ЛЕКЦИЯ 5

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ, СОСТАВ И КЛАССИФИКАЦИЯ РЕЗИН

Резиной называется продукт специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками.

Резина как технический материал отличается от других материалов высокими эластическими свойствами, которые присущи каучуку — главному исходному компоненту резины. Она способна к очень большим деформациям (относительное удлинение достигает 1000 %), которые почти полностью обратимы. При нормальной температуре резина находится в высокоэластическом состоянии и ее эластические свойства сохраняются в широком диапазоне температур.

Модуль упругости лежит в пределах 1—10 МПа, т. е. он в тысячи и десятки тысяч раз меньше, чем для других материалов. Особенностью резины является ее малая сжимаемость (для инженерных расчетов резину считают несжимаемой); коэффициент Пуассона 0,4—0,5, тогда как для металла эта величина составляет 0,25 - 0,30. Другой особенностью резины как технического материала является релаксационный характер деформации. При нормальной температуре время релаксации может составлять 10^-4 с и более. При работе резины в условиях многократных механиче­ских напряжений часть энергии, воспринимаемой изделием, теряется на внутреннее трение (в самом каучуке и между молеку­лами каучука и частицами добавок); это трение преобразуется в теплоту и является причиной гистерезисных потерь. При эксплуатации толстостенных деталей (например, шин) вследствие низкой теплопроводности материала нарастание температуры в массе резины снижает ее работоспособность.

Кроме отмеченных особенностей для резиновых материалов характерны высокая стойкость к истиранкюугазо- и водонепроницаемость, химическая стойкость, электроизолирующие свойства и небольшая плотность.

Состав и классификация резин. Основой всякой резины служит каучук натуральный (НК) или синтетический (СК), который и определяет основные свойства резинового материала. Для улуч­шения физико-механических свойств каучуков вводятся различ­ные добавки (ингредиенты). Таким образом, резина состоит из каучука и ингредиентов, рассмотренных ниже.

1.Вулканизирующие вещества (агенты) участвуют в образовании пространственно-сеточной структуры вулканизата. Обычно в качестве таких веществ применяют серу и селен, для некоторых канчуков перекиси. Для резины электротехнического назначения вместо элементарной серы (которая взаимодействует с медью) применяют органические сернистые соединения — тиурам (тиурамовые резины).

Ускорители процесса вулканизации; полисульфиды, оксиды свинца, магния и другие влияют как на режим вулканизации, так и на физико-механические свойства вулканизатов. Ускорители проявляют свою наибольшую активность в присутствии оксидов некоторых металлов (цинка и др.), называемых поэтому в составе резиновой смеси активаторами.

2.Противостарители (антиоксиданты) замедляют процесс старения резины, который ведет к ухудшению ее эксплуатационных свойств. Существуют Противостарители химического и физиче­ского действия. Действие первых заключается в том, что они задерживают окисление каучука в результате окисления их самих или за счет разрушения образующихся перекисей каучука (приме­няются альдоль, неозон Д и др.). Физические Противостарители (парафин, воск) образуют поверхностные защитные пленки, они применяются реже.

3.Мягчители (пластификаторы) облегчают переработку рези­новой смеси, увеличивают эластические свойства каучука, повы­шают морозостойкость резины. В качестве мягчителей вводят пара­фин, вазелин, стеариновую кислоту, битумы, дибутилфталат, рас­тительные масла. Количество мягчителей составляет 8—30 % массы каучука.

4.Наполнители по воздействию на каучук подразделяют на активные (усиливающие) и неактивные (инертные). Активные наполнители (углеродистая сажа и белая сажа — кремнекислота, оксид цинка и др.) повышают механические свойства резин:

прочность, сопротивление истиранию, твердость.

Неактивные наполнители (мел, тальк, барит) вводятся для удешевления стои­мости резины.

Часто в состав резиновой смеси вводят регенерат — продукт переработки старых резиновых изделий и отходов резинового производства. Кроме снижения стоимости регенерат повышает качество резины, снижая ее склонность к старению.

5.Красители минеральные или органические вводят для ок­раски резин. Некоторые красящие вещества (белые, желтые, зеле­ные) поглощают коротковолновую часть солнечного спектра и этим защищают резину от светового старения.

Подавляющее большинство каучуков является непредельными, высокополимерными (карбоцепными) соединениями с двойной химической связью между углеродными атомами в элементарных звеньях макромолекулы. (Некоторые каучуки получают на основе насыщенных линейных полимеров.) Молекулярная масса каучу­ков исчисляется в 400 000—450 000. Структура макромолекул линейная или слаборазветвленная и состоит из отдельных звеньев, которые имеют тенденцию свернуться в клубок, занять минималь­ный объем, но этому препятствуют силы межмолекулярного взаи­модействия, поэтому молекулы каучука извилистые (зигзагооб­разные). Такая форма молекул и является причиной исключи­тельно высокой эластичности каучука (под небольшой нагрузкой происходит выпрямление молекул, изменяется их конформация). По свойствам каучуки напоминают термопластичные полимеры. Наличие в молекулах каучука непредельных связей позволяет при определенных условиях переводить его в термостабильное состояние. Для этого по месту двойной связи присоединяется двухвалентная сера (или другое вещество), которая образует в поперечном направлении как бы «мостики» между нитевидными молекулами каучука, в результате чего получается пространствен­но-сетчатая структура, присущая резине (вулканизату). Процесс химического взаимодействия каучуков с серой в технике назы­вается вулканизацией.

В зависимости от количества вводимой серы получается раз­личная частота сетки полимера. При введении 1—5 % 8 образуется редкая сетка и резина получается высокоэластичной, мягкой. С увеличением процентного содержания серы сетчатая структура становится все более частой, резина более твердой, и при макси­мально возможном (примерно 30 %) насыщении каучука серой образуется твердый материал, называемый эбонитом.

При вулканизации изменяется молекулярная структура поли­мера (образуется пространственная сетка), что влечет за собой изменение его физико-механических свойств: резко возрастает прочность при растяжении и эластичность каучука, а пластич­ность почти полностью исчезает (например, натуральный каучук имеет δ_В= 1,0—1,5 МПа, после вулканизации δ_В == 35 МПа);

увеличиваются твердость, сопротивление износу. Многие кау­чуки растворимы в растворителях, резины только набухают в них и более стойки к химикатам. Резины имеют более высокую тепло­стойкость (НК размягчается при температуре 90 °С, резина рабо­тает при температуре свыше 100 °С).

На изменение свойств резины влияет взаимодействие каучука с кислородом, поэтому при вулканизации одновременно происхо­дят два процесса: структурирование под действием вулканизую­щего агента и деструкция под влиянием окисления и температура. Преобладание того или иного процесса сказывается на свойствах вулканизата. Это особенно характерно для резин из НК. Для син­тетических каучуков (СК) процесс вулканизации дополняется полимеризацией: под действием кислорода и температуры обра­зуются межмолекулярные углеродистые связи, упрочняющие термостабильную структуру, что дает повышение прочности.

Термическая устойчивость вулканизата зависит от харак­тера образующихся в процессе вулканизации связей. Наиболее прочные, а следовательно, термоустойчивые связи —С—С—, наименьшая поочность v полисульфидной связи —С—5—С.

Современная физическая теория упрочнения каучука объяс­няет повышение его прочности наличием сил связи (адсорбции и адгезии), возникающих между каучуком и наполнителем, а также образованием непрерывной цепочно-сетчатой структуры напол­нителя вслеДствие взаимодействия между частицами наполнителя. Возможно и химическое взаимодействие каучука с наполнителем.

По объему мирового потребления НК составляет 30 %, осталь­ное СК, который известен 250 видов.

По назначению резины подразделяют на резины общего назна­чения и резины специального назначения (специальные).

РЕЗИНЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

К группе резин общего назначения относят вулканизаты неполярных каучуков — НК, СКВ, СКС, СКИ.

НК — натуральный каучук является полимером изопрена (С5Н8)л. Он растворяется в жирных и ароматических растворите­лях (бензине, бензоле, хлороформе, сероуглероде и др.), обра­зуя вязкие растворы, применяемые в качестве клеев. При нагреве выше 80—100 °С каучук становится пластичным и при 200 °С начинает разлагаться. При температуре —70 °С НК становится хрупким. Обычно НК аморфен. Однако при длительном хранении возможна его кристаллизация. Кристаллическая фаза возникает также при растяжении каучука, что значительно увеличивает его прочность. Для получения резины НК вулканизуют серой. Резины на основе НК отличаются высокой эластичностью, проч­ностью, водо- и газонепроницаемостью, высокими электроизоля­ционными свойствами: рv = 3-Ю¹⁴ — 23-Ю¹⁸ Ом-см; & == 2,5.

СКВ — синтетический каучук бутадиеновый (днвинильный) получают по методу С. В. Лебедева. Формула полибутадиена (С^Но)п- Он является некристаллизующимся каучуком и имеет низкий предел прочности при растяжении, поэтому в резину на его основе необходимо вводить усиливающие наполнители. Моро­зостойкость бутадиенового каучука невысокая (от—40 до —45 °С). Он набухает в тех же растворителях, что и НК. Стереорегулярный дивинильный каучук СКД по основным техническим свойствам приближается к НК. Дивинильные каучуки вулканизуются серой аналогично натуральному каучуку.

СКС — бутадиенстирольный каучук получается при совмест­ной полимеризацией бутадиена (С₄Н6) и стирола (СН2==СН—СвН5)-Это самый распространенный каучук общего назначения.

В зависимости от процентного содержания стирола каучук выпускают нескольких марок: СКС-10, СКС-30, СКС-50. Свойства каучука зависят от содержания стирольных звеньев. Так, напри­мер, чем больше стирола, тем выше прочность, но ниже морозо­стойкость. Из наиболее распространенного каучука СКС-30 полу­чают резины с хорошим сопротивлением старению и хорошо работающие при многократных деформациях. По газонепроницае мости и диэлектрическим свойствам они равноценны резинам на основе НК. Каучук СКС-10 можно применять при низких темпе­ратурах (от —74 до —77 °С). При подборе соответствующих напол­нителей можно • получить резины с высокой механической проч­ностью.

СКИ — синтетический каучук изопреновый — продукт поли­меризации изопрена С₅Н₈). Получение СКИ стало возможным в связи с применением новых видов катализаторов. По строению, химическим и физико-механическим свойствам СКИ близок к на­туральному каучуку. Промышленностью выпускаются каучуки СКИ-3 и СКИ-ЗП, наиболее близкие по свойствам к НК; каучук СКИ-ЗД, предназначенный для получения электроизоляционных резин, СКИ-ЗВ — для вакуумной техники.

Резины общего назначения могут работать в среде воды, воз­духа, слабых растворов кислот и щелочей. Интервал рабочих температур составляет от —35 до 130 °С. Из этих резин изгото­вляют шины, ремни, рукава, конвейерные ленты, изоляцию кабе­лей, различные резинотехнические изделия.

РЕЗИНЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальные резины подразделяют на несколько видовз маслобензостойкие, теплостойкие, ^светоозоностойкие, износостой­кие, электротехнические, стойкие к гидравлическим жидкостям.

Маслобензостойкие резины получают на основе каучуков хлоропренового (наирит), СКН и тиокола.

Наирит является отечественным хлоропреновым каучуком. Хлоропрену соответствует формула СН₂=ССl—СН=СН₂.

Вулканизация может проводиться термообработкой даже без серы, так как под действием температуры каучук переходит в тер­мостабильное состояние. Резины на основе наирита обладают высокой эластичностью, вибростойкостью, озоностойкостью, устойчивы к действию топлива и масел, хорошо сопротивляются тепловому старению. (Окисление каучука замедляется экрани­рующим действием хлора на двойные связи.) По темпер ату роустой-чивости и морозостойкости (от —35 до —40 °С) они уступают как НК, так и другим СК. Электроизоляционные свойства резины на основе полярного наирита ниже, чем у резины на основе неполяр­ных каучуков. (За рубежом полихлоропреновый каучук выпус­кается под названием неопрен, пербунан-С и др.).

СКН — бутадиеннитрильный каучук — продукт совместной полимеризации бутадиена с нитрилом акриловой кислоты:

—СН₂—СН =СН—СН₂—СН₂—СНСN—

В зависимости от состава каучук выпускают следующих марок? СКН-18, СКН-26, СКН-40. (Зарубежные марки: хайкар, пербунан, буна-М и др.). Присутствие в молекулах каучука группы СМ сообщает ему полярные свойства. Чем выше полярность каучука, тем выше его механические и химические свойства и тем ниже морозостойкость (например, для СКН" 18 от —50 до —60 °С, для СКН-40 от —26 до —28 °С). Вулканизируют СКН с помощью серы. Резины на основе СКН обладают высокой прочностью (δ_В •== = 35 МПа), хорошо сопротивляются истиранию, но по эластич­ности уступают резинам на основе НК, превосходят их по стой­кости к старению и действию разбавленных кислот и щелочей. Резины могут работать в среде бензина, топлива, масел в интер­вале температур от —30 до 130 °С. Резины на основе СКН приме­няют для производства ремней, конвейерных лент, рукавов, маслобензостойких резиновых деталей (уплотнительные прокладки, манжеты и т. п.).

Полисульфидный каучук, или тиокол, образуется при взаимо­действии галоидопроизводных углеводородов с многосернистыми соединениями щелочных металлов;..—СН₂—СН₂—S₂—S₂— ...

Тиокол вулканизуется перекисями. Присутствие в основной цепи макромолекулы серы придает каучуку полярность, вслед­ствие чего он становится устойчивым к топливу и маслам, к дей­ствию кислорода, озона, солнечного света. Сера также сообщает тиоколу высокую газонепроницаемость (выше, чем у НК), по­этому тиокол — хороший герметизирующий материал. Механи­ческие свойства резины н2 основе тиокола невысокие. Эластич­ность резин сохраняется при температуре от —40 до —60 °С. Теплостойкость не превышает 60—70 °С. Тиоколы новых марок работают при температуре до 130 °С.

Акрилатные каучука—сополимеры эфиров акриловой (или метакриловой) кислоты с акрилонитрилом и другими полярными мономерами — можно отнести к маслобензостойким каучукам. Каучуки выпускают марок БАК-12, БАКХ-7, ЭАХ. Для полу­чения высокопрочных резин вводят усиливающие наполнители. Достоинством акрилатных резин является стойкость к действию серосодержащих масел при высоких температурах; их широко применяют в автомобилестроении. Они стойки к действию кисло­рода, достаточно теплостойки, обладают адгезией к полимерам и металлам. Недостатками БАК являются малая эластичность, низкая морозостойкость, невысокая стойкость к воздействию горячей воды и пара.

Теплостойкие резины получают на основе каучука СКТ.

СКТ — синтетический каучук теплостойкий, представляет собой кремнийорганическое (полисилоксановое) соединение с хи­мической формулой

... —Si (СН₃)₂ - 0-Si (СН₃)₂— ...

Каучук вулканизуется перекисями и требует введения уси­ливающих наполнителей (белая сажа). Присутствие в основной молекулярной цепи прочной силоксановой связи придает каучуку высокую теплостойкость. Так как СКТ слабо полярен, он обла­дает хорошими диэлектрическими свойствами. Диапазон рабочих температур СКТ составляет от —60 до 250 °С. Низкая адгезия, присущая кремнийорганическим соединениям (вследствие их сла­бой полярности), делает СКТ водостойким и гидрофобным (напри­мер, применяется для защиты от обледенения). В растворителях и маслах он набухает, имеет низкую механическую прочность, высокую газопроницаемость, плохо сопротивляется истиранию. При замене метальных групп (СНз) другими радикалами полу­чают другие виды силоксановых каучуков. Каучук с винильной группой (СКТВ) устойчив к тепловому старению и обладает мень­шей текучестью при сжатии, температура эксплуатации от —55 до 300 °С. Вводя фенильную группу (С₆Н₅), получают каучук (СКТФВ), обладающий повышенной морозостойкостью (от —80 до —100 °С) и сопротивляемостью к действию радиации. Можно сочетать различные радикалы, обрамляющие силоксановую связь. Так, фенилвинилсилоксановый каучук имеет повышенные механи­ческие свойства. Если ввести в боковые группы макромолекулы СКТ атомы Р или группу СМ, приобретается устойчивость к топ­ливу и маслам. Введение в основную цепь атомов бора, фосфора дает возможность повысить теплостойкость резин до 350—400 °С и увеличить их клеящую способность. Силоксановые резины сгорают при 600—700 °С, а в течение нескольких секунд выдер­живают 3000 °С.

Морозостойкими являются резины на основе каучуков, име­ющих низкие температуры стеклования. Например, резины на основе СКС-10 и СКД могут работать при температуре до —60 °С;

НК, СКВ, СКС-30, СКН—до —50°С, СКТ — ниже —75°С.

Светоозоностойкие резины вырабатывают на основе насыщен­ных каучуков —фторсодержащих (СКФ), этиленпропиленовых (СКЭП), бутилкаучука.

Фторсодержащие каучуки получают сополимеризацией нена­сыщенных фторированных углеводородов (например, СF₂ = СFС1, СНз == СF₂ и др.). Отечественные фторкаучуки выпускают под марками СКФ-32, СКФ-26; зарубежные — кель-Ф и вайтон. Кау­чуки устойчивы к тепловому старению, воздействию масел, топ­лива, различных растворителей (даже при повышенных темпера­турах), негорючи. Вулканизованные резины обладают высоким сопротивлением истиранию. Теплостойкость длительная (до 300 °С). Недостатками является малая стойкость к большинству тормозных жидкостей и низкая эластичность. Резины из фторкаучуков широко применяют в авто" и авиапромышленности.

СКЭП — сополимер этилена с пропиленом — представляет со­бой белую каучукообразную масбу, которая обладает высокой прочностью и эластичностью, очень устойчива к тепловому старе­нию, имеет хорошие диэлектрические свойства. Кроме СКЭП выпускают тройные сополимеры СКЭПТ (за рубежом близкие по свойствам каучуки — висталом и дутрал).

Резины на основе фторкаучуков и этиленпропилена стойки к действию сильных окислителей (НNОз, Н₂О₂ и др.), применяются для уплотнительных изделий, диафрагм, гибких шлангов и т. д., не разрушаются при работе в атмосферных условиях в течение нескольких лет.

Хлорсульфо полиэтилен (ХСПЭ) является насыщенным полиме­ром. Его вулканизация основана на взаимодействии с группами ЗО^С! и С1. Вулканизаты ХСПЭ имеют высокую прочность (о-в == == 16—26 МПа), относительное удлинение 8 == 280 — 560 %. Они обладают повышенным сопротивлением истиранию при нагре­ве, озоно-, масло- и бензостойки, хорошие диэлектрики. Интервал рабочих температур от —60 до 215 °С. Применяют эти резины как конструкционный и защитный материал (противокоррозионные, не обрастающие в морской воде водорослями и микроорганизмами покрытия, для защиты от воздействия у-излучения).

Бутилкаучук (Б К) получают совместной полимеризацией изо-бутилена с небольшим количеством изопрена (2—3 %).

В бутилкаучуке мало ненасыщенных связей, вследствие чего он обладает стойкостью к кислороду, озону и другим химическим реагентам. Каучук кристаллизующийся, что позволяет получать материал с высокой прочностью (хотя эластические свойства низ­кие). Каучук обладает высоким сопротивление истиранию и высо­кими диэлектрическими характеристиками. По темпер атуростой-кости уступает другим резинам, превосходя их по газо- и паро-непроницаемости.

Бутилкаучук — химически стойкий материал. В связи с этим он в основном предназначен для работы в контакте с концентриро­ванными кислотами и другими химикатами; кроме того, его при­меняют в шинном производстве (срок службы покрышек в 2 раза выше, чем покрышек из НК).

Износостойкие резины получают на основе полиуретановых каучуков СКУ.

Полиуретановые каучуки обладают высокой прочностью, элас­тичностью, сопротивлением истиранию, маслобензостой костью. В структуре каучука нет ненасыщенных связей, поэтому он стоек к кислороду и озону, его газонепроницаемость в 10—20 раз выше, чем газопроницаемость НК. Рабочие температуры резин на его основе составляют от —30 до 130°С. На основе сложных поли­эфиров вырабатывают каучуки СКУ-7, СКУ-8, СКУ-50; на основе простых полиэфиров — СКУ-ПФ, СКУ-ПФЛ. Последние отличаются высокой- морозостойкостью (для- СКУ-ПФ— до -—75 °С)-и гидролитической стойкостью. Уретановые резины стойки к воз­действию радиации. Зарубежные названия уретановых каучуков — вулколлан, адипрен, джентан, урепан. Резины на основе СКУ применяют для автомобильных шин, конвейерных лент, обкладки труб и желобов для транспортирования абразивных материалов, обуви.

Таблица 50. Физико-механические свойства каучуков и саженаполненных резин.

Электротехнические резины включают электроизоляционные и электропроводящие резины. Электроизоляционные резины, при­меняемые для изоляции токопроводящей жилы проводов и кабелей, для специальных перчаток и обуви, изготовляют только на основе неполярных каучуков НК, СКВ; СКС, СКТ и бутилкаучука. Для них ру = 10¹¹ — 10¹⁵ Ом. см, б = 2,5 — 4, 1§ 6 == 0,005 — 0,01.

Электропроводящие резины для экранированных кабелей полу­чают из каучуков НК, СКН, наирита, особенно из полярного кау­чука СКН-26 с введением в их состав углеродной сажи и графита (65—70 %). Для них ру = 10² —10⁴ Ом*см.

Резину, стойкую к воздействию гидравлических жидкостей, используют для уплотнения подвижных и неподвижных соеди­нений гидросистем, рукавов, диафрагм, насосов; для работы в масле применяют резину на основе каучука СКН, набухание ко­торой в жидкости не превышает 1—4 %. Для кремнийорганических жидкостей применимы неполярные резины на основе каучуков НК, СКМС-10 и др.

Лекция

Тема. ПЛЕНКООБРАЗУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

( КЛЕИ И ГЕРМЕТИКИ)

План.

1. Общие сведения, состав и классификация пленкообразующих материалов.

2. Виды и характеристика органических клеев.

2.1.Конструкционные смоляные клеи.

2.2.Резиновые клеи.

3. Виды и характеристика неорганических клеев.

1. Общие сведения, состав и классификация пленкообразующих материалов.

Клеи и герметики относятся к пленкообразующим материалам .

Это растворы или расплавы полимеров, а также неорганические вещества, которые наносятся на какую-либо поверхность. После высыхания (затвердевания) образуются прочные пленки, хорошо прилипающие к различным материалам.

Клеи и герметики могут быть в виде жидкостей, паст, замазок, пленок.

В состав этих материалов входят следующие компоненты:

-пленкообразующее вещество (в основном термореактивные смолы, каучуки), которое определяет адгезионные, когезионные свойства и основные физико-механические характеристики;

- растворители (спирты, бензин и др.), создающие определенную вязкость; пласти­фикаторы для устранения усадочных явлений в пленке и повыше­ния ее эластичности;

-отвердители и катализаторы для перевода пленкообразующего вещества в термостабильное состояние; напол­нители в виде минеральных порошков, повышающих прочность соединения, уменьшающих усадку пленки. Для повышения термо­стойкости вводят порошки А1, Аl₂Оз, SiO₂, для повышения токо-проводимости — серебро, медь, никель, графит.

В зависимости от назначения пленкообразующие материалы делят на клеящие, применяемые для склейки различных материа­лов, и герметики, обеспечивающие уплотнение и герметизацию швов, стыков, емкостей и т. д.

Клеевые соединения по сравнению с другими видами неразъем­ных соединений (заклепочными, сварными и др.) имеют ряд преи­муществ:

-возможность соединения различных материалов (метал­лов и сплавов, пластмасс, стекол, керамики и др.) как между собой, так и в различных сочетаниях;

- атмосферостойкость и стойкость к коррозии клеевого шва;

-герметичность соединения;

-возможность соединения тонких материалов;

- снижение стоимости производства; экономия массы и значительное упрощение технологии изготовле­ния изделий.

Недостатками клеевых соединений являются:

- относительно низ­кая длительная теплостойкость (до 350 °С), обусловленная органи­ческой природой пленкообразующего вещества;

-невысокая проч­ность склеивания при неравномерном отрыве;

-часто необходимость проведения склеивания с подогревом;

- склонность к старению.

Однако имеется ряд примеров длительной эксплуатационной стойкости клеевых соединений. Новые клеи на основе кремнийорганических и неорганических полимеров обеспечивают работу клеевого шва при температуре до 1000°С и выше, однако большин­ство из них не обладают достаточной эластичностью пленки.

Прочность склеивания зависит от явления адгезии, когезии и механического сцепления пленки с поверхностью склеиваемых материалов.

Прочность склеивания можно повысить путем механического сцеп­ления пленки клея с шероховатой поверхностью материала; для этого перед склеиванием часто поверхности деталей фрезеруют или зачищают шлифовальной шкуркой.

На процесс склеивания влияет природа склеиваемых материа­лов.

Адгезионные свойства металлов различны. По мере убывания этих свойств металлы можно расположить в следующем поряд­ке: сталь, бронза, алюминиевые сплавы, медь, железо, латунь.

Клеящие свойства полимеров зависят от:

-наличия полярных функциональных групп;

-молекулярной массы и структуры макромолекул.

Так, полярные материалы требуют применения полярных клеев. При склеивании пластиков лучшим клеем является раствор или расплав этого же пластика. Если пластики неполярны и не раст­воряются в растворителях (полиэтилен, фторопласт-4, полипропи­лен), то характер их поверхности изменяют механическим или химическим путем.

Классификация клеев. Клеи классифицируют по ряду призна­ков. Различают следующие клеи:

-по пленкообразующему вещест­ву — смоляные и резиновые;

- по адгезионным свойствам — универ­сальные, склеивающие различные материалы (например, клеи БФ) и с избирательной адгезией (белковые, резиновые);

- по отно­шению к нагреву — обратимые (термопластичные) и необратимые (термостабильные) пленки;

-по условиям отверждения — холодного склеивания и горячего склеивания;

-по внешнему виду — жидкие, пастообразные и пленочные;

-по назначению — конструкционные силовые и несиловые.

Чаще используют классификацию по пленко­образующему веществу. Смоляные клеи могут быть термореактив­ными и термопластичными. Термореактивные смолы дают прочные. теплостойкие пленки, применяемые для склеивания силовых конструкций из металлов и неметаллических материалов. Клеи на основе термопластичных смол (поливинилацетата, акрилатов и др.) имеют невысокие прочностные характеристики, особенно при нагреве, и применяются для несиловых соединений неметалли­ческих материалов.

Резиновые клеи, в которых основным пленкообразующим ве­ществом является каучук, отличаются высокой эластичностью и применяются для склеивания резины с резиной или резины с металлами.

Высокотемпературными являются неорганические клеи.

2. Виды и характеристика органических клеев.

2.1 Конструкционные смоляные клеи.

Смоляные клеи. В качестве пленкообразующих веществ этой группы клеев применяют термореактивные смолы, которые отверждаются в присутствии катализаторов и отвердителей при нормальной или повышенной температуре. Клеи холодного склеи­вания, как правило, обладают недостаточной прочностью, особенно при повышенных температурах. При горячем склеивании происхо­дит более полное отверждение смолы и клеевое соединение приобре­тает прочность и теплостойкость. Теплостойкость повышают также введением минеральных наполнителей. Термостойкие клеи полу­чают на основе ароматических полимеров, содержащих гетере циклы (полибензимйдазолов, полиимидов), а также на основе карборансодержащих полимеров. Карбораны представляют собой бороорганические соединения, по свойствам они близки к ароматическим системам. В настоящее время созданы карборансодержащие фенольные, эпоксидные, крем-нийорганические и другие клеи.

Рассмотрим основные виды клеев. Клеи могут быть получены на основе чистых смол, например резольной, но учитывая, что образующийся при склеивании резит хрупок, смолу совмещают е каучуком^ термопластами и др.

Клеи на основе модифицированных фенолоформальдегидных смол. Эти клеи применяют преимущественно для склеивания металли" ческих силовых элементов, конструкций из стеклопластиков и т. п.

Фвнолокаучуковые композиции являются эластичными тепло­стойкими пленками с высокой адгезией к металлам. К этому виду откосятся клеи В К-32-200, В К-3, В К-4, В К-13 и др. Клеевые соеди­нения теплостойки, хорошо выдерживают циклические нагрузки, благодаря эластичности пленки обеспечивается прочность соеди­нения при неравномерном отрыве. Клеи водостойки и могут исполь­зоваться в различных климатических условиях.

Фенолополивинилацеталевыекомпозиции наиболее широко ис­пользуют в клеях БФ. Клеи БФ-2 и БФ-4 представляют собой растворы фенолоформальдегидной смолы, совмещенной с поливи-нилбутиралем (бутваром). Клеи БФ-2 и БФ-4 применяют для склеивания металлов, пластмасс, керамики и других твердых материалов. Теплостойкость клеевых сочинений невысокая, водо­стойкость удовлетворительная.

Более теплостоек клей ВС" ЮТ, который отличается высокими характеристиками длительной прочности, выносливости и термо-етабильности при склеивании металлов и теплостойких неметалли­ческих материалов.

Фенолокремнцйорганические .клеи содержат в качестве наполни­телей асбест, алюминиевый порошок и др. Клеи являются термо­стойкими, они устойчивы к воде и тропическому климату, обладают хорошей вибростойкостью и длительной прочностью. Клеи В К-18 и ВК-18М способны работать при температуре 500—600 °С. Клей ВК-18М применяют для склеивания инструментов. Он позволяет увеличить стойкость инструмента в 1,5—4 раза.

Клеи на основе эпоксидных смол. Отверждение клеев происходит с помощью отвердителей без выделения побочных продуктов, что почти не дает усадочных явлений в клеевой пленке.

Отверждение смол можно вести как холодным, так и горячим способом. В результате полярности эпоксидные смолы обладают высокой адгезией ко всем материалам. К клеям холодного отвер-ждения относятся Л-4, ВК-9, КЛН-1, ВК-16, ЭПО. Эпоксидные клеи горячего отверждения ВК-32-ЭМ, К-153, ФЛ-4С, ВК-1 и другие являются конструкционными силовыми клеями. Их приме­няют для склеивания металлов, стеклопластиков, ферритов, кера мики. Клеи ВК-1 и ФЛ-4С используют в клеесварных соединениях. Эпоксидно-кремнийорганические клеи ТКМ-75, Т-73 применя­ют для приклеивания режущих частей при изготовлении инстру­ментов.

Для всех эпоксидных клеев характерна хорошая механическая прочность, атмосферостойкость, устойчивость к топливу и мине­ральным маслам, высокие диэлектрические свойства.

Клеи УП-5-140 и УП-5-140-2 холодного отверждения исполь­зуют для склеивания больших вертикальных плоскостей из метал­лов и пластмасс с различными коэффициентами теплового расшире­ния. Клей УП-5-177 склеивает в воде металлы и стеклопластики, служит для устранения вмятин, раковин, трещин при ремонте судов. Быстроотверждающийся клей УП-5-207М стоек к смене температур, влажности, вибрации, старению, клей УП-5-213 пред­назначен для древесно-пластмассовых спортивных изделий, стоек к ударам, вибрации, влаге. Клеи могут работать при температуре от —60 до 40 °С.

Полиуретановые клеи. Композиции могут быть холодного и горячего отверждения. В состав клея входят полиэфиры, полиизоцианаты и наполнитель (цемент). При смешении компонентов про­исходит химическая реакция, в результате которой клей затверде­вает. Клеи обладают универсальной адгезией (полярные группы МНСО), хорошей вибростойкостью и прочностью при неравномер­ном отрыве, стойкостью к нефтяным топливам и маслам. Предста­вителями полиуретановых клеев являются ПУ-2, ВК-5, В К-11, лейконат, вилад. Эти клеи токсичны.

Клеи, модифицированные карборансодержащими соединениями, обладают высокой термостойкостью. Клей ВК-20 выдерживает длительно температуру 350—400°С и кратковременно 800 °С, имеет высокую длительную прочность.

Клей циакрин на основе цианоакрилатов марок ЭО № 87 и ЭО № 170 не подвержен старению, и при хранении прочность его возрастает.

Клеи на основе кремнийорганических соединений. Эти клеи теплостойкие. Кремнийорганические полимеры не обладают высо­кими адгезионными свойствами вследствие блокирования полярной цепи 51—О органическими-неполярными радикалами, поэтому часто эти соединения совмещают с другими смолами. Многие клеи содержат минеральные наполнители. Клеи ВК-2, ВК-8, ВК-15 и другие отверждаются при высокой температуре. Клеи устойчивы к маслу, бензину, обладают высокими диэлектрическими свойст­вами, не вызывают коррозии металлов и применяются для склеива­ния легированных сталей, титановых сплавов, стекло- и асбопластиков, графита, неорганических материалов.

Клеи на основе поликарборансилоксанов обладают стойкостью к термоокислительной деструкции, способны длительно работать при температуре 600 °С, кратковременно при 1200 °С, имеют высо­кую адгезию к различным материалам.

Клеи на основе гетероциклических полимеров. Полибензимидазольные и полиимидные клеи обладают прочностью, высокой стойкостью к термической, термоокислительной и радиационной деструкции, химически стойки. Клеевые соединения могут рабо­тать в течение сотен часов при температуре 300°С, а также при криогенных температурах. Полибензимидазольыый клей выпус­кают под маркой ПБИ-1К, полиимидный—СП-6. Этими клеями можно склеивать коррозионно-стойкие стали, титановые сплавы, стеклопластики и различные композиционные материалы.

2.2 Резиновые клеи.

Резиновые клеи предназначены для склеива­ния резины с резиной и для крепления резины к металлу, стеклу и др. Резиновые клеи представляют собой растворы каучуков или резиновых смесей в органических растворителях.

В состав клеев горячей вулканизации входит вулканизующий агент. Склеивание проводят при температуре вулканизации 140—150 °С. Соединение получается прочным, подчас не уступаю­щим прочности целого материала.

При введении в состав клеевой композиции активаторов и ускорителей получают самовулканизующийся клей (процесс вул­канизации протекает при нормальной температуре). Для увели­чения адгезии вводят синтетические смолы (пример такой компо­зиции клей 88 НП). Соединение получается достаточно прочное, стойкое к воздействию морской воды. Хорошей склеивающей способностью и стойкостью к действию масел и топлив обладают клеи 9М-35Ф, ФЭН-1 и др.

В случае необходимости склеивания теплостойких резин на основе кремнийорганического каучука и приклеивания их к метал­лам применяют клеи, содержащие в своем составе кремнийорганические смолы (клей КТ-15, КТ-30, МАС-1В). Клеевые соединения могут работать при температурах от —60 до 200—300 °С.

Клей-герметик виксинт применяют для склеивания резин, стекла, полиимидной пленки, стеклянных тканей.

3. Виды и характеристика неорганических клеев.

Эти клеи являются высокотемпературными. Клеи (связ­ки) могут быть в виде концентрированных водных растворов неорганических полимеров; в виде твердых порошков, которые сначала плавятся, а потом затвердевают, и в виде дисперсий. Последние затвердевают или вследствие химического воздействия порошка и жидкости (клей-цемент), или без химического взаимо­действия при высыхании (клеи-пасты).

Применяют следующие виды неорганических клеев: фосфатные, керамические, силикатные.

Фосфатные клеи являются растворами фосфатов. Часто в состав клеев вводят наполнители инертные или активные. Порошки металлов образуют аморфные кислые фосфаты. Клей АХФС (на алюмохромфосфатной связке) отверждается при различных температурах (от 20 до 250 °С); имеет рv = 1520 кг/м³, δ_В == 3 — 10 МПа, τcдв == 0,9 — 1,4 МПа, ά= 1.10^-6 — 2. 10^-5 °С^-1, огнеупорность 1000—1800° С, водо- и кислотостоек, обладает хорошей адгезией применяется для склеи­вания различных металлов, графита и др. Клей АФС — алюмо-фосфатная связка е наполнителями 2г0г и порошком Т1, после термообработки (t= 600 °С) имеет δсж === 250 МП а.

Керамические клеи (фритты) являются тонкими суспензиями оксидов щелочных металлов (Мg0, Аl₂Оз, SiO₂ и др.) в воде. Такие клеи наносятся на склеиваемые поверхности, подсушиваются, а затем при небольшом давлении нагреваются до температуры плавления компонентов и выдерживаются в течение 15-—20 мин. Прочность соединения сохраняется при температуре 500—1000 °С.

Силикатные клеи. Жидкое стекло обладает клеящей способ­ностью, им можно склеивать стекло, керамику, стекло с металлом, асбест. Алюмосиликатная связка (АСС) с различными наполни­телями образует клеи, отверждающиеся при 120 °С за 1—2ч. Клеями можно склеивать разнородные материалы (металлы, стекло, керамику). Прочность соединения металлов δсж=455 — 1100, δв = 50 — 150 МПа. При введении углеродистого волокна δизг== 500 МПа.

ЛЕКЦИЯ

Тема. ГЕРМЕТИКИ.

План

1.Назначение, требования, классификация герметиков.

2. Характеристика различных видов герметиков.

1.Назначение, требования, классификация герметиков.

Герметики применяют для уплотнения и герметизации клепаных, сварных и болтовых соединений, топливных отсеков и баков, различных металлических конструкций, приборов, агре­гатов.

Основные требования к герметикам: высокая адгезия к метал­лам и другим материалам, эластичность и непроницаемость для различных сред, тепломорозостойкость, высокая химическая устой­чивость.

Герметики классифицируют по составу:

-каучуковые;

-каучуково-смоляные;

-смоляные.

2. Характеристика различных видов герметиков.

Тиоколовые герметики получают на основе полисульфидного каучука. Сера, входящая в состав основной молекулярной цепи, сообщает пленке высокую газо- и паронепроницаемость. У них высокая адгезия к металлам, древесине, бетону. Они стойки к топливу и маслам.

Промышленностью выпускаются тиоколовые герметики У-ЗОМ и УТ-31. Срок службы герметиков 25 лет. Их применяют в авиа­ционной и автомобильной промышленности, в судостроении, для строительной техники.

Анаэробные герметики получают на основе полиакрилатов. Эти герметики выпускаются под названиями анатерм и унигерм, за рубежом их называют локтайдами. При отверждении они не дают усадки и не требуют больших давлений. Пленка герметиков стойка к вибрации и ударам, они могут работать в агрессивных средах и при высоких давлениях, длительно при температурах – 200 – 200⁰ С, кратковременно до температуры 300⁰С. Прочность соединения при сдвиге в случае использования анатерма составляет 6—17,5 МПа.

Анаэробные герметики применяют для герметизации микроде­фектов в сварных соединениях, отливках, штампованных деталях, для контровки болтов, резьбовых соединений, герметизации трубо­проводов и др.

Недостатком этих герметиков является высокая стоимость.

Кремнийорганические герметики отличаются повышенной теп­лостойкостью. Представителями их являются виксинт и эластосил.

Виксинт применяется для поверхностной герметизации металли­ческих соединений, электро-, радиоаппаратуры, для внутришовных клепаных и сварных соединений; может работать при температуре от —60 до 250 °С; стоек в различных климатических условиях;выдерживает вибрацию и удары.

Эластосил применяется для герметизации металлов, органи­ческих и силикатных стекол, керамики, бетона; водо-, тепло-, атмосферостоек при температуре от —60 до 200 ° С, является диэлектриком.

Эпоксидные герметики могут быть холодного и горячего отверждения; работают в условиях тропической влажности, при вибра­ционных и ударных нагрузках; применяются для герметизации металлических и стеклопластиковых изделий. Герметик УП-5-197С применяется в судовых конструкциях, УП-6-103 в шахтной аппа­ратуре, УП-5-105-2 в электрорадиотехнических изделиях, УП-5-122АТ стоек к топливу и маслам. Герметики холодного отверждения могут работать длительно при температуре от —60 до 75 °С, горячего отверждения при температуре от —60 до 140 °С.

Фторкаучуковые герметики тепло-масло-топливостойки, работают в агрессивных средах. Основой их служат низко-и среднемолекулярные каучуки (Ф-4Д, СКФ-26 и др.), у них исключи­тельно высокие герметизирующие свойства, кислото-и паростойкость. Длительно они могут работать при температуре 250 °С, а 100—200ч при температуре 300 °С; негорючи; применяются марки СКФ-260НМ, СКФ-260НМ-2 и др.

Недостатками этих герметиков являются неудовлетворительная морозостойкость (—22 °С), хотя они не растрескиваются при температуре до —60 °С, кроме того, они нестойки к большинству тормозных жидкостей; не­достаточно пластичны, имеют высокую стоимость. Основное применение фтор каучуковые герметики находят в автомобильной и авиационной промышленности.

Из полиуретановых герметиков применяют вилад-13-2М, из полиэфирных — ПН-33, герметик холодного отверждения, исполь­зуемый для герметизации металлических отливок. Свойства гер­метика: δв⁼ 10 – 1, δизг ==15—21 МПа.

Таблица. 1. Физико-механические свойства герметиков

Дата добавления: 2014-03-13; просмотров: 601; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!