CC BY
68
УДК 678:53
A.C. Кононенко, кандидат технических наук, доцент Ф1 ЬОУ В1Ю «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Гбрячкина»
ТЕПЛОСТОЙКОСТЬ АНАЭРОБНЫХ И СИЛИКОНОВЫХ ГЕРМЕТИКОЙ
Сделан обзор уплотнителей для фланцевых соединений. Представлены результаты исследовании влиянии 1емнерагуры на герметизирующую способность, коэффициент восстанавливаемости, модуль упругости герметиков и нанокомпозиций на их основе.
Ключевые слова: теплостойкость, герметики, герметичность, фланцевые соединения, коэффициент восстанавливаемости, модуль упругости.
Фланцевые соединения применяются практически во всех отраслях промышленности для разделения сред с различными физическими параметрами в узлах и соединениях тракторов, автомобилей, подземных коммуникаций и т.д., работающих в условиях переменных величин давления и температуры, в агрессивных средах (нефтепродукты, кислоты, щелочи, окислители и т.д.). Негерметичность узлов сельскохозяйственной техники приводит к нарушению условий смазки сопряженных трущихся поверхностей, проникновению внутрь агрегатов абразивных частиц, что увеличивает интенсивность изнашивания и снижает ресурс машины в целом [I ].
В качестве уплотнителей для фланцевых соединений до недавнего времени использовались
The review of sealants connections is made. Results of researches of influence of temperature on pressurizing ability, restorability factor, the module of elasticity of hermctics on their basis are presented.
Keywords: temperature constancy, hermetics. tightness, restorability factor, the elasticity module.
прокладки из традиционных материалов (латунь, алюминий, никель, свинец, медь, асбест, паро-нит, картон, кожа, пробка, фибра, резина, фторопласт и др). Они не всегда обеспечивают требуемую герметичность фланцевых соединений по причине невысокого качества соединяемых поверхностей, недостаточной затяжки резьбовых соединений и т.д.
Прокладки из герметиков лишены этих недостатков, они полностью заполняют неровности герметизируемых поверхностей фланцев, не требуют высоких контактных давлений. Герметики в настоящее время используют практически во всех отраслях промышленности: машино- и автомобилестроении, сельском хозяйстве, строительстве и т.д.
Вестник Ы 'СХА № 1 (2Ü12)
Инженерно-технологическое обеспечение АПК'
Их целесообразно применять для герметизации соединений, которые в соответствии с правилами и нормами не предусмотрено разбирать во время эксплуатации.
Герметики по механизму отверждения, физическим и технологическим свойствам подразделяют на высыхающие, невысыхающие, вулканизирующиеся и полимеризующиеся [2J. Наибольшее применение для уплотнения фланцевых соединений получили вулканизирующиеся и полимеризующиеся герметики. Вулканизирующие герметики по типу каучука подразделяются на тиоколовые (полисульфидные), силоксановые, фторкаучуковые, фторсилоксановые, силиконовые и др. В качестве полимеризующихся герме-тиков для уплотнения фланцевых соединений используют в основном анаэробные герметики, которые представляют собой составы на основе смол акрилового и метакрилового ряда, способные длительное время находится в вязкотекучем состоянии в присутствии кислорода воздуха, и быстро отверждаться в узких зазорах при нарушении контакта с ним.
В машиностроении наибольшее распространение получили силиконовые и анаэробные герметики. На российском рынке широко представлены отечественные силиконовые герметики Ав-тогерметик-прокладка (далее - Автогерметик) и Автогермесил. В качестве их аналогов, используемых большинством автопроизводителей, являются Loctite-598 и Loctite-5920. Силиконовые герметики стойки к антифризу, тосолу, синтетическим и минеральным маслам, и работоспособны при температурах от -50 до '350°С. Анаэробные герметики отечественного производства представлены составом Анатсрм-501, зарубежные - Loetite-518. Они используются для герметизации соединении, работающих в контакте с бензином и дизельным топливом при температурах от -55 до+150 °С.
В зависимости от температуры эксплуатации герметики могут находиться в различных физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Нижняя температурная граница использования герметиков, рекомендованная заводами-изготовителями, составляет -50...-55 °С. и в условиях эксплуатации сельскохозяйственной техники является практически недосягаемой. Фланцевые соединения сельскохозяйственной техники, как правило, работают при повышенных температурах, поэтому определенный интерес представляло исследование свойств уплотнителей при температурах, приближенных к реальным.
Теплостойкость полимерных материалов принято определять по методу Мартенса или Вика. Однако данные методы пригодны лишь для
исследования теплостойкости ооразцов с размерами 120x15x10 мм или толщиной не менее 3 мм Поэтому для определения теплостойкости тонких полимерных покрытий эти методы непригодны. В связи с этим теплостойкость пленок и герметиков определяли по изменению «условного модуля упругости» при нагревании [3]. который в дальнейшем будем называть «модулем упругости».
Расчет модуля упругости проводили по форм} ле Герца, исходя из глубины погружения шарик индентора:
Е = 0.795—(1
А
m
где
Р - нагрузка на шарик, Н;
Л - глубина погружения шарика в полг мерное покрытие, м;
d-диаметр шарика индентора, м.
При нагревании полимерного покрытия вь ше температуры его теплостойкости модуль >i ругости резко снижается. Определение тепле стойкости по изменению модуля упругости бс лее показательно, чем по изменению каких-лис других свойств полимера при нагреве.
В качестве образцов служили цилиндрические стальные диски диаметром 30 и высотой мм с покрытиями из вышеназванных материал*: толщиной 200 мкм. Покрытия из силиконовь герметиков выдерживали на воздухе при tcmiu рагуре 20 °С от 1 до 24 часов. Анаэробные герметики полимеризовали в аналогичных условия между двумя стальными дисками. Давление ! МПа па шарик индентора диаметром 10 мм мс дернизировапного твердомера типа ТП создавгг с помощью грузов [4|. Время нагружения (60 . измеряли секундомером, толщину покрытия oi ределяли с помощью индикаторной головк МИГ-1М с ценой деления 0,001 мм. Нагрузку к шарик определяли по формуле:
F - 0,5 d2 Ç
Исследования теплостойкости прокладок герметиков показали, что при температуре 20 модуль упругости анаэробных уплотнителей с ставляет 296...308 МПа, а силиконовых 233...278 МПа. Увеличение температуры нагрев приводит к снижению модуля упругости repv гиков. Так, модуль упругости составов Анатер-501 и Loctite-518 снижается практически до н> при температуре 200°С, Автогерметика и Locti: 598 - при 250 °С, Автогермесила - при 300 Значение модуля упругости состава Loctite-591 при 300 °С составляет 109 МПа.
Вестник Ы СХЛ № 1 (2012)
Инженерно-технологическое обеспечение АПК
Таким образом, наименьшей теплостойкостью обладают анаэробные герметики Анатерм-501 и Ьосте-518. наибольшей - силиконовые герметики Автогермесил и ЬосМе-5920.
Способность покрытия восстанавливать исходные размеры после снятия нагрузки оценивали коэффициентом восстанавливаемости [5]. Исследования проводились на образцах в виде цилиндрических стальных дисков диаметром 30 и высотой 5 мм с покрытиями из герметиков толщиной 100 мкм.
Коэффициент восстанавливаемости герметиков исследовали на модернизированном твердомере типа ТП по методике, аналогичной исследованию модуля упругости, оиисанной выше. Диаметр цилиндрического индентора составлял 10 мм.
Коэффициент восстанавливаемости определяли по формуле:
квос=^-т,% (з)
К- К
где И„ и Л/ - толщина покрытия до и
после нагружения, мкм;
И2 - толщина покрытия после снятия нагрузки, мкм.
Исследования показали, что с увеличением температуры коэффициент восстанавливаемости снижается (рисунок 1). I ак при температуре 20 "С у всех исследуемых герметиков он составляет 73...87 %. Практически нулевых значений он достигает у анаэробных герметиков Анатерм-501 и ЬосШс-518 при температуре 200 "С. у силиконовых герметиков Автогерметик и Ьосме-598 -при 230 °С, Автогермесила - при 300 "С, и ЬосМе-5920 - более 300 °С.
Рисунок 1 - Влияние температуры нагрева (Т, °С) на коэффициент восстанавливоемости герметиков (КВос, %)'•
1 - Анатерм-501; 2 - Ьос1ке-518; 3 - Автогерметик; 4 - Автогермесил; 5 - ЬосШе-598; 6 - Ьос1йе-5920
Герметичность является основным фактором, характеризующим эффективность уплотнителей. Ее исследовали на установке с манометром гру-зопоршневого типа МП-600 [4], включающего гидропресс, измерительную колонку и экспериментальный образец. Максимальное давление, создаваемое на установке, составляло 60 МПа. В качестве образцов использовали фланцевые соединения с шириной фланца 10 мм. внутренним диаметром 70 и наружным 90 мм. На поверхность одного из фланцев наносили слой анаэробных или силиконовых герметиков.
Исследованиями установлено, что с увеличением температуры герметичность соединений возрастает на 11... 14 % в зависимости от вида герметика, достигает максимальной величины, а затем снижается (рис. 2). Так, область оптимальной герметичности составов Анатерм-501 и Ьос-1ке-518 составляет 20... 160 °С, Автогерметика -20...210°С, Автогермесила-20...240°С, Ьо<Лке-598 - 20...200 °С и Ьос1Не-5920 - 20...300°С. Дальнейшее увеличение температуры может привести к потере герметичности соединения.
Рисунок 2 - Влияние температуры нагрева (Т, °С) фланцевых соединений с уплотнителями из герметиков на их герметичность (Р, МПа):
1 - Анатерм-501:2- ЬосШе-518: 3 - Автогерметик; 4 - Автогермесил; 5 - Ьос1ие-598: 6 - ЬосШе-5920
Сравнительный анализ результатов исследования герметизирующей способности, модуля упругости и коэффициента восстанавливаемости показал, что оптимальные свойства герметиков сохраняются при уменьшении значений модуля упругости до 50 МПа и коэффициента восстанавливаемости до 10 %.
Таким образом, при многих достоинствах герметиков по сравнению с традиционными материалами, их основным недостатком является ухудшение герметичности в результате протекающих в них физико-химических процессов под влиянием высоких температур и других факторов. Поэтому по сей день остается актуальной проблема повышения надежности фланцевых соединений.
Вестник БГС'ХД № I (2012)
В настоящее Бремя для улучшения физико-мсхаиических свойств полимерных материалов активно используются в качестве наполнителей наноматериалы, свойства которых выгодно отличаются от свойств традиционных наполнителей благодаря малым размерам и высокой поверхностной -энергии. При введении наночастиц в полимерную матрицу можно получить совершенно новые нанокомпозиционные материалы с высокой долговечностью и свойствами, значительно превосходящими свойства исходных составов [6]. С целью изучения свойств композитных наноматериалов на основе исследуемых герметиков, их смешивали с наноструктурным гидроксидом алюминия АЮОН (далее - бемит), концентратом колоидного раствора наночастиц серебра (далее - наночастицами серебра) и углеродными нанотрубками (чистота 20 %) в пропорциях 10:1, 100:2 и 100:1 соответственно. Оптимальное соотношение определялось экспериментальным путем.
Испытания нанокомпозиций из ранее исследованных герметиков с бемитом, наночастнцами серебра и углеродными нанотрубками на модернизированном твердомере типа ТП при температуре 20 °С показали, что использование нанона-полнителей приводит к увеличению модуля упругости. Так. использование в качестве наполнителя бсмита увеличило модуль упругости композиции на 9... 19%, наночастиц серебра - на 5... 16%, и углеродных ншютрубок на 18...35%. Увеличение модуля упругости, скорее всего, спя-лано с тем, чти наполни тель формирует структуру, отличную от структуры материала герметика. Наночастицы вступают в межмолекулярное взаимодействие с полимерными волокнами и равномерно распределяются вокруг них. Вследствие этого образуется нанокомпозит с упорядоченной структурой.
Исследования герметизирующей способности нанокомпозиций 'показали, что область их оптимальной герметичности также увеличилась. Теплостойкость составов, наполненных бемитом. выше стойкости исходных герметиков, в зависимости от вида герметика, на 5... 19 %, наночастнцами серебра - на 6... 17 %, и углеродными нанотрубками - на 9...25 % (рисунок 3).
Следует отметить, что наибольшее влияние наполнители оказывают на отечественные герметики, чем на зарубежные. Меньше всего подвержен их влиянию высокотемпературный герметик ЬосШе-5920.
Таким образом, теплостойкость герметиков зависит от их модуля упругости и коэффициента восстанавливаемости, критические значения которых составляют соответственно 50 МПа и 10%.
Ииженврио-,№хиологичсское обеспечение ЛПК
Ан-501 l.nculc-518 Авто-тик Лвто-сн.ч Loctitc-598 Loclile-5920
Рисунок 3 Влияние нанонанолнителей иа теплостойкость герметиков:
1 - ненаполпенный герметик; 2 - герметик + бемит;
3 - герметик + наночастицы серебра: 3 - герметик + углеродные нанотрубки
Исследования показали, что силиконовые герметики имеют большую теплостойкость, чем анаэробные.
Нанокомпозиции на основе анаэробных и силиконовых герметиков имеют более высокие значения модуля упругости и теплостойкости Наилучший эффект достигается у композиций, содержащих 1 % углеродных нанотрубок.
Литература. 1. Уплотнения и уллотнитель-ная техника. Справочник. Под ред. Голубев.. Г.В.. Кондакова J1.M. - М.: Машиностроение 1994.-448 с.
2. Буренин В.В. Герметики для неподвижны соединений машин и механизмов. И Производи во и использование эластомеров. Инф. СГ ЦНИИТЭ11ЕФТЕХИМ, 1994, № 11.-е. 33-37.
3. Лебедев Л.М. Машины и приборы для испытания полимеров. - М.: Машиностроение 1967.-212 с.
4. Кононенко A.C. Герметизация неподвижных фланцевых соединений анаэробными repv. тиками при ремонте сельскохозяйственной те> ники. Дис.... канд. техн. наук. - М., 2001. - 140 .
5. М.Ф. Бухина. Техническая физика эласт меров. - М.: Химия, 1984. - 224 с.
6. А.И. Гусев. Наноматериалы, какострук: ры, наиотехиологии. М.: Физматлит. 2005. 416с.
