Наполненные полимерные композиции для ремонта деталей автотранспортных средств

Ремонт деталей кузовов автомобилей представляет собой относительно сложную технологическую задачу, имеющей целью восстановление эксплуатационных свойств автомобилей. В современной промышленности достаточно широко используются различные полимерные клеевые композиции для соединения различных деталей, герметизации, а для машин с мощной энергетической установкой также для снижения вибрации и звукоизоляции [1–3]. Также широко применяются комбинированные соединения: клеесварные (с точечной сваркой) и клее-клёпанные. При этом основную прочность соединения обеспечивает именно клеевой шов, идущий практически по всей площади поверхности соединения деталей, заклепки и сварные швы часто носят технологический характер: обеспечивают соединение деталей на время полимеризации клея, а также применяются для повышения прочности соединения в местах концентрации напряжений в клеевом шве. Поэтому обычно основными характеристиками, показывающими пригодность клеевой композиции, являются различные прочностные характеристики клеевого соединения.

Основным препятствием для широкого использования указанных технологий при ремонте автомобильных кузовов являются весьма ограниченные возможности по регулирования технологических характеристик клеев в жидком состоянии, в частности вязкости, а также по изменению деформационных и прочностных свойств полимеров в отвержденном состоянии.

Одним из методов регулирования вязкости клея, а также его адгезии является введение дисперсных наполнителей [4]. Представляло практический интерес изучить влияние наполнителя на характеристики прочности клеевого соединения.

Как известно [5] способы испытаний конструкционных материалов, в том числе и клеевых соединений, делятся по характеру получаемого результата на две группы:

• -    первая группа предусматривает испытания образцов в предположении макросплошности конструкционного материала. Она основана на понятии "среднее напряжение", предполагающем, что опасное состояние образца клеевого соединения определяется средним значением

нормального или касательного напряжения в сечении клеевого слоя; цель испытания – определение таких напряжений. Эти испытания являются наиболее распространенными, как правило, они стандартизованы. Эти методы позволяют определять прочность при действии либо нормальных, либо касательных напряжений. Практическая значимость результатов этих методов ограничена, так как в реальных клеевых соединениях, как правило, действуют одновременно нормальные и касательные напряжения, что требует применения одной из гипотез прочности, применимость которой к клеевому соединению требует обоснования.

• -    вторая группа предусматривает испытания образцов, содержащих трещины или трещиноподобные дефекты, создающие разрывы сплошности материала и вызывающие предельно высокую концентрацию напряжений в окрестности трещин и дефектов, например, таким дефектом является участок с отсутствием адгезии по причине загрязнения части поверхности одной из соединяемых деталей. Испытания этой группы основаны на концепциях механики трещин. Практическая ценность таких испытаний заключается в возможности оценки опасности различных дефектов, а также зон с высокой концентрацией напряжений.

Все эти испытания дают возможность подбирать состав клеевой композиции, контролировать технологический процесс, выполнять работы по обнаружению, оценке и устранению опасных дефектов. Учет условий и характера разрушения помогает при анализе причин разрушения клеевых соединений.

В настоящей работе используются оба вышеуказанные подхода.

Известно, что воздействие наполнителей на адгезионные свойства полимеров носит сложный характер, что не позволяет дать общих рекомендаций по выбору того или иного наполнителя. Одни и те же наполнители повышают адгезию одних полимеров и снижают адгезию других. Также известна принципиальная возможность повышения трещиностойкости гетерогенных систем по сравнению с гомогенными системами, поскольку гетерогенность способствует дополнительной диссипации энергии, затрачиваемой на продвижение трещины, и ее блокированию на включениях путем образования большого числа микротрещин вместе с тем модели, позволяющие оценивать трещиностой-кость гетерогенные систем недостаточно разработаны даже для хрупких материалов [6].

Предполагается, что введение частиц наполнителя повышает трещиностойкость материала, если трещиностойкость наполнителя, а также соединения наполнителя с матрицей выше трещиностойкости полимерной матрицы.

Исследовались клеевые композиции «Спрут – 5М», «Спрут – 9М» со следующими наполнителями: стеклянный порошок, портландцемент, порошкообразный графит и алюминиевая пудра, как наиболее доступные и поэтому наиболее употребляемые. Применялся микроскопический метод оценки формы и размеров частиц наполнителя. Частицы алюминиевой пудры и графита имели чешуйчатую форму. Формы поверхности частиц портландцемента и стеклянного порошка близки к сферической. Распределения величин диаметров эквивалентных сфер частиц наполнителей показаны на рис. 1.

Результаты прочностных испытаний представлены на рис. 2 – 5. Как видно введение графита сникает трещиностойкость клеевого соединения, а введение алюминиевой пудры снижает трещиностойкость и прочность при нормальном отрыве. Разрушение всех образцов с алюминиевой пудрой происходило когезионно. Это, вероятно, вызвано малой трещиностойко-стью графита и слабой адгезией клеев к алюминию, что, вероятно, связано с наличием на поверхности окисной пленки. Таким образом, слабая адгезионная связь наполнителя и связующего является причиной повышения хрупкости наполненного полимера.

При введении в клей стеклянного порошка и портландцемента обнаружено повышение трещиностойкости и прочности клеевого соединения при отрыве в некоторых диапазонах концентрации наполнителя. Снижение величины трещиностойкости происходит при концентрации портланд-цемента свыше 30%, а при концентрации стеклянного порошка 40 – 45% прекращается рост величины трещиностойкости и обнаружена тенденция к ее снижению. При этих же концентрациях наполнителя происходит переход от когезионного разрушения к адгезионному, как в испытаниях на трещиностой-кость, так и на равномерный отрыв.

Разрушение происходило частично по поверхности раздела клея и металла. Характер кривых (1) в диапазоне 25-35 % на рис. 2 и 3 позволяет предположить возможность дальнейшего повышения трещиностойкости полимерного материала со стеклянным порошком, однако для клеевого соединения эта возможность не монет быть реализована и величина трещино-стойкости клеевого соединения ограничена тре-щиностойкостью адгезионного разрушения. Причем, как это видно по кривым (2) тех же рисунков некоторые наполнители в высокой

Наполненные полимерные композиции для ремонта деталей автотранспортных средств концентрации способны снижать трещиностой-

Рисунок 1 - Распределение величия диаметров эквивалентных сфер частиц наполнителей: а) – портландцемента, б) – алюминиевой пудры, в) – графита, г) – стеклянного порошка.

Рисунок 2 - Зависимость трещиностойкости от содержания наполнителя: клеевая композиция "Спрут-5М"; наполнители: 1 – стеклянный порошок;

2 – портландцемент; 3 – графит; 4 – алюминиевая пудра

Рисунок 3 - Зависимость трещиностоикости от содержания наполнителя: клеевая композиция "Спрут-9М"; наполнители: 1 – стеклянный порошок, 2 – портландцемент, 3 – графит, 4 – алюминиевая пудра

Рисунок 4 - Прочность клеевого соединения при нормальном отрыве: клеевая композиция «Спрут-9М"; наполнители: 1 – стеклянный порошок, 2 – портландцемент; 3 – графит; 4 – алюминиевая пудра

весовое содержание наполнителя, %

(трещиностойкости до 17 %, прочности при отрыве до 32 %), однако во всех случаях практически совпадали концентрации наполнителя соответствующие максимуму прочностных характеристик и когезионно-адгезионному переходу.

Влияние наполнителей на прочность клеевого соединения при сдвиге более слабое по сравнению с влиянием на прочность при отрыве и трещиностойкость; достаточно ярко выраженного максимума точности не обнаружено. Вероятно, стандартное испытание на сдвиг (ГОСТ 14759-69) не позволяет достаточно точно выявить влияние наполнителя на прочность клеевого соединения. Основания для такого предположения следующие. В стандартном образце для испытаний на сдвиг имеет место значительная концентрация напряжений, намного превосходящая концентрацию напряжений в стыковом соединении. В этих условиях величина разрушающей нагрузки зависит от соотношения жесткостей клеевого шва и соединяемых элементов, а также от пластичности клея. Эти характеристики заметно меняются при введении в клей наполнителей, следовательно, при различных концентрациях наполнителя не обеспечиваются идентичные условия испытаний. С нашей точки зрения это указывает на необходимость внесения изменений в методику испытания клеевых соединений при сдвиге.

Таким образом, можно сделать вывод, что оптимальная с точки зрения прочности, концентрация наполнителя в клее соответствует точке когезионно-адгезионного перехода, которая гложет быть определена в испытаниях на отрыв или трещиностойкость.

Рисунок 5 - Прочность клеевого соединения при нормальном отрыве: клеевая композиция «Спрут-5М»; наполнители: 1 – стеклянный порошок;

2 – портландцемент; 3 – графит; 4 – алюминиевая пудра

Рисунок 5 - Прочность клеевого соединения при сдвиге: клеевые композиции 1 - «Спрут-9М», 2 – «Спрут-5М»; наполнитель – стеклянный порошок

Следует отметить, что при испытании образцов изготовленных из разных партий клеев имел место заметный разброс результатов