О. М. Царенко. Матеріалознавство й технологія конструкційних матеріалів
6.4. Гумові, склянi, клеєвi та лакофарбні матерiали
6.4.1. Склад гуми та її класифікація за призначенням.
Гума - це продукт вулканізації суміші каучуку (природного або синтетичного) й сірки з різними добавками. Серед основних добавок: прискорювачі та активатори вулканізації, наповнювачі, пластифікатори, стабілізатори. Наповнювачами для гуми є високодисперсні неорганічні або органічні речовини, які можуть змінювати характеристики гуми - активні наповнювачі або не змінювати її характеристик - інертні наповнювачі. До активних наповнювачів належать сажа, діоксид кремнію, силікати металів; до інертних - крейда, каолін та інші. Кількість наповнювачів досить різна 10-25% залежно від необхідних властивостей гуми. Наповнювачі змінюють механічні властивості гуми, полегшують переробку, понижують вартість.
Уведення пластифікаторів (2-30%) в каучуки полегшує їхню переробку, підвищує пластичність гуми, зменшує нагрівання при змішуванні складових. Основні пластифікатори - парафін, вазелін, стеаринова кислота, бітуми, рослинні та нафтові масла, соснова смола. Як стабілізатори, у виробництві гуми використовують антиоксиданти - спеціальні хімічні сполуки, які підвищують стійкість каучукових сумішей до окислення киснем. Розрізняють хімічну та фізичну дію стабілізаторів. Хімічні антиоксиданти (альдоль, неозон та інші) затримують окислення каучуку внаслідок окислення їх самих. Фізичні стабілізатори (парафін, воск) утворюють поверхневі захисні плівки.
За призначенням гуми поділяють на гуми загального призначення та гуми спеціального призначення. Гуми загального призначення виготовляють з неполярних каучуків: НК - натуральний каучук, гума з якого має високу еластичність, міцність, водо- та газонепроникність, високі електроізоляційні властивості; СБК - синтетичний каучук бутадієновий, технічні властивості гуми з якого наближаються до властивостей попереднього класу; СКС - бутадієнстирольний каучук, властивості гуми з якого, залежать від вмісту стиролу: чим більше стиролу, тим вища міцність, хоча гірша морозостійкість гуми; СКІ - синтетичний каучук ізопреновий, гума з нього, за фізико-механічним властивостям не поступається НК, хоча значно дешевша, йде також на виготовлення гум спеціального призначення - електроізоляційна та вакуумна гуми. Гуми загального призначення працюють у середовищах повітря, води, слабких кислот та лугів, у діапазоні температур -50оС +150оС. З них виготовляють шини, паски, транспортерні стрічки, ізоляцію кабелів, різні гумотехнічні вироби.
Гуми спеціального призначення - це маслобензостійкі, теплостійкі, елекропровідні, харчові, медичні, водостійкі, вакуумні, діелектричні, вібростійкі та інші. Основа їх - природний та штучні каучуки: бутилкаучук, хлоропреновий (наірит), полісилоксановий, фтормісткий, поліуретановий та інші каучуки.
Усі гуми відзначаються здатністю до значних високоеластичних деформацій, лише за температур -110 оС гуми стають крихкими, мають високу міцність, зносостійкість, низьку газо- та вологопроникність.
6.4.2. Скляні матеріали та кераміки.
Скло - аморфний термопластичний матеріал, який одержується розплавленням неорганічних речовин - кварцевого піску, глинозему, соди та борної кислоти з наступним переохолодженням. Плавлення компонентів відбувається при температурі ~1500 оС. Технологія одержання скла містить: підготовку вихідних матеріалів та шихти, варіння скломаси та виготовлення виробів. У розплавлену масу вводяться фарбники, освітлювачі, інші компоненти. Формування виробів із скла здійснюється різними способами: литтям, прокатуванням, пресуванням, витягуванням та видуванням. Для зняття внутрішніх напруг вироби піддають термічному обпалюванню при 300-500 оС. Для зміцнення скла та підвищення термічної стійкості до хімічного складу додають різні компоненти, застосовують загартування.
Для високовольтних ізоляторів, розрядників, виготовлення хімічної посуди тощо використовується кварцеве скло, яке має високу теплопровідність, хімічну стійкість, високі діелектричні властивості.
Склокристалічні матеріали (ситали) одержують із твердого скла подвійною термічною обробкою при температурах 500-700 оС та 900-1000 оС. Структура ситалів багатофазна, складається із зерен кристалічної фази, скріплених між собою скловидними прошарками. Найцінніші властивості ситалів - виняткова дрібнозернистість, майже ідеальна полікристалічна структура, ізотропні властивості, досить мала усадка. Із ситалів виготовляють підшипники, деталі для двигунів внутрішнього згорання, сопла реактивних двигунів, труби для хімічної промисловості, оболонки вакуумних електричних приладів (електронні лампи, кінескопи тощо), інше.
У сучасній техніці широко використовується скловолокно, яке одержують витягуванням волокон із розплавленої скломаси. Воно характеризується високою міцністю, гігроскопічністю, хімічною стійкістю, високими електроізоляційними властивостями, низькою теплопровідністю. Його використовують для виготовлення склотканини, плит, скловати, які з успіхом застосовують для тепло- та звукоізоляції літаків, транспорту, в холодильній техніці тощо.
Кераміка - неорганічний матеріал, який одержують із мінеральних мас внаслідок високотемпературного відпалу (1200-2500 оС). Керамічні матеріали можуть бути виготовлені із глини, із штучно синтезованих кермічних матеріалів або із їхніх сумішей.
Фарфор - продукт відпалу суміші глини, кварцевого піску та польового шпату застосовують як конструкційний та електроізоляційний матеріали для виготовлення хімічного обладнання. Фаянс за складом аналогічний до фарфора, але більш пористий, застосовують для виробництва санітарно-гігієнічних виробів, посуду. Радіотехнічна кераміка залежно від призначення підрозділяється на високоякісну, конденсаторну, форвакуумну, п'єзоелектричну та феромагнітну. Значний інтерес викликає використання кераміки на основі чистих окислів як вогнетривкого й конструкційного матеріалу. Так, корундова кераміка (Al2O3) має високу міцність, хімічну стійкість, відмінні діелектричні властивості та використовується для виготовлення різців, каліброваних отворів для протягування дроту. Особливість кераміки ZrO2 - високотемпературність та низький коефіцієнт тепловідності, що дає змогу використовувати її для виготовлення вогнетривких тиглів для плавки металів і сплавів як покриття металів для зихисту від дії високих температур.
6.4.3. Клеї та властивості клеєвих з'єднань.
Клеї - це колоїдні розчини плівкоутворювальних полімерів, здатних при твердненні утворювати міцні розчини плівкоутворювальних полімерів, здатних при твердненні утворювати міцні плівки, що добре прилипають до різних матеріалів. Класифікують клеї за рядом ознак:
-за плівкоутворювальною речовиною - смоляні та гумові; У смоляних клеях як плівкоутворюча речовина використовуються термореактивні смоли, які тверднуть при наявності каталізаторів і твердників при нормальній чи підвищеній температурі. Клеї холодного склеювання, як завжди, мають гіршу міцність, особливо при підвищених температурах. Фенол-каучукові клеї утворюють еластичні тепло- та водостійкі плівки з високою адгезією до металів ( ВК-3, ВК-4, ВК-13, ВК-32-200 та інші). Фенолополівінілацетатні клеї - це спиртові розчини фенолоформальдегідної смоли, суміщеної з полівінілбутиралем (БФ-2, БФ-4, БФ-6 та інші). Застосовують для склеювання металів, пластмас, кераміки та інших твердих нееластичних матеріалів. Теплостійкість клеєвих з'єднань невисока, водостійкість задовільна. Фенолокремнійорганічні клеї містять як наповнювач азбест, алюмінієву пудру та інше (ВК-18, ВК-18М). Відзначаються термо- та вібростійкістю, значною міцністю. Витримують температури до 600 оС, можуть використовуюватись для склеювання інструмента. На основі епоксидних смол - тверднення відбувається в присутності твердників без виділення побічних продуктів. До клеїв холодного тверднення належать Л-4, ВК9-9, ВК-16, ЭПО, ЭПО-М та інші; епоксидні клеї гарячого тверднення - ВК-32-ЭМ, К-153, ВК-1 та інші. Ці клеї використовують для склеювання металів, склопластиків, феритів, кераміки та інше. Епоксидні клеї ТКМ-75, ТКС-75 використовують для приклеювання різальних частин на інструменти. Для усіх епоксидних клеїв характерна висока механічна міцність, атмосферостійкість, стійкість до нафтопродуктів, високі діелектричні властивості. До складу поліуретанових клеїв входять поліефіри, поліізоціанати та наповнювачі (ПУ-2, ВК-5, ВК-11 та інші). При змішуванні компонентів відбувається хімічна реакція, внаслідок якої клей твердне. Клеї мають універсальну адгезію, високу вібростійкість, стійкість до нафтопродуктів, але токсичні. На основі кремнійорганічних сполук ( ВК-2, ВК-8, ВК-15, ВК-20 та інші) мають високу термостійкість, стійкі до масел, бензину, мають діелектричні властивості, не викликають корозії металів. Застосовують для склеювання деталей з легованих сталей, титанових сплавів, скла, азбопластиків, графіту, багатьох неорганічних матеріалів. На основі гетероциклічних полімерів (ПБИ-1К, СП-6 та інші), можуть працювати в діапазоні температур від -100 оС до +300 оС, хімічностійкі. Гумові клеїє розчинами каучуків чи гумових сумішей в органічних розчинниках, використовуються для склеювання гуми з гумою, гуми та металу, гуми та скла, інше (88Н, 88НП, 9М-35Ф, ФЕН-1 та інші). Для склеювання деревини найчастіше використовують кістковий та казеїновий клеї. Кістковий та міздровий клеї належать до глютинових клеїв, які випускаються у вигляді гранул або плиток. Для виготовлення клею використовують його властивість переходити в рідкий стан при невисокій температурі: кістковий +30 оС, міздровий +38 оС. Клей готують так: необхідну кількість твердої складової заливають двома частинами води, через 6 годин клей нагрівають на водяній бані до 80 оС з постійним перемішуванням. Найкращі клеїльні властивості має гарячий клей.
Казеїновий клей виготовляють із молочного білка, вводячи в нього луги та антисептики. Приготування: на одну частину сухої частини беруть 2 частини води кімнатної температури, добре розмішують. Клей готовий через 20-25 хв., придатний до використання 5-7 годин.
6.4.4. Лакофарбні матеріали.
Лакофарбні матеріали належать до групи плівкоутворювальних матеріалів, які після нанесення в рідкому стані та висиханні утворюють стійкі плівки. Лакофарбні матеріали призначені для захисту металів від іржі, деревних матеріалів - від дії вологи та загнивання, надають виробам декоративного зовнішнього вигляду, можуть мати спеціальні властивості - електроізоляційні, хімічностійкі, інші.
Компонентами лакофарбних матеріалів є плівкоутворювальні речовини; смоли для збільшення адгезії; розчинники (скипидар, спирти, ацетон, розбавники (бензол); пластифікатори, які зберігають пластичність покриття, поліпшують морозостійкість (дибутилфталат); твердники (аміни); пігменти та фарбники; наповнювачі (тальк, каолін) для підвищення в'язкості й пониження блиску; спеціальні добавки для фарб спеціального призначення.
Як плівкоутворювальні речовини, в лаках та фарбах використовують синтетичні смоли, ефіри целюлози, рослинну олію. За вмістом розрізняють: лаки, емалі, грунтовки, шпаклівки. За плівкоутворювальною речовиною вони можуть бути смоляними, ефіроцелюлозними та масляними.
Лаки - це розчини плівкоутворювальних речовин у розчинниках (можлива добавка пластифікаторів, прискорювачів, стабілізаторів). Залежно від розчинника розрізняють лаки скипидарні, масляні, спиртові.
Фарби за розчинювачем розрізняють емалі та масляні. Емалі - це суспензії мінеральних та органічних пігментів у лаках. Пігменти надають емалям колір та специфічні властивості, наприклад, білі пігменти ZnO, TiO2 - стійкість до атмосферних опадів, водостійкість; сажа - струмопровідність тощо. В емалі можуть уводитись металічні пігменти - алюмінієва, бронзова пудра, цинковий пил, інші.
Основа масляних фарб - натуральна чи синтетична оліфа, наповнювачі є фарбниками: білий колір дають цинкові білила ZnO, ціанамід свинцю PbCN2 - основний пігмент лимонно-жовтого кольору, плюмбат кальцію Ca2PbO4- порошок світло-кремового кольору, залізний сурик Fe2O3 - фарбник від світло-червоного (20-35%) до темно-коричневого (60-70%) кольору та інші.
Грунтовки захищають метал від корозії, збільшуючи адгезію фарби. До складу грунтовки входять лак та пігмент, який має захисні властивості. Залежно від дії пігменту розрізняють грунтовки:
Кожен клас грунтовок має своє специфічне застосування. Так, хроматні грунтовки найкраще захищають магнієві та алюмінієві сплави; свинцевий сурик застосовують для захисту сталевих деталей, оскільки він створює на поверхні металу гідрат закису заліза; захисна дія цинку полягає у більш електровід'ємному потенціалі відносно заліза, тому успішно використовується для захисту сталі, яка працює в контакті з водою. Для захисту стальних деталей досить часто застосовують також фосфатувальні грунти, які утворюють на поверхні металу міцну фосфатно-хроматну плівку складного вмісту.
Шпаклівки призначені для вирівнювання нерівностей на поверхні виробів перед фарбуванням. До складу шпаклівок входять лак, пігмент і наповнювач. Шпаклівки наносять на попередньо прогрунтовану поверхню.
Для надійного захисту поверхні виробу в більшості випадків застосовують багатошарове покриття, яке складається з грунтування, шпаклювання та декількох шарів кінцевого покриття (лаку чи фарби).
до наступної глави...
Процес вулканізації полягає в хімічній взаємодії каучуку та сірки, внаслідок чого між макромолекулами каучуку з'являються поперечні зв'язки, приєднаної двовалентної сірки, які утворюють просторову сітку. Залежно від кількості введеної сірки одержується різна частота сітки. Так, при введені 1-5% сірки утворюється досить рідка сітка, гума набуває високоеластичного стану, при максимально можливій концентрації сірки (~30%) утворюється твердий матеріал - ебоніт. Для прискорення процесу вулканізації та поліпшення фізико-механічних властивостей гуми використовують прискорювачі (спеціальні хімічні сполуки - тіазоли) та активатори ( оксиди двохвалентних металів - цинку, магнію, кальцію, кадмію).
-за адгезійними властивостями - універсальні та з вибірковою адгезією;
-щодо нагрівання - термопластичні та термостабільні;
-за умовами тверднення - холодного та гарячого склеювання;
-за зовнішнім виглядом - рідкі, пастоподібні, плівкові;
-за призначенням - конструкційні силові та несилові.
[ початок сторінки ] [ перехід до змісту ]