Разработки ФГУП «ВИАМ» в области клеев резинотехнического назначения и самоклеящихся материалов

Развитие и усовершенствование современной техники требуют создания новых полимерных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. В современной промышленности широко используются материалы на основе эластомеров: эластомерные композиционные материалы, резинотекстильные материалы и клеи на основе эластомеров. В ВИАМ создана широкая гамма клеев и материалов на их основе, отвечающих высоким требованиям авиационной и космической техники [1].

Клеи на основе эластомеров подразделяют на два типа:

– резиновые клеи, в зарубежной литературе их обозначают RBA (rubber base adhesive);

– липкие клеи (клеи, чувствительные к давлению) – PSA (pressure-sensitive adhesive).

В качестве полимерной основы резиновых клеев используют натуральный или синтетические каучуки. По назначению резиновые клеи подразделяют на две группы:

– клеи для склеивания резин с металлами;

– клеи для резинотехнических изделий.

По режиму отверждения резиновые клеи подразделяют на клеи холодного
отверждения (отверждающиеся без термообработки) и клеи горячего отверждения (отверждение проходит по режиму вулканизации склеиваемой резины) [2–5].

В авиационной промышленности для склеивания вулканизованных резин с металлами и другими материалами используется широкая гамма клеев холодного отверждения, разработанных в ВИАМ, обеспечивающих прочность при отслаивании клеевых соединений на уровне 2,6 кН/м в интервале рабочих температур от -50 до ≤80°С [3, 5, 6]. В ВИАМ была поставлена задача по созданию клея холодного отверждения с повышенной прочностью (не менее 4,0 кН/м) и работоспособного в интервале температур от -60 до +100°С, представляющая научный и практический интерес для авиационной и других отраслей техники.

Для повышения адгезионной прочности клеевых резинотехнических соединений применяют различные способы:

– поверхностная модификация склеиваемых материалов – применение адгезионных подслоев, модификация поверхности вулканизованных резин перед склеиванием;

– введение в состав резины модификаторов (промоторов) адгезии, модификация клеевых составов;

– изменение технологических факторов при склеивании – температуры, давления, продолжительности процесса отверждения [2–7].

В ВИАМ разработан клей холодного отверждения, позволяющий получить прочность при отслаивании клеевых соединений(резин на основе кремнийорганического каучука с титановым сплавом или с органическим стеклом) на уровне 3,0 кН/м после 72 ч отверждения при температуре 23±5°С. Добиться повышения прочностных свойств клеевых соединений удалось с помощью разработанной технологии применения клея с подслоем, наносимым на поверхность склеиваемой резины. Исследования физико-химических свойств клеевых соединений, выполненных на основе разработанного клея холодного отверждения с подслоем, показали, что клеевые соединения работоспособны в интервале температур от -60 до +80°С во всеклиматических условиях, клей грибостоек и не вызывает коррозии на поверхности металла [6, 8–13].

Для высокопрочного соединения вулканизованных резин на основе бутадиен-нитрильных каучуков между собой и с прорезиненными материалами или металлами в ВИАМ разработан клей холодного отверждения марки ВКР-95, обеспечивающий прочность клеевых соединений при отслаиваниине менее 4,0 кН/м после 24 ч отверждения при температуре 23±5°С, работоспособный в интервале температур от -60 до +100°С. В сравнении с разработанными ранее отечественными аналогами клей ВКР-95 обладает повышенной прочностью и влагостойкостью, интервал рабочих температур расширен до +100°С [13–15].

С применением клея ВКР-95 в сочетании с клеем холодного отверждения на эпоксидной основе (ВК-93) в качестве подслоя и без него разработана технология приклеивания износостойкого материала к материалам лопастей вертолетов с целью их дополнительной защиты от абразивного износа [15–17].

Получить резинометаллические соединения с высокой механической, термической и химической стойкостью удается только с применением более сложной технологии: при склеивании невулканизованных резин с металлами в процессе вулканизации клеями горячего отверждения. Применяемые в авиационной промышленности отечественные резиновые клеи горячего отверждения (Кр-5-18, Лейконат и ВКР-85) обеспечивают прочность клеевых резинометаллических соединений на уровне 4 МПа [2–6, 8–13].

Среди ведущих стран мира наиболее интенсивные разработки в этой области ведет Германия. Фирма Вауеr (Германия) для склеивания резин различной химической природы с металлами в процессе вулканизации рекомендует клей Desmodur RE. Клей работоспособен в интервале температур от -60 до +130°С. По прочностным показателям клеи Лейконат, Desmodur RE и ВКР-85 находятся на одном уровне [3, 5, 6, 8–10]. Фирма LORD Germany GmbH предлагает высокопрочные клеевые системы горячего отверждения (покровный клей+праймер) под маркой Сhemosil, представляющие собой многокомпонентные высоконаполненные системы в смеси растворителей, обеспечивающие прочность при отрыве резинометаллических соединений на уровне 6 МПа и работоспособные до +130°С. В качестве полимерной основы клеев марок Сhemosil используют ди-, три- и полихлорбутадиены, бромсодержащие бутадиены и хлорированный натуральный каучук (аллопрен) с достаточно высоким содержанием галогена (~30% по массе) [8–10, 12, 13, 15].

Однако хлор- и бромсодержащие полимеры в настоящее время производятся за пределами России, и отечественные аналоги подобных клеевых систем, разработанные полностью на недефицитном отечественном сырье, отсутствуют.

В ВИАМ разработан клей, предназначенный для склеивания с металлами в процессе вулканизации резин на основе СКН, и подслой, повышающий адгезию клея к резинам на основе неполярных каучуков (СКИ, СКИ+СКД и др.). Клеевая композиция не содержит в своем составе дефицитных дорогостоящих галогенсодержащих полимеров и олигомеров, выпускаемых за рубежом. Полимерную основу клея составляет бутадиен-нитрильный каучук, модифицированный хлорированным полиизопреном и фенольным олигомером [18–20].

Разработанная клеевая система обеспечивает прочностные характеристики клеевых резинометаллических соединений на уровне характеристик системы Сhemosil и превышает свойства отечественного аналога – клея ВКР-85. Клеевые соединения, выполненные с применением разработанного клея горячего отверждения, работоспособны в интервале температур от -60 до +100°С на воздухе и в агрессивных средах, в сравнении с аналогами обладают повышенной влагостойкостью и тропикостойкостью.

Разработанный клей горячего отверждения может быть использован для крепления резин на основе полярных и неполярных каучуков между собой и к металлам при изготовлении высокопрочных тонкослойных металлоэластомерных соединений (подшипников, втулок и др.).

В связи с необходимостью замены импортного дорогостоящего клея марки LA 5102 фирмы Clifton Adhesive, применяемого для соединения полиуретановых материалов фирмы Uretek (США), в ВИАМ разработана рецептура клея холодного отверждения, представляющего собой двухкомпонентный раствор для склеивания тканепленочных материалов спасательных надувных трапов самолетов гражданской авиации [13, 15, 20, 21]. Разработанный клей холодного отверждения обеспечивает прочность при расслаивании не менее 1,3 кН/м при температуре испытания 23±2°С через 24 ч после склеивания тканепленочных материалов для спасательных надувных трапов самолетов гражданской авиации, что превышает показатели импортного аналога (клей марки LA 5102 – прочность на уровне 0,87 кН/м). Клеевые соединения работоспособны в интервале температур от -60до +80°С, стойки к циклическому воздействию температур, влагостойки, отвечают требованиям по горючести: продолжительность остаточного горения составляет 3 с; по классификации относятся к классу «самозатухающих», что удовлетворяет требованиям АП-25 по пожаробезопасности.

За последние годы в ВИАМ создан ряд клеящих материалов с постоянной липкостью на различных несущих подложках ремонтного назначения [6, 8–10, 12, 17].

В процессе эксплуатации летательных аппаратов (самолетов, вертолетов) в ряде случаев возникают дефекты внешней поверхности планера (царапины, повреждения ЛКП, проколы и др.), дальнейшее развитие которых приводит к образованию повреждений, не допускающих эксплуатацию авиационной техники и требующих капитального ремонта в условиях ремонтных предприятий. Проведение временного оперативного ремонта выявленных дефектов внешней поверхности планера и элементов крыла, в том числе в полевых условиях, позволяет защитить поврежденные поверхности агрегатов, в том числе сотовых, от попадания влаги и дальнейших коррозионных разрушений.

Следует отметить, что временный оперативный ремонт агрегатов авиационной техники должен быть осуществлен непосредственно после обнаружения повреждений, в том числе в полевых условиях, и не допускает длительной эксплуатации изделия без проведения капитального ремонта. Оперативный временный ремонт рекомендуется проводить с применением специальных ремонтных технологий, разработанных в ВИАМ, с использованием самоклеящихся материалов ремонтного назначения [6, 8–10, 12, 17].

В ВИАМ разработан и паспортизован ряд отечественных самоклеящихся материалов ремонтного назначения на различных несущих подложках: алюминиевой фольге и тканевой основе.

Самоклеящийся материал на алюминиевой фольге с постоянно-липким слоем марки ФЛС рекомендован для оперативного ремонта поверхностей из алюминиевых сплавов, работоспособен в интервале температур от -60 до +80°С, обеспечивает предел прочности при сдвиге на уровне 400 кПа и прочность при отслаивании s_отсл=5,0 Н/см. Материал обладает демпфирующими свойствами, отличается хорошей адгезией к инертным материалам (полиэтилену, полипропилену). Материал марки ФЛС устойчив к воздействию переменных температур (-60÷+80°С), тропико- и грибостоек, стоек к воздействию солевого тумана (4,5 мес), воды, агрессивных жидкостей (авиационных топлив, масел, гидрожидкостей и др.). Устойчив к воздействию естественного старения в условиях климатических станций в Москве, Геленджике и Якутске.

Самоклеящаяся алюминиевая фольга марки САФ отличается повышенной термостойкостью и работоспособна в интервале температур от -60 до +150°С. Материал марки САФ устойчив к воздействию теплового старения, переменных температур, солевого тумана, воды, агрессивных жидкостей (авиационных топлив, масел, гидрожидкостей и др.). Устойчив к воздействию естественного старения в условиях климатических станций в Москве и Геленджике, тропико- и грибостоек, не вызывает коррозии алюминиевых сплавов. Самоклеящаяся алюминиевая фольга марки САФ с теплостойкостью до +150°С рекомендована для оперативного ремонта повреждений (сколы, потертости и пр.) внешней поверхности из алюминиевых сплавов и стеклопластиков, в том числе на основе клеевых препрегов.

За последние годы в ВИАМ разработаны:

– самоклеящийся материал марки ВСМФ-1 на алюминиевой фольге с рабочей температурой +80°С, с повышенной прочностью при отслаивании (σ_отсл≥10,0 Н/см), который рекомендуется взамен снятого с производства Фольгоплена (Россия);

– самоклеящийся материал на тканевой основе марки ВСМТ, который (в отличие от самоклеящихся материалов на алюминиевой фольге марок ФЛС, САФ и ВСМФ-1) допускается для ремонта поврежденных поверхностей из углепластиков [17, 22, 23]. Свойства разработанных самоклеящихся материалов приведены в таблице.

Сравнительные свойства самоклеящихся материалов ремонтного назначения

Материал марки ВСМФ-1 по сравнению с Фольгопленом обладает повышенной более чем в 3 раза когезионной прочностью. Существенным преимуществом материала марки ВСМТ является то, что он обладает улучшенной технологичностью – «выкладываемостью», что позволяет рекомендовать его в новых ремонтных технологиях для ремонта поверхностей сложной кривизны (сотовые конструкции из ПКМ).

Материалы марок ВСМФ-1 и ВСМТ устойчивы к воздействию теплового старения, влаги и тропического климата, грибостойки, работоспособны в интервале температур от -60 до +80°С и рекомендованы для эксплуатации во всеклиматических условиях.

Разработана перспективная технология применения самоклеящегося материала на тканевой основе марки ВСМТ в сочетании с быстроотверждающимся эпоксидным клеем для оперативного ремонта сотовых агрегатов из ПКМ, в том числе в полевых условиях. Клеящие материалы рекомендованы для ремонта таких повреждений, как проколы и пробоины (размером не более 30 мм в диаметре) верхнего слоя обшивки трехслойной сотовой конструкции из ПКМ [17, 22, 23].

Самоклеящиеся материалы не содержат растворителей, не выделяют вредных летучих веществ – являются экологически безопасными при использовании. Применение данных материалов не требует специальной подготовки поверхности под склеивание, нагрева и давления, специальной оснастки.

Применение экологически чистых самоклеящихся материалов в ремонтных технологиях авиационной техники позволяет снизить энергозатраты и трудоемкость ремонтных работ, обеспечивает надежность эксплуатации ремонтных накладок, в том числе при ремонте незначительных повреждений наружных обшивок сотовых агрегатов из стеклопластиков на основе клеевых препрегов, и защиту сотовой конструкции от попадания влаги. Оперативный ремонт с применением данных материалов позволяет увеличить время между плановыми ремонтами.

Перечисленные преимущества самоклеящихся материалов делают их незаменимыми для ремонтных технологий в авиационной и других областях техники.