CC BY
61
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
УДК 621.792
Особенности разработки формообразующих клеевых составов для технического сервиса автомобилей
Юрий Владимирович Башкирцев, к.т.н., технический директор ООО «НПО Адекват», e-mail: [email protected]
Ольга Станиславовна Никишина, преподаватель, e-mail: [email protected]
Ирина Леонидовна Кручер, преподаватель, e-mail: [email protected]
Сергей Владимирович Ушаков, аспирант, e-mail: [email protected]
ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Представлен способ восстановления работоспособности деталей оборудования при помощи формообразующих клеевых составов, который находит все более широкое применение при техническом сервисе автомобилей вследствие простоты технологии; проанализированы свойства формообразующих клеевых составов на основе изучения отечественного и зарубежного опыта их применения; приведена методика определения оптимальной концентрации компонентов клеевого состава с помощью математического моделирования; доказана экономическая эффективность использования полимерных композиционных материалов при техническом сервисе машин и оборудования.
The authors introduce a method for recovery of equipment components by forming adhesive compositions, which is increasingly used in technical autoservice because of the technological simplicity. The article analyzes the properties of the adhesive compositions based on the Russian and international experience. The authors describe a method for determining the optimal concentration of the adhesive components using mathematical modeling and prove the economic efficiency of the polymer composite materials in the technical service for machines and equipment.
Ключевые слова: формообразующие клеевые составы, технический сервис автомобиля, оптимизация концентрации компонентов, восстановление работоспособности оборудования.
Keywords: forming adhesive composition, technical autoservice, optimization of the components concentration, equipment recovery.
Анализ технологий с использованием клеевых составов показывает, что при их внедрении можно существенно сократить расходы на ремонт автомобилей, что особенно актуально в период кризиса. Простота технологий ремонта, основанных на использовании клеевых составов, позволяет расширить номенклатуру услуг, предоставляемых автосервисами, а также устранить многие неисправности автомобилей непосредственно их пользователями.
Свойства клеевых составов зависят от их структуры и химического состава. Полимерная основа клея определяет его рабочие температуры, основные прочностные и технологические характеристики. Современные клеи являются сложными системами, в состав которых помимо полимера входят разбавители, пластификаторы, наполнители, стабилизаторы, антипирены (добавки, сни-
жающие пожароопасность) и др. Применение этих компонентов позволяет регулировать такие параметры, как вязкость, липкость, коэффициент линейного термического расширения, стойкость клеев при длительном воздействии повышенных температур, влажности, а также снижать пожароопасность и др. [1].
Клеи, используемые при техническом сервисе автомобильной техники, классифицируют в зависимости от механизма отверждения: анаэробного отверждения; влажностного отверждения; клеи-расплавы; ультрафиолетового отверждения; клеи, отверждаемые активацией.
Клеи анаэробного отверждения
Слово «анаэробный» заимствовано из биологической терминологии, где оно применяется к микро-
организмам, существующим без доступа кислорода. Анаэробные материалы отверждаются только в закрытых полостях в отсутствие кислорода. Применяются для герметизации микротрещин и заполнения малых зазоров деталей, в подшипниках, резьбовых соединениях.
Клеи влажного отверждения
Клеи и герметики этого вида изготавливаются на основе силоксановых и фторсилоксановых каучу-ков. Они представляют собой термореактивные материалы, которые под воздействием влаги, вулканизующих агентов или инициаторов отверждения без усадки переходят из пластического состояния в резиноподобное. Используются для жидких прокладок в двигателе внутреннего сгорания и трансмиссии автомобилей.
Клеи-расплавы
Клеями-расплавами (плавкими клеями) называют термопластичные клеи, которые при нагревании переходят из твердого состояния в пластичное, а остывая, склеивают между собой различные материалы. Используются для мгновенного устранения нарушения герметичности трубопроводов.
Клеи ультрафиолетового отверждения
Основное отличие клеев ультрафиолетового (УФ) отверждения от любых других клеевых материалов заключается в том, что операция отверждения происходит только после облучения клеевого шва ультрафиолетовыми лучами. Применяются для приклеивания металла к стеклу, где требуется мгновенное отверждение, например приклеивания зеркала заднего вида на лобовое стекло автомобиля.
Клеевые составы, отверждаемые путем смешивания с отвердителем
Используются повсеместно где требуется прочное клеевое соединение. Особенность этих клеевых составов заключается в том, что они состоят из двух компонентов, при смешивании или соприкосновении которых начинается отверждение состава. Применение этих клеев позволяет значительно сократить время отверждения и упростить технологию, повысить качество и надежность склеиваемых изделий. Клеевые составы, отверждаемые при смешивании двух компонентов, можно разделить на акриловые и формообразующие.
Акриловые клеи представляют собой вязкие однородные жидкости, они могут длительное время оставаться в исходном состоянии и быстро от-
верждаться между склеиваемыми поверхностями с образованием прочного клеевого соединения. Акриловые клеи позволяют очень быстро (в течение нескольких секунд) производить склеивание, отверждение клея происходит при комнатной температуре после совмещения склеиваемых поверхностей. Клеевой шов имеет высокую стойкость к вибрации и ударным нагрузкам.
Срок хранения составляет 1 год при температуре от 5 до 30°С при исключении воздействия прямых солнечных лучей и попадания загрязнения во флакон. Опыт показывает, что при соблюдении правил хранения (особенно вредны прямые солнечные лучи) клей сохраняет достаточные прочностные характеристики даже после 5 лет хранения. Акриловые клеи применяются для склеивания металлов (в том числе замасленных), стекла, керамики, пластмасс [2].
Формообразующие клеевые составы вызывают особый интерес. Их особенность состоит в том, что они, отверждаясь, имеют способность не только приклеиваться к разным материалам, но и принимать необходимую форму. Основоположником данной технологий является Г.В. Мотовилин, который в книге «Восстановление автомобильных деталей олигомерными композициями» приводит рекомендации по использованию формообразующих клеевых составов для технического сервиса автомобилей. В связи с тем, что Мотовилин основывался на разработках и технологиях 80-х годов XX в., рекомендованные им материалы и составы технически устарели. На сегодняшний день разработаны и внедрены более совершенные составы, которые позволяют более эффективно применять современные технологии ремонта автомобильной техники.
Наибольшее распространение при выполнении ремонтных работ получили клеевые составы на основе эпоксидных смол.
Эпоксидные клеевые составы имеют следующие преимущества: повышенные жесткость, прочность, теплостойкость, стабильность размеров; пониженные газо- и паропроницаемость; регулируемые электрические и фрикционные свойства; пониженная стоимость. Однако достичь всех этих свойств в одной композиции нельзя. Необходимые свойства состава можно получить за счет подбора и варьирования компонентов.
Отсутствие общепринятой теории адгезии не позволяет иметь аналитического выражения, позволяющего определить оптимальную концентрацию компонентов в клеевом составе. Изучение та-
КЛЕЕВОЙ
СОСТАВ
ких сложных систем, которыми являются клеевой состав и клеевое соединение в целом, авторы предлагают проводить с помощью моделирования, где клеевое соединение представляет собой объект исследования в виде так называемого «черного ящика». Принципы построения «черного ящика», введенного У. Р. Эшби [3, 4], соответствуют априорному представлению экспериментатора об объекте исследования в условиях неполного знания внутренней структуры и механизма сложных явлений исследуемого процесса или системы, которыми являются клеевое соединение и сам клеевой состав. Такой принцип очень удобен для оптимизации концентраций компонентов в клеевом составе. Подобное моделирование позволяет экспериментировать на действующих физических и математических моделях, обладающих с некоторым приближением свойствами исследуемых систем и их процессов. С помощью моделирования можно воспроизводить изменение состояния системы и развитие процессов, практически не прибегая к натурным исследованиям, оптимизировать их характеристики и осуществлять прогноз. Основное назначение моделирования при разработке клеевого состава - выбор оптимального соотношения его компонентов.
С учетом вышесказанного авторами был разработан клеевой состав на основе эпоксидной смолы ЭД-20 для ремонта радиатора автомобиля. Теоретический анализ клеевых составов и их компонентов позволил определить связующее, вид от-вердителей и наполнителей, необходимых для получения клеевого состава для восстановления радиатора автомобиля.
Определение отклика системы на ее «выходе» может проявиться лишь тогда, когда подано возмущение на «вход». В рассматриваемом случае функциональная связь между входными параметрами, которыми являются концентрации компонентов клеевого состава, и выходным параметром
- величиной максимального напряжения при сжатии, выражена при помощи математических моделей (рис. 1).
В качестве параметра отклика, по которому судят о работоспособности состава, является максимальное напряжение сжатия а, МПа.
Результаты экспериментальных исследований позволили выбрать основной, верхний и нижний уровень варьирования для состава с наполнителем из меди. Для оптимизации клеевого состава использовали программу STATGRAPHICS Plus 5.1, которая позволяет значительно сократить число
-Y.
Хг
Jf)
Рис. 1. Схема математической модели оптимизации концентрации компонентов формообразующего клеевого состава: Х1 - связующее (ЭД-20); Х2 - отвердитель (ТЭТА); Х3 - наполнитель (медный порошок); у - параметр оптимизации (максимальное напряжение сжатия)
экспериментов. Особенность этой программы заключается в том, что она способна сдвигать план эксперимента в оптимальную область, что помогает определению оптимальной области концентрации и исключает проведение дополнительных серий экспериментов [5].
После ввода интервалов варьирования параметров состава программа предлагает матрицу по планированию эксперимента. В процессе эксперимента программа корректирует уровни и интервалы варьирования компонентов и идет по градиенту к оптимальной концентрации компонентов.
Уравнение регрессии для состава имеет следующий вид:
у = 76,6042X1 + 68,186Х2+76,186Хз -
- 17,6198ХХ2 + 1,58034ХХз +
+ 16,7438Х2Хз+269,787ХХ2Хз, где у - максимальное напряжения сжатия образца с наполнителем из медного порошка; Х1 - содержание связующего (эпоксидная смола ЭД-20), измеряется в долях; Х2 - содержание отвердителя (ТЭТА), измеряется в долях; Х3 - содержание наполнителя (медный порошок), измеряется в долях.
На рис. 2 представлен условный вид графика поверхности отклика, показывающий минимумы и максимумы, по которым можно приблизительно оценить относительные доли компонентов клеевого состава в следующих пределах: отвердителя -ТЭТА (от 0,1 до 0,2), связующее - ЭД-20 (от 0,25 до 0,35), наполнитель - медный порошок (от 0,55 до 0,65). При этих концентрациях достигается минимальное и максимальное разрушающее напряжение сжатия.
Наложенный график (рис. 3) в точке пересечения кривых показал оптимальную концентрацию компонентов и позволил выбрать наиболее оптимальное соотношение компонентов в клеевом составе: ЭД-20 - 0,283; ТЭТА - 0,133; медный порошок - 0,583.
На основе полученного состава авторами был разработан способ ремонта сердцевины радиатора, на что получен патент [6]. Этот способ заключается
Рис. 2. График изменения разрушающих напряжений при сжатии в зависимости от соотношения концентрации компонентов
85 Г
67 її ... і ... і ... і ... і ... і о 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Концентрация компонентов клеевого состава
Рис. 3. Наложенный график для оптимизации концентрации компонентов клеевого состава: кривая 1 - ЭД-20 (связующее); кривая 2 - ТЭТА (отвердитель); кривая 3 - медный порошок (наполнитель)
в следующем (рис. 4): на предполагаемое место течи накладывают резиновую прокладку 4, смазанную слоем масла, радиатор 1 укладывают на деревянную подставку 3 так, чтобы она плотно прижала к радиатору резиновую прокладку, сверху всю область предполагаемой негерметичности заполняют формообразующим клеевым составом 2.
1 2
Рис. 4. Технология герметизации сердцевины радиатора автомобиля с использованием формообразующего клеевого состава: 1 - сердцевина радиатора; 2 - клеевой состав; 3 - деревянная подставка; 4 - резиновая прокладка
Увеличить теплоотдачу отремонтированного радиатора можно за счет вставки трубок между трубками сердцевины и дополнительной поверхности, которая располагается за пределами сердцевины радиатора, а с отремонтированным участком соединяется теплопроводными стержнями.
Таким образом, показано, что применение клеевых композиционных материалов при техническом сервисе машин и оборудовании позволяет значительно повысить производительность труда и снизить себестоимость ремонта, так как нет необходимости в определении точного места образования дефекта и данная технология не требует больших энергозатрат из-за отсутствия трудоемких работ и специального оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Башкирцев В. И. Все о клеях и герметиках для автомобилиста. М.: Эксмо. 2008.
2. Гуц А. К. Комплексный анализ и кибернетика. М.: Издательство ЛКИ. 2007.
3. Дюк В. Обработка данных на ПК в примерах. СПб.: Питер. 1997.
4. Петрова А. П., Донской А. А., Чехлых А. Е., Щербина А. А. Клеящие материалы. Герметики: Справочник / Под ред.
A.П. Петрова. СПб.: НПО «Профессионал». 2008.
5. Патент 2262646 (РФ) на изобретение. Способ ремонта места течи радиатора охлаждения / В. И. Башкирцев, С. Н. Гладких, В. Ю. Бойков, Ю. В. Башкирцев (РФ). Заявка № 2003123032; заявл. 24.07.03; опубл. 20.10.05. Бюл. № 29.
6. Эшби У. Введение в кибернетику : пер. с англ. / Под. ред
B. А. Успенского. Изд. 3-е. М.: КомКнига. 2006.
Поступила 28.04.2010г.
