Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ применения клеевых композиций для восстановления герметичности металлических деталей, узлов, агрегатов 13
1.1 Основные понятия в теории герметизации. 14
1.2 Обоснование применения клеевого способа для восстановления герметичности металлических деталей и узлов . 18
1:3 Определение номенклатуры поврежденных металлических деталей, узлов и агрегатов бытовых машин и технологического оборудования, пригодных для восстановления герметичности с использованием полимерных клеев-герметиков 25
1.4 Характеристика факторов, воздействующих на детали, узлы и агрегаты бытовых машин, приборов и технологического оборудования предприятий сервиса в процессе их эксплуатации... 26
1.5 Общие сведения о герметизирующих материалах на основе полимерных клеев и герметиков 30
1.6 Примеры применения клеев-герметиков в различных отраслях производства и при ремонте машин и оборудования 40
1.6.1 Применение клеев для создания герметичных конструкций 40
1.6.2 Применение клеев-герметиков для ремонта металлических деталей, узлов машин, агрегатов и трубопроводов 44
Глава 2. Теоретическое обоснование методики решения проблемы повышения долговечности металлополимерных клеевых герметизирующих систем. Характеристика экспериментальных методов исследования 54
2.1 Герметизирующие системы и принципы их построения 54
2.2 Металлополимерные герметизирующие системы . 56
2.3 Клеевые герметизирующие системы и их структура 59
2.4 Системный анализ проблемы повышения долговечности металлополимерных клеевых герметизирующих систем 62
2.5 Характеристика экспериментальных методов исследования 68
2.5.1 Методика исследования физико-механических и технологических свойств клеев и клеевых соединений 68
2.5.2 Методика испытания клеев и клеевых соединений на стойкость к факторам, возникающим при эксплуатации БМП и технологического оборудования 72
2.5.3 Методика физико-химических исследований 78
2.6 Математико-статистические методы обработки результатов эксперимента 83
2.7 Определение основных задач исследования 84
Глава 3. Разработка и исследование свойств клеев-герметиков . 86
3.1 Определение требований, предъявляемых к клеям-герметикам и клеевым соединениям 87
3.2 Сравнительный анализ свойств клеев и выбор полимерной основы для разработки клеев-герметиков 90
3.3 Разработка и исследование свойств одноупаковочных эпоксидных клеевых композиций. 96
3.3.1 Разработка и исследование свойств пленочного клея-герметика. 96
3.3.2 Разработка и исследование свойств одноупаковочного эпоксидного клея с пониженной температурой отверждения и сокращенным временем отверждения 117
3.4 Разработка и исследование свойств двухупаковочных эпоксидных
клеевых композиций 125
3.4.1 Разработка модифицированного полиуретаном эпоксидного клея 125
3.4.2 Исследование влияния способа обработки металлического наполнителя на свойства эпоксидных клеевых композиций 129
3.5 Исследование стойкости клеевых соединений металлов к эксплуатационным факторам 132
3.6 Оценка взаимодействия полимерных клеевых композиций с пищевыми средами 141
3.7 Выводы по главе 3 145
Глава 4. Исследование влияния конструктивных параметров и напряженного состояния металлополимерных клеевых герметизирующих систем на их долговечность 148
4.1 Разработка физических моделей металлополимерных клеевых герметизирующих систем 148
4.2 Определение прочности моделей металлополимерных клеевых герметизирующих систем и их стойкости к действию эксплуатационных факторов 152
4.3 Разработка математической модели напряженного состояния клеевых герметизирующих систем. 159
4.4 Определение долговечности металлополимерных клеевых герметизирующих систем 168
Глава 5. Пример использования результатов исследования - разработка клеевой герметизирующей системы для ремонта испарителей бытовых холодильников и
технологического процесса ремонта 172
5.1 Определение основных видов повреждений испарителей, поступающих в ремонт и анализ причин их возникновения 172
5.2 Сравнительный анализ методов восстановления герметичности алюминиевых испарителей 175
5.3 Основные требования, предъявляемые к разрабатываемой технологии восстановления герметичности испарителей 177
5.4 Анализ известных способов восстановления герметичности испарителей с помощью клея 178
5.5 Выбор клеев-герметиков, пригодных для ремонта испарителей и исследование их свойств 183
5.6 Разработка клеевой герметизирующей системы для ремонта испарителей. 184
5.7 Исследование долговечности клеевой герметизирующей системы и прогнозирование срока сохранения герметичности испарителя после ремонта 190
5.8 Разработка технологического процесса восстановления герметичности испарителя клеевым способом 193
5.9 Производственные испытания. 200
Заключение и общие выводы 204
Библиографический список. 206
Приложения 219
- Обоснование применения клеевого способа для восстановления герметичности металлических деталей и узлов
- Металлополимерные герметизирующие системы
- Сравнительный анализ свойств клеев и выбор полимерной основы для разработки клеев-герметиков
- Определение прочности моделей металлополимерных клеевых герметизирующих систем и их стойкости к действию эксплуатационных факторов
Введение к работе
Актуальность темы. Улучшить качество бытового обслуживания населения можно путем повышения механизации предприятий, применения новейших технологий, эффективного использования оборудования и подготовки высококвалифицированных специалистов. Представленная работа направлена на решение актуальных задач по разработке научных основ новых технологических процессов ремонта бытовых машин и приборов (БМП) с целью повышения.качества услуг и эффективности работы предприятий.
Значительное число металлических деталей, узлов, агрегатов БМП и технологического оборудования предприятий сервиса, работающих под давлением жидких и газообразных агрессивных сред, выходят из строя по причине нарушения герметичности. Традиционными способами восстановления герметичности являются методы с использованием сварки, пайки, эластичных прокладок, прижатых к отверстию с помощью механических приспособлений (хомутов, струбцин, резьбовых соединений и т.п.). Для осуществления проведения ремонта данными способам требуется иметь сложное оборудование, высококвалифицированный персонал. Внешний вид отремонтированных деталей не всегда соответствует требованиям заказчика.
В связи с этим большой интерес представляет использование полимерных клеев для восстановления герметичности деталей и узлов бытовых холодильных приборов, машин для обработки белья, аппаратов химической чистки одежды и технологического оборудования, эксплуатирующегося при воздействии агрессивной среды. Во многих случаях применение полимерных клеев-герметиков позволяет значительно упростить технологию ремонта, снизить стоимость и сократить сроки его проведения, организовать ремонт на базе небольших ремонтных предприятий и на дому у заказчика.
Например, по причине нарушения герметичности испарителя в ремонт поступает 15-20 % холодильных агрегатов бытовых холодильников. До настоящего времени большинство алюминиевых испарителей бытовых холодильников не
7 восстанавливается, а заменяется на новые. Существующие способы ремонта испарителей не получили широкого распространения, поскольку для осуществления аргоно-дуговой сварки алюминия требуется специальная аппаратура и высококвалифицированные сварщики, а пайка алюминия под флюсом также вызыва- і ет ряд трудностей, связанных с малой толщиной стенки канала (0,7 — 0,9 мм) и опасностью возникновения электрохимической коррозии в месте пайки. На поверхности испарителя, отремонтированного с использованием сварки или пайки, выгорает лаковое защитное покрытие и остается темное; пятно, портящее его внешний вид. Отсутствие доступных методов ремонта испарителей вызывает повышение стоимости ремонта, а в некоторых случаях приводит к увеличению сроков ремонта из-за отсутствия необходимого типоразмера испарителя.
Клеевой способ восстановления герметичности при ремонте БМП и оборудования, используемого на предприятиях бытового обслуживания еще не полу- г чил широкого распространения, поскольку существуют опасения в недостаточной надежности клеевого уплотнения. Подобные опасения являлись в какой-то мере оправданными, поскольку первые попытки применения клеев для восстановления герметичности металлических деталей носили эмпирический характер и не всегда давали требуемый результат. Недостаточная изученность факторов, от которых зависит долговечность клеевого уплотнения, приводит к неудачам в использовании клеевого способа ремонта, затрудняет его внедрение.
Практический опыт использования клеев на предприятиях сервиса, а также результаты теоретических исследований по данному направлению технологии , ремонта, накопленные в процессе многолетней работы, нуждаются в обобщении и систематизации. Это обусловлено множеством нерешенных задач, с которыми сталкиваются специалисты, занимающиеся ремонтом и обслуживанием аппаратов, в которых имеются замкнутые объемы, заполненные жидкостями и газами, находящимися под давлением.
Сложное взаимодействие многокомпонентной клеевой композиции и металлических элементов клеевого уплотнения, одновременное протекание в нем механических и физико-химических процессов под воздействием нагрузок,
8 герметизируемой и окружающей сред, дают основание рассматривать его как систему. В дальнейшем эту систему будем называть металлополимерной клеевой герметизирующей системой (КГС).
Целью работы является разработка и исследование металлополимерных клеевых герметизирующих систем, направленные на повышение их долговечности, совершенствование технологии применения клеевых герметизирующих систем при ремонте БМП и технологического оборудования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: провести анализ известных в ремонтной практике способов восстановления герметичности металлических деталей, узлов, агрегатов, работающих под давлением жидких и газообразных агрессивных сред, и определить номенклатуру деталей бытовой техники, пригодных к ремонту клеевым способом, определить виды повреждений, связанных с нарушением герметичности; исследовать металлополимерное клеевое уплотнение как систему, определить основные элементы системы и установить характер их взаимодействия; определить факторы, воздействующие на КГС в процессе эксплуатации БМП и технологического оборудования предприятий сервиса; провести системный анализ проблемы повышения долговечности металлополимерных КГС и выявить факторы, определяющие их прочность и долговечность; разработать методики экспериментального исследования металлоголи-мерных КГС и технические средства для их проведения; разработать и испытать клей-герметики, предназначенные для восстановления герметичности металлических деталей и агрегатов БМП и технологического оборудования и соответствующие технологическим, эксплуатационным, гигиеническим и другим требованиям, разработать технологические параметры применения клеев-герметиков; исследовать влияние вида конструктивной схемы, геометрических параметров и напряженного состояния металлополимерных КГС на их прочность и долговечность; изучить напряженное состояние герметизирующих систем и разработать методики прогнозирования их долговечности; - разработать рекомендации по использованию конструктивных решений
КГС, клеев-герметиков и разработке технологий ремонтах применением ме-таллополимерных КГС, обладающих повышенной долговечностью; - разработать технологические процессы и оснастку для реализации пред ложенных способов восстановления герметичности металлических деталей и агрегатов БМП и технологического оборудования; провести производственные испытания и внедрение разработанных технологий.
Объект исследований. В качестве объектов исследований выбраны метал-лополимерные клеевые герметизирующие системы, применяемые при ремонте БМП и технологического оборудования предприятий бытового обслуживания.
Методы исследования. В работе использовались методы системного анализа, математического анализа и моделирования, методы аналогового и натурного моделирования.
Для проведения экспериментальных исследований использовали как стандартные и традиционные методики, приборы и стенды, так и специально разработанные для решения конкретных научных и производственных задач. Для определения физико-механических и физико-химических характеристик объектов исследования использовались приборы, аппаратура и оборудование лабораторий ЮРГУЭС, ЮРГТУ (НПИ) и ряда других научных учреждений и производственных предприятий. Обработку результатов экспериментов и математическое моделирование проводили с использованием компьютерных программ Microsoft Word, Microsoft Excel, MathCAD , Microsoft Visio, Adobe Photoshop и пакета символьных математических вычислений Maple 9.5 для операционной системы Windows ХР.
Научная новизна работы состоит в научно обоснованном подходе к проблеме использования полимерных клеев-герметиков для восстановления герметичности деталей и узлов БМП и технологического оборудования, работающих под воздействием повышенного давления и агрессивных сред, с целью повышения качества ремонта, введения новой услуги и получения экономического эффекта.
Теоретическая значимость работы состоит в том, что впервые дано определение металлополимерным КГС; предложены и проанализированы обобщенные структурные модели основных типов КГС, используемых в ремонтной практике; определены основные требования к конструкциям КГС, обладающих необходимой долговечностью.
Впервые на основе системного подхода к решению проблемы повышения долговечности металлополимерных КГС, применительно к условиям эксплуатации бытовой техники, изучены и теоретически обобщены факторы, определяющие их прочность и долговечность; установлена связь между указанными факторами, дана оценка их вклада в обеспечение прочности, герметичности и долговечности металлополимерных КГС, показана возможность значительного повышения долговечности клеевых уплотнений, используемых для ремонта бытовой техники.
Разработаны и испытаны новые рецептуры полимерных клеев-герметиков с улучшенными характеристиками, удовлетворяющие технологическим, эксплуатационным, гигиеническим и другим требованиям, предъявляемым к материалам, используемым для восстановления герметичности металлических деталей бытовой техники. Путем построения математических моделей клеевых композиций оптимизирован их состав.
Экспериментально исследовано влияние состава полимерного клея, напряженного состояния, агрессивной среды, температурного режима эксплуатации клеевых соединений металлов и КГС на их физико-механические характеристики и долговечность. Разработана методика испытаний КГС и прогнозирования их долговечности применительно к бытовым машинам, приборам и технологическому оборудованию.
Разработаны и испытаны физические модели металлополимерных КГС различных конструктивных типов, разработаны КГС с повышенной прочностью и долговечностью, которые обеспечивают снижение напряжений в клеевом шве, уменьшение воздействия агрессивной среды и перепадов температу- ры. Разработаны математическая модель напряженного состояния металлопо-лимерных КГС и методика прогнозирования их долговечности.
Разработаны и внедрены в производство новые технологические процессы и технологическая оснастка для реализации предложенных способов восстановления герметичности холодильных агрегатов и других машин и аппаратов бытового назначения.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке научных основ технологических процессов ремонта бытовой техники, с использованием новых полимерных клеев-герметиков и способов восстановления герметичности металлических деталей и агрегатов на предприятиях сервиса, которые обеспечат повышение качества ремонта, введение новой услуги и получение экономического и социального эффектов.
Реализация результатов работы. Разработанные технологии, описание конструктивных схем КГС, технологических приспособлений и способов герметизации, рецептуры клеев-герметиков опубликованы в бюллетенях научно-технической информации отрасли бытового обслуживания, представлены на научных конференциях международного, регионального и вузовского уровней. Результаты работы внедрены на предприятиях бытового обслуживания населения: ОАО «Краснодарбыттехника» г. Краснодар, ОАО «Сервисбыттехника» г. Ростов-на-Дону, ЗАО «Рембыттехника» г. Ставрополь, ЗАО «Прогресс» г. Шахты и др. Технологии ремонта БМП с помощью полимерных клеев экспонировались на выставках Всероссийского и регионального уровней и получили положительный отзыв. Результаты работы используются при выполнении дипломных работ, НИР студентов, в лабораторных практикумах по дисциплинам «Диагностика бытовых машин и приборов», «Химические материалы в проектировании бытовых машин, приборов и технологического оборудования», «Физико-химические методы оценки свойств полимеров», «Химия (Часть 3. Химия и физика высокомолекулярных соединений)».
Апробация работы. Диссертационная работа и ее отдельные разделы докладывались и получили положительную оценку на: научно-практических конферен-
12 циях ШТИБО, ДГАС, ЮРГУЭС и Межвузовских научно-практических конференциях на базе ЮРГУЭС в 1977-2005 гг. (всего 32 доклада); научно-технических конференциях МТИ (МГУС) в 1977, 1986 гг. (5 докладов); научно-технической' конференции ЦНИИБыт -1983 г. - 3 доклада; республиканских научно-практических конференциях работников бытового обслуживания населения в г. Уфа (1979,1981 гг.)-2 доклада, в г. Волгоград-(1988, 1989 гг.) -2 доклада; выставке достижений народного хозяйства СССР в 1987,1988 гг.; Всесоюзных научно-технических конференциях «Прогрессивные полимерные материалы, их переработка и применение» в г. Ростов-на-Дону, 1989 г. -1 доклад, в г. Аксай 1990 г. -2 доклада; V Всероссийской научно-технической конференции «Новые химические технологии: производство и применение» в г. Пенза, 2003 г. - 1 доклад; Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» в г. Пенза, 2004 г. - 1 доклад; Международной научно-технической конференции «Композиционные материалы» в г. Пенза, 2005 г.-1 доклад; II Всероссийской научно-практической конференции «Защитные покрытия в машиностроении и приборостроении» в г. Пенза, 2005 г. -1 доклад.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 26 статей и тезисов докладов, 13 отчетов по госбюджетным и хоздоговорным научно-исследовательским работам.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, библиографического списка и приложений. Работа содержит 57 рисунков, 19 таблиц. В приложениях приведены документы по технологическим процессам ремонта, чертежи технологической оснастки, акты внедрения и другие материалы.
Обоснование применения клеевого способа для восстановления герметичности металлических деталей и узлов
Для герметизации подвижных и неподвижных сопряженных деталей в машиностроении используют следующие способы [1,3,5]: 1) точная пригонка контактных поверхностей сопрягаемых деталей, обеспечивающая минимальный зазор в соединении; 2) нагружение контактирующих деталей усилием сжатия, обеспечивающим деформацию микронеровностей в контакте; 3) заполнение зазоров соединений разделительными средами, препятствующими утечке герметизируемых сред; 4) наложение электромагнитных полей, взаимодействующих со средами в зазорах соединения; 5) использование инерционных и вихревых сил для создания сопротивления истечению герметизируемых сред;
Данными способами герметизируют преимущественно разъемные соединения деталей. Для формирования неразъемных герметичных соединений в машиностроении и при ремонте машин и агрегатов применяют различные методы сварки, пайки и склеивания, а также заклепочные соединения с герметизирующим элементом в виде эластичной полимерной прокладки, слоя герметика или клея.
В технологии ремонта деталей и агрегатов, имеющих повреждения, связанные с нарушением герметичности, используют разнообразные способы формирования разъемных и неразъемных уплотнений.
При ремонте с использованием методов формирования разъемных уплотнений требуется использовать трудоемкие способы точной пригонки деталей и устройства для создания усилия сжатия на герметизатор (винтовые соединения, хомуты и т.п.). Поэтому использование подобных способов герметизации оправдано только для тех деталей, в которых по каким-либо причинам невозможно применить методы формирования неразъемных герметичных соединений.
Формирование неразъемных соединений методами сварки, пайки и склеивания - один из самых надежных способов изоляции сред [3].
При сварке происходит процесс получения неразъемного соединения деталей машин, конструкций и сооружений при их местном или общем нагреве, пластическом деформировании, или при совместном действии того и другого в результате установления межатомных связей в месте их соединения. В машиностроении при герметизации соединений используют свыше шестидесяти способов сварки. При пайке осуществляется процесс получения неразъемного соединения деталей путем нагревания места пайки и заполнения зазора между соединяемыми деталями расплавленным припоем и его последующей кристаллизацией. В качестве припоев обычно используют легкоплавкие металлы или сплавы, расплавы которых смачивают соединяемые детали, не расплавляя их. Степень герметичности паянных соединений существенно зависит от выбора припоя и технологии пайки.
Герметизацию склеиванием выполняют с помощью клеев - полимерных материалов, обладающих свойством образовывать со склеиваемыми материалами адгезионные связи. Технология герметизации склеиванием включает три основные стадии: перевод клея в рабочее состояние (растворение, расплавление или смешивание клеевой основы с отвердителем и другими компонентами); подготовку поверхности склеиваемых деталей (придание шероховатости, химическая или физико-химическая обработка) и нанесение клея; затвердевание последнего. Частным случаем применения пастообразных и жидких полимерных составов для уплотнения деталей, является использование герметиков -разделительных полимерных композиций, которые, в отличие от клеер, не предназначены для обеспечения механической прочности герметичных соединений. Их используют для заполнения зазоров и стыков в соединениях, обладающих гарантированной механической прочностью - заклепочных, резьбовых, сварных, с натягом и др. [19-22];
На предприятия бытового обслуживания по ремонту бытовой техники поступает значительное число металлических деталей, узлов, агрегатов БМП и технологического оборудования предприятий сервиса, работающих под давлением жидких и газообразных агрессивных сред и вышедших из строя по причине нарушения герметичности.
Основными причинами повреждений являются: 1) механические воздействия на детали или узлы вследствие их неправильной сборки, изготовления или износа; нарушения правил эксплуатации (например, размораживание трубопроводов и другого оборудования заполненного водой); 2) коррозия металла; 3) появление трещин вследствие вибрации; 4) некачественная сварка или пайка и др.
В настоящее время эти виды повреждений устраняют газо- и электросваркой, пайкой или с помощью механических уплотнений с использованием эластичных прокладок и других герметизирующих материалов. Эти способы восстановления герметичности в основном заимствованы из других отраслей промышленности (например, автомобильный и железнодорожный транспорт и др.), в которых имеются крупные ремонтные предприятия. Данные способы трудоемки, требуют использования сложного и дорогого специального оборудования, высокой квалификации ремонтного персонала, ремонт возможен только в условиях достаточно крупных ремонтных предприятий. Внешний вид отремонтированных сваркой или пайкой деталей не всегда удовлетворяет заказчика, т.к. под воздействием высокой температуры происходит обгорание лакокрасочных покрытий или деформация соседних с ремонтируемой полимерных деталей, а полный демонтаж детали не всегда возможен.
Металлополимерные герметизирующие системы
Последние достижения в герметологии связаны с интенсивным использованием в герметизирующих устройствах современных полимерных материалов. Использование полимеров в герметизирующих системах глубоко закономерно. К герметизирующим материалам предъявляется комплекс противоречивых требований - пластичность и формоустойчивоость, деформативность и износостойкость, обеспечение максимальной площади фактического касания и одновременно минимального трения в подвижном герметизирующем сопряжении. Этим требованиям в наибольшей мере отвечают полимеры, занимающие по своим свойствам промежуточное положение между жидкостями и твердыми телами: Использование полимеров позволило значительно расширить номенклатуру герметизирующих устройств и существенно упросить технологию герметизации.
Богатые возможности сочетания полимеров и металлов определили многообразие не только герметизирующих материалов, но и технологических приемов герметизации и конструкций уплотнений. В научной литературе существуют различные точки зрения на сущность термина «металлополимерные сие-темы» (МПС). В работе [61] под МПС понимают двухфазные однородные материалы, характеризующиеся хемосорбционным взаимодействием макромолекул с коллоидными частицами металлов. Другие авторы расширяют понятие МПС. К ним они относят все возможные сочетания полимеров и металлов [1]. Согласно классификации, предложенной Б.А. Белым и Л.С. Пинчуком [1] МПС делят на три основные группы: 1) металлополимерные материалы; 2) металло полимерные детали; 3) металлополимерные узлы. Такой подход охватывает практически все МПС, используемые в настоящее время в технике.
Металлополимерные материалы относятся к классу композиционных и характеризуются наличием границы раздела полимерного и металлического компонентов [1, 5]. По признаку объемно-структурного сочетания компонентов металлополимерные материалы принято делить на матричные и слоистые. Матричные металлополимеры характеризуются наличием трехмерной основы (матрицы) из одного материала, в которой содержатся включения другого. Материалы на основе полимерной матрицы называют металлонаполненными полимерами, на основе металлической - каркасными металлополимерами. Слоистые. металлополимерные материалы состоят из чередующихся слоев полимеров и . металлов. Металлополимеры могут содержать, кроме основных компонентов, минералы, стекло, керамику, графит, органические и неорганические жидкости, древесину и другие материалы [5].
Металлополимерные детали — условное название изготовленных из полиме- -ров и металлов или металлополимерных материалов элементарных частей машин, приборов, сооружений [1,-3, 17]. Металлополимерные узлы состоят из нескольких функционально связанных, динамически или статически взаимодействующих металлических и полимерных или металлополимерных деталей [18]:
Металлополимерные герметизирующие системы это уплотняющие устройства, в которых стенки изготовлены из металла, а герметизатором служит полимерный материал. Металлополимерными герметизирующими системами могут быть как узлы, так и детали. Герметизатор может быть металлополимерным материалом и содержать металлический наполнитель в виде порошка, нитей или металлическую арматуру (пружины, кольца и т.п.)
Герметология ставит перед специалистами, разрабатывающими металлополимерные герметизирующие системы, проблемы, которые можно разделить на две основные группы. Первая группа проблем связана с разработкой научных основ создания металлополимерных герметизирующих систем. Соединение двух принципиально отличающихся по строению и основным свойствам материалов в единое целое требует глубокого понимания механизма взаимодействия полимеров и металлов в различных агрегатах, фазовых и физических (релаксационных) состояниях на различных структурных уровнях. В процессе формирования металлополимерных систем неизбежно возникает как механическое взаимодействие полимеров и металлов, так и различные физико-химические процессы на границе полимер-металл, либо объеме одного из компонента; возможно протекание и химических реакций [1].
Вторая группа проблем связана с прогнозированием герметизирующей способности металлополимерных систем. Изменение параметров герметизирующих систем в процессе их эксплуатации под действием изолируемой среды ставит перед герметологами необходимость получения достаточно полной информации о процессах, протекающих на границе полимер-металл, об изменении прочности, монолитности и других физико-механических свойствах герметизирующих адгезионных соединений. Последовательное решение этих задач приводит к научному обоснованию оптимальных областей эксплуатации металлополимерных герметизирующих систем [3].
Чаще всего полимерные материалы используют в качестве деформируемого герметизирующего, элемента (в виде прокладок, манжет, покрытий на резьбе и т. п.) в герметизирующих устройствах с нагружением сопрягаемых деталей сжимающими напряжениями. Высокие сжимающие напряжения вызывают деформацию микронеровностей на поверхности полимерного герметизатора, при этом. происходит плотное прилегание полимера и копирование профиля поверхности металлического элемента уплотнительного устройства. К недостаткам данного способа герметизации следует отнести необходимость специальных устройств, для создания и поддержания высокого контактного давления и опасность выдавливания герметизирующих прослоек при чрезмерной затяжке герметизирующих соединений. Для изготовления герметизирующих элементов в уплотнениях этого типа используют термопластичные полимеры, способные к хладотекучести под воздействием механических нагрузок.
Сравнительный анализ свойств клеев и выбор полимерной основы для разработки клеев-герметиков
Как показал анализ литературных источников, в настоящее время промышленность не выпускает клеев-герметиков, полностью соответствующих предъявляемым требованиям. Выбор полимерной основы клея является первым и решающим шагом при создании клея. При выборе полимерной основы клея следует учитывать не только его химическую природу, тип активных функциональных групп, их концентрацию и взаимное расположение, но и молекулярно-массовое распределение, полидисперсность и другие особенности химического строения [35].
В состав клеевой композиции помимо полимера входят отвердители, наполнители, пластификаторы и модификаторы, стабилизаторы, тиксотропные : добавки и другие компоненты. При выборе полимерной основы клея необходимо четко представлять себе, как эти вещества будут взаимодействовать между собой, влиять на свойства клеевой композиции и характеристики клеевых соединений. Следует также предвидеть, какие химические реакции будут протекать между компонентами клеевой системы, а так же между адгезивом и субстратом. При создании клеевых композиций для специфических условий работы им необходимо придать особые свойства: высокую химическую стойкость, ускоренное отверждение, стойкость к тепловым ударам, биологическую безвредность и др. Это достигается введением в клеевую композицию соответствующих компонентов.
Выбор полимерной основы клея, наиболее пригодной для разработки клеев-герметиков, из большого числа отечественных и зарубежных клеевых материалов, выпускаемых в настоящее время промышленностью, проводился в соответствии с приведенными выше физико-механическими, технологическими и санитарно-гигиеническими требованиями.
Исходя из физико-механических требований, клей должен быть конструкционным, т.е. обеспечивать получение клеевого соединения, обладающего достаточно высокой прочностью и долговечностью. Поскольку клеевое соединение должно быть герметичным, клей не должен содержать летучих (нереак-ционноспособных) растворителей, в противном случае трудно получить клеевой шов, не имеющий пор и микротрещин. Из числа рассматриваемых клеев следует исключить также термопластичные неконструкционные клеи; т.к. они не обеспечивают нужную долговременную прочность клеевого соединения и стойкость к действию масел, жиров, органических растворителей. Указанным физико-механическим требованиям удовлетворяют термореактивные клеи! следующих типов: эпоксидные, полиэфирные, полиэфируретановые, полиак-рилатные, полиуретановые, фенолформальдегидные (пленочные).
Рассмотрим эти клеи с точки зрения технологических и санитарно-гигиенических требований. Из числа клеев, пригодных для указанных целей, следует исключить клеи, содержащие высокотоксичные соединения или имеющие сильный запах. К таким клеям можно отнести полиэфирные клеи типа ПН-1, которые содержат стирол, обладающий сильным запахом, гипериз или пероксид бензола, являющиеся высокотоксичными веществами [23,26].
Полиакрилатные клеи типа ВАК содержат метилметакрилат, обладающий сильным запахом, а также высокотоксичные вещества: диметиланилин и пероксид бензола. Полиуретановые клеи типа ПУ-2 и др. имеют в своем составе высокотоксичные ди- и триизоцианаты. Большой интерес представляют полиэфируретановые клеи типа Спрут и Стык [53], обладающие способностью склеивать влажные и необезжиренные поверхности металлов, но для ремонта пищевого оборудования они не подходят вследствие наличия в их составе сильнопахнущих и токсичных веществ.
Полиакрилатные клеи типа Циакрин имеют хорошую адгезию к различным материалам, высокую скорость отверждения, малотоксичны [23]. В то же время цианакрилатные клеи характеризуются низкой стойкостью к воздействию окружающей среды и повышенной хрупкостью, они не способны заполнять большие зазоры, ими нельзя склеивать большие поверхности.
В последнее время разработаны, так называемые, акрилатные клеи «второго и третьего поколения», обладающие повышенной прочностью и стойкостью к воздействию окружающей среды. Акрилатные клеи «второго и третьего поколения» отверждаются в течение нескольких минут. Применение этих клеев ограничивается из-за лимитированной толщины клеевого соединения, которая составляет 0,4-0,5 мм и из-за применения в клее сильнопахнущих и токсичных веществ (метакрилаты, пероксиды и др.). Анаэробные акрилатные клеи удобны в применении, хорошо заполняют зазоры, обладают низкой вяз костью ив основном применяются для стопорения резьбовых соединений. Для склеивания конструкционных деталей они не применяются из-за невысокой прочности клеевых соединений. Пленочные клеи на основе модифицирован ных каучуками фенолоформальдегидных смол (типа ВК-3) обеспечивают очень хорошую прочность клеевых соединений к отслаивающим нагрузкам и высокую стойкость к различным внешним воздействиям, но обладают высоким содержанием фенола в отвержденной клеевой пленке и сильным запахом, что ограничивает применение данного клея для ремонта бытовой техники.
Наиболее близко к разработанным требованиям по своим свойствам стоят эпоксидные клеи. Они Образуют прочные герметичные клеевые соединения, не содержат растворителей, имеют хорошую стойкость к действию воды, масел, органических растворителей, не обладают запахом, не выделяют при отверждении летучие продукты. Эпоксидные олигомеры, составляющие основу клеевых композиций, малотоксичны.
Большинство применяемых в настоящее время жидких и пастообразных клеев являются двухупаковочными. В одну упаковку входит эпоксидный оли-гомер, смешанный с пластификаторами, модификаторами и другими совместимыми с олигомером добавками, а в другую отвердитель. Иногда имеется и третья упаковка, чаще всего это наполнители или пигменты (порошки металлов, кварц, портландцемент и др.). Для отверждения жидких и пастообразных клеев обычно применяют отвердители аминного типа: алифатические амины (поли-этиленполиамин, гексаметилендиамин, этилендиамин, диэтилентриамин и др.), ароматические амины (метафенилендиамин, аминофенол АФ-2). Отвердители аминного типа проявляют некоторые токсичные свойства, но отвержденный эпоксидный полимер является нетоксичным материалом Имеются примеры использования клеев подобного типа в пищевом машиностроении и для ремонта водопроводов с питьевой водой и пищевого оборудования [2, 8, 54].
Определение прочности моделей металлополимерных клеевых герметизирующих систем и их стойкости к действию эксплуатационных факторов
Для выяснения влияния способа герметизации и геометрических параметров КГС на их прочность модель помещалась в приспособление (рис. 4.3) для проведения испытаний на гидравлическом стенде (рис. 2.11), а затем определялось разрушающее давление Рр при действии жидкой или газообразной среды, а также их совместном действии, например, хладоно-масляной смеси. Проводились три вида испытаний моделей на прочность: 1) определялось Рр сразу после отверждения клея (начальная прочность при кратковременных испытаниях); 2) Рр - после воздействия на модель агрессивных сред и резкого перепада температуры, но без длительного действия давления герметизируемой среды (остаточная прочность после действия эксплуатационных факторов); 3) Рр - после длительного действия давления герметизируемой среды (30% от Рр) и других эксплуатационных факторов (остаточная прочность после длительной нагрузки).
На первом этапе испытаний моделей КГС определяли Рр при действии давления холодильного нафтенового масла ХФ-12-18. В результате испытаний моделей установлено (табл. 4.1), что наиболее высокую начальную прочность при кратковременных испытаниях показали модели КГС с герметизирующим элементом в виде вклеенной металлической пробки (№6 и 7). Следующими по уровню начальной прочности были модели с заполнением отверстия клеем (№ 1; 2; 5).
Модели КГС, герметизированные путем приклеивания на отверстие пластыря, но без заполнения отверстия клеем (№3 и 4), имели самую низкую прочность, причем с увеличением d B происходило резкое снижение прочности (рис; 4.4 и 4.5). Использование клеевого или металлического пластыря для дополнительной герметизации-в КГС №2; 5 и 7 не привело к значительному возрастанию начальной прочности (рост на 7 - 15%). Эффективность использования пластыря уменьшалась при увеличении Кф0.
С повышением толщины металлической стенки у моделей КГС №1; 2; 5; б;; 7 величина Рр возрастала, но менее значительно, чем это следует из увеличения площади клеевого шва. Таким образом, в этих моделях КГС имеет место проявление масштабного фактора.
На рис. 4.6 и 4.7 приведены.зависимости среднего разрушающего напряжения в моделях с клеевой пробкой (КГС №1) и металлической пробкой (КГС №6) от величины диаметра отверстия и толщины пластины. Среднее разрушающее напряжение сдвига Тед рассчитывалось по формуле: ты =—! , где Р„ — разру шающее давление, МПа; d—диаметр отверстия, мм; г толщина пластины, мм.
Снижение среднего разрушающего напряжения в клеевом слое при увеличении толщины пластины связано с тем, что напряжения по длине клеевой или металлической пробки распределены неравномерно. По данным, приведенным в работах [26, 31], напряжения в клеевом слое у краев цилиндрической поверхности выше, чем средних областях. Более интенсивное снижение т в КГС №1:ПО сравнению с КГС №6 при увеличении диаметра отверстия и толщины пластины связано с тем, что в более массивных клеевых пробках возникают соответственно большие усадочные напряжения в эпоксидном полимере.
Важной характеристикой металлополимерных КГС является величина их прочности при различной температуре. На рис. 4.8 показаны зависимости Рр от температуры испытания. В моделях № 1-5 наблюдалась экстремальная зависи-мость Рр от температуры испытания. Максимальная прочность наблюдалась при температуре 10-30 С. При повышенной температуре все модели понижали прочность, что объясняется увеличением кинетической подвижности цепей макромолекул полимера и снижением адгезионной и когезионной прочности клеевого слоя вследствие уменьшения вклада сил Ван-дер-Ваалъса в общий уровень физических и химических сил, определяющих уровень прочности клеевых соединений [31-33]. При понижении температуры ниже 10 С, модели № 1-5 монотонно понижали свою прочность, а модели с металлической пробкой (№ 6-7) сохраняли прочность. Подобное явление, характерное для цилиндрических клеевых соединений металлов, описано в работе [31]. Отмечена необходимость проведения исследований по определению причин возникновения данного явления. Высказано предположение, что сохранение и даже некоторое повышение прочности цилиндрических клеевых соединений металлов при понижении температуры связано с возникновением температурных обжимающих усилий со стороны пластины, действующих на вклеенный металлический стрежень.
На рис. 4.9 показана зависимость среднего разрушающего напряжения сдвига от температуры испытания для моделей №1 и №6. Снижение разрушающего напряжения при понижении температуры у КГС №1 может быть объяснено
Конструктивный тип и геометрические параметры моделей металлополи мерных КГС оказывают значительное влияние на.их стойкость к воздействию эксплуатационных факторов,, характерных для условий работы различных видов БМП. Результаты испытаний и режимы их проведения приведены в табл. 4.2. Наибольшую устойчивость к длительному воздействию давления (30% от Рр) герметизируемой среды (воды, раствора CMC, хладоно-масляных смесей, перхлорэтилена, уайт-спирита,) а также к циклическому перепаду температуры в условиях влажной среды показали модели КГС №6 и № 7. Снижение прочности было не более чем на 10 - 15%. Данный результат подтверждает положение, что наибольшей прочностью и долговечностью обладают цилиндрические металлополимерные КГС с тонким клеевым елеем, поскольку в них под действием давления среды возникают в основном сдвиговые напряжения, наиболее предпочтительные для клеевых соединений.
Модели с клеевыми пробками (№1; 2 и 5) понизили прочность на 25 - 30%, что следует считать значительным снижением. Меньшую устойчивость к действию эксплуатационных факторов можно объяснить возникновением больших внутренних напряжений в клеевых пробках, имеющих довольно большой объем. Это подтверждается фактом понижения относительной прочности у клее? вых уплотнений с возрастанием геометрических размеров пробки при сохранении одинакового коэффициента формы отверстия Кфо.
Установлено, что в условиях воздействия агрессивных сред эффективность применения металлических пластырей в моделях КГС №5 и. 7 повышается. Влияние клеевого пластыря в КГС №2 проявляется слабо. Модели №3 и 4 резко снизили свою прочность.
