Создание высокопрочных клеевых соединений металлических конструкций

УДК 678.5

СОЗДАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

© 2011 г. В.М. Попов, А.В. Латынин, А.П. Новиков, А.Н. Швырев

Воронежская государственная Voronezh State Forestry

лесотехническая академия Engineering Academy

Предлагается новый технологический прием получения клеевых соединений металлов с повышенной прочностью путем магнитного воздействия на клеевую композицию в неотвержденном состоянии. Показано, что под воздействием магнитного поля в полимерном клее протекает процесс упорядочения и уплотнения структуры, сопровождаемый повышением прочности соединений на клеях.

Ключевые слова: клеевые соединения; предел прочности; структура; магнитное поле; напряженность.

New technological method of obtaining of adhesive joints of metals with high strength by the magnetic influence on the adhesive composition in an uncured state is proposed. It is shown, that under the influence of the magnetic field in a polymer adhesive, process of structure ordering and sealing flows, accompanied by increased strength of connections in the adhesives.

Keywords: adhesive joints; strength limit; structure; magnetic field; strength.

В настоящее время клеевые соединения занимают устойчивое положение в различных областях техники [1, 2]. Они успешно конкурируют с традиционными соединениями типа сварных, клепаных, паяных и др. Широкое применение клеевых соединений связано с их атмосферостойкостью, способностью противостоять коррозии и гниению, снижением стоимости производства, уменьшением веса конструкций. В большинстве случаев основным критерием надежности соединений на клеях является их прочность. Поэтому вопросы повышения прочности клеевых соединений постоянно находятся в поле зрения технологических служб производств и научно-исследовательских структур.

Ниже приводится новый технологический прием создания клеевых соединений с повышенной прочностью, в основу которого заложен эффект от воздействия постоянным магнитным полем на полимерную основу двухкомпонентного клея или на непосредственно однокомпонентный клей. Ранее [3] установлено, что при воздействии магнитным полем на расплав полимера растет его микротвердость в отвержденном состоянии. Исходя из этого, можно ожидать также и повышения прочностных характеристик клеевого соединения на основе магнитообработанного полимерного клея.

Обработку постоянным магнитным полем полимерного компонента клея осуществляли на стенде, принципиальная схема которого приведена на рис. 1. Стенд позволяет создавать постоянное магнитное поле напряженностью до Н = 30-104А/м. Напряженность магнитного поля регулировалось силой тока, подаваемого на обмотку катушки электромагнита, и расстоянием между подвижными башмаками электромагнита. Тепловой режим в области образца под-

держивался специальным нагревательным устройством. Обработка полимерного компонента клея или непосредственно однокомпонентного клея в магнитном поле проводилась следующим образом. Фторопластовая кювета с полимерным компонентом или клеем помещалась в межполюсном пространстве, где осуществлялось воздействие магнитным полем заданной напряженности. Обработку проводили в течение 20 - 30 мин при температуре 60 °С. После обработки полимерный компонент смешивался с отвердителем и полученная композиция наносилась на поверхности образцов в виде пластин или блоков, изготовленных для испытаний предела прочности на сдвиг при сжатии и равномерный отрыв.

Рис. 1. Стенд для магнитной обработки клея: 1 - обмотка электромагнита; 2 - башмаки электромагнита; 3 - нагревательное устройство с образцом; 4 - ярмо; 5 - блок питания; 6 - потенциометр; 7 - источник питания нагревательного устройства

Зависимость прочности клеевых соединений от напряженности магнитного поля

Марка клеевой композиции Напряженность магнитного поля H -10~4,А/м Предел прочности на равномерный отрыв ст,МПа Предел прочности на сдвиг при сжатии х, МПа

ВК - 9 0 16,7 13,5

В - 9 6,4 18,4 14

В - 9 10,72 24,5 14,3

В - 9 16 27,2 22,5

В - 9 20,8 25,1 24

К - 153 0 10,8 6,5

К - 153 6,4 12,4 7,5

К - 153 10,72 12,8 8,5

К - 153 16 13,2 9,3

К - 153 20,8 14,9 10,1

ЭДП + ПЭПА 0 10,2 6,2

ЭДП + ПЭПА 6,4 11,8 6,8

ЭДП + ПЭПА 10,72 12,6 7,3

ЭДП + ПЭПА 16 13,5 7,8

ЭДП + ПЭПА 20,8 14,7 8,4

Пластины или блоки соединялись и выдерживались при давлении в 0,2 МПа в термошкафу при

температуре 50 °С в течение 8 - 10 ч. Испытания полученных образцов проводились на разрывной машине МИ-20. Испытывались клеи трех марок: эпоксидный ВК-9, смола ЭДП с 10 % по объему полиэтилен-полиамином (ПЭПА) и эпоксидно-полисульфидный К-153. Результаты испытаний приведены в таблице.

Из таблицы видно, что для всех трех разновидностей клеев с повышением напряженности поля растет прочность клеевых соединений. Исходя из известных на сегодняшний день сведений [4], установленный экспериментально эффект повышения прочности клеевых соединений на основе магнитооб-работанных клеев можно объяснить направленной переориентацией под воздействием магнитного поля макромолекул полимерного компонента клея, приводящей к образованию более плотной и упорядоченной структуры.

Для подтверждения выдвинутого положения был проведен микроструктурный анализ структуры исходных клеев и подвергнутых магнитной обработке. На рис. 2 представлены фотографии структуры клеевой прослойки, полученные на микроскопе «Биомед» при увеличении в 200 раз и на рис. 3 на растровом электронном микроскопе Jeolio 6380-Lf с возможным максимальным увеличением 3 нм. Из снимков видно, что воздействие магнитным полем приводит к упорядочению и уплотнению структуры полимера, что должно сопровождаться повышением механических характеристик системы.

Известно [5], что адгезионная прочность клеевых соединений взаимосвязана с внутренними напряжениями в клеевом шве. В свою очередь внутренние напряжения зависят от состояния структуры полимера клеевой композиции. Отсюда представляет интерес влияние магнитного поля на процесс формирования внутренних напряжений в клеевом шве.

а б

Рис. 2. Фотографии микроструктуры клеев К-153 (1) и ВК-9 (2) х 400: а - исходный клей; б - обработанный в постоянном магнитном поле при напряженности Н = 24-104 А/м

На специальной установке, позволяющей фиксировать формирование внутренних напряжений соединений на клеях через измерение емкости плоского конденсатора, образованного клеевой парой [6], были исследованы клеевые соединения на основе клея К-153. Кинетика формирования внутренних напряжений приведена на рис. 4.

а б

Рис. 3. Микрофотографии клея К-153 (1) и ВК-9 (2): а - до обработки; б - после обработки постоянным магнитным полем напряженностью Н = 24-104 А/м

Как видно из приведенных графиков, воздействие магнитного поля значительно снижает внутренние напряжения. Можно полагать, что при воздействии магнитного поля за счет уплотнения полимерной структуры клеевого шва объем материала мало изменяется при отверждении клея, что ведет к снижению внутренних напряжений и повышению прочности клеевого соединения.

Подводя итоги проведенных исследований, следует отметить, что предлагаемый метод повышения прочности клеевых соединений достаточно перспективен и может быть реализован на предприятиях, изготавливающих клеевые композиции или применяющих их для склеивания в различных отраслях техники.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ, проект № 10 - 08 - 00087.

ств, МПа 8

7

6

5

-1-1-1-1-1-1-!-1

5 10 15 20 25 30 35 г, мин Рис. 4. Формирование внутренних напряжений прослоек из клея К-153: 1 - без обработки; 2 - с обработкой в магнитном поле напряженностью 24x104 А/м

Литература

1. Кейгл Ч. Клеевые соединения. М., 1971. 205с.

2. Кардашов Д.А., Петрова А.П. Полимерные клеи. М., 1983. 256с.

3. Молчанов Ю.М., Кисис Э.Р., Родин Ю.П. Структурные изменения полимерных материалов в магнитном поле // Механика полимеров. 1973. № 4. С. 737 - 738.

4. Электрические и магнитные поля в технологии полимерных композиций / Ю.И. Воронежцев [и др.]. Минск, 1990. 263 с.

5. Попов В.М., Песков Н.Е. Метод контроля качества композиционных материалов классов «препег» // Дефектоскопия. 1994. № 1. С. 50 - 51.

6. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров. М., 1974. 394 с.

Поступила в редакцию

21 марта 2011 г.

Попов Виктор Михайлович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехника, теплотехника и гидравлика», Воронежская государственная лесотехническая академия. Тел. (473)253-73-08. E-mail: etgvglta@mail.ru.

Латынин Андрей Валерьевич - аспирант, кафедра «Электротехника, теплотехника и гидравлика», Воронежская государственная лесотехническая академия. Тел. (473)253-73-08. E-mail: etgvglta@mail.ru. Новиков Алексей Петрович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электротехника, Теплотехника и гидравлика», Воронежская государственная лесотехническая академия. Тел. (473)253-73-08. E-mail: etgvglta@mail.ru. Швырев Андрей Николаевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электротехника, теплотехника и гидравлика», Воронежская государственная лесотехническая академия. Тел. (473)253-73-08. E-mail: etgvglta@mail.ru Popov Viktor Mikhaylovich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Electrical Engineering, Heat Engineering and Hydraulics», Voronezh State Forestry Engineering Academy. Ph. (473)253-73-08. E-mail: etgvglta@mail.ru.

Latynin Andrey Valerievich - post-graduate student, department «Electrical Engineering, Heat Engineering and Hydraulics», Voronezh State Forestry Engineering Academy. Ph. (473)253-73-08. E-mail: etgvglta@mail.ru. Novikov Alexey Petrovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electrical Engineering, Heat Engineering and Hydraulics», Voronezh State Forestry Engineering Academy. Ph. (473)253-73-08. E-mail: etgvglta@mail.ru.

Shvyrev Andrey Nikolayevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electrical Engineering, Heat Engineering and Hydraulics», Voronezh State Forestry Engineering Academy. Ph. (473)253-73-08. E-mail: etgvglta@mail.ru._