Свойства эпоксидных смол. Применение

В практике ремонтного производ­ства для восстановления изношенных деталей узлов трения, неподвижных сопряжений и соединений, устранения различных трещин, а также для изготовления технологической оснастки применяются различные заливочные композиции на основе эпоксидных смол ЭД-5 и ЭД-6.

В качестве пластификатора эпо­ксидных смол чаще всего применяет­ся дибутилфталат. Однако дибутилфталат — инертный пластификатор, не вступающий в химическое взаимодействие ни с эпоксидной смолой, ни с ее отвердителями. Оставаясь в отвержденных компаундах он в виде жидкой фазы, заполняет неплотности в структуре, увеличивает число не­связанных молекул, всегда находя­щихся в клеевой массе, препятствует образованию необходимого количе­ства адгезионных связей, так как ак­тивные центры на поверхности метал­ла занимают более подвижные моле­кулы дибутилфталата.

Пластифицирующее их действие оказывается кратковременным: ввиду выпотевания дибутилфталата отвержденный компаунд быстро стареет, в нем развиваются усадочные напряже­ния, способствующие отрыву нане­сенных покрытий от основания, не сохраняется эластичность покрытий в эксплуатационных условиях. Тепло­стойкость такого компаунда низкая, поэтому он непригоден для восста­новления деталей, работающих при повышенных температурах, например блоки цилиндров.

Таким образом, модификация эпо­ксидных смол неполимеризующимися материалами можно рассматривать как «внешнюю» пластификацию.

Основным путем пластификации эпоксидных смол, как и других сетча­тых полимеров, должна быть «струк­турная» или «внутренняя» пластифи­кация, достигаемая за счет меньшего количества поперечных связей между цепями макромолекул.

Рекомендуемые некоторыми автора­ми активные разбавители (алифатиче­ские эпоксидные смолы марок ДЭГ-1, ТЭР-1, МЭГ-1, смолы на основе этриола ЭЭТ-1 и др.) придают эпо­ксидным смолам вместе с определен­ными положительными свойствами (повышенная эластичность полимера без значительного ухудшения прочно­сти) низкую водостойкость, недоста­точную жизнеспособность составов и несколько пониженную теплостой­кость полимера.

По мнению других авторов, луч­шими пластификаторами эпоксидных смол могут быть полиэфиры и низко­молекулярные эластомеры (тиоколы, карбоксилатные каучуки и др.), осу­ществляющие внутреннюю пластифи­кацию и химически взаимодействую­щие с эпоксидной смолой. Правда, не­которые авторы считают, что поли­эфирная смола МГФ-9 и тиокол не образуют химических связей с эпо­ксидной смолой или же число их слишком мало для создания единой трехмерной структуры.

Необходимо отметить также, что у модифицированных полиэфирами и полисульфидными каучуками (тиоколами) эпоксидных смол пониженные теплофизические показатели и отно­сительно низкая стойкость в химиче­ски агрессивных средах.

Значительный интерес представляет модификация эпоксидных смол фурановыми соединениями. Фурановые смолы относятся к термореактивным смолам. Это одни из самых эконо­мичных, теплостойких и химически стойких смол, выпуск их освоен про­мышленностью. Однако большая хруп­кость и невысокая адгезия к металлу не позволяют использовать их в чистом виде в качестве связующего для получения клеевых композиций.

В лабораториях Гомельского госу­дарственного университета были про­ведены исследования по модифика­ции эпоксидных смол ЭД-5 и ЭД-6 фурфуролацетоновыми мономерами ФАМ и ФА (МРТУ 6-05-945—64).

Мономеры ФАМ и ФА — маловяз­кие жидкости светло-коричневого цве­та с характерным запахом ржаного хлеба, удельный вес их 1,09— 1,17 г/см3, характеризуются высокой стабильностью и могут храниться длительное время. При замерзании и последующем отогреве мономеры не теряют своих свойств.

Эпоксидные смолы ЭД-5 и ЭД-6, совмещенные с мономерами ФА и ФАМ, имеют невысокую начальную вязкость, что позволяет вводить зна­чительное количество наполнителей, обладают хорошей пропитывающей способностью, более низкой экзотермичностью отверждения в случае ис­пользования аминных отвердителей. Кроме того, у них повышенные тепло­стойкость и механические характеристики.

Были изучены композиции на осно­ве ЭД-5 и мономера ФАМ. При ис­пользовании мономера ФА техноло­гические свойства композиций анало­гичны, как и с мономером ФАМ, однако в отвержденном состоянии их некоторые механические характери­стики понижены на 4—7%.

Для совмещения использовали смо­лы в состоянии поставки с содержа­нием влаги 0,5—0,6%.

Приготовление связующего произ­водится следующим образом. В подо­гретую в водяной или масляной бане до 60—70° С эпоксидную смолу вво­дят подогретые до этой же темпера­туры фурановые мономеры, количе­ство которых должно быть отвешено заранее. Перемешивание продолжает­ся в течение 20—30 мин, после чего смеси дают остыть и она готова к употреблению. В случае применения механической мешалки, чтобы не бы­ло вспенивания, скорость вращения ее должна быть не более 50— 80 об/мин. Наполнители можно вво­дить в конце перемешивания, но от­вердитель в нагретую смолу вводить нельзя, так как это приведет к уско­ренному отверждению и образованию «козла».

Для холодного отверждения эпоксидно-фурановых смол применяется общий отвердитель — полиэтиленполиамин (ПЭПА). Перед приготовле­нием композиций необходимо прове­рить качество отвердителя, так как длительное хранение, особенно в от­крытых сосудах, приводит к умень­шению его реакционной способности. Предварительными исследованиями было установлено, что ПЭПА отверждает фурановые мономеры с образо­ванием твердых продуктов, глубина отверждения и механическая прочность которых увеличиваются с повы­шением температуры отверждения.

Поскольку механические свойства связующего оказывают решающее значение на эксплуатационные харак­теристики компаунда, были проведе­ны специальные исследования для выбора оптимального варианта соот­ношения компонентов в зависимости от режима отверждения (рис. 1).

dhdhudhndhnydhdhndh196

Рис. 1. Зависимость предела прочности при сжатии (а) и твердости по Бринелю (б) от содержания мономера ФАМ при различных температурах отверждения

dhdhudhndhnydhdhndh197

Рис. 2. Зависимость предела прочно­сти при сжатии и твердости по Бринелю от содержания наполнителей — «огарка» (сплошные линии) и талька (пунктирные)

В связи с тем что с повышением температуры увеличивается глубина отверждения как фурановых, так и эпоксидных смол, оптимальное содер­жание ФАМ в композиции сдвигает­ся в большую сторону и при 150° равно примерно 80—90 вес. ч. Этот фактор следует учитывать при вос­становлении деталей, работающих при повышенных температурах, так как в процессе эксплуатации происходит более глубокая полимеризация композиции, сопровождающаяся улуч­шением ее физико-механических ха­рактеристик.

Проведенные адгезионные исследо­вания показали, что при содержании мономера ФА и ФАМ до 80 вес. ч. на 100 вес. ч. ЭД адгезия на отрыв стальных образцов, прогретых при 80—100° С в течение 5—6 ч, находит­ся на уровне эпоксидных смол (250— 300 кгс/см2). Высокие показатели ад­гезии совмещенных смол можно объ­яснить, вероятно, их хорошей смачи­ваемой способностью.

Учитывая высокие физико-механи­ческие и адгезионные свойства, тех­нологичность и простоту способа мо­дификации, оптимальные композиции на основе эпоксидно-фурановых смол были применены на Гомельском ав­торемонтном заводе для восстановле­ния гнезд коренных подшипников блока цилиндров, заделки трещин во­дяной рубашки блока и головки бло­ка, для декоративных покрытий по­ручней автобусов, для шпаклевки ку­зовов автомобилей и др. В качестве наполнителя использовался пиритный «огарок» — отходы производства сер­ной кислоты на Гомельском химиче­ском заводе, состоящий большей частью из различных окислов железа. Внешне это очень тонкий порошок ко­ричневого цвета.

Тальк, применяемый в настоящее время на заводе в качестве наполни­теля и рекомендуемый типовой техно­логией НИИАТ и многими другими руководствами по применению эпок­сидных композиций, является неэф­фективным наполнителем, что видно из рис. 2 (связующее в данном слу­чае состояло из 60 вес. ч. мономера ФАМ на 100 вес. ч. ЭД-5, отверждалась композиция 13 вес. ч. ПЭПА на 100 вес. ч. ЭД + ФАМ 5 ч при 120° С).

При восстановлении неподвижных сопряжений и соединений заделки трещин в блоке и головке блока в ка­честве связующего при комнатном режиме отверждения можно рекомен­довать следующий состав (в вес. ч):

эпоксидная смола ЭД-5 или ЭД-6 — 60; мономеры ФА и ФАМ—32,2 полиэтиленполиамин — 7,8.

Для наполнения заливочных компо­зиций на основе приведенного свя­зующего можно использовать огарок (40—50%) или чугунный порошок (ТУ 3448—53 50—60%).

Края трещин перед заклейкой раз­делывают зубилом, замасленные по­верхности обезжиривают ацетоном или другими органическими раствори­телями, например 646, 648 или РДВ.

Отвердевание композиции при тем­пературе 2С—25° С продолжается 20—24 ч.

В настоящее время восстановление изношенных деталей компаундами на основе эпоксидно-фурановых смол производится на Гомельском и Мозырском авторемонтных заводах. Восстановленные детали отвечают техническим условиям, преждевремен­ного повреждения деталей в процессе эксплуатации не наблюдалось.

В заключение можно сказать, что фурановые мономеры почти в 8 раз дешевле эпоксидной смолы (стои­мость одной тонны мономера ФА— 550 руб.), они освоены и выпускают­ся Ферганским химическим заводом.