CC BY
15УДК 668.395.6/7
Г.А. Стебловский1, А.Е. Верстаков2, О.О. Николаев3, В.П. Бритов4
Крупногабаритные аккумуляторные батареи применяются в различных отраслях хозяйственного оборота. Для получения необходимой емкости используют несколько источников тока, устанавливаемых в один блок с последовательным соединением. Корпуса обычных свинцовых аккумуляторов, как правило, выполняются из полипропилена, а соединение корпуса с крышкой батареи осуществляют методом контактной сварки.
Подобные системы обладают рядом недостатков: полипропилен имеет достаточно низкую морозостойкость, сравнительно высокую хрупкость, а соединения корпуса с крышкой не рассчитаны на высокие динамические нагрузки. В то же время техника, на которую устанавливаются подобные аккумуляторы, часто работает именно в условиях динамических нагрузок (вибрации и ударов). Создание аккумуляторов является одной из областей техники, где к используемым материалам и конструкции изделия предъявляются исключительно высокие требования, обусловленные условиями эксплуатации. К ним относятся:
1. Высокая агрессивность электролита - раствор серной кислоты с плотностью 1,05-1,32 г/см3.
2. Температура эксплуатации - от +5°С до +70 °С.
3. Обеспечение надежности узла герметизации по газу (до избыточного давления 0,1 МПа) и сернокислотному электролиту.
4. По ударостойкости узел герметизации должен соответствовать нормам для амортизированных изделий.
5. Герметик адгезионной системы должен обеспечивать когезионное разрушение соединения моноблоков и крышек в экстренных ситуациях.
6. При проведении процесса герметизации материалы не должны выделять токсичных соединений в атмосферу цеха.
7. Необходимо обеспечить ремонтопригодность соединения «бак-крышка».
8. Гарантированный срок эксплуатации - 12 лет.
Для решения данной задачи требуется как замена
материала корпуса, так создание адгезива для его соединения с крышкой.
В качестве материала корпуса может быть использован сополимер этилена с пропиленом (СЭП), обладающий лучшими показателями по морозостойкости и высокой стойкостью к ударным нагрузкам. В то же время СЭП об-
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСОВ КРУПНОГАБАРИТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26
Предложены новые материалы и технология изготовления корпусов крупногабаритных аккумуляторов, работающих в условиях динамических нагрузок. Показано, что корпус аккумулятора целесообразно изготавливать из сополимера этилена с пропиленом, а адгезионное соединение крышки и корпуса — из смесевого термоэластопласта на основе этиленпропилено-вого каучука и полипропилена с содержанием каучука 20 %.
Ключевые слова: аккумуляторы, полипропилен, термоэластопласты, сополимер этилена с полипропиленом.
ладает следующим недостатком: адгезия различных полимерных материалов к его поверхности крайне низкая. Кроме того, в процессе эксплуатации будут наблюдаться повышенные нагрузки элементов изделия, связанные с перепадами температуры, вибрацией и ударами. Поэтому наличие жесткого соединения между баком и крышкой может привести к разгерметизации изделия. Для исключения разрушения соединительного шва необходимо использовать эластичные материалы, обладающие необходимой прочностью сцепления с материалами бака и крышки. Данному требованию в принципе могут удовлетворять следующие материалы: резины и эластичные термоэластопласты (ТЭП). Однако добиться прочного соединения между СЭП и данными материалами крайне трудно.
Наличие общих мономеров между СЭП и компонентами полиолефинового термоэластопласта (ТРО) позволяет предположить, что существует возможность их технологического соединения. Линейное строение СЭП не позволяет произвести склейку этих материалов раствором ТРО, поэтому целесообразно соединить данные материалы, расплавив поверхностные слои СЭП и ТРО.
В качестве адгезива может быть использован смесе-вой ТЭП на основе этиленпропиленового каучука — СКЭП (СКЭТП) и полипропилена с содержанием каучука 20%. Такие ТЭПы обладают высокой химической стойкостью, хорошими прочностными характеристиками, высокой усталостной выносливостью.
Технология изготовления адгезионного соединения заключалась в следующем. Нанесение слоя ТЭПа на подложку из СЭПа выполнялось методом литья под давлением (давление впрыска Р~ 20 МПа). Поверхность пластин из СЭПа подвергалась предварительной механической обработке для увеличения активной площади поверхностного слоя. При установке в форму литьевой машины контактная поверхность нагревалась горячим воздухом до температуры расплавления поверхностного слоя СЭП, после чего производился впрыск. Время на выдержку под давлением и охлаждение не превышало 15 с. Полученная поверхность эластичного материала толщиной 1мм и площадью 20х20 мм никаким дальнейшим обработкам (протирка растворителем, абразивная обработка, нанесения других клеев или праймеров) не подвергалась. Для формирования клеевого соединения поверхность термо-
1 аспирант кафедры оборудования и робототехники переработки пластмасс СПбГТИ(ТУ), тел. (812)495-75-40, e-mail: [email protected]
2 ведущий инженер СКТБ «Технолог», тел. (812)700-22-05
3
кандидат технических наук, доцент кафедры оборудования и робототехники переработки пластмасс СПбГТИ(ТУ), e-mail: [email protected]
4доктор технических наук, профессор той же кафедры тел. (812)495-75-40 Дата поступления -
эластопласта на обеих заготовках прогревалась горячим воздухом из промышленного фена до состояния размягчения ТЭПа. Затем нагретые поверхности прижимались друг к другу с незначительным усилием. В сомкнутом состоянии образцы находились в течение 10-15 с. Дальнейшее охлаждение происходило при комнатной температуре без нагрузки. Полученная толщина клеевого слоя не превышала 1-1,5 мм при толщине подложки 4 мм. Таким образом, процесс получения данной адгезионной системы можно рассматривать как компаундную заливку (компаундирование).
Были проведены испытания адгезива на старение и длительную химическую стойкость в растворе электролита с последующим определением прочностных характеристик клеевого шва. Испытания проводили при различных температурах, что позволило сделать прогноз относительно гарантированного срока эксплуатации (таблица). Прогнозирование срока эксплуатации проводили по стандартной методике: рассчитывали время эксплуатации при температуре 90°С и средней температуре 30°С, после чего расчет вели по формуле:
Е
т,
т „' ехР
где
R(1lТ„ - 1/Т3)
Е - энергия активации процесса старения (принята
равной 10 ккал/моль); Ту, Тп - соответственно продолжительность и температура испытаний, сут, К; Тхр - заданная продолжительность хранения и эксплуатации, годы; Тэ -эквивалентная температура (30°С при эксплуатации 12лет, 17,5°С - в условиях хранения на складе - 1,5 года); к = 8,314 Дж/моль К.
Таблица. Результаты испытаний адгезионного соединения
Времени хранения и эксплуатации, равному 13,5 лет, соответствует 297 суток выдержки системы при температуре 90°С.
Анализ свойств системы после воздействия таких факторов как: суточные и сезонные перепады температуры, влажность, холод, соляной туман показали незначительное изменение прочностных характеристик соединения.
В ходе испытаний был обнаружен следующий эффект: адгезионная прочность образцов растет со временем, достигая 200-300% от первоначальной в течение 10 месяцев.
Разрушение происходит по корпусу изделия, т.е. можно говорить не об адгезионной, а о когезионной прочности конструкции. Подобное изменение прочности вызвано структурными изменениями клеевого соединения, которое во многом определяется условиями соединения элементов конструкции и может регулироваться в процессе их соединения.
При массовом изготовлении корпусов крупногабаритных аккумуляторов может был использован ручной сварочный экструдер. Материал-адгезив подается в сварочный аппарат в виде жгута диаметром 5 мм. Аппарат обеспечивает прогрев как присадочного компаунда, так и субстрата, что позволяет получить качественное герметичное соединение.
Литература
Веселовский Р.А. Регулирование адгезионной прочности полимеров. Киев: Наукова Думка. 1988. 176 с.
Рекомендовано к публикации кафедрой оборудования и робототехники переработки пластмасс
t, °С Время выдержи образцов, сутки
0 | 5 | 10 | 15 | 30 | 60 | 90 | 120 | 180 | 270
Воздух
Разрушающее напряжение при сдвиге, МПа
60 2,85 2,84 2,87 2,89 2,89 2,90 2,92 2,94 2,93 3,08
70 2,85 2,89 2,90 2,89 2,91 2,92 3,12 3,15 3,15 3,57
80 2,85 2,87 2,89 2,88 2,87 2,92 3,41 3,46 3,68 3,89
90 2,85 2,88 2,89 2,89 2,90 2,93 3,57 3,62 3,78 4,13
Электролит
Разрушающее напряжение при сдвиге, МПа
60 2,85 2,85 2,84 2,85 2,87 2,89 2,94 2,98 3,04 3,05
70 2,85 2,83 2,85 2,89 2,93 2,92 2,97 3,01 3,21 3,48
80 2,85 2,86 2,87 2,88 2,90 2,95 30,9 3,19 3,52 3,87
90 2,85 2,87 2,86 2,87 2,91 2,96 3,15 3,31 3,54 3,97
