Характеристика и области применения синтетических материалов

В 1907 г., после открытия Л. Бакеландом фенолоформальдегид- ных смол была получена основа для разработки множества популярных сегодня клеев.

Эпоксидная смола была изобретена в 1936 г. французским химиком П. Кастантом. Впервые эпоксидные смолы стали использоваться в 1937 г. в США, а в 1938 г. в Швейцарии стали известны смолы на основе дифенилолпропана. Но только в 1940 г. швейцарская фирма Ciba впервые начала выпуск эпоксидного клея «Аральдит 1», который и стал первым образцом универсального клея для широкого промышленного и бытового использования.

Приблизительно в 1940 г. Procter & Gamble совместно с П. Коупом изобрели термопластический клей.

«Суперклей», или «Крейзи Клей», был открыт доктором Г. Куве- ром в 1942 г. во время работы в исследовательской лаборатории Kodak. В СССР моментальный клей был впервые выпущен лишь в 1979 г.

Клей БФ появился и начал производиться не позднее 1945 г., а его создателем считается известный химик Г. С. Петров, знаменитый также «контактом Петрова».

Анаэробные продукты разработал в 1950-х г. в США В. Крибл.

На ремонтных предприятиях используют эпоксидные смолы, которые являются лучшими связующими для большинства композиционных материалов. Это объясняется следующими причинами:

  • • эпоксидные смолы имеют хорошую адгезию к большинству наполнителей и подложке;
  • • возможность обеспечить необходимую твердость материалов с необходимым сочетанием свойств;
  • • химическая реакция при смешивании эпоксидных смол и отверждающих наполнителей не выделяет воду, что обеспечивает при отверждении небольшие усадочные отклонения;
  • • отверженные эпоксидные смолы имеют высокий уровень маслобензостойкости и химической стойкости к специальным жидкостям. Эпоксидные смолы проявляют лучшие свои физико-механические свойства при химической реакции перехода в сетчатый полимер под действием различных видов отвердителей.

Для использования композиционных материалов наиболее подходят эпоксидно-диановые смолы ЭД-16 и ЭД-20. Свойства отвержденной ЭК формируются в зависимости от исходных характеристик самой эпоксидной смолы, условий и режимов процесса их отверждения. Они отвердевают под действием отвердителей, которые делятся на две группы: холодного отверждения (16...20 °С), например полиэтиленполиамин (ПЭПА), и горячего отверждения (100...200 °С), например, ароматические амины (АФ-2). Отверди- тель вводят в ЭК в строго определенном количестве, а избыток или недостаток его вызовет ухудшение свойств ЭК. По результатам исследований профессора Г. В. Мотовилина количество отвердите- ля на 100 мае. ч. эпоксидных смол ЭД-16 и ЭД-20 рассчитываются по формуле

где к — это коэффициент, который равен для ПЭПА — 0,65...0,87, для АФ-2 — 1,3... 1,4; пэп — количество эпоксидных групп в смоле, равное для ЭД-16 — 16... 18, для ЭД-20 — 20...22. Эпоксидные смолы без наполнителей в чистом виде после отверждения получают повышенный уровень хрупкости, который не способствует сопротивлению ударам и вибрации.

Для повышения эластичности и ударной прочности в состав вводят пластификатор, например, дибутилфталат ДБФ, который является инертным разбавителем ЭК. В процессе эксплуатации ДБФ выходит из композиции, что приводит к снижению прочности сцепления, стойкости к ударным нагрузкам и теплостойкости полученной композиции, у которой снижается уровень прочности при изгибающих, растягивающих и сжимающих напряжениях. Пластификатор вводят вручную, что приводит к неравномерному смешиванию и образованию большого количества пузырьков воздуха. Этих недостатков избегают путем использования механической клеемешалки или готовых компаундов (К-115, К-153; К-168; К-293), в которые уже введены пластификаторы.

Введение в состав ЭК наполнителей — металлов, органических и неорганических наполнителей (железный и алюминиевый порошки, асбест и др.) позволяет улучшить физико-механические свойства (уменьшить усадки, снизить коэффициент линейного расширения, увеличить теплопроводность, термостойкость и др.) и снизить стоимость. Металлические наполнители придают ЭК свойства, которые присущи металлам, при одновременном сохранении свойств полимеров.

В полевых условиях следует применять ЭК, расфасованные в тубы. В одной тубе находится смола с пластификатором и наполнителями, в другой — отвердитель, загущенный белой сажей.

Эпоксидные композиции стойки к действию горюче-смазочных материалов.

Технология приготовления ЭК включает следующие операции:

  • • нагрев смолы марки ЭД-16 до 50...60 °С (смола ЭД-20 не нагревается);
  • • добавление пластификатора ДБФ, полиэфира МГФ-9, тиокола и др. (небольшими порциями — 5...30 % от массы смолы) и тщательное перемешивание со смолой в течение 10... 12 мин. Пластификаторы при реакции со смолой обеспечивают снижение уровня хрупкости композиций с одновременным повышением ударной вязкости и прочности при изгибе и отдире. Приготовленную смесь можно хранить длительное время в закупоренной таре (до 1 года);
  • • введение наполнителей необходимо для обеспечения повышения уровня вязкости, выравнивания коэффициентов термического линейного расширения полимерной композиции при ВД, повышения теплопроводности и снижения стоимости композиций. Такими наполнителями могут быть тонко измельченные порошки железа, чугуна, алюминия, графита, слюды, стеклоткань и др. Количество вводимого наполнителя в зависимости от его марки и вида находится в пределах 20...200 % от массы смолы;
  • • непосредственно перед применением ЭК, когда устраняемое повреждение на детали полностью подготовлено, в него добавляют отвердитель. Количество вводимого в смесь отвердителя зависит от его марки. Избыток или недостаток отвердителя вызывает ухудшение свойств отвержденной композиции, равно как и избыточное количество других компонентов. Отвердитель вводят в эпоксидную смесь, имеющую комнатную температуру, частями, чтобы температура смеси не превышала 30...40 °С, и тщательно перемешивают ЭК. Если же в большую порцию эпоксидной смеси влить сразу весь отвердитель, то она может сильно разогреться и произойдет самопроизвольное отверждение ЭК до начала ее использования.

Эластомеры — это полимеры и материалы на их основе, которые обладают высокоэластическими свойствами, т. е. способностью к большим (до сотен процентов) обратимым деформациям и представляют собой вальцованные листы толщиной 2...5 мм. Эластомеры используют в качестве «жидких прокладок» для герметизации фланцевых соединений.

Раствор эластомера приготавливают растворением в ацетоне. Одну массовую часть, например, ГЭН-150 (В) или 6Ф, растворяют соответственно в 6,2 или 5 частях ацетона. Необходимое количество эластомера режут на кусочки 10 х 10 мм и помещают в стеклянную емкость, заливают расчетным количеством ацетона и оставляют на 10... 12 ч для разбухания и растворения. Емкость должна быть плотно закрыта резиновой или притертой стеклянной пробкой. Работу производят на столе, оборудованным вытяжным шкафом.

Анаэробные материалы (герметики):

  • • это жидкие субстанции с разной вязкостью, которые:
    • — используются для зазоров от 0,07 до 0,5 мм,
    • — устойчивы к воздействию смазок, топлива, органических растворителей и минеральных масел,
    • — становятся твердыми при температуре от 15 до 25 °С за 5...60 мин. В течение этого времени приобретается первоначальная прочность соединения, и СЕ готово к эксплуатации. Нагрузка при этом должна быть очень небольшой. Полноценно использовать СЕ допускается через 3 или 4 ч после соединения металлических поверхностей. Окончательно они застывают через 24 ч. В зависимости от состава рабочая температура варьирует от -60 до +300 °С и после этого СЕ способны выдерживать 58 МПа давления жидкости и 39 МПа давления газа;
  • • составы, которые отверждаются только в определенном зазоре между металлическими поверхностями. На открытой поверхности они остаются в неотвержденном состоянии, что является их ценным достоинством, так как при этом они не закрывают рабочие каналы и полости, а избыток герметика легко удаляется со свободной поверхности после герметизации;
  • • экономически выгодный надежный способ уплотнения, фиксации, герметизации разнообразных СЕ НТТС;
  • • готовые продукты, которые наносятся непосредственно на деталь.

Герметики применяются для обеспечения непроницаемости (герметизации) стыков СЕ, агрегатов и кузовных деталей.

Типы анаэробных материалов в зависимости:

  • • от количества составляющих:
    • — однокомпонентные, которые находятся в одной упаковке, в постоянной готовности к применению. Процесс отверждения однокомпонентных герметиков начинается на поверхности материала и идет по направлению к центру уплотнения. Скорость вулканизации в большой степени зависит от температуры и влажности окружающей среды,
    • — двухкомпонентные, состоящие из двух компонентов, находящихся при хранении в разных упаковках. Непосредственно перед нанесением части двухкомпонентных герметиков смешиваются между собой в определенной пропорции. При этом запускается процесс отверждения сразу по всему объему нанесенного материала, после завершения которого состав приобретает заданные свойства. Скорость вулканизации двухкомпонентных герметиков зависит при этом не только от условия окружающей среды, но и, в большей степени, от соотношения компонентов;
  • • вязкости — сильнотекучие, текучие, среднетекучие, труднотекучие и пастообразные;
  • • скорости:
    • — активные, которые ускоряют отверждения полимера (медь и ее сплавы, малоуглеродистые стали, никель),
    • — нормальные, не влияющие на скорость отверждения полимера (железо, углеродистые стали, цинк),
    • — пассивные, замедляющие отверждение полимера (высокоуглеродистые стали, алюминий, титан и его сплавы, материалы с антикоррозионными покрытиями, пластмассовые детали);
  • • уровня прочности:
  • — низкой прочности, используемые для соединения резьбы, которая часто подвергается разборке. Подобные составы поддаются воздействию повышенной нагрузки,
  • — средней прочности — применяются с целью закрепления СЕ, которые будут демонтироваться при ремонте или проведении плановых сервисных работ. Обычно такие составы используются при соединении резьбовых стыков коробок передач, двигателей и других СЕ,
  • — повышенной прочности. Зафиксированные с помощью подобных средств СЕ поддаются демонтажу в крайне редких случаях, они очень устойчивы к ударам и температуре.

Преимущества анаэробных материалов:

  • • высокая скорость отверждения. Например, фиксация резьбовых соединений составляет 15...30 мин, а вязкость, которая позволяет уплотнять зазоры, — до 3 мм;
  • • состав успешно заменяет собой уплотнители, прокладки, прессовую посадку;
  • • стабильность свойств при эксплуатации, резком перепаде температур и повышенной вибрации;
  • • высокие прочностные характеристики (прочность при ударном сдвиге — 8...20 кДж/м2, предел прочности на сдвиг — 20...30 МПа);
  • • прост в использовании и стоит сравнительно недорого.

Недостатки анаэробных материалов:

  • • необходимо применять специальный инструмент или нагревать СЕ при их разборке;
  • • нежелательно использовать при низких температурах ввиду длительно застывания;
  • • не применяется на влажных поверхностях деталях.

В ремонтной практике используют герметики GOZETTE, «Лок- тайт», «Хенкель», КТУ, Permatex, EFELE, «Форч-К161» и др.

Технология применения анаэробных материалов включает:

  • • подготовительные операции. Сначала определяют факторы, под действием которых образовался дефект, и примерные нагрузки, которые будет выдерживать деталь или СЕ после восстановления. Оценивают зазор склеиваемого соединения. Удаляют легкоотслаиваемые частицы и пыль с поверхности восстанавливаемой детали, а затем они должны быть тщательно очищены и обезжирены. При очистке поверхностей недопустимо применение щелочных растворов (Лабомид, ТЕМП-10 и т. д.) так как они препятствуют процессу полимеризации. Восстанавливаемой поверхности придают необходимый уровень шероховатости. На скорость отверждения анаэробных материалов также влияют величины заборов между сопрягаемыми поверхностями и температура. Один из основных параметров, который учитывают при выборе материала, — его вязкость. При восстановлении необходимо соблюдать «правило равных температур», требующее, чтобы температуры материала, восстанавливаемой детали и окружающей среды были равными и положительными;
  • • нанесение материала. Материал наносят равномерным слоем определенной толщины. Это обусловлено различием свойств полимера на поверхности и в объеме. Если материал содержит быстро испаряющиеся растворители, то требует оперативности и определенной сноровки в работе. Надежно склеить поверхности с высохшим слоем материала практически невозможно. Расход анаэробных материалов — 1...5 г/100 см2 при фиксации цилиндрических соединений с зазором 0,05...0,2 мм;
  • • склеивание и отверждение материала. Необходимо точно соединять поверхности с одного раза. Склеенные детали на некоторое время следует неподвижно зафиксировать в требуемом положении под небольшим давлением для лучшего смачивания поверхностей, заполнения всех микронеровностей и предотвращения образования ослабленного пористого клеевого слоя вследствие неконтролируемого испарения растворителя с образованием пузырьков внутри клеевого слоя. Прикладываемое давление может вызвать незначительное вытекание излишков клея из зазора, которые необходимо сразу удалить. В случае если давление избыточное, оно может привести к чрезмерному вытеснению клея из зазора и формированию непрочного соединения в условиях «клеевого голодания». В большинстве случаев время полного отверждения клеевого слоя и набора 95 % прочности составляет не менее 24 ч.

Клей — это вещество или смесь веществ органической или неорганической природы, предназначенные для прочного соединения (фиксации) различных материалов (деталей). Толщина клеевого шва составляет 0,05...0,15 мм. Клеевое соединение — это неразъемный способ соединения деталей (материалов).

Преимущества склеивания:

  • • возможность:
  • — соединения разнообразных материалов, различающихся своими свойствами, модулем упругости, толщиной, чувствительностью к нагреву материалов,
  • — поглощения, перераспределения или более равномерной передачи напряжений от одной детали к другой,
  • — осуществления процесса соединения деталей при различных формах организации производства;
  • • значительная прочность соединения при незначительной стоимости клея и равномерное распределение напряжений по всей площади склеивания;
  • • хорошие герметизирующие и электроизоляционные свойства, а также предотвращение и уменьшение электролитической коррозии между разнородными материалами;
  • • простота в применения и возможность снижения массы СЕ.

Недостатки склеивания:

  • • необходимость тщательного проведения подготовительных операций и процесса склеивания, т. е. поддержание склеиваемых поверхностей в чистоте, заданной температуры, давления и влажности;
  • • длительное время отверждения и нагрева при обеспечении приложения заданной нагрузки;
  • • возможность возникновения напряжений, появляющихся в результате различия коэффициентов термического расширения склеиваемых поверхностей и клеевого шва;
  • • токсичность и пожароопасность большинства клеев;
  • • при эксплуатации СЕ, полученных путем склеивания, температурное ограничение, недостаточная стойкость при резких температурных перепадах и воздействий химических реагентов, ударных нагрузок;
  • • трудность осуществления сборки и монтажа клеевых СЕ.

Выбор клея удобно осуществлять, используя для этого рис. 17.1.

Например, если нужно приклеить к металлической детали ткань, то необходимо с левой стороны рис. 17.1 найти наименования материала — «Ткань», а нижней стороны — «Металлы». При пересечении стрелок устанавливаем номера клеев 7 и 14, под которыми указаны эпоксидные клеи марок Л-4, ВК-32-ЭМ и полиамидные клеи — ПФЭ-2110, МПФ.

Термореактивные клеи — это клеи;

  • • отверждение которых происходит при нагреве (клей горячего отверждения) или без нагрева (клей холодного отверждения). При отверждении клея происходит химическая реакция с выделением теплоты, в результате которой образуются неплавкие и нерастворимые полимеры трехмерной структуры;
  • • обладают относительно высокой прочностью при повышенных температурах;
  • • используются для склеивания высоконагруженных деталей и деталей, эксплуатирующихся в условиях воздействия жестких внешних факторов (температура, влажность и т. д.).

К этой группе относятся составы:

  • • полиэфирные;
  • • эпоксидные;
  • • фенолформальдегидные.

Их можно применять для склеивания металлов между собой и с неметаллическими материалами.

Термореактивные синтетические клеи выпускаются:

  • • однокомпонентными — полностью готовыми к употреблению;
  • • двухкомпонентными — когда в отдельной фасовке поставляются пластификатор и отвердитель;
  • • трехкомпонентными — когда к двум компонентам добавляется наполнитель, что повышает пластичность.

Термопластичные клеи — это клеи, которые:

  • • затвердевают при склеивании. Затвердевание происходит в результате испарения растворителей или затвердевания после расплавления, при этом их химическая структура не изменяется;
  • • склонны к повторному размягчению при нагреве;
  • • отличаются высокой эластичностью и низкой теплостойкостью;
  • • используются в основном для склеивания неметаллических материалов в несиловых деталях.

Эластомерные клеи — это клеи:

  • • приготовленные на основе натурального или синтетического каучука;
  • • предназначенные для склеивания резиновых деталей.

В настоящее время находят широкое применение клеи, отверждаемые активацией: цианакриловые и акриловые клеи, которые позволяют значительно сократить время отверждения и упростить технологию склеивания, повысить качество и надежность склеиваемых деталей.

Цианакриловые клеи (ТК-200, ТК-200С, ТК-201, ТК-300 и др.) — это универсальные клеи, которые:

  • • имеют высокую адгезию к любым металлам и сохраняют рабочие характеристики в широком диапазоне температур;
  • • состоят из одного компонента;
  • • используются для соединения деталей клеевыми композициями, работающими с высокими механическими и тепловыми нагрузками.

Акриловые клеи (АН-103, АН-105, АН-105АБ, АН-106, АН-109, АН-110, АН-110АБ, АН-111) — это довольно вязкие, однородные по составу жидкости, которые:

• длительное время могут сохранять свое исходное состояние, а затем быстро отверждаться между соединяемыми поверхностями с формированием клеевого соединения, обладающего высокой прочностью;

Схема выбора марки клея

Рис. 17.1. Схема выбора марки клея

  • • состоят из двух различных компонентов, наносимых на соединяемые поверхности отдельно. Химическая реакция отверждения клеевой композиции наступает только после совмещения склеиваемых поверхностей при комнатной температуре;
  • • широко используются для соединения различных типов материалов даже плохо подготовленных поверхностей металлов (замасленных), стекла, керамики и пластмасс. При этом клеевой шов выдерживает высокий уровень вибрационных и ударных нагрузок.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >