4.2.Полимерные герметики и компаунды, лакокрасочные

материалы

Полимерные материалы в наибольшей мере отвечают требованиям, предъявляемым к герметизирующим материалам в контактных уплотнениях. Полимеры - химически стойкие, непроницаемые для многих сред, самосмазывающиеся материалы. По деформационно-прочностным характеристикам и степени проявления вязкоупругости они занимают промежуточное положение между жидкостью и твёрдым телом, В равновесном состоянии полимеры однородны и изотропны, т. е. показатели их свойств постоянны в объёме изделия и одинаковы во всех направлениях. Исходя из условий эксплуатации уплотнений, элементам герметизации придают свойство анизотропии - зависимости служебных характеристик от направления. Важное достоинство полимеров - технологичность при переработке в изделия.

Герметики - пастообразные или вязкотекущие массы на основе полимеров и олигомеров, в том числе и отверждающиеся. Компаунды, замазки, мастики - отверждающие композиции на основе полимеров, олигомеров или мономеров.

Компаунды - это герметики, имеющие после "затвердевания" высокие диэлектрические параметры и обычно низкую эластичность, предназначены для электрической изоляции деталей и соединений, обязательным условием которых является герметичность по отношению к влаге и другим электропроводным средам.

Рис.4.1. Схемы неподвижных срединений с прокладками (а,б,в),

сальниковых (г) и манжетных (д) уплотнений, а также герметизаторов,

не связанных с несущими деталями (с), сваренными или склееными

деталями (ж), герметизатором, закрепленном на одной из деталей (з) и герметизаторами, закрепленными на сопрягаемых деталях (и):

1 - вал, 2 - втулка, 3 - набивка, 4 - корпус, 5 - арматура, 6 - пружина

Замазки - герметики высокой вязкости в исходном состоянии, после отвердения практически лишённые эластичности.

Мастики — высоковязкие герметики, имеющие после затвердевания умеренную прочность и небольшую эластичность.

По критерию отверждения различают вулканизирующиеся, полимеризующиеся, нетвердеющие и высыхающие герметики. К вулканизирующим относят герметики на основе тиоколов, силоксановых и фторсодержащих каучуков.

Герметики на основе жидких тиоколов получили наибольшее распространение в технике (тиокол - торговое название полисульфидных каучуков [-СН₂CH₂S_x-]_n. Российская промышленность поставляет тиоколовые герметики обычно в виде комплекта из трех частей. Первая (основная) часть - герметизирующая паста на основе жидкого тиокола, содержащая наполнители и адгезив; вторая часть - вулканизирующая паста - смесь вулканизирующего агента, пластификатора и стабилизатора вулканизации; третья часть - ускоритель вулканизации. Для приготовления сложных герметиков необходимо смесительное оборудование. Некоторые марки тиоколовых герметиков содержат «скрытый» вулканизирующий агент, реагирующий с тиоколом только в присутствии влаги. Их поставляют в готовом к использованию виде. Время, в течение которого герметики можно наносить на детали и обрабатывать, ограниченно периодом их жизнеспособности.

В вулканизированном состоянии тиоколовые герметики можно применять на воздухе и в среде авиационного топлива. Их отличает стойкость к атмосфере, действию растворителей алифатического и ароматического типов, разбавленных минеральных кислот и щелочей морской и пресной воды. Они имеют хорошую адгезию к металлам, стеклу, дереву, резинам. Их недостатки: низкие сопротивления к раздиру и износостойкость, накопление остаточной деформации под действием постоянной нагрузки. Если в жидком тиоколе присутствует свободная сера, то серебряные, медные и латунные детали темнеют при контакте с герметиком.

Герметики на основе силоксановых каучуков содержат в молекуле чередующиеся атомы кремния и кислорода. Их свойства в основном зависят от природы радикалов R и R' в молекуле каучука HO[-Si(R,R') -O-(R,R')]_nH.

Преимущества силоксановых герметиков заключаются в повышенной теплостойкости, стабильности рабочих характеристик при перепадах температуры, сильных вибрациях, в условиях тропического климата, ультрафиолетового излучения. Недостатки - низкие прочность при растяжении, сопротивление раздиру и отслаиванию, износостойкость. По способам применения и технологическим свойствам они не отличаются от тиоколовых. Герметик марки «Силпен» представляет собой пеноматериал с закрытыми порами.

Герметики на основе фторсодержащих каучуков подразделяют на производные фторсодержащих силоксановых каучуков и материалы на основе фторкаучуков [(-СF₂ -СFХ-)_X ( СН₂ -СF₂ )_y]_n .

Преимущество этих материалов - сочетание высоких термостойкости и стойкости к действию синтетических рабочих жидкостей, нефтепродуктов и воды. Их производят путем смешивания герметизирующей пасты и вулканизующего агента.

Обе группы существенно различаются технологическими и служебными характеристиками. Герметики на основе фторсилоксановых каучуков не содержат растворитель, при вулканизации практически не дают усадки, а в вулканизированном виде мягки и эластичны. Пасты герметиков на основе фторкаучуков содержат до 50% растворителя, что обусловливает возможность их нанесения распылением или кистью. Они дают большую усадку, а их вулканизация протекает в течение длительного времени. Старение герметиков на основе фторкаучуков сопровождается увеличением прочности при уменьшении относительного удлинения, что свидетельствует о преобладании процессов смешивания макромолекул каучуков. При старении фторсилоксановых герметиков можно наблюдать деструкцию связующего, вследствие чего герметики теряют прочность и твёрдость, а их относительное удлинение уменьшается.

Недостатки герметиков этого класса - высокая стоимость и плохая адгезия к конструкционным материалам, что вынуждает применять специальные клеевые подслои.

Полимеризующиеся герметики — группа анаэробных составов. Это многокомпонентные жидкие вещества, которые при хранении на воздухе сохраняют вязкотекучеее состояние, но быстро отверждаются при 15-20^°С в зазорах шириной порядка 0,1мм. Неотверждённые герметики имеют высокую проникающую способность, после полимеризации в зазорах обеспечивают герметичность соединений и механическую связь сопряжённых деталей, работая как клеи. Основу анаэробных герметиков обычно составляют полимеризующиеся соединения акрилового ряда, в частности, диметакриловые эфиры полиалкиленгликолей и их смеси с акрилатами, Отсутствие кислорода инициирует превращение этих соединений в пространственносшитые полимеры. Превращение происходит с высокой скоростью, сопровождается резким увеличением вязкости композиций и снижением диффузии кислорода. В состав герметиков также входят инициаторы, ускорители и ингибиторы полимеризации, пластификаторы, загустители, красители и др,

Нетвердеющие герметики - термопластичные пасты и мастики, переходящие при нагревании в вязкотекучее состояние. Несмотря на появление вулканизирующих составов их широко используют в машиностроении. При охлаждении их первоначальная консистенция восстанавливается, в период эксплуатации она находится в пластическом или вязкоупругом состоянии. Основная область применения нетвердеющих герметиков - разъёмные соединения, стыки и швы, подвергаемые демонтажу.

Нетвердеющие герметики представляют собой высоконаполненные (50..75%) резиновые смеси на основе полиизобутилена, бутилкаучука, этиленпропиленового каучука и их сочетаний, а также с полиэтиленом и полипропиленом. Наполнители - асбест, мел, окись цинка, тальк и др. Для регулирования вязкости в герме гики вводят нефтяные масла.

Герметики обычно поставляют в виде замазок, имеющих верхний предел рабочих температур 70°С. При его превышении герметики размягчаются, а затем твердеют и становятся хрупким вследствие старения. Специфическая характеристика нетвердеющих герметиков - пенетрация (степень мягкости, консистентности), измеряемая по глубине вхождения в герметик стандартной иглы.

Высыхающие герметики представляют собой растворы резиновых смесей в органических растворителях. После улетучивания последних они становятся эластичными, не подвергаясь вулканизации, а при добавлении растворителя возвращаются в исходное состояние. Высыхающие герметики готовят на основе бутадиен-нитрильных, бутадиен-стирольных, полихлор-преновых, карбоксилсодержащих и других каучуков в сочетании с фенол-формальдегидиыми или инден-кумароновыми смолами. Для удешевления и придания специфических свойств в них вводят наполнители: мел, глину, двуокись титана, сажу и другие компоненты, содержание которых определяет усадку высыхающих герметиков.

Герметики в виде подвижных жидкостей (вязкость 10-20Па/с) наносят кистью или путём разбрызгивания или окунания. Пасты и мастики (вязкость 300-400 Па/с) наносят шпателем, с помощью шприца и т.п. Высыхающие герметики поставляют готовыми к использованию. Их недостаток значительная усадка и невысокая механическая прочность.

Компаунды содержат в качестве основы эпоксидные и ненасыщенные полиэфирные смолы, кремнийорганические каучуки или исходные продукты для синтеза полиметакрилатов и полиуретанов. Ограниченно применяют мастики на основе термопластичных материалов (битум, канифоль, церезин и др.), представляющих собой твердую массу, которую перед применением нагревают, переводя в жидкое состояние. В состав компаундов входят пластификаторы, наполнители, отвердители, инициаторы полимеризации и пигменты. От содержания наполнителей существенно зависят технологические свойства композиций: вязкость, усадка, механическое напряжение, темпера-турный коэффициент линейного расширения и теплопроводность отвержденных компаундов.

Современная промышленность производит обширный ряд герметиков:

●Герметики для авиакосмической, судостроительной и оборонной промышленности

●Материалы для монтажа светопрозрачных конструкций;

●Гидроизоляция и защита бетонных конструкций;

●Гидрофобизаторы и очистители;

●Материалы для радиоэлектроники и электротехники;

●Материалы для производства стеклопакетов [75].

Одновременное снижение вибрации и повышение акустической ком­фортности — факторы, определяющие конкурентоспособность самолета. Для эффективного снижения уровня шума и вибрации в кабине экипажа и пасса­жирском салоне применяют вибропоглощающие материалы. Их используют в основном в виде покрытия, наклеенного на внутреннюю поверхность панелей фюзеляжа, перегородки и другие виброакустически нагруженные конструкции самолёта.

Наивысшую эффективность вибропоглощения показывают полимеры, обладающие способностью к диссипации внешней акустической энергии, связанной с молекулярным и надмолекулярым строением. Их демпфирующие свойства сравнивают по величине коэффициента механических потерь. Вибропоглощающие материалы (ВПМ) для авиации должны иметь высокое зна­чение этого коэффициента, оптимальный удельный вес, хорошую адгезию, стойкость к повышенным влажности и температуре, низкое водопоглощение, отвечать требованиям пожарной безопасности, а также быть экологичными и технологичными. Очевидно, что эти требования значительно сужают круг возможных полимеров для авиационных ВПМ. Наибольшее распространение получили ВПМ на основе резин и каучуков. Их основной недостаток − низкая эффективность вибропоглощения при температурах до -60°С и малая продолжительность работы из-за старения в процессе эксплуатации.

Этих недостатков лишён разработанный в ВИАМе листовой вибропоглощающий материал ВТП-1В на основе термопластичного полиуретана. В его составе присутствуют добавки, повышающие атмосферо-стойкость и пожаробезопасность. Проведённые в ЦАГИ акустические испытания натурной панели фюзеляжа пассажирского самолёта Ил-96 показали, что ВТП-1В повышает звукоизоляцию панели фюзеляжа на 2−9 деци-бел в диапазоне частот 125—6300 Гц. ВТП-1 В используют на пассажирских самолётах Ту-214, в том числе на самолётах президентского отряда.

Одно из наиболее перспективных направлений современного материаловедения − разработка и создание термоэластопластов (ТЭП). Это новый класс полимерных материалов с пониженной плотностью, высокой озоно- и атмосферостойкостью, морозостойкостью, устойчивостью к набуханию в агрессивных средах. ТЭП обладают широкой цветовой гаммой, хорошо смешиваются (компаундируются) с различными наполнителями без ухудшения основных механических характеристик (рис.4.2).

Производят ТЭП способом динамической вулканизации. Этот способ по­зволяет быстро смешивать эластомер с термопластом и одновременно проводить вулканизацию эластомерной фазы. При этом происходит наиболее эффективное перемешивание компонентов и исключается их «сшивка» на ранних стадиях, что и гарантирует получение материалов с регулируемыми свойствами.

В институте авиационных материалов разработаны термоэластопласты серии ВТЭП. Уплотнительный материал с повышенной атмосферостойкостью ВТЭП 1-Л − это смесь термопласта на основе простого полиэфира и модифицирующих добавок. При плотности всего 1117 кг/м³ он имеет высокую

Рис.4.2.Уплотнители нового поколения изготавливают из термоэластопластов (ТЭП). Эти материалы обладают высокой стойкостью в атмосфере, не боятся большинства органических растворителей, легко окрашиваются во все цвета радуги. Из ТЭП изготавливают фасонные детали электротехнического назначения (слева) и уплотнительные жгуты различной формы (справа) [75].

для термоэластопластов прочность при растяжении (20,4 МПа) и относительное удлинение при разрыве (645%). Результаты расширенных испытаний показали, что ВТЭП 1-Л стоек к воздействию влаги и грибов, обладает повышенной износо- и атмосферостойкостью, полностью отвечает требованиям авиационных правил по горючести.

Другой материал этого же ряда — термоэластопласт уплотнительный ударостойкий электроизоляционный, ВТЭП 2-Л. Его получают динамической вулканизацией каучука, полипропилена, вулканизующей системы и модифицирующих добавок. Он обладает отменными электроизоляционными свойствами, стоек к гидролизу, воздействию микроорганизмов (грибов и плесени), авиационных топлив и масел. Эксплуатировать его можно в диапазоне температур от -60 до +100°С. Термоэластопласты ВТЭП 1-Л и ВТЭП 2-Л придут на смену резине при изготовлении уплотнителей и различных электротехни­ческих деталей.

Ещё один термоэластопласт — ВТЭП 3-Л — представляет собой фторированный термопласт на основе простого полиэфира с моди­фицирующими добавками. Совмещение термопластичного полимера со фторкаучуком повысило стойкость материала к топливам и маслам и увеличило его рабочую температуру до 120°С (вместо 80°С для ВТЭП 1-Л). Прочность ВТЭП 3-Л более 25 МПа, деформация максимальная — выше 600%. ВТЭП 3-Л рекомендуется использовать для производства уплотнителей, фиксаторов электропроводов, манжет и других деталей пневматических, вакуумных и гидравлических систем. Зарубежных аналогов этот материал не имеет.

Для уплотнения стыковочных узлов в самолёте Т-50 создан ленточный герметик. Лента деформируется в широких пределах и при сжатии её слои склеиваются между собой. За счёт этого появляется возможность компен-сировать зазоры, величина которых непостоянна по длине стыка [75].

С термоэластопластами удобно работать: высокая текучесть расплава позволяет перерабатывать их методами литья под давлением и экструзией. В отличие от резин все ТЭП могут быть окрашены в любой цвет пигментами или суперконцентратами пигментов.

Высокая технологичность ТЭП практически решает задачу утилизации отходов и улучшения экологической обстановки в цехах. При их переработке отходов просто нет. Важно и то, что при использовании ТЭП в 1,5 раза повышается коэффициент использования материала, в 20−30 раз снижается трудоёмкость изготовления деталей (1−3 минуты вместо 30−60 минут). Для расширения областей применения ведутся работы по созданию термоэластопластов с температурой эксплуатации до 150°С.

В период разработки самолёта Т-50 ОКБ «Сухой» поставило перед ВИАМом задачу разработать герметизирующий материал для

крупногабаритных конструкций топливных ёмкостей, отсеков фюзеляжа и других деталей из металлических или композиционных материалов. Сложность заключалась в том, что зазоры на сопрягаемых поверхностях могли быть разными. Герметизирующий материал сделали в виде эластичной ленты толщиной от 0,5 до 3,5 мм из модифицированной композиции тиоколового олигомера. Материалу присвоили обозначение ВГМ-Л. Завулканизованная лента выдерживает без разрушения удельное давление свыше 300 кг/см². ВГМ-Л обеспечивает в конструкциях компенсацию неровностей, кривизны, шероховатости сопрягаемых поверхностей.

Под нагрузкой у ленты возникает эффект самосклеивания между её отдельными слоями, что обеспечивает получение герметичности стыков в шве. Герметик эффективен в местах болтовых и клёпаных соединений, работающих при температурах от -60 до+120°С в среде воздуха, авиационных топлива и масла[18,22 ].

Лакокрасочные материалы представляют собой жидкие композиции, образующие после нанесения и высыхания пленку, адгезионно сцепляющуюся с окрашиваемой поверхностью, и предназ­начены для защиты деталей и изделий от коррозии, для придания поверхности необходимого вида, для изоляции, светозащиты, для предупреждения гниения дерева.

По сравнению с другими методами поверхностной обработки (металлизация, химико-термическая) использование лакокрасочных материалов имеет ряд преимуществ: легкость нанесения покрытий, их разнообразие, стойкость по отношению к различным воздействиям.

Лакокрасочные материалы состоят из нескольких компонентов. Главным компонентом (основой) являются пленкообразующие вещества, обладающие хорошей адгезией (растительные масла, смолы, эфиры, целлюлозы, жидкое стекло). К классу других компонентов относятся разбавители, растворители, пигменты, пластификаторы, наполнители. Растворители — это бесцветные жидкости органического происхождения (бензин, ацетон, спирты, скипидар). Разбавители служат для разбавления красок (бензол, спирты), после нанесения краски они должны быстро улетучиваться и высыхать.

В качестве пигментов используют тонкоизмельченные порошки окислов металлов или солей, не растворимых в основе и растворите­лях (цинковые и свинцовые белила, охра, лазурь, ультрамарин, за­кись хрома, мумие, сурик, сажа, алюминиевая и бронзовая пудра).

Наполнители могут применять вместо пигментов или наряду с ними (мел, гипс, тальк). Пластификаторы предназначены для повышения гибкости и эластичности пленок (касторовое масло, соединения фосфора).

Лакокрасочные покрытия наносятся в определенной последовательности, называемой системой покрытия, схема которой показа­на на рис. 4.3.

Рис.4.3.Схема лакокрасочного покрытия:

1 – грунт, 2 – шпатлевка, 3 – эмаль, 4 – покрывной лак

Характеристики и области применения некоторых лакокрасочных материалов приведены в табл. 4.2.