СПОСОБ ПРИКРЕПЛЕНИЯ ПОЛОСЫ ГИБКОГО ЛИСТОВОГО МАТЕРИАЛА К ОСНОВЕ
METHOD OF ATTACHING FLEXIBLE SHEET MATERIAL STRIP TO SUBSTRATE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к способу приклеивания полосы гибкого листового материала, по меньшей мере, к одной гибкой или жесткой основе, причем этот листовой материал и эта основа содержат, по меньшей мере, один тонкий металлический лист, например из алюминия, приклеенный как прослойка между двумя тканями из стекловолокна, при этом связующий материал обеспечивает сцепление (когезию) между тканями из стекловолокна и алюминием.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Этот способ приклеивания предназначен в особенности для применения в случаях, когда указанные полосы и основы подвергаются значительным нагрузкам, а именно термическим и/или растягивающим нагрузкам.
Конкретным примером применения, при котором указанные полосы и основы подвергаются такой растягивающей нагрузке, является их применение для изготовления изолированной и герметичной стенки резервуара, встроенного в несущую конструкцию, например, в корпус судна.
Указанные резервуары используются, например, на танкерах для транспортировки сжиженного газа. Они должны быть абсолютно герметичными и достаточно изолированными, чтобы содержать сжиженный газ при низкой температуре и ограничивать его испарение.
Эти стенки состоят из двух последовательных герметичных перегородок, первая из которых находится в контакте с продуктом, содержащимся в резервуаре, а вторая расположена между первой перегородкой и несущей конструкцией, причем эти две перегородки чередуются с двумя теплоизолирующими слоями.
Так, известны стенки резервуара, состоящие из первого изолирующего слоя из пеноматериала, соединенного с первой перегородкой из нержавеющей стали, и второго изолирующего слоя из пеноматериала, соединенного со второй гибкой или жесткой перегородкой. Указанная вторая перегородка содержит, по меньшей мере, один тонкий непрерывный металлический лист, например из алюминия, приклеенный как прослойка между двумя тканями из стекловолокна, причем связующее вещество обеспечивает сцепление (когезию) между тканями из стекловолокна и алюминием.
Второй изолирующий слой расположен со стороны корпуса судна.
Также существуют стенки, содержащие первый изолирующий слой из пеноматериала, соединенный с перегородкой, изготовленной из материала, известного под торговым наименованием «Инвар», и второй изолирующий слой из пеноматериала, соединенный со второй гибкой или жесткой перегородкой, содержащей, по меньшей мере, один металлический лист, например из алюминия, приклеенный как прослойка между двумя тканями из стекловолокна, причем связующее вещество обеспечивает сцепление (когезию) между тканями из стекловолокна и алюминием. Инвар представляет собой сталь, содержащую 36% никеля, термически стабильную при температурах от -200°С до +400°С.
Изолирующие и герметичные стенки этих резервуаров изготавливаются из комплекта сборных панелей, содержащих последовательно между двумя жесткими листами второй теплоизолирующий слой, вторую герметичную перегородку и первый теплоизолирующий слой. Затем первая герметичная перегородка устанавливается на комплект сборных панелей, закрывая несущую конструкцию судна.
Обычно каждая из сборных панелей имеет в основном форму прямоугольного параллелепипеда, причем первый и второй элементы изоляции имеют в плане форму соответственно первого и второго прямоугольников, стороны которых в основном параллельны, причем длина и/или ширина первого прямоугольника меньше, чем второго, в результате чего образуется периферический выступ.
Непрерывность второго изолирующего слоя осуществляется путем прикрепления теплоизолирующего материала между двумя соседними панелями.
Периферические выступы соседних сборных панелей и боковые стенки первых элементов изоляции определяют проходы, которые могут проходить по всей длине, ширине или высоте резервуара.
Для обеспечения непрерывности герметичного слоя, образованного панелями, перед установкой первой перегородки проходы закладываются. Непрерывность первого изоляционного слоя осуществляется путем помещения в проходы плит. Однако для обеспечения непрерывности герметичности второй перегородки в зоне соединения между двумя панелями перед укладкой плит указанные периферические выступы покрываются полосой гибкого листового материала, содержащего, по меньшей мере, один тонкий непрерывный металлический лист.
Монтаж указанных панелей требует строгого соблюдения режимов работы и высокой точности, чтобы обеспечить теплоизоляцию и герметичность резервуара.
Точность приклеивания полосы гибкого листового материала и обеспечиваемая таким образом герметичность соединения между двумя соседними панелями особенно необходимы для получения механических характеристик, позволяющих обеспечить долговременную прочность при нагрузках, действующих непосредственно на соединение панелей.
В действительности, резервуары таких судов подвергаются многочисленным нагрузкам:
- охлаждение резервуара перед его наполнением до очень низких температур, например, приблизительно до -160°С для метана, даже приблизительно до -170°С, создающее деформации в зоне стенки резервуара в результате температурной усадки материалов,
- многочисленные нагрузки, которым судно подвергается во время плавания, такие как волнение, вызывающее деформации его корпуса и, следовательно, как результат, стенок резервуара,
- нагрузки избыточного давления или противодавления на стенки резервуара, создаваемые в результате перемещения груза.
Таким образом, соединения между соседними панелями являются зонами, подвергающимися различным растягивающим нагрузкам, и, следовательно, они должны иметь хорошую долговременную механическую прочность, чтобы не нарушать непрерывность второго герметичного слоя.
Известен способ изготовления второго герметичного слоя в зоне периферических выступов сборных панелей, включающий в себя следующие этапы:
- удаление пыли в зоне приклеивания,
- нанесение эпоксидного или полиуретанового клея на выступы панелей либо шпателем после взятия предварительно взвешенного объема указанного клея в зависимости от смазываемой поверхности, либо при помощи устройства для нанесения клея, такого как описано в заявке на патент FR 20040051648,
- разглаживание клеевого слоя,
- разматывание непрерывной гибкой полосы, поставляемой в рулонах, на покрытые клеем выступы,
- приклеивание уложенной гибкой полосы таким образом, чтобы избежать остаточных пузырей,
- разматывание защитной пленки, например полиэтиленовой, поверх уже уложенной гибкой полосы, чтобы уменьшить проблему разлива клея за пределы гибкой полосы, и, наконец,
- прижим приклеенных полос на время полимеризации клея, причем это время зависит от температуры окружающей среды.
Полоса гибкого листового материала, покрытая защитной пленкой, удерживается под давлением, составляющим приблизительно 0,1-0,2 бар, в зависимости от типа смолы, в течение времени, зависящего от температуры окружающей среды, при которой осуществляется приклеивание.
В таблице приведены эти параметры для двухкомпонентного (а именно, содержащего смолу и отвердитель) эпоксидного клея.
Рабочая температура окружающей среды
15°С
20°С
25°С
30°С
35°С
40°С
Продолжительность прижима, (часы)
12
6
4
3
3
2,25
В Таблице 1 приведена продолжительность прижима приклеенных полос в зависимости от рабочих температур, причем эта продолжительность прижима зависит от времени полимеризации, установленного для двухкомпонентного (смола и отвердитель) эпоксидного клея при отношении отвердитель/смола, составляющем приблизительно 0,55 по массе.
Оказалось, что продолжительность полимеризации может сильно колебаться в зависимости от рабочих температур.
При промышленном использовании способа приклеивания он должен быть воспроизводимым, в противном случае огромные колебания продолжительности приклеивания в зависимости от температуры окружающей среды делают невозможным использование способа в условиях сильно изменяющихся температур. А именно в том случае, когда такой способ приклеивания осуществляется на открытом воздухе или в неотапливаемом помещении, т.е. под воздействием атмосферных колебаний.
Таким образом, в конкретном случае строительства судна для транспортировки сжиженного газа оказывается, что колебания продолжительности прижима и, следовательно, времени полимеризации клея не являются ничтожными на протяжении строительства разных резервуаров, т.е. в течение разных сезонов.
Один из вариантов осуществления указанного способа описан в заявке на патент FR 2004005179 и включает в себя предварительное смазывание клеем гибких полос перед их помещением в зону приклеивания.
Такой способ используется в настоящее время в судостроении при строительстве танкеров для транспортировки сжиженного метана.
Недостаток этого способа состоит в том, что при его использовании разрушение клеевого слоя не является в основном когезионным. На самом деле, контрольные испытания при температуре -170°С показывают неприемлемые значения адгезионного разрушения, хотя значения нагрузок разрушения сдвига и перпендикулярного растяжения являются удовлетворительными.
Далее под адгезионным разрушением подразумевается разрушение клеевого соединения, происходящее на стыке между клеевым слоем и полосой или основой, тогда как под когезионным разрушением подразумевается разрушение клеевого соединения, происходящее в толще клеевого слоя.
Из патента FR 2822815 известны устройство и способ для изготовления второго герметичного слоя в зоне периферических выступов сборных панелей. В этом патенте предлагается либо предварительный нагрев полосы, содержащей термоплавкий клей, для размягчения этого клея, а затем прижим предварительно нагретой полосы для приклеивания, либо вначале прижим полосы, содержащей полимеризующийся клей, а затем нагрев приклеенной полосы для ускорения полимеризации клея.
В соответствии со вторым вариантом осуществления указанное устройство содержит, помимо прочего, средства для разматывания полосы гибкого листового материала в проходе между двумя сборными панелями, нагревающие пластины, предназначенные для приложения к гибкой полосе для инициализации структурирования клея, и охлаждающие пластины, предназначенные для повышения вязкости клея. Недостаток этого устройства состоит в том, что оно является сложным и не устраняет ранее перечисленных недостатков. Кроме того, такое устройство не поддерживает давления на полосу в процессе нагрева.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является устранение перечисленных недостатков.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ приклеивания полосы гибкого листового материала, по меньшей мере, к одной гибкой или жесткой основе, причем указанный листовой материал и указанная основа содержат, по меньшей мере, один тонкий непрерывный металлический лист, приклеенный как прослойка между двумя тканями из стекловолокна, при этом в соответствии с этим способом решаются задачи холодостойкости, когезионного разрушения, и воспроизводимости, и долговременной прочности клеевого соединения.
Более конкретно задачей настоящего изобретения является создание способа приклеивания, обеспечивающего при температурах приблизительно от -160°С до -170°С механическую прочность на сдвиг, по меньшей мере, 3,5 МПа, при температуре -170°С - сопротивление перпендикулярному растяжению более 3 МПа и разрушение когезионного типа.
Для решения этой задачи предлагается способ в соответствии с настоящим изобретением, включающий в себя следующие этапы:
- удаление пыли из зоны склеивания,
- равномерное нанесение слоя полимеризующегося клея, по меньшей мере, на одну из двух склеиваемых поверхностей гибкого листового материала и основы,
- разглаживание указанного слоя клея,
- размещение полосы гибкого листового материала на основе,
- приклеивание уложенного гибкого листового материала таким образом, чтобы избежать остаточных пузырей,
- размещение на указанном гибком листовом материале защитной пленки, предотвращающей разлив клея вокруг указанного гибкого листового материала, причем размеры этой защитной пленки превышают размеры гибкого листового материала.
Способ в соответствии с настоящим изобретением включает в себя последующий этап прижима указанной полосы гибкого листового материала к основе при помощи пресса и одновременного нагрева этой полосы в течение, по меньшей мере, части времени прижима.
Благодаря этим отличиям настоящего изобретения и в особенности соединению прижима с нагревом достигается превосходное качество клеевого соединения, более высокая когезия, и ожидаемое, и систематическое когезионное разрушение.
Предпочтительно, прикладываемое давление составляет приблизительно от 50 до 200 мбар, температура нагрева приклеенной полосы составляет приблизительно от 50 до 70°С и продолжительность нагрева - приблизительно от 1 до 7 часов.
Более предпочтительно, прикладываемое давление составляет приблизительно 100 мбар, температура нагрева приклеенной полосы приблизительно 60°С и продолжительность нагрева от 3 до 4 часов.
Эти параметры нагрева в сочетании с прижимом приклеенной полосы позволяют максимально оптимизировать адгезию, обеспечивая при температуре -170°С механическую прочность на сдвиг более 10 МПа и сопротивление перпендикулярному растяжению при охлаждении, значительно превышающее 3 МПа, и гарантируют воспроизводимость и долговременную прочность клеевого соединения при систематическом когезионном разрушении.
Предпочтительно, после этапа удаления пыли и перед этапом нанесения клея осуществляют размещение на основе вокруг будущей зоны приклеивания полосы гибкого листового материала адгезионных защитных лент для защиты указанной основы от излишнего разлива клея.
Предпочтительно, перед этапом нанесения клея и после размещения адгезионных защитных лент, если они используются, осуществляют плазменную обработку приклеивания.
Плазменная обработка позволяет лучше подготовить поверхность, в особенности в промышленной среде, где существует повышенная опасность загрязнения зон приклеивания, полностью избегая использования дорогих и опасных растворителей. Плазменная обработка также позволяет активировать поверхность, чтобы повысить ее смачиваемость и, кроме того, обеспечить лучшее прилипание клея к поверхности.
В соответствии с другими предпочтительными признаками настоящего изобретения, взятыми отдельно или в сочетании друг с другом:
- этап нанесения клея осуществляют с промежутком, составляющим максимально 3 часа после начала плазменной обработки, или предпочтительно с промежутком, составляющим максимально 90 минут после начала плазменной обработки;
- способ осуществляют при регулируемой температуре окружающей среды, составляющей от 20 до 25°С;
- способ осуществляют при регулируемой атмосфере с относительной влажностью, составляющей максимально 60%;
- способ осуществляют при поддержании температуры клея на момент его нанесения от 25 до 30°С;
- если приклеивание производится с помощью двухкомпонентного эпоксидного клея, этап прижима и нагрева полосы гибкого листового материала осуществляют не более чем через 45 минут после нанесения указанного клея;
- если приклеивание производится с помощью полиуретанового клея, этап прижима и нагрева полосы гибкого листового материала осуществляют не более чем через 15 минут после нанесения указанного клея;
- нагрев приклеенной полосы гибкого листового материала прекращают, по меньшей мере, за 30 минут до конца прижима;
- если полосу гибкого листового материала помещают с перекрытием на две соседние основы, прижим осуществляют путем приложения дополнительного непрерывного давления к зоне указанной полосы, находящейся над линией соединения между двумя основами, таким образом, чтобы создать в этой зоне деформацию полосы, которая проникает в зону соединения и, таким образом, поглощает складки, появляющиеся по длине указанной полосы гибкого листового материала.
В действительности, оказалось, что при нагреве полосы большой длины, например превышающей 2 м, при этом способе образуются складки по длине гибкой полосы, препятствующие приклеиванию. Таким образом, путем размещения указанных гибких полос большой длины с перекрытием на двух соседних основах и приложения непрерывного давления к соединению создается волна, которая входит в указанную зону соединения и, таким образом, поглощает образующиеся складки, причем, поскольку клей еще полностью не полимеризовался, полоса может быть легко натянута снова.
Объединение всех этих факторов позволяет предпочтительным образом оптимизировать и лучше контролировать приклеивание полос из гибкого листового материала, содержащего, по меньшей мере, один тонкий непрерывный металлический лист, приклеенный как прослойка между двумя тканями из стекловолокна к гибкой или жесткой основе, содержащей, по меньшей мере, один тонкий непрерывный металлический лист, приклеенный как прослойка между двумя тканями из стекловолокна.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения указанный способ применяется для изготовления теплоизолирующей стенки резервуара, предназначенного для содержания жидкости, такой как сжиженный газ, встроенного в несущую конструкцию судна, причем эта стенка выполнена путем сборки нескольких сборных панелей, каждая из которых содержит герметичную перегородку, встроенную между двумя слоями теплоизолирующего материала. В соответствии с настоящим изобретением указанная полоса из гибкого листового материала обеспечивает непрерывность герметичности указанной герметичной перегородки в зоне соединения между двумя сборными панелями.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже, исключительно в виде примера, приведено описание со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На Фиг.1 представлены разные этапы способа в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.2 представлены сравнительные графики испытаний на разрушение при сдвиге клеевых соединений, полученных известным способом и способом в соответствии с настоящим изобретением, соответственно.
На Фиг.3 и 4 представлены вид сбоку и вид сверху соответственно опытного образца, использованного при испытаниях по Фиг.2.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг.1 представлены во времени разные этапы способа в соответствии с настоящим изобретением. В соответствии с этим вариантом осуществления настоящего изобретения все параметры оптимизированы для получения клеевого соединения, обладающего оптимальной механической прочностью, все разрушения которого являются систематически когезионными.
Перед началом осуществления способа устанавливают температуру рабочей зоны от 20 до 25°С и внутреннюю влажность 60% и предпочтительно приблизительно 50%, если указанные параметры уже не установлены. Указанные параметры температуры и влажности контролируют на всем протяжении осуществления способа приклеивания полос гибкого листового материала.
Ниже, со ссылкой на Фиг.1, описан конкретный режим осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением.
На первом этапе А осуществляют удаление пыли, например путем отсасывания, таким образом, чтобы гарантировать полную чистоту зоны приклеивания с отсутствием элементов, потенциально вредных для будущего приклеивания.
По окончании удаления пыли на границах зоны приклеивания размещают адгезионные защитные ленты.
Затем, начиная со времени Н1, осуществляют этап В плазменной обработки для дополнительного обеспечения чистоты поверхности и подготовки зоны приклеивания путем активации ее поверхности. Указанный этап В осуществляют после размещения адгезионных защитных лент для исключения всякого воздействия на эту зону перед нанесением клея.
Через промежуток времени Н1-Н2, составляющий максимально 3 часа, предпочтительно максимально 90 минут, начинается этап С нанесения клея, причем указанный период Н1-Н2 определяется временем, в течение которого сохраняется действие плазменной обработки поверхности.
Предпочтительно клей наносят при помощи устройства для создания клеевого валика, такого как описано в заявке на патент FR 20040051648, и затем осуществляют разглаживание указанных нанесенных клеевых валиков. На протяжении этого этапа может осуществляться контроль температуры на выходе устройства для нанесения, чтобы убедиться в том, что температура клея составляет от 25°С до 30°С, и в случае использования двухкомпонентного клея при помощи любых известных специалистам способов, таких как, например, колориметрия, может осуществляться регулярный контроль отношения отвердитель/смола.
Сразу за этапом С начинается этап D размещения полосы гибкого листового материала, приклеивания и размещения защитной пленки, причем этап D заканчивается непосредственно этапом F прижима приклеенной полосы. Промежуток Н2-Н4 между Н2, временем начала этапа С, и Н4, временем начала этапа F, составляет максимально 45 минут при использовании двухкомпонентного эпоксидного клея и 15 минут при использовании полиуретанового клея.
Н4 - время одновременного начала осуществления этапов F и Е. Эти два этапа Е и F осуществляют при помощи общего инструмента для прижима с нагревом, причем нагрев осуществляют независимо от прижима. Таким образом, можно осуществлять нагрев в промежутке времени Н4-Н5 продолжительностью приблизительно 3 часа 30 минут и продолжать прижим в промежутке Н5-Н6 продолжительностью, по меньшей мере, 30 минут. Кроме того, это позволяет клею остыть перед осуществлением этапа G удаления инструмента для прижима таким образом, чтоб получить достаточную вязкость для удаления устройства, не оказывая воздействия на клеевое соединение полосы.
Указанный этап Е осуществляют при температуре нагрева приклеенных полос приблизительно 60°С, а этап F осуществляют при давлении приблизительно 0,1 бар.
Описанный пример осуществления способа не является ограничивающим. В известных случаях можно отменить этап плазменной обработки. Кроме того, те же параметры, этапы и промежутки времени между этапами пригодны при использовании гибких полос листового материала, предварительно смазанных клеем, размещаемых непосредственно в зоне приклеивания.
В случае гибких полос листового материала, приклеенных с перекрытием на две соседние гибкие или жесткие основы, между этапом D и одновременными этапами Е и F осуществляют дополнительный этап, не представленный на Фиг.2. Так, при помощи устройства, установленного в зоне соединения между двумя основами, которое может включаться в указанное соединение и устанавливаться над гибкой полосой и под устройством для прижима, прикладывают непрерывное и достаточное давление к гибкой полосе листового материала для создания деформации указанной полосы в зоне соединения, причем эта деформация необходима для поглощения складок, появляющихся по длине гибкой полосы при ее нагреве. Указанный этап особенно необходим для полос большой длины, например превышающей 2 м.
На Фиг.2 представлены результаты испытаний на сдвиг, проведенных при помощи образцов из алюминия, представленных на Фиг.3 и 4.
Размеры использованных образцов составляют: h1=40 мм, h2=20 мм, L1=85 мм, L2=50 мм и I=50 мм.
Образец полосы гибкого листового материала, содержащего тонкий лист алюминия, толщиной приблизительно 70 микрон, вставленный как прослойка между двумя тканями из стекловолокна, с эластомерным связующим, например на основе полихлоропрена, обеспечивающим когезию между стеклотканью и алюминием, приклеивают на квадратную часть размером 50×50 мм первого образца при помощи полиуретанового клея.
Таким же образом образец жесткой основы, содержащей тонкий лист алюминия толщиной приблизительно 70 микрон, вставленный как прослойка между двумя тканями из стекловолокна, с эластомерным связующим, например на основе полиамида или полиэфира, обеспечивающим когезию между стеклотканью и алюминием, приклеивают на квадратную часть размером 50×50 мм второго образца при помощи полиуретанового клея.
Наконец, между гибким листовым материалом и жесткой основой наносят слой эпоксидного клея, состоящего из двух компонентов - смолы и отвердителя, при отношении отвердитель/смола, составляющем 0,55 по массе.
Испытания проводились при температуре -170°С.
Испытания проводились методом сравнения с использованием известных способов приклеивания (без нагрева) и способа в соответствии с настоящим изобретением.
Кривые представляют вероятность разрушения в зависимости от приложенного усилия сдвига.
Пунктирная кривая представляет результаты испытаний образца, осуществленных с использованием известного способа, а сплошная кривая представляет результаты испытаний образца, осуществленных с использованием способа в соответствии с настоящим изобретением.
Для пунктирной кривой 100% разрушений были адгезионными, тогда как для сплошной кривой 100% разрушений были когезионными. Кроме того, стало очевидно, что прочность на сдвиг выше при использовании способа в соответствии с настоящим изобретением: более чем 7,5-15 МПа при температуре -170°С.
Таким образом, при использовании способа в соответствии с настоящим изобретением полученное клеевое соединение имеет лучшую прочность на сдвиг при температуре -170°С и когезионные разрушения.
Таким образом, способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет получить лучшие результаты по сравнению со способами, при которых сначала осуществляют прижим, а затем нагрев. Даже если такие способы позволяют ускорить полимеризацию клея, они не улучшают ни прочность клея, ни свойства клеевого соединения.
В частности, настоящее изобретением позволяет точно регулировать температуру в процессе прижима, в результате чего устраняется опасность, связанная с колебаниями температур, которые могут иметь место в естественной среде во время осуществления этапов склеивания (особенно зимой). Значительно улучшается однородность клеевого соединения.