CC BY
213
С. В. Кузнецова, А. Д. Хусаинов, С. И. Вольфсон ОПТИМИЗАЦИЯ АДГЕЗИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КЛЕЕВЫХ
КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ ХЛОРСОДЕРЖАЩИХ ПОЛИМЕРОВ
Исследованы адгезионные свойства клеевых композиций на основе поли-хлоропренового каучука «Наирит РНП» в условиях холодного отверждения. Получены клеевые композиции содержащие от 5 до 50 мас.ч смолы 101-К. Определено ее оптимальное содержание в клеевой композиции.
Клеящие материалы играют очень важную роль в народном хозяйстве. Эффективность применения клеев объясняется целым рядом существенных преимуществ клеевых соединений по сравнению с соединениями других типов. С помощью клеев удается надежно склеивать самые различные материалы, причем в ряде случаев склеивание является единственным способом их надежного соединения.
С помощью клеев можно соединять разнородные материалы, поскольку ряд клеев способен компенсировать напряжения, возникающие в клеевом соединении из-за различия коэффициентов линейного термического напряжения склеиваемых материалов, а также материалы, чувствительные к нагреванию, так как некоторые клеи способны отверждаться при комнатной температуре. Использование клеев позволяет изготовлять изделия сложной формы, обеспечивая экономичную и быструю сборку конструкций [1].
Клеевые соединения в отличие от механического крепления обеспечивают более равномерное распределение напряжений по всей площади склеивания, вследствие чего повышается выносливость конструкции в целом. Слой клея в соединении способен поглощать, перераспределять или более равномерно передавать напряжения от одного элемента конструкции к другому, предотвращать или существенно уменьшать электролитическую коррозию между разнородными материалами.
В настоящее время в различных областях техники используют резинометаллические детали. Они обладают уникальными свойствами: высокой механической прочностью металлов и такими свойствами резины, как эластичность, вибро- и антикоррозийная стойкость.
Для соединения резины с металлом широко применяют склеивание. Наиболее перспективными адгезионно - активными полимерами, составляющими основу клеев для крепления резины к металлу при вулканизации, являются галогенсодержащие полимеры. Для склеивания субстратов при комнатной температуре используют полихлоропреновые клея, например, клей 88 М, клей 78-БЦС-П, клей 88 НП и др. Универсальность, достаточная прочность и сравнительно низкая стоимость полихлоропреновых клеев сделала их незаменимыми во многих отраслях народного хозяйства: обувной и резинотехнической промышленности, автомобиле - и машиностроении.
Выяснение роли отдельных ингредиентов клеевой композиции, их взаимодействия друг с другом, определение путей и возможностей управления процессами в клеевом шве позволят сформулировать требования к структуре и свойствам клея, обеспечивающим получение надежного, долговечного и работоспособного в различных условиях эксплуатации клеевого соединения. Поэтому исследования механизма влияния различных ингредиентов является актуальной задачей.
В настоящей работе исследованы адгезионные свойства клеевых композиций на основе полихлоропренового каучука «Наирит РНП» в условиях холодного отверждения. Состав клеевой композиции представлен в таблице 1. Клеевую композицию готовили в две стадии. На первой - получили резиновую смесь на основе каучука «Наирит РНП». Технология получения представлена в таблице 2. На второй стадии происходит растворение мелко нарезанной резиновой смеси и размолотой смолы 101-К (скорость вращения лопастной мешалки - 60 об/мин.). В качестве растворителя использован толуол. Смешение проводили до полного растворения резиновой смеси (6-7 ч при комнатной температуре). Готовую клеевую композицию переливали в стеклянный сосуд, и после выдержки (5-6 ч) подвергали испытаниям на адгезионные свойства.
Таблица 1 - Состав клеевой композиции на основе хлоропренового каучука «Наирит РНП»
Наименование ингредиентов Содержание ингредиентов, мас.ч.
Наирит РНП 100
Оксид магния 4
Оксид цинка 5
Диафен ФП 2
Толуол 444
Смола 101-К От 5 до 50
Таблица 2 - Технология получения резиновой смеси на основе каучука «Наирит РНП»
Время введения ингредиентов, мин. Ингредиенты
0 Наирит РНП
3 Диафен ФП
5 Оксид магния
7 Оксид цинка
9 Выгрузка смеси
В работе были получены клеевые композиции, содержащие 5, 10, 15, 25, 35 и 50 мас.ч. смолы 101-К. Была также исследована жизнеспособность этих клеевых композиций, т. е. определено время, в течение которого клей пригоден для нанесения на склеиваемые поверхности. Было установлено, что клеевые композиции с содержанием смолы 5 и 10 мас.ч. теряли жизнеспособность по истечении 2-3 дней, что сделало их непригодными для дальнейших исследований. Для оставшихся клеевых композиций были проведены испытания на определение прочности связи с металлом следующими методами:
1. Определение прочности связи с металлом при отрыве (ГОСТ 209-75);
2. Определение прочности связи с металлом при отслаивании (ГОСТ 411-77);
3. Определение прочности связи с металлом при сдвиге (ГОСТ 14759-69).
Адгезионные свойства изучались в течение 7 суток от начала склеивания. Изменение свойств клеевых композиций показано на рисунке 1 при испытаниях на отрыв. По данным рис. 1 можно видеть, что прочностные характеристики адгезии при отрыве увеличиваются во времени. В композиции, где содержится 35 мас.ч. смолы 101-К эти показатели увеличиваются наиболее явно. В условиях испытания на отрыв при холодном отверждении показатель прочности увеличивается в 2 раза при выдержки в течении 5 суток, а затем несколько снижается.
Р,
МПа
1,1
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
1 2 3 4 5 6 7
Т, сут.
Рис. 1 - Зависимость прочности при отрыве от времени выдержки системы резина-металл с применением клея на основе каучука «Наирит РНП» с различным содержанием смолы 101-К: 1 - 15 мас.ч.; 2 - 25 мас.ч; 3 - 30 мас.ч.; 4 - 50 мас.ч; 5 - 88-НП
Все эти изменения можно связать с тем, что происходит взаимодействие оксидов металлов не только с полимерной основой, но и с третбутилфенолформальдегидной смолой. При этом образуются внутрикомплексные соединения (хелаты), которые в свою очередь образуют пространственную сетку. Пространственная сетка препятствует течению клеевого шва под нагрузкой и увеличивает прочность при нормальных температурах, то есть армирует связь между полимерной основой и клеевым швом.
/
Н2С----------------------о Н2С
\
к----- --- О---- Мд----о ------ ---К
\
уСН2 ^о—СН2
В,кН/м
0 1 2 3 4 5 6 7
Т, сут.
Рис. 2 - Зависимость прочности при отслаивании от времени выдержки системы резина-металл с применением клея на основе каучука «Наирит РНП» с различным содержанием смолы 101-К.: 1 - 15 мас.ч.; 2 - 25 мас.ч.; 3 - 30 мас.ч.; 4 -50мас.ч.; 5 - 88-НП
Также были рассмотрены адгезионные свойства при отслаивании. Зависимость свойств прочности при отслаивании от времени выдержки представлено на рисунке 2. По характеру изменения кривых можно четко увидеть повышение прочности при отслаивании по мере увеличения содержания смолы. Наибольшие показатели можно наблюдать у клеевой композиции с содержанием смолы 35 мас.ч. При испытаниях на отслаивание было отмечено, что отслаивание, в большинстве случаев, происходит на границе резина-клей (клей после отслаивания оставался на металлической поверхности). Это говорит о том, что связь клея с металлом прочнее по сравнению с резиной. Механизм отвреждения хлоропренового каучука можно представить следующим образом:
Оксид магния используется в основном для связи выделяющегося хлора, а роль сшивающего агента выполняет оксид цинка. В то же время и оксид цинка может действовать в качестве акцептора хлора, а оксид магния может в незначительной степени участвовать в сшивании. В литературе высказывается предположение, согласно которому в процессе сшивания образуются эфирные мостики [2].
Такой же характер повышения адгезионной прочности можно наблюдать при испытаниях на сдвиг (рис. 3), где четко прослеживается увеличение показателей прочности с повышением содержания смолы 101-К.
С, МПа
0,22 п 0,21 -0,2 0,19 -0,18 -0,17 -0,16 -0,15 -0,14 -0,13 -0,12 -
0,11 -
0,1
0 1 2 3 4 5 6 7
Т, сут.
Рис. 3 - Зависимость прочности при сдвиге от времени выдержки системы резина-металл с применением клея на основе каучука «Наирит РНП» с различным содержанием смолы 101-К.: 1 - 15 мас.ч.; 2 - 25 мас.ч.; 3 - 35 мас.ч.; 4 - 50 мас.ч.; 5 - 88-НП
Для сравнения прочностных характеристик полученных клеевых композиций на основе полихлоропренового каучука «Наирит РНП» были проведены такие же испытания для клея 88-НП.
Таким образом, выше проведенные исследования показали, что:
1. Общий уровень показателей клеевых композиций на основе полихлоропренового каучука выше от 20 до 150%. по сравнению с показателями клея 88-НП
2. Адгезионная прочность клеевых композиций при различных условиях испытаний достигает оптимальных значений при содержании в них 35 мас.ч. смолы 101-К.
Литература
1. Петрова А.П. Клеящие материалы. Справочник/ Под ред. Каблова Е.Н., Резниченко С.В. М.: ЗАО «Редакция журнала «Каучук и резина»(К и Р), 2002. 196 с.
2. Кардашов Д.А. Синтетические клеи. М.: Химия, 1968. 592 с.
© С. В. Кузнецова - асп. каф. химии и технологии переработки эластомеров КГТУ; А. Д. Хусаинов - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; С. И. Вольфсон - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химии и технологии переработки эластомеров КГТУ
