А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

Также клеи широко применяются для крепления теплоизоляции резервуаров криогенных жидкостей, топливных баков ракет

икосмических летательных аппаратов; для облицовки внутренних поверхностей различных криогенных емкостей металлизированной полимерной пленкой. Известна технология оклейки цистерн для хранения и перевозки сжиженного газа пенопластом. Клеевые составы для этих операций были приготовлены на основе эпоксидной смолы

ирезорцина.

Широко применяются клеевые композиции в ракетостроении. На рис. 5.23 показана конструкция высокоэффективной теплоизоляции топливного бака ракеты.

Рис. 5.23. Изоляция топливного бака ракеты:

1 – алюминиевая стенка бака ракеты; 2 – клеевые слои; 3, 4 – сотовые заполнители; 5 – барьерные пленки

Такая теплоизоляция состоит из двух слоев сотовых заполнителей 3 и 4. Сотовые наборы разделены между собой и отделены от внешнего пространства и бака корпуса ракеты барьерными пленками 5. Все элементы теплоизоляции соединяются клеем 2. При изготовлении теплоизолирующих разделительных перегородок емкости с жидким кислородом и водородом в конструкции ракеты-носителя «Сатурн» применен эпоксифенольный клей. Изоляция состоит из сотового заполнителя, который присоединяется клеем на подложке из стеклоткани к металлическим стенкам емкостей. Для соединения металлизированных полиэфирных пленок с внутренней поверхностью

311

топливных контейнеров ракетных систем, работающих при температуре до 4 К, применяют клей, представляющий собой полимеризованный эфир акриловой кислоты.

С применением клеев был найден перспективный путь снижения массы космических аппаратов за счет использования сотовых конструкций. Например, командный отсек корабля «Аполлон» представляет собой герметичную сотовую конструкцию в форме усеченного конуса высотой 3,66 м. Отсек имеет внутреннюю обшивку из алюминиевого сплава 2014-Т6, алюминиевый сотовый заполнитель из сплава 5052-Н39 и наружную обшивку из сплава 7075-Т6, соединенные клеем. Посадочное шасси космического аппарата «Сервейор» имеет опоры, представляющие собой клееные сотовые конструкции космических летательных аппаратов типа «Маринер», предназначенных для исследования планет Венера и Меркурий. Панели с солнечными элементами и антенны изготавливают с применением клеев марок FM-96, FM-934, F-123-4.

Одной из важных областей применения клеев является получение с их помощью вакуумно-плотных соединений, работоспособных при криогенных температурах. Например, с помощью клеев на основе полиорганосилоксанов удалось создать соединения, работающие при разрежении порядка в 1 10–5 мм рт. ст. при температуре от 20 до 77 К.

Используются клеевые композиции в качестве заливочных компаундов сверхпроводящих магнитов. Для этой цели применяются различные эпоксидные композиции. Используя в качестве наполнителя специально обработанный клеевой порошок, удалось создать электропроводящий клей со стабильными электрическими характеристиками в диапазоне температур от 77 до 423 К.

Приклейку деталей оптики и герметизацию фотоприемников, работающих при температурах, близких к температуре жидкого азота, рекомендуется производить цианакрилатными клеями марок КМ-200 и КМ-201. Для приклеивания тензорезисторов, работающих при криогенных температурах, можно рекомендовать клеи марок БФ-2, БФ-4, циакрин, криосил.

Особое внимание следует уделить проектированию клеевых конструкций. Конструирование клеевых соединений включает определение формы и расчет размеров соединения. При этом учитывают тип конструкции, величину, направление и длительность действия

312

нагрузки, возможность контакта соединения с агрессивными средами, температуру его эксплуатации, а также стоимость изготовления изделия. Необходимо стремиться к максимально возможной площади соединения, обеспечивать действие нагрузки в направлении максимальной прочности клеевого соединения, а также исключать развитие отдирающих или расслаивающих напряжений. Примеры клеевых соединений приведены на рис. 5.24.

Рис. 5.24. Клеевые соединения различных типов:

а– внахлестку; б – встык с накладкой; в – с двойной нахлесткой;

г– внахлестку со скосом кромок; д – пазовые; е – со ступенчатой накладкой;

ж– с двойной накладкой; з, и – тавровые; к – цилиндрическое стыковое;

л– цилиндрическое внахлестку

313

Соединения плоских деталей встык с накладкой выбирают в тех случаях, когда между деталями должен быть гладкий переход (см. рис. 5.24, б). Соединения с двойной нахлесткой или встык с двумя накладками отличаются от обычного нахлесточного соединения (см. рис. 5.24, а) лучшим сопротивлением нагружению. Прочность соединений внахлестку и встык с накладками может быть повышена при скашивании концов деталей (см. рис. 5.24, г) или накладок, что сводит к минимуму вероятность отдирания кромок при нагружении. Однако такое соединение возможно только при толщине деталей более 2 мм, при этом угол скоса должен быть не менее 5°. Кроме того, такое соединение сложно в подгонке и трудоемко в изготовлении.

При создании угловых соединений (см. рис. 5.24, е, ж) необходимо, чтобы склеиваемые участки имели, по возможности, большие размеры. Равномерное распределение напряжений в таких соединениях достигается расположением уголковых накладок уступами (рис. 5.24, е). При получении пазовых соединений (см. рис. 5.24, д) необходимо применять клеи, отверждающиеся в зазоре без давления. Для соединений, работающих на отслаивание, можно рекомендовать конструкции, представленные на рис. 5.24, з, и.

Склеивание деталей круглой формы осуществляется обычно по тем же схемам, что и плоских деталей (см. рис. 5.24, к, л).

В клеевом шве при нагружении круглых деталей на растяжение, сжатие или кручение действуют только напряжения сдвига, т. е. напряженное состояние более однородно, поэтому длина нахлестки в таких соединениях меньше, чем в плоских. В общем виде для обеспечения работоспособности изделий при криогенных температурах следует использовать клеи, имеющие низкий модуль упругости, близкие значения коэффициентов термического расширения клея и склеиваемого материала; стремиться к проектированию и изготовлению клееных изделий возможно меньших размеров, работающих с небольшим градиентом температур.

5.6. Лакокрасочные материалы и композиции

Лакокрасочные материалы и композиции предназначены для образования лакокрасочных покрытий, служащих для защиты машин и механизмов от воздействия среды (защитные покрытия), придания

314

им внешнего вида, отвечающего требованиям технической эстетики (декоративные покрытия), а при объединении этих свойств подобные покрытия носят название «защитно-декоративные покрытия». Такие покрытия представляют собой наиболее распространенную группу материалов. Отдельную категорию составляют лакокрасочные покрытия с особыми свойствами (антиадгезионные, электроизоляционные, токопроводящие, антисептические, тепло- и хладостойкие, термочувствительные, светящиеся и др.).

Качество и срок службы лакокрасочных покрытий зависят от их состава, природы окрашиваемого материала, подготовки поверхности, технологии и качества нанесения покрытия. Характеристики и области применения некоторых лакокрасочных материалов приведены в табл. 5.75.

Таблица 5.75

Характеристики и области применения некоторых лакокрасочных материалов

315

и тракторов

Окончание табл. 5.75

Для ускорения и удешевления процесса окраски, связанного с нанесением нескольких слоев, вводятся новые комбинированные лакокрасочные материалы, например грунтошпатлевки, покрывные эмали, хорошо сцепляющиеся с укрываемой поверхностью без предварительного грунтования, и т. п.

Основные компоненты лакокрасочных материалов: пленкообразователи, растворители и пигменты.

Пленкообразователи сообщают лакокрасочным материалам способность к образованию пленки и определяют ее основные свой-

316

ства. Пленкообразующими веществами могут быть высыхающие растительные масла, синтетические смолы и эфиры целлюлозы. Различают неотверждаемые термопластичные и отверждаемые термореактивные пленкообразователи.

Растворителями лакокрасочных материалов служат скипидар, уайт-спирит, ацетон, спирты. Растворители подбирают в зависимости от пленкообразующего вещества: для масел используют скипидар и уайт-спирит; для смол – спирты, ацетон и ароматические углеводороды типа бензола и толуола; для эфиров целлюлозы – ацетон. Растворители при сушке полностью улетучиваются. Для ускорения высыхания покрытий применяют каталитически действующие сиккативы, представляющие собой растворы оксидов или солей кобальта, цинка, свинца, марганца в растительном масле.

Пигменты (или красители) применяют для получения определенного цвета лакокрасочного материала. Одновременно пигменты улучшают адгезию, повышают антикоррозионные свойства и водостойкость пленок. По химическому составу они представляют собой оксиды или соли металлов (охра, железный сурик, цинковые и титановые белила), порошки алюминия, цинка и элементарного углерода (графит, сажа). Используют также пигменты органического происхождения (пигмент алый и др.), придающие покрытиям красивые яркие тона.

Для удешевления лакокрасочных материалов в них добавляют наполнители. Наполнителями служат мел, каолин, тальк и другие вещества. Применение в качестве наполнителей слюды и асбеста способствует повышению термостойкости покрытий.

В зависимости от состава и назначения лакокрасочные материалы делятся на лаки, краски (в том числе эмали), грунты и шпаклевки.

Лаком называют раствор пленкообразующих веществ в органических растворителях или в воде, образующий после высыхания твердую прозрачную однородную пленку. Лаки используют для получения прозрачных покрытий, защищающих поверхность от внешней среды. Иногда лаки наносят на слой краски для большего блеска покрытия.

Грунтами, шпаклевками и красками называют пигментированные лаки и олифы – высыхающие масла с добавкой сиккатива, являющегося катализатором высыхания. Краски, изготовленные на ла-

317

ках, называют эмалями, а на олифах – масляными красками.

Грунты являются нижними слоями покрытия. Они обеспечивают прочную адгезию с окрашиваемой поверхностью. В качестве пигмента в грунтах применяют соли хромовой кислоты, свинцовый или железный сурик, цинковые белила и др.

318

Шпаклевкой называют густую и вязкую массу, состоящую из смеси пигментов с наполнителями в связующем веществе. Шпаклевки применяют для сглаживания неровностей поверхности изделий. Они имеют значительно большую вязкость, чем остальные лакокрасочные материалы, за счет более высокой концентрации пигмента

инаполнителя.

5.6.1.Физико-механические и технологические свойства и методы испытаний лакокрасочных материалов,

композиций и покрытий

Адгезия – свойство лакокрасочной пленки прочно сцепляться с укрываемой ею поверхностью. Прочность сцепления или прилипания зависит от вида пленкообразующего и укрываемого материала и определяется силой, потребной для отделения пленки от поверхности. Адгезию определяют методом отслаивания (количественная оценка), методом параллельных надрезов и методом решетчатого надреза.

Под методом решетчатого надреза понимают нанесение сетки надрезов (не менее пяти вдоль и пяти поперек) на лакокрасочном покрытии со стороной квадратов 1,0 или 2,0 мм, очисткой кистью и последующим определением количества прочно сцепленных с подложкой и отслоившихся квадратов по трехбалльной шкале.

Атмосферная устойчивость (атмосферостойкость) – способность лакокрасочного покрытия противостоять атмосферным воздействиям: солнечной радиации, колебании температуры, ветровой нагрузке, туману, дождю, снегу и т. п. Атмосферостойкость определяют по восьмибалльной шкале. Лакокрасочные покрытия для транспортных машин, в частности для подвижного состава железных дорог, дополнительно испытывают на опытных локомотивах и вагонах не менее года с обязательным пробегом в крайние южные, северные, западные и восточные части страны в разные времена года.

Блеск (глянец) лакокрасочных покрытий – степень отраже-

ния света пленкой. Чем выше степень отражения света, тем устойчивей покрытие в атмосферных условиях. Определение блеска заключается в измерении величины тока, возбуждаемого в фотоэлементе пучком света, отраженного от испытываемой пленки. Величину блеска (в процентах) показывает шкала специального микроамперметра, градуированная по эталону – увиолевому стеклу.

319

Влага в пигменте – вредная примесь, удлиняющая время высыхания пленки и снижающая ее прилипаемость и качество. Количество влаги измеряют путем сушки навески пигмента а при 105 °С до постоянной массы b и определения отношения

(а b) 100 % .

а

Влагопоглощаемость пленки (гигроскопичность, набухае-

мость) – количество влаги, впитавшейся в покрытие за определенное время нахождения его в воде. Измеряют путем взвешивания пленки до и после выдержки ее в воде определенное время и отнесения разности к первоначальной массе пленки.

Влагостойкость – способность лакокрасочного покрытия выдерживать воздействие влажной атмосферы без изменения своих свойств при установленной степени влажности и температуре за определенное время.

Водопропускаемость пленок (гигроскопичность) – сопротив-

ляемость пленки пропускаемости воды. Определяется временем в часах до появления первых признаков пропускания воды.

Вязкость условная – время истечения (в секундах) определенного объема испытываемого лакокрасочного материала через калиброванное сопло вискозиметра при 20 °С, если не оговорена другая температура.

Гибкость пленки (прочность при изгибе, изгиб пленки и т. п.) в миллиметрах – способность лакокрасочной пленки, нанесенной на тонкую пластичную металлическую подложку, изгибаться вместе с ней без разрушений. Испытание проводят по условной шкале гибкости путем последовательного изгибания подложки пленкой наружу вокруг стержней диаметром 55, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 16, 15, 12, 10, 8,

6, 5, 4, 3, 2 и 1 мм на 180° до появления признаков трещин или отслоений, видимых в лупу с четырехкратным увеличением. Прочность при изгибе 10 мм означат, что разрушения возникли при изгибании вокруг стержня диаметром 8 мм.

Интенсивность цвета (красящая сила) – свойство сухой краски (пигмента) при смешивании с другими красками придавать им свой цвет и оттенок. Измерение основано на сравнении с эталонами или сравнительном осмотре двух и более конкурирующих красок.

320