Герметики представляют собой сложные многокомпонентные системы на полимерной основе, содержащие различные химические вещества – наполнители, высокомолекулярные соединения, стабилизаторы, вулканизующие системы и т. п. Наибольшее применение для герметизации нашли вулканизующиеся материалы на основе каучуков, так как они в большей степени отвечают требуемым эксплуатационным свойствам: физико-механическим, адгезионным, коррозионным, температурному диапазону работоспособности.
Кремнийорганические каучуки (олигомеры) и материалы на их основе имеют характерные для них свойства – термо- и морозостойкость, радиационную и атмосферную стабильность, физиологическую инертность, высокие диэлектрические показатели. Области их применения не исчерпаны до настоящего времени – к ним относятся авиа- и машиностроение, строительство, электроника и другие виды техники [1].
В данной статье хотим рассмотреть особенности применения на производстве одного из самых распространенных материалов этой группы — ВИКСИНТ У-2-28.
ВИКСИНТ У-2-28 – кремнийорганический герметик, предназначен для герметизации клепаных, сварных и болтовых соединений, элементов остекления, приборов, для заливки штепсельных разъемов, а так же в качестве неконструкционного клея для склеивания различных металлических и неметаллических материалов (силиконовых резин между собой и с металлами, полиамидных лент и др.) в интервале температур от -60 до +2500С при внутришовной герметизации, от -60 до +3000С при поверхностной герметизации.
У-2-28, как и другие герметики группы ВИКСИНТ отличается тем, что процесс вулканизации проходит без использования повышенных температур, за счет каталитической поликонденсации. Катализатор на основе солей олова и титана с полифункциональными силанами вводится в основу в соотношении: 1,2 — 2,0 мас.ч на 100 мас.ч пасты. У-2-28 является трехкомпонентным герметиком, гидрофобный компонент необходимо вводить в пасту в количестве 0.7-2.0 мас.ч. Для кистевых вариантов в рецептуру входит бензин в количестве 25-100 мас.ч. При необходимости количество бензина может быть увеличено. [2]
Приведем выдержку из Отраслевого стандарта ОСТ1-90058-85:
- Приготовление герметиков.
2.3. При приготовлении герметиков для нанесения шпателем или шприцем уплотнительную пасту тщательно смешивают в течение 8-10 мин. с вулканизирующим агентом до получения однородной массы.
Компоненты герметика смешивают в лабораторной мешалке или, если навеска герметика не более 100 — 300 г, вручную в металлической или фарфоровой посуде металлическим шпателем.
2.4. При приготовлении герметиков для нанесения кистью в уплотнительную пасту вводят бензин и размешивают в течение 30-40 минут до получения однородной смеси. Затем добавляют необходимое количество вулканизирующего агента, после чего смесь тщательно перемешивают 5-10 мин.
2.5. Для удаления воздуха и предотвращения образования в вулканизированном материале пустот и раковин герметики Виксинт У-4-21 и Виксинт У-2-28, предназначенные для заливочных работ, после смешивания с катализатором подвергают вакуумированию при остаточном давлении 15-20 мм рт.ст. до прекращения пенообразования.
2.6. В зависимости от температуры цеха, дозировки вулканизирующих агентов и молекулярного веса полимера, взятого для изготовления герметизирующих паст, жизнеспособность герметиков колеблется от 0,5 до 6 час.
Любой технолог знает, что связи с высокой вязкостью пасты и малым количеством остальных компонентов, равномерно перемешать герметик представляется затруднительным. В свою очередь, отсутствие равномерного перемешивания служит причиной появления градиента прочностных свойств в массе герметика, что может привести к снижению прочности клеевого соединения.
Тычинская Мария Сергеевна в своей диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук проанализировала проблемы при сборке головных антенных обтекателей (рис.1) на герметик «Виксинт У-2-28НТ» [3]
Рис.1. Типовая схема узла соединения обтекателя
Помимо крепления оболочки и шпангоута, герметик выполняет несколько основных функций. Во-первых, он позволяет обеспечить полную герметизацию внутреннего объема обтекателя, а также прочность, достаточную для того, чтобы выдержать силовые нагрузки. Кроме того, за счет своей эластичности, кремнийорганические герметики позволяют снизить вибродинамические нагрузки и напряжения, возникающие из-за разности ТКЛР керамики и металла.
Проведенные исследования показали, что существующая технология приготовления У-2-28НТ не обеспечивает стабильных высоких значений прочности клеевого соединения, что может привести к разрушению конструкции обтекателя.
Так, при ручном способе перемешивания разброс значений прочности клеевого соединения при сдвиге может достигать 40 %. Также при перемешивании герметика в него попадает воздух, который проявляется в виде полостей в его структуре после вулканизации, что значительно снижает прочность клеевого соединения в системе керамика-металл.
На рисунке 2 показаны данные по разбросу значений прочности клеевого соединения при сдвиге в рамках каждой отдельной партии образцов за 2 месяца ручного перемешивания герметика. Видно, что величина относительного стандартного отклонения достигает 20 %.
Рис.2 Данные по разбросу значений прочности клеевого соединения при сдвиге при ручном способе перемешивания герметика [3]
Почему же большинство предприятий до сих пор не сумело автоматизировать не только весь цикл заливки, но даже смешивание Виксинтов?
Рассмотрим стандартную лабораторную мешалку: она представляет из себя верхнеприводное устройство
Отдельно хотелось бы остановиться на включениях воздуха в Виксинт которые неизбежно присутствуют в герметике после его ручного смешивания без использования вакуумирования.
Рис.3 Структура герметика без (а) и с вакуумированием (б) [3]
Данные по прочности клеевого соединения при сдвиге образцов, полученные Тычинской М.С. свидетельствуют, что вакуумирование герметика позволило повысить прочность на 31 %.
Давайте еще раз обратимся к ОСТ1-90058-85. Оказывается еще в 85 году ВИАМ рекомендовал использовать лабораторную мешалку для приготовления партий ВИКСИНТов более 100 — 300 гр. Однако технология не прижилась, большинство предприятий мешает герметик вручную.
Попробуем разобраться в чем причина.
Лабораторная мешалка представляет собой верхнеприводоное устройство с насадкой типа фреза, с помощью которой производится перемешивание материала.
Недостатки метода, следующие:
- Большая часть перемешиваемого материала остается непосредственно на фрезе.
- Материал перемешивается неравномерно. В области стенок стакана перемешивания не происходит, возникает так называемый пристеночный эффект.
- Интенсивно подмешивается воздух, что приводит к пустотам и неравномерной герметизации.
- Скорость вращения большинства верхнеприводных мешалок начинается от 100 об./мин. Однако наши опыты проводимые в процессе создания оборудования показали, что скорость перемешивания ВИКСИНТа не должна превышать 50 об./мин.. При более интенсивном перемешивании мы в разных условиях получали изменение реологических свойств герметика. То есть результат в зависимости от веса, дозы катализатора и ГВЖ был разным, повторяемости на одном и том же режиме добиться не удавалось.
Кстати, по-видимому, по этой причине и планетарные миксеры до сих пор не особо прижились в цехах заливки. Дело в том, что большинство импортных безлопастных миксеров имеют жесткую зависимость основного и вторичного вала, и скорость вращения банки, которая как раз и имитирует шпатель или фрезу заведомо выше. Получается, что часть образцов получается удовлетворительно, но от партии к партии негарантированно. В отдельных случаях негибкость оборудования вообзе не позволяет подобрать оптимальный режим смешивания. Приходится или играться с дозами нефраса (а не везде это допустимо, для заливки некоторых разъемов требуется высокая вязкость), либо отдельные партии перемешивать вручную. Но чтобы это выяснить, необходимо провести ряд смешиваний, потратить время и материал.
Итак, мы поставили перед собой задачу разработать новую технологию приготовления Виксинта с учетом всех вышеперечисленных факторов.
При этом учли, что не только смешивание, но и дальнейшая фасовка герметика по картриджам, если таковая необходима, является критической операцией, которая может свести на нет усилия по вакуумированию массы, а значит значительно снизить характеристики материала.
Компанией ООО «Протех» в кооперации с предприятиями ООО «Вельтпласт» и ООО НТФ «ТехноАльянс Электроникс» разработано и внедрено на ряд предприятий ВПК решение для автоматического смешивания и дозирования высоковязких герметиков типа ВИКСИНТ Би-Микс (рис.4).
Рис.4 Система Би-микс в цехе заливки
Система состоит из планетарного (безлопастного) вакуумного миксера, экструдера и дозатора для переупаковки материала в картриджи и заливки разъемов.
Ключевым отличием миксера Соло-ВКС от импортных аналогов является большое плечо, позволяющее достичь нужных для планетарного смешивания перегрузок при относительно невысоких оборотах основного вала, а также независимое вращение второго вала (то есть скорость вращения банки вокруг своей оси задается оператором не зависимо). Это решение позволяет максимально гибко подходить к подбору режима и гарантированно качественно смешивать практически любые материалы. Вакуумирование происходит в процессе смешивания, при этом вакуумируется только сама емкость с материалом. (рис.5).
Рис.5 Результат смешивания с вакуумированием в миксере Соло-ВКС
Масса единовременно смешиваемого материала от 100 до 700 гр., при этом чем больше масса, тем сложнее качественно перемешать его вручную. То есть при больших объемах автоматическое смешивание не просто оправданно, а является необходимостью для обеспечения должного качества подготовки герметика.
После миксера банка с материалом перемещается в экструдер, где происходит переупаковка материала в технологические шприцы требуемого объема. Материал закачивается в картридж через носик. Этот способ позволяет полностью избежать подмеса воздуха в материал на данном этапе. При необходимости возможна доработка технологических шприцов с целью ускорения процесса и уменьшения воздействия давления на материал высокой вязкости. Пневматический дозатор значительно облегчает рабоРис.4. - система Би-микс в цехе заливки.ту оператора, делая процесс заливки разъемов максимально автоматизированным. Грубо говоря, требуется два раза нажать на педаль — один раз для начала подачи материала в изделия, второй — для завершения процесса.
Автор: Елена Набокова, коммерческий директор ООО «ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ и ТЕХНОЛОГИИ», [email protected]
Источники
1. Каблов Е.Н., Семенова Л.В., Петрова Г.Н., Ларионов С.А., Перфилова Д.Н. Полимерные композиционные материалы на термопластичной матрице // Известия высших учебных заведений. Сер.: Химия и химическая технология. 2016. Т. 59. №10. С. 61–71.
2. Отраслевой стандарт ОСТ1 90058-85
3. Тычинская М.С. «Исследование по совершенствованию технологии изготовления крупногабаритных изделий на основе водных суспензий кварцевого стекла.» дис. канд. техн. наук Государственный научный центр РФ Акционерное общество «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» имени А. Г. Ромашина», Москва — 2021.