Полимерные материалы

Эффективное использование физико-механических и химических свойств по­лимерных материалов позволяет значительно снизить трудоемкость ремонта ав­томобиля, что обусловлено следующими особенностями их использования:

-технологии с использованием полимерных материалов не требуют сложного оборудования и высокой квалификации работающих;

при использовании полимерных материалов появляется возможность произво­дить ремонт без разборки узлов и агрегатов;

использование полимерных материалов во многих случаях позволяет не толь­ко заменить сварку или наплавку, но и производить ремонт таких деталей, кото­рые другими известными способами отремонтировать невозможно или опасно с точки зрения безопасности труда;

применение полимерных материалов позволяет восстанавливать детали ми­нуя сложные технологические процессы нанесения материала и его обработку.

Наиболее широко при ремонте автомобилей используют анаэробные полиме­ры и композиционные материалы.

Анаэробные полимерные материалы представляют собой смеси жидкостей различной вязкости, способные длительное время оставаться в исходном состоянии без измене­ния свойств и быстро отвердевать с образованием прочного полимерного слоя в уз­ких зазорах между поверхностями при температурах 15…35 ^с С при условии прекраще­ния контакта с кислородом воздуха.

Основой анаэробных составов являются способные к полимеризации соеди­нения акрилового ряда, чаще всего, диметакриловые эфиры полиалкиленгликолей. В анаэробный состав входят ингибирующие и инициирующие системы, обеспечивающие его длительное хранение и быстрое отверждение в зазорах, а также загустители, модификаторы, красители и другие добавки. Отечест­венная промышленность выпускает анаэробные полимерные материалы с разнообразными свойствами. Из зарубежных фирм ведущее место в разработке и производстве анаэробных материалов принадлежит фирме LOCTITE.

По прочностным свойствам анаэробные полимерные материалы делятся на высоко-, средне- и низкопрочные. Анаэробные материалы после отверждения обладают высокой термической и химической стойкостью, обеспечивают работо­способность узлов и деталей при эксплуатации их в контакте с органическими растворителями и агрессивными средами в широком интервале температур и да­влений. Скорость отверждения и время достижения максимальной прочности со­единений зависит от температуры окружающей среды. При температуре ниже 15°С полимеризация замедляется. Благодаря высокой проникающей способно­сти анаэробные полимерные материалы плотно заполняют трещины, микроде­фекты сварных швов, зазоры.

На скорость отверждения анаэробных полимеров влияет материал, контакти­рующий с полимером. По этому признаку материалы делятся на три группы: активные — ускоряющие отверждение полимера (сплавы меди, никель, малоуглеродистые стали);

нормальные — не влияющие на скорость отверждения (железо, углеродистые стали, цинк);

пассивные — замедляющие отверждение (высокоуглеродистые стали, алюми­ний, золото, титан и его сплавы, материалы с антикоррозионными покрытиями, пластмассовые изделия).

Композиционные полимерные материалы (холодная сварка) обычно классифицируются по виду армированного наполнителя или связующего. Наиболее распространены следу­ющие связующие: полиэфиры, фенолы, эпоксидные компаунды и смолы, силико­ны, алкиды, меламиды, полиамиды, фтороуглеродистые соединения, поликарбо­нат, акрилы, ацетали, полипропилен, полиэтилен и полистирол.

Связующие делятся на термопласты (способные размягчаться и затвердевать при изменении температуры) и реактопласты или термореактивные смолы (свя­зующие, в которых при нагревании происходят необратимые структурные и хи­мические превращения). В настоящее время для композиционных материалов больше используются термореактивные связующие.

Эпоксидные смолы являются одним из лучших видов связующих для большого числа композиционных материалов, что объясняется следующими причинами:

эпоксидные смолы обладают хорошей адгезией к большинству наполнителей, армирующих компонентов и подложке;

разнообразие доступных эпоксидных смол и отверждающих агентов позволя­ет получить после отверждения материалы с широким сочетанием свойств;

в ходе химической реакции между эпоксидными смолами и отверждающими агентами не выделяются вода и вредные летучие вещества, а усадочные явления при отверждении в этом случае ниже, чем для фенольных или полиэфирных смол, отвержденные эпоксидные смолы обладают хорошей химической стойкостью к бензину, маслам, специальным жидкостям.

К преимуществам композиционных материалов перед полимерными относят­ся: повышенные жесткость, прочность, теплостойкость, стабильность размеров; пониженные газо- и паропроницаемость; регулируемые электрические и фрикци­онные свойства; пониженная стоимость. Однако достичь всех этих свойств в од­ной композиции нельзя.

Наименование «холодная сварка» по отношению к полимерным композицион­ным материалам обосновывается тем, что во многих случаях они позволяют не только заменить пайку, сварку или наплавку, но и производить восстанов­ление таких деталей, ремонт которых известными способами затруднен или невозможен

Многие свойства полимерной композиции в значительной степени определяются свойствами матрицы. Для ремонтных целей наиболее подходят матрицы из эпоксид­ных олигомеров, которые являются основой многих композиционных материалов, как отечественных, так и зарубежных. В технической и научной литературе эпоксидными олигомерами называют эпоксидные смолы в неотвержденном состоянии. Для компо­зиционных материалов, применяемых при ремонте автомобилей, наиболее подходят эпоксидно-диановые смолы отечественного производства марок ЭД-16, ЭД-20, ЭД-22 (табл. 6.4). Наибольшей вязкостью обладает смола ЭД-16, которую перед употребле­нием необходимо нагреть до температуры 60…80°С, смолы ЭД-20 и ЭД-22 пригодны для работы при комнатной температуре. Неотвержденные эпоксидные смолы легко рас­творяются во многих органических растворителях и имеют ограниченное применение.

Эпоксидные смолы проявляют ценные физико-механические свойства в результате превращения под действием отвердителей в сетчатый полимер. Эпоксидные компози­ции обладают уникальным набором технологических свойств, а полимерные материалы на их основе отличаются таким сочетанием высоких прочностных, теплофизических, ди­электрических, адгезионных, влагозащитных и других показателей, какого не имеет ни одна группа высокомолекулярных соединений.

Таблица 6.4

Характеристики эпоксидно-диановых смол

Основное достоинство технологии ремонта с использованием эпоксидных олигомерных композиций основано на возможности их отверждения при любых тем­пературах, начиная с отрицательных, и получения требуемой формы и размеров отвердевшей композиции. Это позволяет восстанавливать детали, минуя слож­ные технологические процессы нанесения и обработки материала.

На основе матрицы из эпоксидных смол могут быть созданы универсальные материалы. Эпоксидные смолы в неотвержденном состоянии относятся к высо­комолекулярным соединениям с низкой степенью полимеризации, которые могут вступать в реакции полимеризации. Они содержат функциональные группы, обу­славливающие возможность образования полимеров с пространственной сетча­той структурой (реакция отверждения).

Свойства отвержденной эпоксидной композиции во многом определяются ха­рактеристиками эпоксидной смолы, условиями и режимами протекания процесса их отверждения

Отверждение происходит в результате взаимодействия функциональных разно­типных групп или ненасыщенных связей с низкомолекулярными веществами, на­зываемыми отвердителями. Химическая природа и строение молекул отвердителя во многом определяют структуру сетки и оказывают влияние не только на техно­логические свойства исходных композиций, но и на эксплуатационные характери­стики полимеров. Самым распространенным отвердителем эпоксидных смол явля­ется полиэтиленполиамин, но отверждать эпоксидные смолы можно прак­тически любым карбофункциональным соединением или основанием Льюиса. Существующие отвердители можно разбить на четыре группы: аминные отвердители; ангидриды ди — и поликарбоновых кислот; олигомерные отвердители;

катализаторы и ускорители отверждения эпоксидных смол. Однако для практического использования пригодна лишь малая доля соедине­ний, т.к. использование композиционных материалов при ремонте автомобилей требует отверждения эпоксидных композиций при комнатной температуре или при умеренном нагревании, а в случае необходимости и при отрицательных тем­пературах. Указанным требованиям отвечает подгруппа аминных отвердителей, в которую входят полиаминоалкилфенолы в виде технически чистых соедине­ний, технология получения которых освоена промышленностью.

Отвержденные эпоксидные смолы в чистом виде обладают повышенной хруп­костью, плохо выдерживая удары и вибрации. Для повышения их эластичности в состав смол вводят пластификаторы. Сущность пластификации состоит в изме­нении вязкости полимерной композиции, увеличении гибкости молекул и подвиж­ности надмолекулярных структур. Пластификаторы уменьшают хрупкость, повы­шают морозостойкость и стойкость к резкому изменению температур отвержденных композиций. В ремонтном производстве в качестве пластификатора, в основ­ном, применяется дибутилфталат (ДБФ) — желтовато-маслянистая жидкость с небольшой молекулярной массой и достаточно высокой температурой кипения.

Эпоксидные смолы не вступают в химическое взаимодействие с ДБФ и в про­цессе эксплуатации подвергаются быстрому старению. ДБФ является инертным разбавителем эпоксидной композиции. В процессе эксплуатации происходит вы­ход ДБФ из композиции, что снижает прочность сцепления и стойкость к удар­ным нагрузкам, одновременно снижается теплостойкость отвержденной компо­зиции, уменьшается прочность при изгибе, растяжении и сжатии, ухудшаются диэлектрические характеристики материала.

К активным разбавителям, содержащим реакционноспособные группы, отно­сятся низковязкие эпоксидные смолы. Введение активных разбавителей в эпок­сидные смолы способствует снижению их начальной вязкости, удлинению жиз­неспособности и повышению эластичности отвержденных композиций.

Пластификаторы можно вводить вручную, однако это может привести к нерав­номерному смешиванию с образованием большого количества пузырьков возду­ха. Поэтому целесообразно использовать готовые компаунды, в которые уже введены пластификаторы.

В эпоксидный компаунд входит олигоэфиракрилат МГФ-9, представляющий собой эфир, полученный на основе метакриловой и фталевой кислот и триэтиленгликоля.

В качестве пластификаторов эпоксидных смол также используют низкомоле­кулярные полиамидные смолы (Л-18, Л-19, Л-20), являющиеся одновременно отвердителями.

Наполнитель может влиять на молекулярную структуру полимерной матрицы на сравнительно больших расстояниях от поверхности наполнителя, значительно пре­вышающих радиус действия межмолекулярных сил. Наполнители в виде металличе­ских порошков придают эпоксидным композициям свойства, присущие металлам: теплопроводность и электропроводность. Одновременно они сохраняют важные свойства полимеров: эластичность, адгезию к металлам, химическую стойкость. Кроме того, при определенных условиях полимеры, наполненные металлическим порошком, могут приобретать протекторные и ингибирующие свойства соответству­ющих металлов.

Влияет наполнитель также и на процесс отверждения эпоксидной смолы, вступая в химические реакции с реакционноспособными группами эпоксидных отвердителей. Наполнители могут быть неорганическими и органическими, а также могут представлять из себя порошки различных металлов.

В производственной практике ремонта автомобилей наибольшее распростра­нение получили многочисленные композиции на основе эпоксидных смол ЭД-20 и ЭД-16, где в качестве пластификатора используется дибутилфталат с отвердителем полиэтиленполиамином.

Готовят композиционные материалы следующим образом. Для лучшего пере­мешивания эпоксидную смолу ЭД-16 разогревают до температуры 60…80°С и от­бирают в ванночку необходимое ее количество. В смолу добавляют небольшими порциями пластификатор (если он содержится в композиции) и перемешивают смесь в течение 5…8 мин. Затем также вводят наполнитель и перемешивают в течение 8…10 мин. Такой состав можно хранить длительное время.

Окончательное приготовление композиции осуществляется непосредственно на месте использования и незадолго до ее применения. Это объясняется тем, что после введения отвердителя или катализатора жизнеспособность компози­ции находится в интервале от нескольких минут до нескольких часов — в зависи­мости от типа отвердителя. Этим определяется количество приготавливаемой композиции.

Анализ показывает, что отклонение дозировки отвердителей до 5% от оп­тимального соотношения, а пластификаторов и наполнителей до 10% не при­водит к существенным изменениям свойств композиции при хорошем смеши­вании компонентов. Большее отклонение приводит к ухудшению свойств ком­позиции.

Отвердитель вводят в состав непосредственно перед употреблением и тща­тельно перемешивают композицию.

Из отечественных композиционных материалов, которые изготавливаются сог­ласно ТУ-06-05-205278121-003-94 и сертифицированы, в розничной продаже име­ется компаунд «Десан». Это универсальный синтетический компаунд, представляю­щий собой двухкомпонентный состав. Смешивание основы и отвердителя «Десана» вызывает молекулярную реакцию, которая позволяет использовать поверхностную активность различных материалов. Это обеспечивает адгезию компаунда с любы­ми металлами, пластмассами, деревом, керамикой, резиной, стеклом.

Среди зарубежных компаний, занимающихся разработкой, производством и внедрением композиционных материалов, наиболее известными являются фир­мы Multi Metall, Durmetall и LOCTITE.