ЖИДКИЙ ГЕРМЕТИК ДЛЯ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ШИН ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
LIQUID SEALANT FOR PNEUMATIC TYRES OF VEHICLES

Изобретение относится к эксплуатации пневматических камерных и безкамерных транспортных средств от велосипедов и мотоциклов до легковых и грузовых автомобилей, в частности для большегрузных автомашин и колесных тракторов и других средств на пневматических камерных и безкамерных шинах, работающих в различных климатических зонах, в том числе в полярных регионах крайнего Севера.
Известен герметик для ремонта пневматических шин транспортных средств, защищенный патентом RU №2388781 с приоритетом от 24.09.2007 г., выданный по заявке №2007135702, опубликованный в бюл. №13 10.05.2010 г.
Это изобретение использовано нами в качестве прототипа представляемой заявки на герметик для пневматических шин транспортных средств.
6
7
2
3х
2
x
Данный герметик-прототип представляет собой суспензию, жидкая фаза которой состоит из глицерина, смешанного с 2% водным раствором карбоксиметилцеллюлозы, представляющей собой простой эфир целлюлозы и гликолевой кислоты химической формулы [CHO(OH)(OCHCOOH)] в форме ее натриевой соли - клей КМЦ, например клей КМЦ «Буровой».
2
2
3
В качестве твердой фазы использован тонкий чешуйчатый пластинчатый силикат «аэросил» химического состава SiO×HO и строительный керамзит алюмосиликатного состава, измельченный до более крупных частиц в сравнении с аэросилом - не более 0.5 мм. Готовый герметик имеет плотность 1200-1300 кг/м при следующем соотношении компонентов, мас.%: глицерин 73-74, вода 19-20, клей КМЦ «буровой» 0.4, аэросил 4-5, керемзит 3-4.
В прототипе описан следующий механизм действия герметика. При вращении колеса в шине возникает центробежная сила, создающая гравитационное поле. Под действием этого поля вязкий, но подвижный герметик растекается тонким слоем по всей внутренней рабочей поверхности шины. Толщина этого слоя герметика согласно прототипу должна быть не менее 1 мм. Количество герметика, вводимого в шину, зависит от толщины этого слоя, диаметра шины и ширины внутренней рабочей площади.
Расход герметика на шину определяется формулой:
Q=S·h=π·D·b·h,
3
где Q - расход герметика на шину, дм;
2
S - площадь рабочей внутренней поверхности шины, дм;
π(«пи») - коэффициент безразмерный, представляющий собой отношение длины окружности к диаметру 3,14;
D - диаметр шины внутренний, дм;
b - ширина шины, внутренняя, дм
h - толщина слоя герметика в шине, равная не менее 1 мм или 0,01 дм.
При появлении прокола в шине введенный в шину вязкий герметик под действием давления в шине и центробежной силы, возникающей при вращении колеса, устремляется в образовавшееся отверстие. Здесь начинают застревать в первую очередь более крупные частицы керамзита, создавая в отверстии своего рода решетчатый каркас. Далее в просветах этого каркаса начинают застревать более мелкие чешуйчатые частицы аэросила, которые под действием давления в шине уплотняются и перекрывают все просветы. Вязкость жидкой фазы способствует лучшей герметизации пробки, возникающей в проколе. Как показали испытания, герметизация прокола наступает через 2-6 секунд после образовавшегося прокола. При этом на поверхности шины выступает незначительное количество герметика, поступившего в первые секунды прокола. Единственное, что требуется при проколе, это удаление проколовшего предмета, т.к. его движение при вращении колеса нарушает герметичность образовавшейся при проколе пробки.
Следует отметить, что морозостойкость герметика определяется составом и температурой замерзания жидкой фазы герметика.
Состав жидкой фазы герметика-прототипа можно вычислить из состава, приведенного выше и отраженного в формуле изобретения. Для этого отбрасываем компоненты, не входящие в состав жидкой фазы, и за 100% принимаем оставшиеся компоненты - глицерин (74% и вода 20%). Сумма этих компонентов в жидкой фазе составляет 74+20=94%.
Исходя из этого массовая доля глицерина в жидкой фазе составляет 74·100:94=78,72 мас.% и воды 20·100:94=21,13 мас.%. От состава жидкой фазы зависит его замерзаемость, т.е. морозостойкость герметика.
Этот параметр просчитан по приведенной номограмме 2 на фиг.1 для расчета температуры замерзания водных растворов глицерина в жидкой фазе герметика. Выведенная нами номограмма отражает зависимость температуры замерзания жидкой фазы герметика от содержания в ней глицерина (мас.%). Отметим, что рабочая температура герметика (его морозостойкость) определяется температурой замерзания его жидкой фазы.
Первым недостатком прототипа является его сравнительно низкая морозостойкость. Как показали проведенные нами исследования, температура замерзания 78,72 мас.% - водного раствора глицерина составляет порядка минус 23-24°С. Поэтому герметик прототипа может использоваться в летнее время, а в зимний период только в южных регионах России в период отсутствия морозов ниже минус 24°C.
3
3
3
Вторым недостатком прототипа является использование в качестве более крупной твердой фазы измельченного строительного керамзита с крупностью частиц не более 0,5 мм. Как установлено нами, плотность порошка керамзита без пор в полученных частицах составляет 1600-1700 кг/м, а плотность жидкой фазы, в которой он находится, составляет около 1120 кг/м, имея большую плотность на 1600-1200=400 кг/м.
Вязкость жидкой фазы и наличие в ней мелких частиц аэросила в определенной мере снижают осаждение частиц керамзита под действием гравитационного поля земли, однако гравитационное поле, возникающее при вращении шины за счет центробежных сил, ускоряет время осаждения частиц керамзита. Поэтому при длительных пробегах транспортного средства в слое герметика, лежащего на внутренней поверхности шины, образуется уплотненный слой осадка крупной фракции твердой фазы керамзита (происходит расслоение герметика). Это приводит к тому, что данная фракция твердого наполнителя становится малоподвижной и перестает участвовать в процессе герметизации проколов в шине.
Для устранения отмеченных недостатков прототипа предлагается получение нового технического результата, заключающегося в следующем:
1. В повышении морозостойкости герметика от минус 30°C до минус 46°C, что позволит использовать его в северных регионах России.
2. В предотвращении осаждения более крупной твердой фракции в гравитационном поле, создаваемом вращающимся колесом.
Морозостойкость герметика определяется величиной температуры замерзания жидкой фазы герметика, когда исчезает его подвижность в шине. Предлагаемое повышение морозостойкости герметика от минус 30°C до минус 46°C обеспечивается, как выявлено нами, изменением массовой доли глицерина в жидкой фазе.
Как видно из прилагаемых номограмм 1 и 2 на фиг.1, морозостойкость герметика в диапазоне от минус 30°C до минус 46,5°C обеспечивается возрастанием массовой доли глицерина в жидкой фазе герметика с 56 мас.% до 66,7 мас.%. При дальнейшем возрастании массовой доли глицерина морозостойкость герметика падает с минус 46,5°C при 66,7 мас.% глицерина до минус 30°C при массовой доли глицерина в жидкой фазе 75 мас.% (см. номограмму 2 на фиг.1).
По экономическим соображениям (меньший расход глицерина) целесообразно использование для изготовления герметика первого варианта диапазона концентраций глицерина с 56 мас.% до 66,7 мас.% для получения его морозостойкости от минус 30°C до минус 46,5°C. Поэтому этот признак нами внесен в первый независимый пункт формулы как отличительный существенный признак. А второй диапазон концентраций глицерина в жидкой фазе герметика с 66,7 мас.% до 75 мас.%, обеспечивающий снижение морозостойкости герметика с минус 46°C до минус 30°C, мы отнесли в зависимый пункт как несущественный признак.
3
При поиске химически инертного вещества в качестве более крупной фракции твердой фазы герметика мы исходили из того, чтобы это вещество имело плотность, близкую к плотности жидкой фазы герметика 1100-1200 кг/м, чтобы оно было гидрофильным и хорошо смачивалось жидкой фазой, чтобы оно было в определенной степени прочным.
Мы пришли к выводу, что этим требованиям удовлетворяет оболочка зерна зерновых культур и наиболее приемлема оболочка рисовых зерен благодаря шероховатости ее поверхности, гидрофильности, слабой набухаемости в водных растворах, достаточной механической прочности и плотности, близкой к плотности жидкой фазы герметика.
В качестве такого вещества была использована измельченная рисовая полова (рисовая шелуха).
Признак «крупность частиц половы» связан с величиной внутреннего прохода в вентиле шин, через который накачивают шины. Как указано в ГОСТе 8107-75 на вентили (входной патрубок шины) для пневматических камер и шин постоянного давления (общие технические условия) диаметр проходного отверстия, которое располагается в конце золотника, мало меняется в вентилях для разнообразных шин транспортных средств и составляет по нашим замерам около 3,5 миллиметра, но эти отверстия бывают и несколько больших размеров. При заливке герметика в шину необходимо, чтобы частицы половы не застревали в вентиле, поэтому их размер должен быть не более проходного отверстия. Этот признак не влияет на герметизацию прокола, поэтому мы посчитали его несущественным признаком и отнесли его в зависимый пункт формулы с формулировкой «менее 4-х миллиметров». Эта измельченная полова была использована нами в представленных ниже примерах.
Механизм протекания процесса герметизации прокола в шине аналогичен описанному в прототипе. Отличием является то, что вместо керамзита использована зерновая полова (шелуха зерен). В данном случае к месту образовавшегося прокола под действием давления воздуха в шине и центробежной силы вращения колеса устремляются пластинки шелухи вместе с потоком жидкой фазы герметика, которые накладываются друг на друга, образуя своего рода силовой армированный каркас, в просветах которого застревают чешуйки аэросила. При этом эти частички током герметика доставляются именно к местам отверстий, герметизируя их, создавая герметичную пробку. Лежащий в основании пробки силовой армированный каркас из рисовых чешуек с шероховатой поверхностью препятствует разрушению пробки при движении машины.
При нарушении герметичности пробки ее герметичность восстанавливается автоматически путем устремления потока герметика с твердой фазой к местам нарушения герметизации. Вязкость герметика и быстрота самостоятельной герметизации прокола обеспечивают минимальные потери герметика.
Благодаря высокой инертности компонентов герметика его свойства в процессе эксплуатации практически не изменяются, в то же время он благотворно воздействует на поверхность резины благодаря пассивации процессов старения резины глицерином.
Расход герметика на шину
Расход герметика на шину определяется толщиной слоя герметика, диаметром шины и шириной рабочей части шины.
Мы пришли к заключению, что параметры шины можно устанавливать, измеряя диаметр и ширину наружной поверхности шины. В этом случае толщина слоя герметика окажется больше 1 мм. Это обеспечивает надежный приток герметика к месту прокола шины.
Расчет количества герметика на шину определяют по формуле
Q=π·D·b·h,
3
где Q - объем герметика, дм;
D - наружный диаметр шины, дм;
В - ширина наружной рабочей части шины, дм;
h - толщина слоя герметика в шине при вращении колеса 0,010 дм;
π - безразмерный коэффициент, представляющий собой отношение длины окружности к ее диаметру, равное 3,14.
Примеры практического осуществления изобретения
Исходные компоненты:
3
1. Глицерин дистиллированный марки ПК, плотность 1248 кг/м, в котором массовая доля чистого вещества составляет 95,1 мас.%.
2. Вода водопроводная питьевая.
3. Клей КМЦ «Буровой». Массовая доля воды 15%; массовая доля основного вещества в абсолютно сухом техническом продукте 48%. Динамическая вязкость 2% раствора КМЦ составляет 60-100 мПа/с.
4. Аэросил марка АМ-1-300:
средний размер частиц 5-20 нм (0,005-0,02 мкм);
массовая доля диоксида кремния в пересчете на прокаленный технический продукт 99,9%;
3
насыпная плотность неуплотненного продукта 40-60 кг/м;
2
удельная поверхность аэросила 300 м/г.
5. Рисовая полова (рисовая шелуха) воздушносухая, измельченная до крупности менее 4 мм.
Пример 1.
Приготовление герметика морозостойкостью до минус 32°C.
1. Приготовление жидкой фазы герметика.
Массовая доля глицерина, согласно номограмме 1 на фиг.1, должна составлять 58 мас.% и массовая доля воды 42 мас.%.
Для эксперимента была использована навеска товарного 95,1 процентного глицерина массой 2 кг=2000 г.
В этой массе содержалось чистого глицерина массой 2000·0,951=1902 г и воды 2000·0,049=98 г. Массовая доля компонентов в жидкой фазе этого герметика должна составить: глицерин 58 мас.% (см. фиг.1 номограмма 1) и вода 42 мас.%. Для эксперимента отвешено 2000,0 г товарного глицерина. В этой массе товарного продукта глицерина содержится 2000,0·0,951=1902 г, а масса воды в отвешенной навеске продукта составляет 2000·0,049=98 г.
Для вычисления массы воды, необходимой для смешения с 2 кг товарного глицерина с получением жидкой фазы с массовой долей глицерина 58 мас.% и воды 42 мас.%, находим коэффициент пересчета массы глицерина в массу воды путем деления массовой доли воды на массовую долю глицерина К=42:58=0,72.
Массу воды для смешения с 2 кг товарного глицерина находим умножением массы глицерина (чистого) содержащегося в 2-х килограммах навески товарного глицерина на найденный коэффициент: 1902·0,72=1369,4 г.
Но в товарном глицерине уже есть 98 г воды, поэтому найденную массу воды уменьшаем на 98 г: 1369,4-98=1271,4 г.
Для приготовления избранной жидкой фазы отвешиваем в пластиковый баллон 2000 г глицерина и приливаем к нему 1271 г отвешенной воды.
3
3
Полученную смесь хорошо перемешиваем и определяем плотность полученной жидкой фазы с помощью пикнометра объемом 1 дм. Найденная плотность оказалась равной 1148 г/дм, что соответствует по номограмме 3 на фиг.2 58 мас.% глицерина. По номограмме 1 на фиг.1 морозостойкость приготовленной жидкой фазы составляет минус 32°C.
2. В полученную жидкую фазу массой 3271 г вносим навеску измельченной и просеянной через сито с отверстиями 3 мм рисовой половы массой 20 г. Смесь перемешали блендером и поставили на ночь для набухания.
3. Через сутки было установлено, что основная масса половы опустилась на дно, а часть плавала на поверхности и в объеме жидкой фазы. В эту смесь ввели навеску клея КМЦ «Буровой» массой 40 г. Смесь перемешали блендером и оставили на ночь.
4. Утром смесь вновь перемешали и ввели в нее навеску аэросила массой 100 г. После этого смесь вновь перемешали блендером и оставили на ночь.
3
3
Утром готовый герметик перемешали и измерили его плотность с помощью пикнометра объемом 1 дм. Плотность готового герметика оказалась равной 1159 г/дм.
Общая масса готового герметика составила:
жидкая фаза 3271 г + 20 г половы + 40 г клея КМЦ + 100 г аэросила,
всего общая масса составила 3431 г.
Массовая доля компонентов в готовом герметике составила, мас.%:
глицерин - 55,4; вода - 39,9; полова - 0,58;
клей КМЦ «Буровой» - 1,17; аэросил - 2,91.
Пример 2.
Приготовление герметика морозостойкостью минус 46°C.
1. Приготовление жидкой фазы герметика с массовой долей глицерина, равной 66,7 мас.%, и массовой долей воды 100-66,7=33,3 мас.%. Исходный товарный глицерин согласно приложенному сертификату содержит чистого 100%-го глицерина 95,1% и 100-96,1=4,9% воды.
Для эксперимента была взята навеска товарного глицерина массой 2000 грамм. В этой массе содержится глицерин в количестве 2000·0,951=1902, глицерина и 2000·0,049=98 г воды. Необходимо составить жидкую фазу с массовой долей глицерина 66,7 мас.% и воды 33,3 мас.%. Для вычисления массы воды, необходимой для 1902 г глицерина в навеске, чтобы получить массовую долю глицерина 66,7 мас.%. Для этого находим коэффициент расхода воды на единицу массы глицерина путем деления массовой доли воды на массовую долю глицерина:
К=33,3:66,7=0,499.
3
Масса воды, добавленной к 1902 г. глицерина, составила 1902·0.499=949,1 г. Во взятой навеске глицерина уже содержится 98 г воды, поэтому расчетное количество воды уменьшаем на 98 г: 949,1-98=851,1 г воды. На весах отвешиваем навеску водопроводной воды массой 851 г и смешиваем ее с навеской глицерина в пластмассовом баллоне. Масса приготовленной жидкой фазы герметика составила 2000 г глицерина товарного плюс 851 г воды равно 2851 г. Замеряем плотность полученной жидкой фазы с помощью пикнометра объемом 1 дм.
3
Плотность приготовленной жидкой фазы оказалась ровной 1175 г/дм. По номограмме 3 на фиг.2 эта плотность соответствует массовой доле глицерина 68 мас.%, что по номограмме 2 на фиг.1 соответствует морозостойкости жидкой фазы минус 44°C. Для намеченной морозостойкости минус 46,5°C массовая доля глицерина должна была быть 66,7 мас.%, т.е. приготовленная жидкая фаза по массовой доле глицерина оказалась на 68-66,7=1,3% больше. По-видимому, это было связано с тем, что в использованном товарном глицерине глицерина оказалось больше заявленного в сертификате.
Для приведения содержания глицерина с 68 мас.% до 66,7 мас.% нужно снизить концентрацию глицерина на 1,3 мас.%. Для этого в жидкую фазу добавляем воду массой в 1,3% от взятой массы: 851·1,3:100=11,3~11 г.
К общей массе жидкой фазы добавляем 11 г отвешенной массы воды и получаем 2851+11=2862 г.
3
Замеряем плотность полученного раствора, она оказалась равной 1172 г/дм. По номограмме 3 на фиг.2 эта плотность соответствует массовой доле глицерина 67 мас.%, а по номограмме 2 на фиг.1 морозостойкость приготовленной жидкой фазы составляет минус 46°C. Принимаем полученную морозостойкость жидкой фазы и продолжаем эксперимент.
2. В полученную жидкую фазу массой 2862 г добавляем 20 грамм измельченной и просеянной через сито с отверстиями 3 мм рисовой половы. Полученную смесь перемешиваем блендером и оставляем на ночь для набухания. Утром обнаруживаем, что часть половы оказалась плавающей на поверхности и в объеме жидкой фазы, а меньшая часть - на дне сосуда, что говорит о близости плотности половы к плотности жидкой фазы.
3. В полученную смесь добавляем 25 г клея КМЦ «Буровой», перемешиваем блендером и оставляем на ночь для полного растворения клея.
4. Утром в полученную смесь добавляем 75 г аэросила, перемешиваем блендером и оставляем на ночь.
3
Утром смесь перемешиваем и определяем плотность готового герметика в пикнометре. Плотность герметика оказалась равной 1184 г/дм. Общая масса приготовленного герметика составила: 2862 г масса жидкой фазы + 20 г половы + 25 г клея КМЦ + 100 г аэросила, всего 2982 г, и эту массу принимаем за 100%.
Массовая доля компонентов в полученном герметике морозостойкостью минус 46°C составила мас.%: глицерин - 63,4; вода - 32,2; полова - 0,67; клей КМЦ - 0,84; аэросил - 2,52.
3
В представленных примерах 1 и 2 описано получение герметика в граничных условиях морозостойкости от минус 32°C до минус 46°C, определяемых массовой долей глицерина в жидкой фазе от 56 мас% до 67 мас %. При этом плотность жидкой фазы герметика изменяется от 1140 до 1172 кг/м.
3
Плотность готового герметика при этом изменяется от 1140 до 1200 кг/м.
Массовая доля компонентов в готовом герметике морозостойкостью от минус 32°C до минус 46°C изменяется в пределах, мас %:
глицерин 55-63; вода 40-32; клей КМЦ «Буровой» 1,17-0,84;
полова 0,58-0,67; аэросил 2,9-2,52.
Испытание герметика
Для испытаний был использован приготовленный в примере 2 герметик морозостойкостью минус 46°C. Из двух шин легкового автомобиля одна шина была безкамерная, а другая с камерой.
3
В каждую шину было введено по расчету 0,3 дм герметика. Колеса с этими шинами были поставлены на легковой автомобиль, накачаны до 0,2 МПа и прокатаны для смазки внутренней рабочей поверхности шин. Затем осуществили прокол каждой шины острым стержнем диаметром 6 мм.
После прокола на поверхностях шин выступило небольшое количество герметика через 0,5-1 мин после прокола и незначительно снизилось давление в шинах до 1,95 в шине безкамерной и до 1,9 в шине с камерой. Затем шины были подкачаны до первоначального давления 0,2 МПа, и автомобиль экусплуатировался в течение 2-х месяцев с периодическим замером давления в шинах.
За все два месяца при эксплуатации автомобиля давление в обеих шинах не уменьшалось ниже 0,2 МПа. Таким образом, герметик оказался полностью работоспособным.
Эффективность предлагаемого герметика заключается в следующих его достоинствах:
- компоненты, используемые в герметике, химически инертны и практически не изменяются во времени, обеспечивая многолетнюю работу герметика без изменения его свойств;
- компоненты герметика доступны, среди них нет экзотических, что существенно влияет на доступность его цены;
- компоненты герметика безвредны для человека, они пожаро- и взрывобезопасны;
- благодаря высокой морозостойкости с минус 30°C до минус 46°C герметик может найти широкое применение в холодных северных регионах РФ, где работают многочисленные транспортные средства.
Можно отметить ряд положительных эффектов при использовании разработанного нами герметика:
- главный эффект, получаемый при превентивном введении герметика в шины автомобиля, заключается в безопасности движения автомобиля, т.к. герметик предотвращает потерю управления автомобилем при получении прокола шины на большой скорости;
- при использовании герметика отпадает необходимость экипирования автомобиля запасным колесом;
- превентивное введение герметика в шины автомобиля не только предотвращает аварийные ситуации, но и избавляет водителя от необходимости проведения ремонта шины в дорожных условиях, особенно на морозе.