Конструкционные смоляные и резиновые 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 холодной склейки, как правило, обладают недостаточной проч­ностью, особенно при повышенных температурах. При горячей склейке 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 гетероциклы (полибензимидазолов, полиимидов), а также на основе карборансодержащих полимеров. Карбораны представляют собой борорганические соединения общей фор­мулы В„С₂Н„ _{+ 2}, по свойствам они близки к ароматическим системам. В настоящее время созданы карборансодержащие фенольные, эпоксидные, кремнийорганические и другие клеи.

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

Клеи на основе модифицированных фенолоформальдегидных смол. Это клеи применяют преимущественно для склеивания металлических силовых элементов, конструкций из стеклопла­стиков и т. п.

Феноло-каучуковые композиции являются эластичными теплостойкими пленками с высокой адгезией к металлам. К этому виду относятся клеи ВК-32-200, ВК-3, ВК-4, ВК-13 и др. Клеевые соединения теплостойки, хоро­шо выдерживают циклические нагрузки, благодаря эластичности пленки обеспечивается прочность соединения при неравномерном отрыве.

 На рис.5 приведена температурная зависимость прочности этих клеев. Клеи водостойки и могут использоваться в различных кли­матических условиях.

Рис. 5. Зависимость предела прочности при сдвиге

(—) и равномерном отрыве (- - - -) клеевых соединений на фенолкаучуковых клеях or темпе­ратуры

 

 

Фенолополивинилацеталевые компо­зиции наиболее широко используются в клеях БФ. Клеи БФ-2 и БФ-4 представ­ляют собой спиртовые растворы фенолоформальдегидной смолы, совмещенной с поливинилбутиралем (бутваром). Клеи БФ-2 и БФ-4 применяют для склеивания металлов, пластмасс, керамики и других твердых материалов, Теплостойкость клеевых соеди­нений невысокая, водостойкость удовлетворительная.

Более теплостоек клей ВС-10Т, который отличается высокими характе­ристиками длительной прочности, выносливости и термостабильности при склеивании металлов и теплостойких неметаллических материалов.

Фенолокремнийорганические 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 ВК-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.

Клей на основе эпоксидных смол. Отверждение клеев проис­ходит при помощи 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 отверждения относятся Л-4, ВК-9, КЛН-1, ВК-16, ЭПО. Эпоксидные клеи горячего отверждения ВК-32-ЭМ, К-153, ФЛ-4С, ВК-1 и др. являются конструкционными силовыми клеями. Их применяют для склеивания металлов, стеклопластиков, ферритов, кера­мики. Клеи ВК-1 и ФЛ-4С используют в клеесварных соединениях. Эпоксидно-кремнийорганические клеи ТКМ-75, ТКС-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.

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 NHCO), хорошей вибростойкостью и прочностью при неравномерном отрыве, стойкостью к нефтяным топливам и маслам. Представителями полиуретановых клеев являются ПУ-2, ВК-5, ВК-11, лейконат. Такие клеи токсичны.

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

Клеи на основе кремнийорганических соединений. Эти клеи являются теплостойкими. Кремнийорганические полимеры не обладают высокими адгезионными свойствами вследствие блокирования полярной цепи Si — 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 др. отверждают­ся при высокой температуре. Клеи устойчивы к маслу, бензину, обладают высокими диэлектрическими свойствами, не вызываю: коррозии металлов и применяются для- склейки легированных сталей, титановых сплавов, сте­кло- и асбопластиков, графита, неорганических материалов.

Клеи на основе поликарборансилоксанов обладают стойкостью к тер­моокислительной деструкции, способны длительно работать при 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 300^сС, а также при криогенных температурах. Полибензимидазольный клей выпускают под маркой ПБИ-1K, полиимидный — СП-6. Этими клеями можно склеивать коррозионно-стойкие стали, титановые сплавы, стеклопластики и различные композиционные материалы.

Еще более теплостойкие клеи (фосфатные, силикатные, керамические, металлические) получают на основе неорганических соединений. Неко­торые из них могут выдерживать температуру до 3000°С. Однако по проч­ности они уступают смоляным клеям.

Алюмохромсиликатофосфатные композиции обеспечивают достаточ­ную прочность соединения при 1250 —1500°С.

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. Склейку 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 88Н). Соединение получается достаточно прочное. Недостатком клея 88Н является нестойкость пленки к керосину, бензину и минеральным маслам. Клей 88НП образует соедине­ние, стойкое к морской воде. 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, MAC-IB). Клеевые соединения могут работать при темпера­турах от -60 до 200-300°С.

Клей-герметик Виксинт применяется для склеивания резин, стекла, полиимидной пленки, стеклянных тканей.

3. СВОЙСТВА КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Клеевые соединения наиболее эффективно работают на сдвиг (τ = 0,6 - 3 кгс/мм²). В клеевых соединениях может происходить равномерный и не­равномерный отрыв и отдирание (отслаивание) у кромки шва.

В случае неравномерного отрыва прочность соединения в несколько раз

меньше, чем при равномерном отрыве. При сжатии прочность клея боль­ше в 10—100 раз, чем при растяжении.

Прочность склейки существенно зависит от температуры, причем боль­шое влияние оказывает вид клея и характер напряженного состояния. Коэф­фициент Пуассона клея μ = 0,3; модуль сдвига G = О,38Е; модуль упругости Е = 200 - 400 кгс/мм²; удлинение отвержденной пленки около 3,5%.

Теплостойкость клеев различна. Фенолокаучуковые и эпоксидные клеи работают длительно (до 30000 ч) при температуре 150°С и выше. Полиаро­матические и элементоорганические клеи выдерживают температуру 200 —400^сС в течение 2000 ч; карборансодержащие клеи — до 600°С в тече­ние сотен часов.

Клеящие материалы со временем «стареют». В условиях эксплуатации и при хранении склеенных изделий наступает охрупчивание клея, которое протекает тем быстрее, чем выше температура. Увеличение жест­кости клея вызывает возрастание концентрации напряжений, вследствие че­го прочность падает. Наиболее высокой термостабильностью обладают полиимидные и полибензимидазольные клеи. Некоторые клеи при дей­ствии переменных температур теряют 8 — 20% прочности.

Выносливость — число циклов до разрушения клеевого шва — зависит от вида клея. В среднем при несимметричном цикле нагрузки число циклов нагружения 10⁶ —10⁷.

                                                                                                                               таблица 4

Физико-механические свойства конструкционных смоляных клеев        

 

Тип клея	Предел прочности, кгс/мм2			Тепло­стой­кость,   С	Водостой­кость (сравни­тельная)	Темпера­тура склеи­вания, °С
	при сдвиге	при равно­мерном отрыве	при неравно­мерном отрыве
Фенолоформальдегидный	1,3-1,5	-	__	60-100	Хорошая	20 или 50-60
Фенолкаучуковый	1,4-2,5	1.7-2,0	0,30-0,50	200-350	Отличная	165-205
Фенолополивинилацеталевые	1,7-1,8	3,6-6	0,08-0,12	200-350	Хорошая	180
Фенолополивинил- бутиральный	2,2	3,2-3,5	0,30	60-80	Удовлетворительная	120-140
Фенолокремнийорганические	1,2-1,7	2,8-3,0	-	250-600	Хорошая	180-200
Эпоксидный	1-3	1-6	0,1-0,15	60-350	Удовлетворительная	20 или 80-210
Полиуретановый.	1,1-2,0	2,2 – 3,5	0,25 – 0,30	60-100	Хорошая	18-25
Полиуретановые карборансодержащие	1,0-2,0	-	_	350-1000	»	или 105 150
Кремнийорганический	0,90-1,75	1,5-2,2	0,08-0,20	350-1200	Удовлетворительная	180-270
Карбамидный	1,3	—	—	60	Низкая	15-30
Полибензимидазольный	1,5 — 3,0	_	_	350-540	Отличная	150-400
Полиимидный	1,5-3,0	—	—	300-375	»	180-260

 

________ЛАКОКРАСОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ_________

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ, СОСТАВ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Лакокрасочные материалы принадлежат к группе пленкообразующих ма­териалов После нанесения в жидком состоянии на окрашиваемые поверх­ности они образуют пленки. Высохшие пленки называются покрытиями. Лакокрасочные материалы предназначены для защиты металлов от коррозии, а неметаллических материалов (древесины, пластмасс             и т.д.) -от увлажнения и загнивания; они сообщают поверхности специальные свойства (электроизоляционные, теплозащитные и другие) и придают изделиям декоративный внешний вид.

Защита изделий от влияния внешней среды лакокрасочными покрытия­ми является наиболее доступной и широко применяется в машинострое­нии С помощью защитных покрытий срок эксплуатации аппаратуры, обо­рудования различных металлоконструкций увеличивается в несколько раз. К лакокрасочным материалам предъявляются определенные требования- высокая адгезия к защищаемым поверхностям, теплостойкость и химическая устойчивость, водонепроницаемость, светостойкость, глад­кость твердость и эластичность пленки, хорошие защитные свойства.

Состав и классификация лакокрасочных материалов. Компонентами ла­кокрасочных материалов являются пленкообразующие вещества; смолы для увеличения адгезии, придания пленке твердости и блеска; растворите­ли (скипидар, спирты, ацетон) и разбавители (бензол) для растворения пленкообразующего и других компонентов; пластификаторы (дибутилфталат и др) сохраняющие эластичность покрытия, снижающие его воспламе­няемость и улучшающие морозостойкость; отвердители термореактивных пленкообразующих (амины); пигменты и красители - придающие опреде­ленный цвет и обладающие защитными свойствами; наполнители (тальк, каолин) - для повышения вязкости материала и снижения блеска покры­тия; специальные добавки для тропикостойкости, стабилизации свойств

В качестве пленкообразующих веществ применяют в основном синтети­ческие смолы, эфиры целлюлозы, реже высыхающие растительные масла.

По составу лакокрасочные материалы подразделяют на лаки, эмали, грунты шпатлевки; по пленкообразующему веществу они могут быть смо­ляными, эфироцеллюлозными (нитроцеллюлозные и этилцеллюлозные) и маслосодержащими (битумные, канифольные).

Лаки являются растворами пленкообразующих веществ в растворите­лях иногда с добавками пластификаторов, ускорителей, стабилизаторов (в составе лака обязательно присутствует смола). Лаки предназначены для защиты поверхности изделия от воздействия внешней среды.

Эмали состоят из лака и пигмента. Для получения не глянцевых, а ма­товых покрытий в эмали вводят наполнитель. Пигменты придают эмали цвет и некоторые специфические свойства, например белые пигменты (ZnO, TiO₂) — атмосферостойкость и водоупорность; алюминиевая пу­дра — стойкость к действию влаги и ультрафиолетовых лучей; сажа — токопроводимость и т. д.

Грунты защищают металл от коррозии и увеличивают адгезию после­дующих слоев. В состав грунта входят лак и пигмент, обладающий за­щитными свойствами. В зависимости от вида пигмента грунты подразде­ляют на следующие группы: содержащие соли хромовой кислоты, цинковый и стронциевый крон (образующие окисные пленки на металле); содержащие свинцовый или железный сурик (пассивирующие грунты); со­держащие цинковую пыль (протекторные грунты) и инертные пигменты (соединения титана и т. д.), создающие изолирующие покрытия.

Хроматные грунты применяют для защиты магниевых и алюминиевых сплавов. Свинцовый сурик образует на поверхности металла гидрат закиси железа. Эти грунты применимы для защиты стальных деталей.

Защитное действие цинка основано па его более электроотрицательном потенциале по отношению к железу. Эти грунты применяют для защиты стальных деталей, работающих во влажных условиях.

Для защиты стальных деталей применяют также фосфатирующие грунты. Такой грунт реагирует с поверхностью стальных деталей и обра­зует на стали фосфатно-хроматную пленку сложного состава.

Шпатлевки предназначены для выравнивания неровностей на поверхно­сти изделий перед окраской. В состав шпатлевок входят лак, пигмент и на­полнитель. Шпатлевки наносят на предварительно загрунтованную поверх­ность.

Для надежной защиты поверхности изделий в большинстве случаев применяют многослойное покрытие, состоящее из слоев разного назначе­ния, называемое системой покрытия.

Непосредственно на деталь наносится грунт, затем шпатлевка, далее следует эмаль и покровный лак. Число слоев обычно составляет 2 — 6, а иногда и 14.

Смоляные термопластичные лакокрасочные материалы. Из термопла­стичных смоляных материалов получили широкое распространение перхлорвиниловые и акриловые. Перхлорвиниловые эмали (ХВ, ХС) приме­няют для окраски металлов, древесины, бетона. Покрытия негорючи, во­доустойчивы, химически стойки, могут работать в контакте с мине­ральным маслом и топливом, не поддаются действию тропических условий, имеют хорошие электроизоляционные свойства. Недостатки по­крытий: невысокая адгезия к металлам, отсутствие глянца, низкая тепло­стойкость (60 — 90°С), неприятный запах.

Материалы на основе акриловых смол термопластичны, но более те­плостойки и дают покрытия эластичные, стойкие к ударным нагрузкам, с хорошей адгезией к металлам. Акриловые эмали (АК и АС) могут рабо­тать в условиях 98-100%-ной влажности при температуре 55-60°С. При нанесении на эпоксидный грунт покрытие сохраняет защитные свойства в течение 3 — 6 лет.

Покрытия на основе термореактивных смол. Алкидные материалы выра­батывают на основе глифталевой (ГФ) и пентафталевой (ПФ) смол, часто модифицированных растительными маслами. Покрытия обладают высокой твердостью, прочностью, удовлетворительной адгезией к различным материалам. При введении алюминиевой пудры покрытия выдерживает дли­тельно температуру 120°С и кратковременно температуру до 300°С. К не­достаткам алкидных покрытий, относится склонность к старению, недоста­точная устойчивость к условиям тропического климата и щелочным средам.

Эпоксидные лакокрасочные материалы на основе эпоксидных смол и их модификаций с различными отвердителями дают покрытия ЭП, обладаю­щие хорошей адгезией к металлам и неметаллическим материалам, значи­тельной твердостью, химической стойкостью к различным средам, в том числе к щелочным и, высокими электроизоляционными свойствами. По­крытия при сушке не дают усадки и стойки к колебаниям температуры.

Полиэфирным покрытиям присуща большая твердость, сильный блеск, удовлетворительная, прочность на истирание. Однако они плохо сопротив­ляются ударным нагрузкам и малоэластичны; используются главным образом при окраске деревянных (и бетонных) поверхностей, адгезия по­лиэфирных лаков к металлам невысокая.

Полиуретановые лаки, эмали, грунты имеют очень хорошую адгезию к различным материалам, хорошо сопротивляются истиранию, эластичны, атмосферостойкие, газонепроницаемы, могут работать в контакте с водой, маслами, бензином и растворителями, являются хорошими диэлектрика­ми. Недостатком этих материалов, ограничивающих их применение, является токсичность.

Наиболее теплостойки лакокрасочные материалы на основе кремнийорганических полимеров (КО). Покрытия стойки к влаге, окислению, озону, солнечному свету и радиации, химически инертны, хорошие диэлектрики. Однако они имеют невысокую адгезию к различным материалам и тре­буют горячей сушки (200°С). Кремнийорганические лаки и эмали ис­пользуют в основном в качестве электроизоляционных материалов. Моди­фицированные кремнийорганические лаки и эмали защищают металличе­ские поверхности от длительного воздействия высоких температур.

Полиимидные покрытия теплостойки, выдерживают тепловые удары от - 196 до + 340°С. Покрытия прочные, устойчивы к воздействию раствори­телей и кислот, стойки к радиации и обладают диэлектрическими свой­ствами. Получение этих покрытий требует высокой температуры и тща­тельного соблюдения технологии.

2. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ

По условиям эксплуатации лакокрасочные покрытия подразделяют на стойкие внутри помещения; атмосферостойкие; химически стойкие; водо­стойкие; термостойкие; масло- и бензостойкие и электроизоляционные. Термостойкость (в°С) различных лакокрасочных покрытий приведена ниже:

· Нитроцеллюлозные (НЦ)................................... До 80,

· Перхлорвиниловые (ХВ).................................. 80 — 90'

· Эпоксидные (ЭП)................................................ 150-200

· Алкидные (ГФ, ПФ).............. -........................... 150-300

· Полиуретановые (УР).................................... 180

· Акриловые (АК)............................................. 180

· Кремнийорганические (КО)...................... ". 300-600 (1000, 1 мин)

· Полиимидные..................................................... 300, (400, 2-3 ч)

 

 

                ДРЕВЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ_____________

Древесина с давних времен используется в качестве конструкционного ма­териала в различных отраслях промышленности и применяется как в нату­ральном виде, так и в виде разнообразных древесных материалов.

К достоинствам древесины как конструкционного материала относят­ся достаточно высокая механическая прочность и небольшая объемная масса и, следовательно, высокая удельная прочность, хорошее сопротив­ление ударным и вибрационным нагрузкам. Теплофизические свойства древесины характеризуются малой теплопроводностью и в 2 — 3 раза мень­шим, чем у стали, температурным коэффициентом линейного расширения. Древесина имеет высокую химическую стойкость к ряду кислот, солям, маслам, газам. Важными свойствами древесины являются ее способность к склеиванию, возможность быстрого соединения гвоздями, шурупами, легкость механической обработки и гнутья.

Наряду с указанными достоинствами древесина обладает рядом недо­статков, ограничивающих ее применение как конструкционного материала. Можно отметить следующие недостатки: гигроскопичность, которая является причиной отсутствия у деталей из древесных материалов ста­бильности формы, размеров и прочностных свойств, меняющихся с изме­нением влажности; склонность к поражению грибковыми заболеваниями; отсутствие огнестойкости; низкий модуль упругости; анизотропия механи­ческих свойств, которые в силу волокнистого строения древесины раз­личны в разных направлениях действия сил; неоднородность строения, в результате которой свойства материала различны не только в пределах одной породы; но в пределах одного ствола.