CC BY
7vnezapnoy razgermetizatsii otsekov letatelnogo apparata// Otkryityie informatsionnyie i kompyuternyie tehnologii. -Harkov: Nats. aerokosm. un-t «HAI». - 2014. - Vyip. 63. - S. 134 - 151.
11. Donik V.D. Issledovanie parametrov vozduha v otseke pri peremennom znachenii uravneniya politropyi //Materialyi chetyirnadtsatoy mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii imeni akademika M.Kravchuka 19-21 maya 2012 goda. - K. -
2012. - S. 169.
12. Donik V.D., Zaporozhets O.I. AeroakustichnI protsesi v razI rozgermetizatsIYi posudini z nadlishkovim tiskom gazu// VIsn. NAU. - K. - 2006. - #1(27). - S. 70 - 75.
13. Ivlentiev V.S. Razgermetizatsiya kabin letatelnyih apparatov: Avtoref. dis. d-ra tehn. nauk: 05.0702. - M.: MAI, 1983. - 32 s.
ФОРМУВАННЯ КЛЕЙОВОГО З'бДНАННЯ ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ БАГАТОШАРОВИХ КОНСТРУКЦ1Й СУДЕН
Казимиренко Юлiя Олексивна
кандидат техшчних наук, доцент кафедри uamepianoeHaecmea i технологиuemanie Нацюнального ушверситету кораблебудування iuem aдмiрaлa Макарова
THE ADHESIVE BOND FORMATION FOR VESSELS MULTILAYER CONSTRUCTIONS MANUFACTURING
Kazymyrenko Y.O., Associate Professor Department of Materials Science and Technology of Metals Dept Admiral Makarov National University of Shipbuilding
АНОТАЦ1Я
До^джено структуру, фiзико-мехaнiчнi, рентгенозахисш властивостi, горючкть клейовог композици на основi епоксидно-дiaновог смоли ЕД-20, наповненог порожшми скляними мкросферами. Показано перспективи застосування для виготовлення конструкцш бiологiчного захисту суден та плавучих споруд, призначених для перевезення та зберi-гання рaдiaоктивних речовин. Проведено випробування на термостшккть в умовах виникнення пожежонебезпечних ситуацш.
ABSTRACT
The structure, physical, mechanical and X-ray protective properties, the flammability of the adhesive composition on the basis of epoxy resin ED-20 filled with hollow glass microspheres have been investigated. The prospects of the use of the adhesive composition for manufacturing constructions of biological protection of vessels and floating facilities for the transportation and storage of radioactive substances have been shown. The tests on heat resistance in the conditions of occurrence of fire situations have been carried out.
Ключовi слова: клейова композищя, судновi конструкцш, aдгезiя, з'еднання, горючкть
Key words: adhesive composition, vessel constructions, adhesion, flammability.
Постановка проблеми. Виготовлення шаруватих ком-позитних суднових конструкцш пов'язано з утворенням мщного з'еднання рiзних за складом та властивостями шарiв. Забезпечення герметичноста стику е важливою тех-нолопчною задачею, вщ яко! залежить надшшсть подаль-шо! експлуатацп.
Аналiз останшх дослщжень та публжацш. Для виготовлення шаруватих конструкцш у суднобудуванш засто-совують зварювальш технологи, мехашчш кршлення та адгезшш клежш з'еднання [1]. Надшшсть конструкцш визначаеться мщшстю зчеплення, незначною рiзницею в значеннях термiчних коефщентав лшшного розширення (ТКЛР), ремонтною i експлуатацшною технолопчшстю. Застосування мехашчних кршлень порушуе цШсшсть ма-терiалiв конструкцш, знижуючи стутнь !х герметичность При з'еднанш металiв та неметалiв за допомогою зварю-вання через рiзницю ТКЛР в конструкщях виникають залишковi температурнi напруження, застосування тех-нологiй пайки обмежуеться масштабним фактором конструкцш. Необхвдну герметичшсть, корозiйну та хiмiчну стшюсть забезпечують адгезiйнi клейовi з'еднання, яю, не зважаючи на порiвняно з шшими методами меншу ме-хашчну мiцнiсть, характеризуються певною технологiчнi-стю та невеликою вартастю внаслiдок ввдсутноста енерго-
витрат.
На спецiалiзованих суднах, призначених для перевезення радюактивних речовин, для захисту обладнання та персоналу застосовують модульш конструкцil бiологiчно-го захисту [2], яю складаються iз шарiв бетону та сталi. Для тдвищення комплексного захисту вiд ди iонiзуючих ви-промiнювань, корозiйних процесiв, пiдвищених температур в робота [3] пропонуеться облицьовувати сталеву по-верхню алюмоматричними композитними плитками. Для формування таких багатошарових конструкцш доцшьно застосовувати клейовi композицil, до яких пред'являють-ся вимоги радiацiйноl стшкосл та гiгроскопiчностi.
Видiлення невирiшених питань проблеми. Створен-ню нероз'емного клейового з'еднання присвячено робо-ти [4-6], в яких визначаються переваги епоксидних кле!в, яю здатш працювати в умовах випромшювання до 100 кГр. Через низьку температуру склування, тривал^ть твердшня, деструкцiйнi процеси, !х застосування в умовах суднобущвного виробництва обмежено. Крам того, впровадження полiмерних матерiалiв у судно будування повинно ввдповвдати вимогам пожежно! безпеки [7]. Наведет в робота [8] результата показують перспективу ви-користання епоксидно^анових смол, а саме ЕД-20, для виготовлення компаундiв, яю застосовуються в процесах
тривалого зберпання радюактивних вiдходiв. Додавання вузькоспецiальних властивостей полiмерним компози-цiям можливо шляхом введення до складу наповнювачiв, зокрема порожшх скляних мiкросфер (ПСМ) [9]. В роботах [10, 11] використання епоксидних композицш на основi ЕД-20 i ПСМ розглядаеться для одержання блоюв плавучостi пiдводних техшчних засобiв. Але доцiльнiсть застосування аналопчних композицiй для формування конструкцiй бюлопчного захисту суден ще не визначена та потребуе проведення подальших дослвджень.
Мета та задачi роботи
Мета роботи - розвиток технологи формування шару-ватих конструкцш за допомогою клейового з'еднання та аналiз можливостей експлуатацп в умовах пожежонебез-печно! ситуацп на суднi. Вiдповiдно до поставлено! мети визначено наступш задача
- вибiр складу та способу виготовлення клейово! ком-позицii;
- дослвдження структури та визначення фiзико-ме-ханiчних та експлуатацiйних властивостей, зокрема мь цностi зчеплення, горючостi, деструкцшних процесiв в умовах термоциклiчних навантажень;
- розробка практичних рекомендацш щодо формування нероз'емного з'еднання Ст3 - алюмоматричний компо-зицiйний матерiал (КМ).
Виклад основного матерiалу.
Матерiали, виготовлення експериментальних зразкiв, методики дослвдження. Для формування клейово! композицп обрано епоксидно-дiанову смолу марки ЕД-20 (ГОСТ 2093-92) з температурою склування (50±1 оС) та динамiч-ною в'язкiстю при температурi 25 оС п = 12...25 Па^с. В якосл затверджувача (10 % об'емн.) обрано амшометш-фенол УП-583Д (ТУ 6-05-241-331-82). З метою зниження щшьноста та теплопроввдносп до складу введено 40...60 % (об'емн.) ПСМ марки МС-А9 (ТУ 6-48-108-94), об'емний вм^т яких обрано виходячи з рекомендацш [12], яю забез-печують ефективне використання композицш в умовах вiбрацiй. Зразки клейово! композицii виготовлено шляхом послвдовного змiшування протягом 20-30 хв епоксид-но! смоли ЕД-20 у об'емнш кiлькостi 40.60 %, отверджу-вача УП-583Д (10 % об'емн.) та ПСМ (40.60 % об'емн.). Змшування компонента вiдбувалося у змiшувачi за допомогою лопат, дозування наповнювача здшснювалося об'емним способом. За допомогою отримано! клейово! композицп з'еднано два рiзнорiдних матерiали: пластинку Ст3 розмiром 140 х 100 х3,5 мм i плитку алюмоматричного матерiалу товщиною 10 мм, отриманого методом гарячого пресування порошку алюмшш з ПСМ.
Властивоста клейово! композицп дослвджено на зраз-ках, сформованих без пвдкладки. Щiльнiсть зразкiв визначено гвдростатичним зважуванням за ГОСТ 25281-82, коефщент теплопровiдностi - за допомогою вимiрювача теплопровiдностi ИТ-Л-400. Мжроструктурш дослвджен-
ня виконанi з використанням методiв оптично! мжроско-пп за допомогою мжроскопу БИОЛАМ-И. Радiацiйно за-хиснi властивостi визначали за результатами дослвджень на рентгешвському джерелi випромшювання за методикою, викладеною в робота [13], в якоста критерпв обрано: масовий коефiцiент послаблення рентгешвських випромь нювань (РВ) цмас, який дорiвнюе вiдношенню лiнiйного коефiцiенту послаблення ц до щiльностi покриття р та свинцевий еквiвалент 6РЬ - товщина шару матерiалу, яка забезпечуе такий самий захист, як i пластинка свинцю товщиною 1 см. Щоб виключити вплив товщини, в робота застосовано значення питомого свинцевого е^валенту , який е ввдношенням 5РЬ до товщини зразку. Мщшсть зчеплення визначено експериментально за ГОСТ 14760-69* на зразках Ст3 - клейова композищя i алюмоматричний КМ - клейова композищя, для випробувань застосовано розривну машину ИР 5057-50, швидюсть навантаження склала 2,5 мм/хв. Термостшюсть клейових з'еднань дослвджено експериментально у режимi на^вання - охо-лодження. На^вання ввдбувалося до температури 300 оС у лабораторнш електропечi марки СНОЛ-1.6.2.08/9-М1, охолодження - при температурi 10 оС у ваннi мiсткiстю 10 л. Шсля кожно! теплозмiни зразки висушували у сушиль-нiй шафi при температурi (20±5) оС протягом 10 хв. Експе-риментальнi дослiдження горючоста клейово! композицп проводили за ГОСТ 121.044-89: сталевi зразки з нанесеною клейовою композищею товщиною 5 мм пвддавали ди ввд-критого полум'я з обох сторш, швидкiсть розповсюджен-ня якого реестровано за допомогою секундомiра, пошкод-жуванiсть зразкiв визначали вiзуально та за результатами зважування на аналiтичних терезах 0К.200.
Результати дослвджень. Структура сформовано! клей-ово! композицп складаеться з безпористо! жшмерно! ма-трицi, в якiй рiвномiрно розташованi порожнi склянi мь кросфери iз середнiм розмiром 40 мкм (рис. 1). Результати дослвджень властивостей наведено в табл. 1.
Рис. 1. Мжроструктура (х 350) клейово! композицп ЕД-20 - ПСМ (50 % об'емн.)
Таблиця 1
Властивосл клейово! композицп ЕД-20 - ПСМ
Властивосл Об'емне наповнення мiкросферами композицп ЕД-20 - ПСМ
40.60%
Щiльнiсть, кг/м3 700.600
Коефщент теплопровiдностi X, Вт/(м^К) 0,70.0,55
Масовий коефщент послаблення РВ, см2/г 0,6.7,0
Питомий свинцевий е^валент 0,12.0,15
Мiцнiсть зчеплення а. , МПа: Ст3 алюмоматричнi плитки 9,5.8,0 13,0.11,0
Проведет дослвдження довели, що фiзико-механiч-Hi та рентгенозахиснi властивосл сформовано! клейово! композицп аналогiчнi сферопластикам - композицшним матерiалам з полiмерною матрицею, наповнених ПСМ [1013]. Порiвняння рентгенозахисних властивостей з шши-ми матерiалами [13] дозволяе використовувати клейову композищю ЕД-20 - ПСМ в умовах юшзуючих випромь нювань. Мiцнiсть зчеплення з алюмоматричними зразка-ми приблизно на 30 % перевищуе аввдр зi Ст3, що пояс-нюеться бiльш шорсткою поверхнею гарячепресованого
матерiалу.
Експериментально дослiджено вплив пвдвищених температур та вiдкритого полум'я (рис. 2), яю довели, що застосування клейового з'еднання в умовах пвдвищених температур обмежено через процеси деструкцп, як по-чинаються тсля другого термоциклу на^вання/охолод-ження при температурах 300/10 оС та ввдбуваються без димовидiлення та самозаймання. Експериментально вста-новлено, що пiсля 11 термоци^в руйнування зразкiв не ввдбуваеться.
1
А
б
Рис. 2. Зразки пвд час випробувань: а - ди вiдкритого полум'я; б - на термостiйкiсть (до та тсля 11 термоци^в): 1 клейова композищя ЕД-20 - ПСМ; 2 - клейове з'еднання
Визначено, що процес горшня починаеться вже на 26-ш секундi та тривае ще 100 с, кiлькiсть коксового залишку складае 80 %. Встановлено, що процес горшня не залежить ввд об'емного вм^ту ПСМ у складi композицп, а визна-чаеться термохiмiчними перетвореннями у полiмернiй матрицi. Отримаш результати пiдтверджуються досвiдом, який викладено в роботах [14, 15]. Ввдповвдно до загаль-ноприйнято! класифiкацii [16] клейову композищю ЕД-20 - ПСМ можна ввднести до важкогорючих помiрно-небез-
печних матерiалiв.
Обговорення результатiв дослвдження формуван-ня клейового з'еднання та практичш рекомендацй' щодо створення багатошарових конструкцiй. Результати дослвд-жень використано для розробки технолопчних рекомен-дацш щодо виготовлення шаруватих конструкцiй модульного типу; технолопчну схему формування нероз'емного з'еднання Ст3 - алюмоматричний КМ наведено на рис. 3.
а
Рис. 3. Технолопчна схема формування нероз'емного з'еднання при виготовленш шаруватих конструкцш модульного типу
На ввдмшу вщ мехашчних кршлень застосування клей-ово! композици не порушуе цШсноста алюмоматричних плиток та не знижуе герметичноста з'еднань. У порiвнянi з шшими аналогами на основi ЭД20 - ПСМ обраний споаб та пщбрана концентрацiя компонентав дозволяе варшва-ти в'язкiстю в дiапазонi 16,0...8,5 Па< i формувати ком-позицiю холодного твердiння, що е дуже важливим для технологш суднобудування.
Експериментальнi дослiдження термостiйкостi визна-чають здiбнiсть майбутньо! конструкцп витримувати ко-роткочаснi температурнi навантаження при виникненш пожежонебезпечних ситуацiй на судш. Умови постановки експерименту задають штенсившсть теплових на-вантажень, але не враховують розмiрiв та форм зразюв. Виходячи з того, що в реальних умовах експлуатацп при виникненш аваршних ситуацш конструкцil бюлопчного захисту не пiддаються багаторазовому температурному навантаженню, проведет дослвдження надають уявлення
про максимальний ресурс клейово1 композици в умовах короткочасних теплозмш.
Отримаш результати впливу вiдкритого полум'я ма-ють практичне значення для прогнозування руйнування конструкцiй в умовах пожежi та можуть бути застосован1 для порiвняльноl оцiнки полiмерних матерiалiв.
Висновки та пропозицп
1. Для формування клейово1 композицil холодного твердiння обрано епоксидно^анову смолу марки ЕД-20 (40...60 % об'емн.), затверджувач УП-583Д (10 % об'емн.), в якостi наповнювача - порожш склянi мiкросфери марки МС-А9 (40.60 % об'емн.); композицш отримано змшу-ванням компонентiв з холодним твердшням при кiмнат-нш температурi протягом 24 годин.
2. Структура сформовано1 клейово1 композицil пред-ставляе собою полiмерну матрицю з рiвномiрно розташо-ваними порожнiми скляними мжросферами з середнiм розмiром 40 мкм.
3. Сформована клейова композищя з об'емним вмятом ПСМ 40.60 % мае щшьшсть 500.600 кг/м3, коефщент теплопровiдностi 0,65.0,55 Вт/(м-К), мiцнiсть зчеплення з Ст3 складае 9,8.8,0 МПа, з алюмоматричними плитками 13,0.11,0 МПа, вiдноситься до важкогорючих помiр-но-небезпечних матерiалiв.
4. Термоциклiчнi навантаження клейового з'еднання Ст3 - алюмоматричний КМ при теплоперепадах 300/10 оС супроводжуються деструкцiею полiмеру без димовидшен-ня та займання, що тдтверджуе можливiсть експлуатацп в умовах створення пожежонебезпечних ситуацш на суднi.
5. Розроблено технолопчну схему формування не-роз'емного з'еднання Ст3 - алюмоматричний КМ, яка дозволяе застосовувати клейову композицш холодного твердiння i виготовляти шаруват модульнi конструкцп в умовах суднобущвного виробництва.
Список лiтератури
1. 1нновацшш технологи проектування та побудови суден i засобiв океанотехшки / С. С. Рижков, В. С. Блшцов,
B. Ф. Квасницький, К. В. Кошкш та iншi / пiд редакцiею С.
C. Рижкова. - Миколаш : Видавництво НУК, 2009. - 356 с.
2. Барышников, М. В. Перевозка ОЯТ морским транспортом / М. В. Барышников, А. В. Худяков, В. М. Овсянников, В. И. Шлячков // Безопасность окружающей среды.
- 2010. - № 1. - С. 98 - 105.
3. Казимиренко, Ю. О. Перспективи застосування ме-талоскляних покриттав з тдвищеними рентгенозахисни-ми властивостями для конструкцш техшчних засобiв пе-ревезення радюактивних речовин / Ю. О. Казимиренко // Збiрник наукових праць В^ник Львiвського державного ушверситету безпеки життедiяльностi, 2013, № 8. - С. 134
- 140.
4. Андрианов, А. Ю. Соединение разнородных компонентов конструкционного материала контейнера для радиоактивных отходов / А. Ю. Андрианов, А. В. Кулик, Д. А. Орлянский // В^ник Донецького нацюнального ушверситету. Сер. А: Природничi науки. - 2010, вип. 2 - С. 262
- 268.
5. Радиационная стойкость некоторых полимеров и эпоксидных клеев / С. Н. Гладких, В. В. Голиков, Г. Д. Кеке-лидзе, С. В. Мишин, В. Д. Пешехонов. - Дубна : Изд. отдел Объед инт-та ядерн. исслед, 2001. - 6 с.
6. Влияние мелкодисперсных наполнителей на износ эпоксидных и эпоксидно-каучуковых полимеров / В. В.
Золотарева, Т. И. Григоренко, Ю. С. Кочергин, Е. Э. Самойлова // В^ник нащонально!' академп бущвництва i архггек-тури, 2013-1 (99). - С. 108 - 114.
7. Основы совершенствования пожарной безопасности в судостроении: Монография / А. С. Рашковский, С.А. Рашковский, Н.П. Романчук, Н.И. Поступальский, В.Ф. Слепченко. - Николаев: НУК, 2007. - 321 с.
8. Лобанов, Н. С. Эпоксидные компаундные консерванты для радиоактивных отходов / Н. С. Лобанов, О. К. Чу-гунов, О. А. Зиновьев // Наукоемкие технологии, 2005. - № 5. - С. 60 -68.
9. Li, G. and John, M. (2008). A crumb rubber modified syntactic foam. Materials Science and Engineering: A, 474(1-2), pp.390-399.
10. Бурдун, Е. Т. Оценка влияния повреждаемости сфе-ропластика на изменение его теплопроводности / Е. Т. Бурдун, Т. А. Юреско // Зб. Наук. праць НУК. - Микола'в : НУК, 2007. - № 6 (417). - С. 102 - 109.
11. Юреско, Т. А. Сферопластики с дополнительной пористостью как теплоизоляционные материалы / Т. А. Юреско, Е. Т. Бурдун // Международный научно-технический сборник. - Днепропетровск : ДГАУ, 2007. - Т.1. - № 1. - С. 35 - 38.
12. Черкасов, В. Д. Пути повышения демпфирующих свойств вибропоглощающих покрытий на основе не-отверждаемых герметиков / В. Д. Черкасов, Ю. В. Юркин // Актуальные вопросы строительства: Материалы Международной научно-технической конф. - Саранск, 2005. -Вып. 9. - С. 430 - 433.
13. Исследование ослабления ионизирующего излучения композиционными материалами / Ю. А. Казимиренко, А. А. Карпеченко, С. И. Шкурат, А. А. Жданов // Зб. наук. праць НУК: Микола!в : НУК, 2009. - Вип. № 2 (425). - С. 105 - 109.
14. Тригуб, С. Н. Оценка показателей пожарной опасности полимерных композиционных материалов в судостроении / С. Н. Тригуб // Науковий в^ник Херсонсько!' державно!' морсько!' академп, 2012, № 1 (6). - С. 322 - 331.
15. Афанасенко, К. А. Влияние полимерных связующих, склонных к интенсивному коксообразованию, на показатели горючести композиционных материалов / К. А. Афа-насенко, А. П. Михайлюк // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков: НУГЗУ - 2012. - Вып. 32. - С. 7 -12.
16. Киссам, Б. Пожарная безопасность на судах: Пер. с англ. / Б. Киссам. - Л. Судостроение, 1985. - 407 с.
