, являются самым плохим способом соединения. Между первой и второй мировыми войнами в Германии предметом серьезных исследований был гвоздь; немцами были разработаны новые и очень разумные формы механических соединений. Результаты этих работ используются иногда и сегодня в строительстве деревянных домов, но в целом механические соединения древесины сейчас отодвинуты на задний план операцией склеивания. Современные клеи позволяют использовать древесину с большей эффективностью, но вместе с тем возникли, конечно, и новые трудности, и новые проблемы.

(обратно)

Клеи

Стараниями многих ученых мужей и научных комитетов на проблему склеивания наброшен полог таинственности. В действительности же элементарная теория склеивания достаточно проста, трудна практика клейки. Как мы видели в главе 2, любая поверхность обладает энергией - это следует из самого факта существования поверхности, твердой или жидкой. Если мы возьмем твердое тело

и жидкость по отдельности - каждое вещество в контакте с воздухом, - то их поверхности будут иметь свои значения поверхностной энергии. Но если жидкость попадает на твердое тело и смачивает его, то энергия поверхности раздела между ним и жидкостью будет меньше суммы исходных энергий этих поверхностей в контакте c воздухом. Смачивание, таким образом, связано с понижением энергии и будет иметь место всегда при контакте жидкости с твердым телом[41].

Жидкость на поверхности твердого тела может тем или иным путем затвердеть, например она может замерзнуть. Энергия границы раздела при этом существенно не изменится. Следовательно, чтобы убрать затвердевшую жидкость с твердой поверхности механическим путем, придется воспользоваться энергией деформации, то есть приложить механическую силу. Таким образом, адгезия (приклеивание, прилипание) в принципе очень похожа на когезию (внутреннее сцепление). Принципиальной разницы между прочностью склейки и прочностью твердого тела нет. Обычно энергия поверхности раздела между клеем и твердым телом несколько меньше энергии свободной поверхности прочного тела, но эта разница не слишком велика. К тому же она и не имеет особого практического значения; реальная прочность все равно значительно меньше, чем, казалось бы, должна быть. Причины слабости адгезии сегодня мы понимаем, пожалуй, хуже, чем причины малой фактической прочности. Несомненно лишь одно - они имеют сходный характер.

Таким образом, любые два твердых тела можно приклеить одно к другому, если мы найдем жидкость, которая будет смачивать их обоих и затем затвердевать. Трудности здесь носят чисто практический характер. Дерево очень хорошо клеится замерзшей водой - такая склейка успешно пройдет большую часть обычных испытаний. Столярный, или мездровый, клей можно рассматривать как модификацию именно такого клея - лед, температура плавления которого поднята до более приемлемого уровня. Мездровый клей - то же самое, что и подаваемое к столу желе, лишь воды к желатину добавлено поменьше, а сам желатин может быть получен из костей, кожи, копыт, рыбы и т.д. Концентрированный раствор желатина размягчается при нагреве до 70-80°С. Намазанный на древесину, он прочно прихватывается к ней при охлаждении, и соединение вскоре готово. К сожалению, этот процесс легко обратим при нагревании или намокании. Кроме того, желатин - прекрасная пища для грибков и бактерий. Поэтому мездровый клей пригоден для использования только в закрытых помещениях. Несмотря на это, его применяли в первых самолетах. Места склейки покрывали защитным слоем лака, но это не всегда достигало цели. Тот же клей в спиннинговых удилищах защищается от воздействия внешней среды путем пропитки всего удилища в формалине. Такая обработка не могла применяться к самолетам только из-за размеров их конструкции. Как бы плохи ни были желатиновые клеи, их конкуренты - гуммиарабики и клейстеры, которые варились из некоторых сортов муки, - уступали им. Но как ни странно, намного лучший клей был известен давным-давно, веками оставаясь в тени. Еще древние египтяне использовали в качестве клея казеин, а средневековые художники применяли его как растворитель для красок. Затем с начала XIX века им начали клеить в Германии и Швейцарии. Не ясно, почему казеин раньше не использовался в технике. Но примерно с 1930 года он стал признанным клеем для самолетов и яхт, сделав реальностью деревянные самолеты и современную оснастку яхт.

Казеин - это содержащаяся в молоке сыворотка, и, следовательно, он подобен сыру. Сыворотка растворима в щелочной воде, но не растворима в кислотах. Поэтому она выделяется из молока любой слабой кислотой, для детского питания казеин получают с помощью сока ревеня, для технических нужд - воздействием слабой соляной кислоты. Выделенную сыворотку можно снова растворить в воде, содержащей немного каустической соды. Казеин медленно реагирует с известью, образуя нерастворимый казеинат кальция.

Казеиновый клей продается в виде сухого белого порошка, состоящего из высушенной сыворотки, каустической соды (или другой щелочи) и извести. Если этот порошок замесить на холодной воде, он прежде всего растворяется, образуя белую, похожую на сметану пасту а затем медленно затвердевает. Этот клей очень прост в применении; единственное, о чем следует помнить, - это о том что крышка банки с клеем при длительном хранении должна быть плотно закрыта, так как в противном случае в банку будет попадать влага и преждевременно пойдет реакция образования казеината кальция. Казеиновый клей схватывается за один-два дня, причем швы получаются более или менее влагостойкими. Однако, хотя казеинат кальция и не растворим в воде, при намокании он немного размягчается. Казеиновые клеи очень широко использовались в самолетостроении во время войны, и вот однажды кто-то обнаружил, что разрывная прочность образцов

влажного казеина составляет всего лишь пятую часть прочности сухого казеина. Не без оснований появились опасения, что прочность мокрых самолетов с казеиновыми склейками может быть в пять раз меньше прочности сухих самолетов. В смятении мы набрали сотню примерно одинаковых деревянных стабилизаторов на казеиновом клее. Половину из них опустили на 6 недель на дно пруда, вторую половину держали сухой. Тем временем подготовили установку, которая нагружала стабилизаторы примерно такими же силами, какие действовали на них в полете; когда все было готово, мы испытали всю партию. К нашему удивлению, все стабилизаторы ломались примерно при одной и той же нагрузке под аккомпанемент многочисленных вздохов облегчения. Причина такого счастливого исхода поучительна. Дело в том, что распределение напряжений в склейке далеко не однородно. В типичном случае, показанном на рис. 41, практически вся нагрузка воспринимается концевыми участками склейки и очень небольшая ее часть передается через центральные области шва. Это один из вариантов уже знакомой нам концентрации напряжений, которая так много значит в технике и науке о материалах. Между прочим, в результате прочность клеевого соединения зависит главным образом от его ширины, а не от площади. Кстати сказать, то же самое справедливо и для механических соединений: основную нагрузку несут первый и последний болты (или заклепки). Это одно из обстоятельств, которые отравляют жизнь конструктора.

Рис 41. Клеевое соединение внахлестку; внизу показано распределение напряжений вдоль соединения. Максимальное напряжение - в точках А и B.

Итак, казеин в твердой хрупкой форме передает нагрузку в лучшем гуковском стиле. Когда напряжения на концах склейки достигают прочности сухого казеина, в соединении появляются трещины со своими собственными местными концентрациями напряжений, в конце концов трещина проскакивает через середину клеевого соединения примерно так, как это было бы в стекле.

Влажный казеин очень похож на мягкий сыр, и его поведение не имеет ничего общего с гуковским. В результате в местах концентрации напряжений, у концов склепки он интенсивно течет, передавая часть нагрузки на центральную часть клеевого шва. Поэтому подобные казеину клеи снимают некоторые проблемы, в частности прочность склейки в сухом и влажном состояниях почти одна и та же. Это, конечно, превосходная характеристика и одна из причин популярности казеина. Если бы мир был стерильным, казеин был бы практически идеальным клеем. К сожалению, казеин представляет собой, как мы уже говорили, смесь сыра и извести и c течением времени портится так же, как и сыр. Его последние часы напоминают заключительный этап жизни камамбера: казеин превращается в жидкость с дурным запахом и выползает из соединений, оставляя после себя лишь грязные пятна. Интересно, что добавка фунгицидов в клей не улучшает его.

Все это заставило предпринять значительные усилия (на них ушли годы), чтобы разработать синтетические смолоподобные клеи, основанные на полимерных веществах. Пожалуй, лучшим и наиболее долговечным решением было использование в те годы фенол-формальдегидной смолы, или бакелита. В исходном состоянии бакелит представляет собой либо жидкость, напоминающую по виду патоку, либо сухой порошок. Под действием тепла и давления порошок становится жидкостью, которая со временем затвердевает, если действие тепла и давления продолжается. Получившееся твердое нерастворимое вещество практически не подвержено гниению. Фенол-формальдегид стал основой целой серии действительно великолепных клеев. Правда, использовать их можно лишь тогда, когда допустима тепловая обработка при температуре около 150° С. Важно также, чтобы при склейке не было заметного зазора в соединении. Поэтому операция склейки на практике должна выполняться на гидравлических прессах с подогревом. Такая склейка оказалась очень удобной только в производстве фанеры, где она имела огромный успех.

Фенол-формальдегидные клеи позволили получать хорошую водостойкую фанеру. Но проблема клеевых соединений в самолетах и на судах оставалась нерешенной, потому что на практике оказывается трудным аккуратно нагревать стыки в больших конструкциях. Вообще говоря, фенол-формальдегидные смолы могут твердеть и без нагрева, но для этого в них следует добавить большие количества химических катализаторов, способствующих твердению. Такими катализаторами служат сильные кислоты, которые разрушают древесину да еще и оказываются токсичными.

Первые синтетические клеи для сборки деревянных конструкций были основаны на карбамидной смоле, которая может твердеть со значительно более слабыми катализаторами. Эти первые клеи были довольно хорошими, но, надо сказать, таили в себе некоторые опасности для конструкций. Для предварительно хорошо пригнанного шва тонкая клеевая прослойка была достаточно надежной. Но когда соединение было подготовлено плохо, так что слой клея был толстым, усадка и внутренние напряжения, сопровождающие его твердение, разрушали склейку. Поскольку проверить качество подгонки шва после сборки и склепки невозможно, клеевые соединения были потенциальной причиной катастроф.