Введение

В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция увеличения потребности в применении полимерных композиционных материалах (ПКМ) во всех отраслях машиностроения. Практически невозможно выполнить ни одного технического решения без использования ПКМ в конструкциях изделия.

Особенно эффективность ПКМ проявляется при их применении в качестве герметизирующих материалов в изделиях авиационной техники. В этих изделиях необходимо обеспечить герметизацию не только отдельных конструктивных узлов, а всю конструкцию самолета в целом. Задача усложняется тем, что герметизирующие материалы должны работать в различных атмосферных условиях и противостоять воздействию таких агрессивных факторов, как ультрафиолет, озон, радиация, влага, вода, продукты авиационного топлива, масла и т. д. Кроме того, они должны быть работоспособны в условиях воздействия температуры от -60 до +300°С [1–8].

Отечественной промышленностью выпускается значительный ассортимент герметиков. Во ФГУП «ВИАМ» длительное время ведутся работы по исследованию и созданию новых модификаций герметизирующих материалов на основе кремнийорганических эластомеров. Отличительной особенностью кремнийорганических герметиков является их способность переходить из пастообразного состояния в эластичное под воздействием вулканизующих агентов без нагрева.

Эти материалы обеспечивают герметизацию различных по сложности и назначению конструкций узлов и агрегатов. Композиции герметиков на основе кремнийорганических эластомеров обладают высокой стойкостью к различным факторам старения, способны эксплуатироваться в различных климатически условиях в широком интервале температур.

В настоящее время разработано и рекомендовано к применению более 15 пастообразных герметизирующих композиций, которые нашли широкое применение в промышленности, в том числе в авиационной, для герметизации элементов конструкций, остекления, приборов и т. д.

При герметизации некоторых конструкций требуется обеспечить возможность многоразовых разборок и сборок узлов, съема конструктивных элементов с последующей их сборкой. Такую задачу возможно успешно решить путем применения ленточного герметизирующего материала [9, 10].

Одним из важных требований к герметизирующим материалам является температура эксплуатации. Температурный фактор эксплуатации может иметь место как в нестационарных, так и в стационарных изделиях (приборы, строительная индустрия). Для герметизации топливных отсеков летательных аппаратов разработан ленточный герметизирующий материал марки ВГМ-Л, работоспособный при температуре от -60 до +130°С. В связи с повышением требований к условиям эксплуатации при создании новых летательных аппаратов поставлена задача по обеспечению работоспособности загерметизированных соединений элементов и агрегатов при температуре эксплуатации 180°С и выше. Работа проводилась в рамках реализации комплексного стратегического направления 15.2. «Эластомерные и уплотнительные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [11].

Опыт изготовления и применения ленточного герметика ВГМ-Л на рабочую температуру до 120°С показал ряд технических преимуществ этого герметизирующего материала в сравнении с герметизацией герметиками жидкой консистенции, а именно:

– повышение надежности и стабильности загерметизированных сопрягаемых конструкций благодаря тому, что герметизация осуществляется строго нормированным по толщине ленточным герметиком. Толщина герметизирующих лент выбирается в зависимости от величины зазоров в сопрягаемых поверхностях и с учетом их обжатия от 30 до 50% к выбранному номиналу в элементах конструкций агрегата;

– улучшение санитарно-гигиенических условий труда и культуры производства;

– снижение количества технологических отходов при герметизации – предсказуемый расход герметизирующего материала по сопрягаемой площади для конструктивных элементов;

– исключение зависимости процесса сборки и герметизации конструкций агрегатов от жизнеспособности герметизирующей композиции жидкого герметика [12–14].

Материалы и методы

Во ФГУП «ВИАМ» на основе кремнийорганических олигомеров (полидиметилсилоксанового каучука) разработаны герметики типа ВИКСИНТ. Эти герметики представляют собой пастообразную массу, состоящую из двух- или трехкомпонентной системы. Основным преимуществом этих материалов является высокая технологичность и температуростойкость:

– процесс вулканизации производится без дополнительного нагрева;

– материалы работают в интервале температур от -60 до +300°С;

– имеют высокий уровень механических свойств;

– возможность регулировать скорость вулканизации композиции путем дозировки и подбора вулканизующей системы.

Композиция после смешения герметизирующей пасты с вулканизующими компонентами при комнатной температуре переходит в резиноподобное состояние. Для обеспечения адгезионных свойств перед нанесением герметизирующего слоя необходимо на поверхность нанести подслой П-9 или П-11.

В табл. 1 представлены основные свойства пастообразных герметиков типа ВИКСИНТ. Из указанных марок герметиков типа ВИКСИНТ, герметик марки У-2-28 получил наибольшее применение в изделиях авиационной техники [15]. Эта композиция выбрана для создания рецептуры высокотемпературного ленточного герметика ВГМ-Л-3.

Таблица 1

Свойства пастообразных герметиков типа ВИКСИНТ

В качестве полимерной основы термостойкого ленточного герметика выбран жидкий диметилсилоксановый каучук СКТН марки А. Выбор этого каучука обусловлен следующими соображениями:

– каучук обладает минимальной вязкостью, что облегчает достижение высокой однородности при смешивании компонентов с наполнителями и вулканизующими агентами;

– полимер обладает высокими эксплуатационными свойствами – термостойкостью, морозостойкостью, стойкостью к атмосферным воздействиям и т. д. [16].

В табл. 2 приведено сравнение качественных показателей кремнийорганических гидрофобизирующих жидкостей [17].

Таблица 2

Качественные показатели рекомендуемых гидрофобизирующих жидкостей

Из приведенных в табл. 2 данных видно, что наиболее близким по качественным характеристикам по отношению к гидрофобизирующей жидкости ГКЖ 163-41, в том числе по содержанию активного водорода, является жидкость марки Пента 804.

Анализ основных свойств пастообразных герметиков показал, что для достижения заданных технологических, физических и эксплуатационных свойств в качестве матрицы в герметизирующих составах должны быть использованы полимерные силоксановые эластомеры СКТН и СКТН марки А.

С учетом особенности технологии получения ленточного герметика ВГМ-Л установлено, что наиболее пригодным соединением для приготовления ленточного герметика ВГМ-Л-3 на основе кремнийорганической матрицы является низкомолекулярный кремнийорганический эластомер СКТН марки А. Особенностью этого компонента является пониженная вязкость (90–150 с по ВЗ-240), которая обеспечивает более качественное совмещение с порошкообразными наполнителями.

В процессе отработки технологии опробованы следующие технологические процессы изготовления опытных образцов:

– формование в пресс-форме;

– протяжка армирующего слоя через раствор герметизирующего состава на пропиточной машине;

– формование ленты между транспортерной и защитной пленками путем протяжки их через калибровочные валики.

Из перечисленных процессов изготовления ленточного герметика выбрана технология изготовления экспериментальных образцов – формование ленты на транспортерной подложке с последующей протяжкой между калибровочными валиками. Изготовлены экспериментальные образцы герметика ВГМ-Л-3 и проведены исследования технологических параметров их изготовления – условия смешения исходных компонентов, время жизнеспособности композиции, условия формования герметизирующей ленты (скорость протяжки, величина формующего калибровочного зазора т. д.).

В рецептуре приготовления экспериментальных образцов изменялся только гидрофобизирующий компонент. В соответствии с рецептурой экспериментальной композиции, рассчитанной в массовых частях, изготовлены три варианта образцов с различным гидрофобизатором:

– полиэтилгидридсилоксановой жидкостью ГКЖ 136-41;

– полиметилгидридсилоксановой жидкостью Пента 804;

– полиалкилгидросилоксановой жидкостью Пента 808А.

Компоненты, примененные в экспериментальных образцах, и некоторые технологические характеристики приведены в табл. 3.

Таблица 3

Экспериментальные ленточные герметики и технологические характеристики

материала на их основе

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

Анализ технологических параметров при изготовлении экспериментальных композиций с использованием гидрофобизирующих жидкостей Пента 804 и Пента 808А показал, что применение новых кремнийорганических жидкостей не ухудшает технологических параметров и качества внешних поверхностей и физических свойств ленточного герметика.

Результаты

Анализ результатов исследования влияния типа гидрофобизатора на физические и технологические характеристики показал, что химический состав гидрофобизатора не влияет на физические свойства ленточного герметика. Так, среднее значение толщины ленточного герметика при толщине формуемого зазора 1,4±0,05 мм равно 1,35±0,05 мм. При изготовлении пасты заметных следов разделения пасты не наблюдается. Качество отформованной ленты хорошее – без вздутий и раковин.

В табл. 4 показаны результаты испытаний физических и механических свойств ленточного герметика, изготовленного с использованием различных по химическому составу гидрофобизаторов [18]. Исследовано изменение физико-механических свойств от температуры и продолжительности экспозиции ленточного материала на основе трех экспериментальных композиций: ГКЖ 136-41, Пента 804 и Пента 808А. Анализ результатов показал, что условная прочность при растяжении в момент разрыва на образцах, подвергнутых термообработке при температуре 180°С в течение 60 ч, увеличилась на образцах с гидрофобизатором Пента 804 – на 22%, на образцах с гидрофобизатором Пента 808А – на 10%. Относительное удлинение в момент разрыва уменьшилось в композиции с гидрофобизатором ГКЖ 136-41 – на 25%, в композиции с гидрофобизатором Пента 804 – на 7%, в композиции с гидрофобизатором Пента 808А – на 21%. Плотность материала практически не изменилась. Твердость по Шору А в материале с гидрофобизатором Пента 804 увеличилась на 6 усл. ед., с гидрофобизатором ГКЖ 136-41 – на 8 усл. ед.

Таблица 4

Физико-механические свойства герметика ленточного
в исходном состоянии и после температурного воздействия

* В числителе – в исходном состоянии, в знаменателе – после воздействия температуры 180°С в течение 60 ч.

Результаты анализа показали, что предпочтительным вариантом является рецептура на основе гидрофобизатора Пента 804.

Для дальнейшей оптимизации рецептуры выбраны варианты с гидрофобизатором ГКЖ 136-41 и жидкостью Пента 804.

В ходе экспериментальных работ исследовали физико-механические свойства ленточных герметиков, изготовленных на стандартном гидрофобизаторе ГКЖ 136-41 и его заменителе Пента 804. Изготовлены экспериментальные партии ленточных герметиков толщиной 1,0±0,05 мм на основе одних и тех же исходных компонентов с использованием одних и тех же технологических процессов по смешению исходных материалов, при постоянном зазоре в формующем узле установки для калибровки толщины ленточного герметика с одной и той же скоростью протяжки и соответствующей длительностью вулканизации. Все работы по изготовлению эластомерных образцов, замеру физических и механических показателей проводили в помещении при температуре не ниже 18°С и относительной влажности не более 85%. Результаты испытаний экспериментальных композиций лент приведены в табл. 5.

Таблица 5

Физико-механические свойства ленточного герметика

с различными гидрофобизирующими жидкостями

Сравнительный анализ технологических, физических и механических свойств показал, что ленточные герметики, изготовленные с использованием гидрофобизирующих жидкостей ГКЖ 136-41 и Пента 804, полностью соответствуют техническим условиям на материал ВГМ-Л-3. Для дальнейших исследований свойств ленточного герметика ВГМ-Л-3 выбрана рецептура с применением гидрофобизатора Пента 804 по ТУ 229-013-402450042–00, производство которого освоено промышленностью.

При изготовлении ленточных герметиков важным определяющим качеством материала является его толщина. Представляет практический интерес исследование разнотолщинности ленточных герметиков для высоковязкой системы ВГМ-Л-3. Поскольку неизвестно, как зависит разнотолщинность ленты в процессе ее формования в калибровочном узле, необходимо было установить зависимость толщины отформованной ленты от размера калибровочного зазора. При изготовлении ленточного герметика зазор между калибровочными валками в формующем узле измеряли с помощью щупа. Результаты по размеру зазора между валками и фактической толщиной ленты приведены в табл. 6.

Таблица 6

Толщина ленточного герметика ВГМ-Л-3 в зависимости от размера калибруемого зазора

Результаты исследования влияния размера зазора между калибровочными валками на толщину изготовленной ленты показали, что разнотолщинность ленточного герметика не зависит от толщины формируемой ленты, а зависит от точности изготовления валков и их соосности. При изготовлении полотна герметика шириной 300–400 мм разброс по толщине составил ±0,1 мм. Такое значение получено для номиналов герметизирующих лент толщиной от 0,5 до 3,0 мм. Значение относительного показателя разброса по толщине находится в прямой зависимости от толщины ленты. Так, при изготовлении герметизирующих лент толщиной 0,5 мм соотношение относительного значения показателя разброса к толщине ленты составило ~20%, для толщины до 3 мм показатель разброса составило всего 3,3%. При этом необходимо отметить, что в среднем толщина отформованного полотна герметизирующих лент на 10% больше, чем величина зазора между калибрующими валиками. Можно предположить, что такая зависимость при формовании высоковязких систем связана с процессом деформации. При прохождении формуемой массы через формовочный узел масса сжимается и вытягивается, а после выхода из зазора – разжимается и втягивается.

На основе оптимального варианта герметизирующих лент (исходные материалы выпускаются отечественной промышленностью) изготовлены экспериментальные композиции ленточного герметика ВГМ-Л-3, на которых провели испытания физико-механических и эксплуатационных свойств. Оценку физических свойств проводили по следующим показателям:

– внешнему виду по ОСТ 90-0903–28;

– плотности по ГОСТ 267–73;

– твердости по Шору А по ГОСТ 263–75;

– пределу прочности в момент разрыва и относительному удлинению после разрыва при температуре 20°С по ГОСТ 21751–76;

– пределу прочности и относительному удлинению в момент разрыва при температурах -60, 90, 150, 180 и 200°С в среде воздуха по ГОСТ 21751–76.

Результаты испытаний физико-механических свойств приведены в табл. 7.

Таблица 7

Физико-механические свойства ленточного герметика ВГМ-Л-3

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

Таблица 8

Механические свойства* ленточного герметика ВГМ-Л-3 при различных температурах

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

Таблица 9

Механические свойства* ленточного герметика ВГМ-Л-3 после выдержки
в среде воздуха при различных температурах и разном времени

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

Таблица 10

Механические свойства* ленточного герметика ВГМ-Л-3

после воздействия различных агрессивных сред

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

Проведенная оценка прочностных показателей экспериментального ленточного герметика на соответствие требованиям ТУ1-595-28-1406–2013 показала, что материал ВГМ-Л-3 на гидрофобизирующей жидкости Пента 804 по всем показателям не только соответствует материалу, приготовленному согласно ТУ, но и несколько превосходит его.

Как отмечалось ранее, важным отличительным свойством материалов на кремнийорганическом эластомере является их термическая стойкость. Результаты испытаний механических свойств образцов при различных температурах приведены в табл. 8. В ходе исследований проводили испытания материала при температурах от -60 до +200°С. Следует обратить внимание на низкие показатели по остаточному удлинению образцов после разрыва, которое практически не зависит от температуры испытаний.

В условиях эксплуатации (особенно при повышенных температурах) важно, чтобы герметизирующий материал со временем сохранял исходные механические свойства. Приведенные в табл. 9 результаты испытаний показали, что ленточный герметик ВГМ-Л-3 после воздействия различных температур при разном времени выдержки сохранял механическую прочность без изменения.

В процессе эксплуатации герметизирующие материалы подвергаются воздействию агрессивных сред. Результаты испытаний герметизирующего материала в агрессивных средах приведены в табл. 10. Анализ приведенных испытаний показал, что упруго-прочностные свойства ленточного герметика на экспериментальных образцах после воздействия различных агрессивных сред практически не изменились, что свидетельствует об устойчивости ленточного герметика на основе органической композиции с использованием гидрофобизатора-заменителя к различным эксплуатационным факторам.

Важным технологическим фактором, влияющим на эксплуатационные показатели герметика, является допустимость окрашивания изделий на его основе. Оценку возможности окрашивания ленточного герметика ВГМ-Л-3 проводили при использовании лакокрасочного покрытия марки КО-5229. Образцы герметика окрашивали эмалью КО-5229 (два слоя) в соответствии с технологическим регламентом на покрытие. Адгезионную прочность лакокрасочного покрытия КО-5229 определяли по ГОСТ 15140–69 по методике решетчатых надрезов. Результаты испытаний приведены в табл. 11.

Таблица 11

Адгезионная прочность лакокрасочного покрытия КО-5229,
нанесенного на ленточный герметик

Обсуждение и заключения

Разработан термостойкий ленточный герметик ВГМ-Л-3, который по технологическим и эксплуатационным свойствам не только не уступает значениям показателей действующих технических условий ТУ1-595-28-1406–2013 на аналогичный по назначению материал, но и несколько превосходит их.

В процессе разработки:

– проведены исследования и корректировка рецептуры герметизирующего состава путем замены дефицитной кремнийорганической полиэтилгидридсилоксановой гидрофобизирующей жидкости марки ГКЖ 136-41 на полиметилгидридсилоксановый кремнийорганический гидрофобизатор – Пента 804;

– выбран способ изготовления ленточного герметика путем протягивания транспортерной и изоляционной пленки через калибрующий узел, формующий ленточное полотно заданной ширины, толщины и длины;

– исследованы механические свойства ленточного герметика ВГМ-Л-3 при воздействии температуры, близкой к условиям эксплуатации;

– исследовано влияние агрессивных сред на прочностные свойства ленточного герметика.

Ленточный герметик может применяться для внутришовной герметизации крупногабаритных отсеков фюзеляжей, крышек, заглушек и т. д., работоспособен при температуре от -60 до +180°С.

Практическое применение ленточного герметика ВГМ-Л-3 исключает зависимость процесса сборки узлов от жизнеспособности композиции, стабилизирует качество герметизируемого шва.