1. Введення.
З розвитком техніки, створенням нових машин та апаратів з'явилася потреба в деталях, які суміщають механічні властивості металів з вібростійкість, міцністю на стирання, антикорозійною стійкістю і іншими властивостями, притаманними гумових сумішей. Таким чином виникла завдання міцного і надійного з'єднання двох матеріалів, абсолютно різних за структурою та властивостями: гуми і металу.
Міцність кріплення різнорідних тіл обумовлюються льону силами міжмолекулярної або хімічного вза-імодействія, що виникає між контактуючими поверхнями, тобто адгезійними властивостями мате-ріалів. Для того щоб адгезія могла проявитися, необхідний повний контакт прилеглих поверхні-тей.
Незалежно від способу кріплення деталей стик, яка зія у всіх випадках залежить в основному від природи склеюваних матеріалів і характеру адгезійної зв'язку. Міцність кріплення матеріалів визначають за граничним навантаженням, при досягненні якої відбувається одночасний відрив однієї склеюваної поверхні від іншої по всій площі контакту або поступове розшарування з'єднання. Гуми кріплять до матеріалів різними способами: або не-вулканізованої (сиру) гумову суміш з'єднують з іншими матеріалами в процесі вулканізації (гаряче кріплення), або вулканізованої гуми кріплять адгезивом (тобто клеями) до поверхні іншого матеріалу (холодне кріплення). Способи кріплення гуми до металів показані на схеме1. Міцність кріплення в значній мірі залежить від підготовки поверхні склеюваних матеріалів.
Перед кріпленням гуми до металу поверхню металу піддають механічній обробці піском, металевої дробом - для очищення поверхні від забруднення та підвищення шорсткості, що значно збільшує площу зіткнення металу з гумою. Метали до або після обробки поверхні очищають від мастил і жирів, тобто обез-жірівают, промиваючи поверхні розчинником або обробляючи насиченим водяною парою в котлі.
Також підготовку поверхні металів до Обре-зініванію часто виробляють хімічним способом: травленням їх у розчинах кислот або лугів з наступним промиванням водою. На очищену і висуше-шенную поверхню металу наносять рідкий клей, за допомогою якого здійснюється кріплення.
Кріплення гуми до металів було відкрито понад 100 років тому, але різнобічне промислове застосування одержало тільки в останні 25-30 років, особливо ця тема актуальна в авто-, авіа-і суднобудуванні.
Якщо між металом і гумою виникає хімічна взаємодія, міцність кріплення висока і не погіршується з підвищенням температури навіть на 100 ° С. Якщо міцність кріплення визначається тільки силами міжмолекулярної взаємодії, то міцність зв'язків між гумою і металом з підвищенням температури значно зменшується.
кріплення гуми
до металів
(Гума прикріплюється до ме-(вулканізованої-
талію в процесі вулканізації) ва гума при-
закріплюють до ме-
талу з допомогою
клеїв при кому-
кімнатної температури
турі)
кріплення кріплення кріплення
через ебонітову через шар за допомогою клеїв
прошарок латуні
на основі латексної-на основі хлору-на основі на основі
альбуміни і тер-ваного і гід-синтетичн-ізоціо-
мопренових клеїв рохлорірованного ких смол натов
(Зараз не застосовують каучуків
ється)
Схема 1.
2. Гаряче кріплення.
2.1. Кріплення із застосуванням латунирование.
Кріплення із застосуванням латунирование (кріплення через проміжний шар латуні) є найбільш сучасним, відомим методом, що дає високу міцність і температуростійкість кріплення. За допомогою цього методу кріплять гуму до сталі, алюмінію, бронзі та інших металів.
Спосіб заснований на здатності гуми міцно кріпитися до поверхні латуні, електроосадження на металі. Основною підготовчою операцією при цьому способі є латунирование арматури.
Поверхня металу перед електроосадження знежирюють і цькують. Знежирюють арматуру спочатку розчинником, а потім розчином лугу. Арматуру підвішують на електрод і через розчин лугу пропускають постійний струм. Бульбашки газу, що утворюються на поверхні деталі сприяють механічному відриву частинок жиру. Далі арматуру промивають гарячою водою.
Травленням арматури в кислоті видаляють оксиди заліза. Зазвичай використовують 5%-ний розчин сірчаної кислоти. Після травлення виріб промивають холодною водою, потім механічно удалаяют "травильний шлам", знову промивають водою і декаліруют, тобто хімічно обробляють для видалення тонких оксидних плівок.
Сама відповідальна операція - осадження латуні. Латунирование проводять у електролізерах за певних умов. Для отримання однорідного шару латуні розчин електроліту повинен мати постійну концентрацію електр. складової з комплексу солей міді та цинку.
Анодами при електричному осадженні латуні служать латунні пластини, що містять 60-70% міді і 30-40% цинку. Товщина шару латуні повинна бути 0,0125 ... 0,0015 мм. Арматуру промивають холодною водою, потім гарячою протягом 1-2 хвилин.
Після промивання і сушіння латунірованная арматура поставляється на вулканізацію. Гумова суміш повинна бути свежекаландрованной або свежеекструдірованной. Форми з латунірованнимі деталями іноді заповнюють гумовою сумішшю методом лиття під тиском.
Переваги методу: висока міцність, найбільша температуростійкість, гарний опір вібрацій і ударів.
Недоліки: метод придатний в основному для кріплення гуми до невеликих деталей, тому що на поверхню великих деталей складної конфігурації важко рівномірно і міцно осадити латунь. Також метод вимагає складних підготовчих операцій, що вимагають спеціального обладнання.
2.2 Кріплення через шар ебоніту.
Основною ланкою, що зв'язує метал з каучуком є сірка. Ебоніт містить 30-40% сірки і більше.
Спочатку поверхню металу готував: очищають від оксидних плівок, обробляють наждачним папером або роблять піскоструминну обробку. Потім знежирюють (протирають бензином).
На підготовлену поверхню наносять тонкий шар клею, приготованого з ебонітовою суміші і сушать при 20 ° С. просохлі шар клею покривають листами ебонітовою суміші і ретельно накочують до металу. Потім наклеюють і накочують гумову суміш, після чого виріб йде на вулканізацію.
Метод кріплення гуми до металу через шар ебоніту дає міцність кріплення на відрив 15-20 МПа. Цим способом кріплять гуму до сталі, дюралюмінію, латуні, бронзі та інших сплавів.
Недоліки методу: вулканізація ебоніту - процес тривалий, що знижує продуктивність устаткування і погано відбивається на властивостях гуми. Ебоніт крихкий, чутливий до ударів і вібрацій, що виключає використання виробів з ебонітовою прошарках в умовах динамічного навантаження. Ебоніт НЕ температуростоек. При підвищенні температури до 70 ° С міцність кріплення падає. Крім того, через відмінності в коефіцієнтах лінійного розширення при нагріванні ебоніту і стали відбувається відшаровування ебоніту.
2.3. Кріплення за допомогою клеїв.
Гаряче кріплення гуми до металу за допомогою клеїв широко поширене, тому що не вимагає складної і дорогої підготовки металевої поверхні (як при латунирование), забезпечує динамічну і температуростійкість вироби. Клеями кріплять гуму до сталі і інших металів.
Технологічний процес кріплення зводиться до очищення металевої поверхні, знежирення та нанесення на неї тонкого шару клею. Після просушування арматури з нанесеним шаром клею на неї накладають гумову суміш і проводять вулканізацію деталі.
2.3.1. Кріплення за допомогою латексної-альбуміни і термопренового клеїв.
Плівка альбуміну володіє хорошою адгезією до металу, але вона не еластична. Тому до неї додають латекс, отримуючи еластичну плівку з хорошою адгезією.
На очищену поверхню металу наносять 1-2, а іноді й більше шарів клею. Загальна кількість шарів клею при цьому має становити товщину 2 ... 3 мм. Кожен шар клею сушать при температурі 65-70 ° С протягом 30-60 хвилин, а потім металеву деталь з нанесеним на неї клеєм нагрівають у термостаті при 100-120 ° С також протягом 30-60 хвилин. Після охолодження деталі на неї накладають гумову суміш передають деталь на вулканізацію.
Переваги методу: нетоксичність латексно - альбумін клеїв.
Недоліки: необхідність теплової обробки клейових плівок, нестабільність самого клею, необхідність застосування натурального латексу.
Термопренового клеї були відкриті в 1927 році Г. Фішером.
Очищену поверхню металу покривають шаром рідкого термопренового клею (78%-ного). Після сушіння цього шару на нього наносять ще 1-2 шари звичайного гумового клею і відразу накладають і накочують невулканізованого гуму, поверхня якої попередньо "освіжають" бензином.
Виріб бинтують вологим бинтом і вулканізуються в котлі. Після закінчення вулканізації в котел вводять стиснене повітря під тиском 2-3 атм і дають охолонути виробу до 50-60 ° С.
Даним способом можна кріпити й вулканізованої гуми. Її накладають на вкриту термопренового клеєм поверхню металу, потім деталь нагрівають в повітрі або в воді при 100 ° С.
Охолодження під тиску в такому випадку не потрібно, тому що при 100 ° С не відбувається утворення газів і розм'якшення термопрена не відбувається.
Спосіб застосовують для кріплення гуми до сталі і алюмінію. Склад гумової суміші особливого значення не має.
Задовільна міцність кріплення при використанні термопренового клеїв досягається тільки при охолодженні під тиском деталі після вулканізації.
Недоліки: зниження міцності кріплення з підвищенням температури, тобто невисока теплостійкість.
Методи гарячого кріплення гуми до металу за допомогою латексної-альбуміни і термопренового клеїв в промисловості на даний момент практично не використовуються.
2.3.2. Кріплення за допомогою клеїв на основі хлорованого і гідрохлорірованного каучуків.
У 50-х роках минулого століття були розроблені клеї на основі хлорованого (ГК) і гідрохлорірованного (ДХК) каучуків, які забезпечували таку ж просность кріплення гуми до металу, як латунь, а також таку ж масло-і теплостійкість.
З 1946 року метод кріплення гуми до металу за допомогою ХК і ДХК став конкурувати з методом кріплення за допомогою латунирование.
З даних про стійкість ХК випливає, що для приготування клеїв слід брати ХК з вмістом хлору близько 60%. Такий ХК під час вулканізації резинометалличні деталі протягом 20-60 хвилин при 140-150 ° С зберігає достатню стійкість. Він не горючий, стійкий до дії холодної та гарячої води, кислот (сірчаної, соляної, азотної), до дії лугів і окисників.
Розчин ХК (клей) застосовують для кріплення гуми до чавуну, сталі, алюмінію і його сплавів, магнію, цинку та інших матеріалів.
Додаток сірки до клеїв з ХК сприяє підвищенню адгезії при кріпленні. З їх допомогою кріплять гуми з неопрену до латуні.
Клеями з ХК можна кріпити до металів гуми з хлоропренового каучуку (неопрену) і бутадієн-нетрільного каучуку (СКН, пербунан). При кріпленні гум з натуральних каучуків і бутадієн-стирольних каучуків між клеєм і гумою вводитися проміжний шар клею з хлоропренового каучуку або прошарок гуми з нього. Гуми з бутил-каучуку кріпляться погано.
Досягається міцність кріплення гуми до металу при випробування на відрив: 40-60 кг/см2. З підвищенням температури міцність падає до 20-30% початкової.
Переваги методу: хороша опірність старінню, стійкість до дії кислот, лугів і морської води (у цьому спосіб кріплення гуми до металу за допомогою ХК перевершує навіть кріплення латунирование).
Недоліки: кріплення нестійкий до дії ароматичних вуглеводнів, тваринних і рослинних масел, ефірів та кетонів.
Гідрохлорірованние каучуки вперше були отримані при пропущенні вологого HCl через хлороформенний розчин каучуку. Після закінчення реакції відбувається різке падіння в'язкості розчину. Теоретичне вміст хлору у ДХК дорівнює 33,9%. У технічних продуктах міститься 28 ... 30% хлору.
Клеї на основі суміші ХК і ДХК.
До складу деяких клеїв поряд з ХК входить ДХК. Одна з марок такого клею - Тай-Плай (Ty-Ply). Плівка з ДХК сприяє більш міцному кріпленню гуми 5 металу. На схеме2 показані різновиди клей марки Ty-Ply.
Ty-Ply
R, Q, QA S і SA
(Кріплення до металів гум (для кріплення гум
з натурального каучуку, бутил-з неопрену і СКН)
каучуку)
Схема 2.
При виготовленні гумово деталей на метал наноситься тільки один шар клею, для висушування якого при кімнатній температурі потрібно 20-30 хвилин, при нагріванні до 50 ° С - 10 хвилин, а при 60-80 ° С всього лише 5 хвилин. Нанесена на метал плівка клею, захищена від пилу може зберігати свої клеючі властивості протягом декількох днів.
Міцність кріплення клеями на основі ХК і ДХК на відрив сягає 70 кг/см2 і вище.
При зберіганні деталі міцність збільшується. Піскоструминна обробка поверхні металу не сприяє підвищенню міцності кріплення, але міцність залежить від товщини плівки (див. рис.1).
кг/см2
80
60
40
20
0 3 6 12 26
товщина плівки, мікрон
рис.1.
Переваги: висока теплостійкість кріплення (можна виймати деталі з гарячих форм), кріплення добре переносить теплове старіння і стійке до дії спирту, важких масел, лугів та деяких кислот.
Клеї змішаного складу.
Можливе застосування клеїв, на основі ХК спільно з клеями з інших каучуків, наприклад, на основі неопрену.
Хороший клей на основі ХК повинен містити два компоненти: один-для зв'язку з металом, інший - для зв'язку з гумою. Краще всього, якщо компонент, що володіє гарною адгезією до металу осідав і концентрувався на поверхні металу, тоді інший, верхній шар буде є гарним компонентом для кріплення до гуми.
Клеї на основі ХК і ДХК знайшли широке застосування для кріплення гум до металів і вважалися найкращими до появи клеїв на основі ізоціантов.
2.3.3. Кріплення за допомогою клеїв на основі синтетичних смол.
Цей метод розроблявся одночасно з методом кріплення за допомогою клеїв на основі ХК і ДХК.
Певні фенольні, епоксидні і деякі інші смоли мають гарну адгезію і до резинам, і до металів. Особливо застосовні ці смоли для кріплення гум на основі полярних каучуків: неопреном, бутадієн-нітрильних (СКН, Пербутан).
При застосуванні однієї синтетичної смоли утворюється тендітна плівка клею, тому, щоб отримати еластичну плівку, застосовують композиції з каучуку та синтетичної смоли.
Існує безліч запотентованних клеїв і методів кріплення гуми до металів, заснованих на різних синтетичних смолах. Приклад: смола Дюрез № 12987 - термореактивних фенолформальдегидная смола, розчинна у спиртах та кетонах. Використовується для кріплення до металів гум з бутадіеннітрільних каучуків гарячим кріпленням, хоча так само використовується для кріплення вулканізованої гуми до металу при нагріванні.
Шар такого клею наносять на чисту поверхню металу, плівку висушують, після чого на неї накладають гумову суміш і деталь відправляють на вулканізацію. Застосовують для кріплення гуми до звичайної і неіржавіючої сталі, латуні, міді, олова.
Клеї на основі синтетичних смол не отримали такого широкого застосування, як клеї на основі ХК і ДХК. Причинами цього є: несумісність більшості синтетичних смол з каучуками, додає для додання плівкам зі смоли еластичності, нерастворимости синтетичних смол в тих розчинниках, в яких розчиняються каучуки та необхідність термічної обробки клейових плівок при 90 - 120 ° С (іноді навіть неодноразовому) після їх нанесення на метал. Крім того, актуальність впровадження цього методу знизилася у зв'язку з появою клеїв на основі ізоціантов.
2.3.4. Кріплення клеями на основі ізоціанатів.
Ізоціанати були вперше використані для кріплення гум до металів О. Байєром в Німеччині. До цього вони були відомі як органічні сполуки.
Процес отримання ізоціанатів полягає в конденсації амінів у вигляді вільних основ з фосфогеном. Технічний інтерес для цілей кріплення представляють ді-і тріізоціанти органічних сполук.
Один з перших клеїв на основі ізоціанатів був отриманий в Німеччині і називався Десмодур R. У нашій країні набув поширення клей Лейконат. Обидва цих клею засновані на розчині n, n ', n''- триизоцианаттрифенилметане (Лейконат - у діхлоретане, Десмодур R - 20% ий в метиленхлориді). Формула n, n ', n''- триизоцианаттрифенилметана наведена на рис.2.
NCO
OCN C
H NCO
Рис. 2.
Ізоціанатних клеї нестійкі. Основна причина цього - вологість, через яку ізоціанату розкладається, тому в приміщеннях, де йдуть роботи з ізоціанатами, вологість не повинна перевищувати 60 - 70%, а клеї повинні використовуватися протягом короткого часу. Однак практикою встановлено, що при правильному обігу ці клеї можна зберігати роками.
При роботі з ізоціанатами можуть застосуються тільки такі розчинники, які не містять груп NH2 і OH, тому що інакше ізоціанату вступить в реакцію. Придатні розчинники: дихлоретан, бензол, хлорбензол, толуол, ксилол. Непридатні: спирт, ацетон, бензин.
Ізоціанати та застосовуються для ізоціанатних клеїв розчинники токсичні. Тому при роботі з ними повинні бути дотримані всі відповідні правила охорони праці.
За допомогою Десмодур R гуми добре кріпляться до сталей, чавуну, алюмінію і його сплавів, бронзи, латуні. Погано кріпляться до міді, магнію та його сплавів.
Міцність кріплення гуми до металів за допомогою Десмодур R при випробуваннях на відрив становить близько 50 кг/см2. При застосуванні твердих гумових сумішей цей показник зростає.
Міцність кріплення гуми на основі СКН до сталі за допомогою Лейконат досягає 100 кг/см2.
На відміну від кріплення за допомогою латунирование, кріплення Десмодур R не чутлива до дії парів сірчаної кислоти, впливу якої піддаються, наприклад, резинометалличні деталі на підводних човнах. Даний факт дозволив цьому клею широко поширитися під час Другої Світової Війни.
Велике значення при кріпленні ізоціанатними клеями має те, як ретельно готували поверхню металу. Висока міцність при кріпленні гуми до металів за допомогою клеїв Лейконат або Десмодур R досягалася при виконанні наступних підготовчих операцій:
- Знежирення поверхні металу розчинником, водою, парою.
- Піскоструминна обробка.
- Промивка розчинником (бензином або бензолом).
- Сушка.
Клей наносять на метал пензлем, розпиленням або Макану. Досить нанести один тонкий шар клею. Гумовий клей або гуму можна накладати відразу після висихання ізоціанатного клею (тобто через 30-40 хвилин). Проте плівка клею під дією повітря, вологи і світла може втратити свої властивості, тому металеву арматуру, покриту клеєм необхідно відразу ж обернути папером або целофаном. При тривалому зберіганні покритою клеєм арматури міцність кріплення до неї гуми різко падає, тому вулканізацію резино-металевої деталі рекомендується проводити не пізніше, ніж через 6-8 годин після нанесення клею на метал.
Вулканизацию проводять у формах під тиском (у пресі) або в вулканізаційних котлах в середовищі гарячого повітря.
Переваги методу: надзвичайна стійкість кріплення до дій масел, рідкого палива, розчинників. Стійкість до впливу холодної та гарячої води, кислот, лугів. Кріплення перевершує по теплостійкості кріплення, зроблені за допомогою ХК і ДХК, синтетичних смол, поступаючись тільки кріпленню допомогою латунирование.
Для кріплення гуми до металів застосовують також клейові композиції на основі ізоціанатів.
3. Холодне кріплення гуми до металів.
Кріплення вулканізованої гуми холодним способом (при 25-30 ° С) також є важливим, так як багато матеріалів не витримують тривалого нагрівання при високих температурах; крім того, холодне кріплення широко застосовують при виготовленні великогабаритних виробів.
Процес холодного кріплення гуми до металу складається з тих же стадій, що і при гарячому методі кріплення, за винятком стадії вулканізації.
Першими клеями для холодного кріплення були клеї на основі бутумов і нафтових пеків, іноді в суміші з каучуком або гутаперчею. Широке застосування знаходять клеї на основі хлоропренового каучуку.
Відсутність стадії вулканізації дає холодного кріпленню певні переваги перед гарячим, але розвиток холодного кріплення гальмується відсутністю таких клеїв для холодного кріплення, які давали б міцність при відшаруванні більше 15-20 кН / м. Також, резинометалличні вироби, виготовлені методом холодного кріплення поступаються виробам, виготовленим методом гарячого кріплення з тепло-і малостійкості, по стійкості до агресивних середовищ і вібраціям.
Підготовка поверхні металу до холодного кріпленню полягає насамперед в знежирення, а потім в очищенні її механічними способами або піскоструминною обробкою (шорсткість грає важливу роль).
Підготовка поверхні гуми зводиться до шероховки її наждачним папером вручну або на шероховальном верстаті незадовго до початку склеювання. Перед нанесенням клею поверхню гуми промивають розчинником.
Однією з особливостей методу холодного кріплення є те, що клей наноситься одночасно на поверхню металу і на поверхню гуми. Число шарів визначається заздалегідь дослідним шляхом. Якщо потрібно нанести 2-другий шар, то першому шару дають висохнути, наносять другий, але сушать його не до повного висихання, а до тих пір, поки утворена їм плівка ще зберігає клейкість. У цей момент гуму накладають на метал, накочують до нього за допомогою роликів для створення гарного контакту. Якщо є така можливість, то після прокатки на гуму накладають вантаж з розрахунку 0,1 ... 0,2 кг/см2 і залишають з'єднану деталь на 24 ... 48 годин (до повної полімеризації клею).
Перша стадія полімеризації клею вимірюється годинами, друга триває кілька діб, третя, остання, може відбуватися протягом декількох місяців.
Література для реферату:
Жеребків С.К. "Кріплення гуми до металів", М.: Госхіміздат, 1956 р.
Іванова В.М., Алешнікова Л.А. "Технологія гумових технічних виробів", Ленінград: Хімія, 1988 р.
Кошелев Ф.Ф., Корнєв А.Є., Буканов А.М. "Загальна технологія гуми", М.: Хімія, 1978 р.