Металловедение

381

§ 13. Клеи из синтетических материалов

За последние годы клеящие материалы на основе синтетических полиме-

ров приобретают все возрастающее значение для многих отраслей народного хозяйства. Клеевые соединения во многих случаях являются наиболее рацио-

нальными, а в некоторых случаях единственно возможными видами соедине-

ний. Возрастающее значение клеев связано прежде всего с теми преимущест-

вами, которые имеют клеевые соединения по сравнению с заклепочными, бол-

товыми, сварными и другими соединениями. Это в первую очередь возмож-

ность соединения между собой самых разнородных материалов. Современными клеями склеивают различные пластические массы, силикатные и органические стекла, натуральные и искусственные кожи, каучуки и резины, фарфор, кера-

мику, бетон, изделия из бумаги, различные породы дерева, хлопчатобумажные и шерстяные ткани, изделия из синтетических волокон, а также сталь, серебро,

медь, алюминиевые, магниевые, титановые сплавы и другие металлы и неме-

таллические материалы и их сочетания.

Важным свойством клеевых соединений на основе синтетических клеев является их атмосферостойкость, способность противостоять коррозионным воздействиям и гниению. К числу преимуществ клеевых соединений можно также отнести: исключение отверстий под болты или заклепки, ослабляющие скрепляемые элементы; более равномерное распределение напряжения в со-

единениях; ровная поверхность клееных деталей; относительно низкая стои-

мость производства клееных деталей при массовом производстве.

Применение клея в сварных и клепаных соединениях увеличивает их ста-

тическую прочность и выносливость. В то же время клен не свободны от недос-

татков. Клеевые соединения обладают низкой прочностью при неравномерном отрыве; большинство клеев имеет также относительно низкую теплостойкость

(до 350° С) вследствие органической природы основных компонентов клея. Но-

вые клеи из элементоорганических и неорганических полимеров способны

382

удовлетворительно работать при температурах, достигающих 1000° С и выше,

однако большинство из них не обладает достаточной эластичностью, что пока сильно ограничивает их применение.

Синтетические клеи широко применяют для склеивания разнообразных материалов в автомобильной, авиационной, судостроительной, электро- и ра-

диотехнической, химической, деревообрабатывающей, обувной, полиграфиче-

ской промышленности и других отраслях народного хозяйства. Это дает боль-

шой технический и экономический эффект, позволяет совершенствовать изго-

товление элементов различных конструкций, приспособлений, приборов и из-

делий.

Первыми промышленными синтетическими клеями были клеи для дерева на основе феноло-формальдегидных и позднее карбамидных смол. Это дало возможность надежно соединять различные породы дерева при изготовлении фанеры, мебели и других изделий. Карбинольный клей и клеящие композиции на основе совмещенных феноло-формальдегидных и полнвинилацетальных смол типа БФ значительно расширили область применения синтетических кле-

ев. Стало возможным склеивание не только неметаллических материалов, но и металлов, а также металлов с неметаллическими материалами. В последнее время создано большое число клеев па основе таких полимеров, как полиэпок-

сиды, полиуретаны, полиамиды, полиэфиры и др. Получены клен на основе фе-

ноло-формальдегидных смол, синтетических каучуков, совмещенных с крем-

нийорганическими соединениями (клеи с теплостойкостью до 400° С).

Большое значение имеет применение клеев в авиационной про-

мышленности, особенно вертолетостроении, где они обеспечивают изготовле-

ние металлических лопастей несущих винтов. В автомобилестроении и тракто-

ростроении клеи успешно используют для приклеивания тормозных накладок к металлу, что более эффективно по сравнению с другими видами крепления.

Широко используют клен для соединения резины с металлом. Клеи применяют

383

при изготовлении специальных составов, пригодных для заделки и выравнива-

ния неровностей металлических поверхностей автомобилей и самолетов, при изготовлении абразивных инструментов и т. д.

Для склеивания металлов между собой и с конструкционными неметал-

лическими материалами применяют следующие марки клеев на основе синте-

тических смол и синтетических каучуков: БФ-2, БФ-4, ВС-10Т, ВК-32-200, ВК-

3. ВК-4, К-153, эпоксиды Пр. и П, ВК-1, ВК-7, ПУ-2, ВК-5, карбинольный,

МПФ-1, ВК-2, Л-4 и др.

Для приклеивания термоизоляции, тканей и декоративно-облицовочных материалов к металлам и конструкционным неметаллическим материалам при-

меняют марки клеев: ВК-32-2, ВКТ-2, 88Н, ПУ-2М, АК-20, ПК-10, ХВК-20 и

др.

Для склеивания неметаллических материалов (древесины, стек-

лопластмасс, текстолитов, пенопластов и других пористых материалов): ВИ-

АМ-БЗ и ПУ-2. Для склеивания органического стекла и приклеивания к нему других материалов - ВЗ-Ф9, ВК-32-70 и ПУ-2. Для склеивания резин между со-

бой и с металлами: 88Н, КР-6-18, ЧНБ, ВКР-7, КТ-15, КТ-25.

Для повышения прочности клеевого соединения склеиваемые поверхно-

сти обезжиривают, и, если возможно, придают им шероховатость.

384

Г л а в а XXI

РЕЗИНА И РЕЗИНОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ

§ 1. Исходное сырье для получения резины

Современная техника не может обходиться без резины. Из резины делают шины автомобилей, самолетов и велосипедов, изоляцию проводов, водолазные костюмы, баллоны аэростатов, галоши, шланги, надувные лодки, противогазы и многое другое.

Резина является продуктом переработки каучуков. Природный полимер -

каучук свое название получил от индийского слова «каочу», что означает -

«слезы дерева», которые появляются на каучуконосном дереве при его порезе.

Много сотен лет назад индийцы научились использовать белую древесную смолу - каучук. Натуральный каучук (НК) получают из растений - так называе-

мых каучуконосов. Натуральный каучук легко растворяется в эфире, бензине,

минеральных маслах и не растворяется в воде. При нагреве до температуры 90°

С каучук размягчается, становится липким, при температуре ниже нуля приоб-

ретает твердость и хрупкость.

Бурное развитие техники не могло ограничиться использованием только натурального каучука и привело к созданию синтетических (искусственных)

каучуков (СК). Промышленность различных стран производит чрезвычайно разнообразные синтетические каучукоподобные материалы. Исходным сырьем для получения каучука являются: этиловый спирт, ацетилен, бутан, этилен,

бензол, изобутилен, некоторые галогенпроизводные углеводородов и др. При полимеризации мономеров (дивинил, стирол, хлоропрен, хлористый винил и т.

п.) получаются синтетические каучуки.

При сравнительно большой прочности натуральный каучук значительно уступает синтетическим по морозостойкости и стойкости против воздействия растворителей. Свойства резины в основном зависят от каучуков, входящих в ее состав. Качество синтетического каучука определяет стойкость резины к

385

растворителям, к атмосферному воздействию, кислороду, агрессивным средам,

теплостойкость, морозостойкость, эластичность и упругость, клейкость раство-

ров резиновых смесей и другие свойства материала.

Из синтетических каучуков наиболее распространен бутадиеновый кау-

чук (СКВ), получающийся при полимеризации бутадиена. Выпускается не-

сколько марок, различающихся по пластичности, механическим свойствам и т.

д. Этот каучук пластичен, сохраняет механическую прочность при повышен-

ных температурах, растворяется в органических растворителях, легко окисляет-

ся, имеет высокую химическую активность. При совместной полимеризации бутадиена и стирола получают бутадиен-стирольный каучук (СКС). Он приме-

няется как каучук универсального значения главным образом для получения резин, идущих для автопокрышек. Нитрильный каучук (СНК) наиболее широко используется при получении маслостойких резин.

Все большее промышленное значение приобретает бутил-каучук. Он от-

личается кислородоустойчивостью, химической стойкостью. Шинные камеры из резни на основе бутил-каучука в восемь - десять раз менее проницаемы для воздуха, чем камеры из натурального каучука.

Изопреновый каучук (СКИ) получают полимеризацией изопрена в при-

сутствии металлоорганическнх пли комплексных катализаторов. СКИ приме-

няют для изготовления резин общего назначения, пригодных для получения любых изделий взамен натурального каучука.

Хлоропреновый каучук (найрит) является продуктом полимеризации хло-

ропрена. Он более стоек к действию солнечного света, озона и органических растворителей, чем каучук СКВ, но отличается невысокими электроизоляцион-

ными свойствами, при хранении самопроизвольно вулканизируется. Обладает высокой клейкостью; раствор каучука используется в качестве клея.

Найрит применяется преимущественно для изготовления маслоупорных,

беизоупорных и термостойких резин.

386

Полисульфидные каучуки (тиокаучуки, тиоколы) применяются самостоя-

тельно и в смеси с другими каучуками для изготовления бензино-, бензоло- и

маслостойких, термостойких резин.

Кремнийорганические - полисилоксановые каучуки (СКТ) применяются в основном для производства термостойких резин и изделий из них в различных отраслях промышленности, в качестве теплоустойчивых связывающих и элек-

троизолирующих материалов, жаростойких антикоррозионных покрытий; в со-

ставе различных гидрофобных и защитных пленок и т. д.

Фторкаучук (СКФ) - полимер, эластичный при обычных температурах,

содержит в составе звеньев макромолекул атомы фтора, химически инертен. Он идет на приготовление резни, отличающихся от большинства других резин со-

четанием теплостойкости, химической стойкости, стойкости к органическим растворителям, газонепроницаемости и прочности

§ 2. Компоненты, входящие в резиновую смесь

Для получения резины основным компонентом является каучук, который,

соединяясь в процессе вулканизации с вулканизирующим веществом, образует резину. В качестве вулканизирующего вещества обычно применяют серу; тио-

коловые каучуки вулканизируют перекисями металлов (перекись марганца, пе-

рекись свинца); полисилоксаны вулканизируют с помощью органических пере-

кисей (перекись бензола); фтор-каучуки вулканизируют органическими переки-

сями или диаминами.

Для повышения механической прочности и износоустойчивости в состав резиновой смеси обычно вводят упрочняющий наполнитель. К числу таких на-

полнителей принадлежат вещества с предельно малой величиной частиц и вы-

сокоразвитой поверхностью. Наиболее распространенными упрочняющими на-

полнителями являются сажи.

В производстве светлоокрашенных резин и резин, предназначенных для работы при повышенных температурах, в качестве упрочняющего наполнителя

387

применяют окись кремния, окись титана, которые находятся в столь же мелко-

дисперсном состоянии.

В резиновую смесь вводят ускорители вулканизации, применяя для этого дифенилгуанидин и др. Иногда для повышения пластичности резиновой смеси и морозостойкости готовых изделий в резиновую смесь добавляют пластифика-

торы (стеариновая и олеиновая кислоты, парафины и др.).

Против старения (процесса соединения резины с кислородом воздуха) в

резиновую смесь вводят противоокислители (противо-старители), а для прида-

ния цвета добавляют красители (охра, ультрамарин).

§ 3. Технология изготовления резины. Вулканизация

Процесс изготовления резины и резиновых деталей состоит из приготов-

ления сырой резиновой смеси, получения из нее полуфабрикатов пли деталей и их вулканизации.

Технологический процесс включает в себя следующие операции: вальце-

вание, каландрирование, получение заготовок, формование и вулканизацию,

обработку готовых деталей.

Для приготовления сырой резины каучук разрезают на куски и пропуска-

ют через вальцы для придания пластичности (рис. 180). Затем, в специальных смесителях каучук смешивают с порошкообразными компонентами, входящи-

ми в состав резины (вулканизирующие вещества, наполнители, ускорители вулканизации и т. д.), вводя их в резиновую смесь точно по весовой дозировке. Перемешивание можно производить и на вальцах. Таким образом получают однородную, пластичную и малоупругую массу -

сырую резину. Она легко формуется, растворяется в органических растворителях и при нагревании ста-

новится клейкой.

388

Провальцованная резиновая смесь поступает на каландр для получения листов заданной толщины-процесс получения листовой резины. Из каландро-

ванных листов заготовки деталей получают вырезкой по шаблонам, вырубкой штанцевыми ножами, формированием на шприцмашине.

Для изготовления резиновых деталей формовым способом используются гидравлические вулканизационные прессы с электрообогревом. Прессование производят в пресс-формах методами прямого и литьевого прессования. Литье под давлением применяют для изготовления деталей сложной конфигурации.

Детали, изготовленные литьем под давлением, имеют повышенную вибростой-

кость и хорошо воспринимают знакопеременные нагрузки.

Формование резин имеет много общего с формованием отвердевающих пластических масс, однако есть и некоторые отличия. Вследствие высокой пла-

стичности резиновых смесей для заполнения форм, даже сложной конфигура-

ции, не требуется давление выше 5 МПа (50 кгс/см2). В большинстве случаев изделия формуют под давлением 1-2 МПа (10-20 кгс/см2).

Для получения высокоэластичных прочных изделий (покрышек, транс-

миссионных лент, ремней, рукавов) резиновую смесь наносят на высокопроч-

ные ткани (корд, белтинг) из хлопчатобумажного волокна, полиамидного или полиэфирного волокна. Для сцепления резины с тканью применяют способы напрессовывания или пропитывания. В первом случае тонкие листы каландро-

ванной сырой резины на специальных дополнительных дублировочных каланд-

рах напрессовывают на ткань. Во втором случае ткань пропитывают раствором резиновой смеси (резиновым клеем) и сушат для удаления растворителя. Про-

резиненную ткань раскраивают, собирают в пакеты и прессуют в изделия.

Многие резиновые изделия армируют металлическими деталями. Метал-

лы или сплавы (за исключением латуни) не обладают адгезией (прилипаемо-

стью) к резине, поэтому легко вырываются из изделия. Для придания адгезии металлической арматуры к резине на металл наносят клеевую пленку пли осу-

389

ществляют латунирование. Наиболее высокая прочность сцепления металла с резиной достигается путем нанесения на металлическую поверхность пленки изоционатного клея «лейконат» или ее латунирования.

Любой процесс формования заканчивается процессом вулканизации.

Каучук состоит из линейных молекул. При нагревании с серой (вулканизации)

происходит укрупнение молекул и образование сетчатой структуры молекул,

при этом каучук превращается в резину. В резине кроме линейных есть и трех-

мерные молекулы.

Усложнение и укрупнение молекул приводит к тому, что вещество при-

обретает упругость, не снижая эластичности, а кроме того, и стойкость к тем-

пературным и химическим воздействиям. Резина примерно на одну треть со-

стоит из сажи, которая создает кристалличность строения вещества, увеличива-

ет его прочность.

Вулканизацию осуществляют с нагревом и без нагрева. Длительность и температура вулканизации определяются рецептурой резиновой смеси (типом каучука и эффективностью введенного ускорителя); но обычно вулканизацию проводят при температуре 120150° С.

При формировании деталей вулканизация их производится в пресс-

формах на вулканизационных гидравлических прессах с паровым или электри-

ческим обогревом. Формовой метод вулканизации дает более плотную, одно-

родную структуру, более точные размеры и более чистую поверхность резино-

вого изделия. При невозможности вулканизации в пресс-форме особенно изде-

лий, полученных на шприцмашине накатыванием и дублированием, вулкани-

зацию проводят в вулканизационном котле.

Почти все синтетические каучуки получают методом эмульсионной по-

лимеризации в водных средах. Образующийся в этих условиях полимер полу-

чается с частицами, близкими к размерам коллоидных частиц. В присутствии

390

специально вводимых веществ (эмульгаторов) частицы полимеров образуют устойчивую эмульсию полимера в воде, которая называется латексом.

В настоящее время выпускается большое количество латексов, из кото-

рых непосредственно можно изготовлять резиновые изделия. Они применяются для получения фрикционных изделий, для пропитки корда, для изготовления абразивных шлифовальных камней, резиновых нитей, волосяных эластичных подушек, маканых изделий (перчатки, шары-пилоты), толстостенных изделий,

для замены клеев латексными пастами, для получения резиновых пеноматериа-

лов.

Для получения резиновых изделий толщиной не более 0,2 мм форму

(обычно стеклянную) несколько раз погружают в латекс. После каждого по-

гружения на форме остается слой латекса, из которого удаляют воду высуши-

ванием.

Процесс изготовления изделий из латексов состоит из следующих опера-

ций: смешения латекса с вулканизирующими агентами и другими компонента-

ми резиновой смеси: высаживания резины на форму в виде пленки по мере ис-

парения воды; вулканизации.

Вулканизированные резиновые детали, в зависимости от предъявляемых к ним требований, подвергают дополнительной обработке. В большинстве слу-

чаев достаточно удаления облоя (заусенцев), что может выполняться и неболь-

шими ножницами с загнутыми концами. При наличии в деталях сквозных от-

верстий применяют вырубные ножи. Для окончательного удаления следов об-

лоя проводят дополнительную зашлифовку. В некоторых случаях для получе-

ния точных размеров требуется обточка и шлифовка всей поверхности детали.

Эти операции проводятся в токарном патроне с помощью абразивных или фет-

ровых кругов.