Влияние механической работы на адгезионную прочность при склеивании металлов в среде жидкостей

Размещено на Allbest.ru

Постановка задач исследования. 10% ежегодного производства металлов расходуется на покрытие потерь вследствие их коррозионного разрушения.

Одним из методов восстановления несущей способности изношенных металлических конструкций является дублирование их металлическими листами или армированными полимерными покрытиями (1-5), что выполняется с помощью синтетических клеев. Основным недостатком существующих в настоящее время конструкционных клеев является необходимость проведения работ по склеиванию элементов изделий, конструкций и машин в заводских «стационарных» условиях, при надлежащем обеспечении оптимальных, температурно-влажностных режимов, а также обязательной механической и химической подготовки склеиваемых поверхностей перед началом производства этих работ.

Однако, в ряде случаев при производстве строительно-монтажных, ремонтно-восстановительных, пуско-наладочных работ в различных отраслях промышленности, в мелиорации, сельском хозяйстве, в частности, при сборке металлоконструкций, монтаже и ремонте магистральных трубопроводов, горно-обогатительного, шахтного и нефтехимического оборудования, подводных объектов и сооружений, насосного оборудования, при ремонте корпусных деталей морских и речных судов, работы по склеиванию наиболее целесообразно производить непосредственно на местах, т. е. в «полевых» условиях, поскольку использование клеев часто является единственной возможностью выполнения ряда сложных и ответственных технологических операций. В особенности это относится к работам, которые требуется производить в подводных условиях.

Клеи, содержащие в своем составе реакционно-способные поверхностно-активные вещества (1) обеспечивают высокую адгезионную прочность при склеивании металлов в самых различных «полевых» условиях, однако в ряде случаев адгезионная прочность при склеивании металлов в воде оказывается ниже, чем при склеивании в сухих условиях. В связи с этим, в ПГАСА (г. Днепропетровск) и ЗАО «Порткомплектимпекс» (г. Новороссийск) были поставлены комплексные исследования по изучению влияния различных факторов на адгезионную прочность при склеивании металлов в жидких средах. В данной работе приводятся данные по определению влияния на прочность склеивания металлов подвода механической работы на границу клей - металл.

Анализ проблемы. При нанесении клея на поверхность металла в среде жидкостей процесс смачивания клеем поверхности металла, т. е. вытеснения с нее жидкости имеет первостепенное значение, так как их одновременное присутствие будет наблюдаться в зоне контакта только в случае очень узкого предела краевых углов смачивания клеем и жидкостью поверхности металла (1). В остальных случаях поверхность металла будет смачиваться только клеем или жидкостью. Если клей не смачивает избирательно поверхность металла, то между ними будет оставаться слой жидкости, т. е. образование адгезионного соединения происходить не будет. Увеличить в этом случае степень смачивания поверхности металла клеем давлением невозможно из-за практической несжимаемости жидкостей.

Анализ теоретических представлений о природе смачивания показывает, что для обеспечения смачивания металла клеем в среде жидкости необходимо, в первую очередь, стремиться к минимизации межфазного натяжения клей-металл. Этого можно достичь, например, при добавлении в клей поверхностно-активных веществ (ПАВ) (3-6). Однако, как было показано при изучении моющего действия (7), это положение является необходимым, но недостаточным условием для замены на поверхности твердого тела одной жидкости на другую из их смеси, в этом случае на границу раздела металл-жидкости должен быть осуществлен подвод механической работы.

Уравнение для определения удельной механической работы, необходимой для полного замещения жидкости 1 на пверхности твердого тела на жидкость 2 имеет вид:

А = (1+Соs - () ; (1)

где S - поверхность раздела твердое тело - жидкость 1;

S- поверхность раздела твердое тел - житдкость 2,

S - поверхность раздела жидкость 1 - жидкость 2,

- поверхностное натяжение на границе жидкость 1 - жидкость 2

- краевой угол смачивания.

В рассматриваемом случае жидкостью 1 является клей, а в жидкости 2 производится процесс склеивания.

Из формулы (1) видно, что самопроизвольное (без подвода к границе раздела механической работы) удаление клеем жидкости с поверхности пор бетонного камня возможно при равенстве свободных поверхностных энергий жидкости и клея, при = 0. Желательно, однако, максимальное увеличение этой величины, так как она прямо пропорциональна термодинамической работе адгезии:

W = (1 + Cos ) ; (2)

Таким образом, задача склеивания металла в среде жидкостей без подвода на границу раздела клей - жидкость механической работы не может быть решена даже при обеспечении термодинамических условий избирательного смачивания клеем металла.

Образцы и методика эксперимента. В качестве основы исследуемых клеев использовали стирольный раствор полиэфирной смолы, который отверждали при комнатной температуре добавкой перекиси метилэтилкетона. В клей СПРУТ-А5 добавляли два поверхностно-активных вещества: катионактивное и неионогенное олигомерное, в клей СПРУТ-А5-1 - добавляли только неионогенное олигомерное ПАВ, в клей СПРУТ-А5-2 ПАВ не добавляли. Вязкость клеев была увеличена добавление аэросила АМ-1 до 2000 Пас. Адгезионную прочность склеивания определяли по стандартной методике, ГОСТ 14760-69. Расстояние между склеиваемыми грибками составляло 0, 3 мм. При склеивании грибков в жидкости клей наносили на поверхность одного из грибков, грибки опускали в жидкость и соединяли. Подвод механической работы на границу раздела клей - металл осуществляли перемещением клея в зазоре между склеиваемыми поверхностями грибков, при этом клей с помощью шприца под давлением в течение одной минуты подавали в отверстие, изготовленное по оси одного их грибков, скорость перемещения клея рассчитывали в зоне, находящейся на расстоянии 0, 5 радиуса от оси грибков. Количество подводимой работы дозировали как скоростью, так и временем перемещения клея со скоростью 2 мм/мин.

Изложение основного материала. Как видно на рис. 1 и 2, клей без добавки ПАВ в жидкостях металлы не склеивает. Добавление в клей ПАВ приводит к увеличению адгезионной прочности, дополнительное перемещение клея между склеиваемыми поверхностями позволяет получить адгезионную прочность практически такую же, как при склеивании грибков на воздухе (около 30 МПа). Как видно из сопоставления рис. 1 и 2, увеличение адгезионной прочности наблюдается как с увеличением скорости перемещения клея, так и времени перемещения.

Практическая реализация полученных закономерностей позволила широко внедрить клеи при монтаже и ремонте различных подводных сооружений. Так, при восстановлении свай нефтепирса Шесхарис, г. Новороссийск, клей наносили на углепластиковую оболочку, которую с помощью специальных приспособлений прижимали к металлической свае. Создаваемое давление приводило к передвижению клея в клеевом слое, при этом о количестве подводимой работы судили по количеству клея, вышедшему за пределы прижимаемой оболочки. О качестве выполненных работ можно судить по тому факту, что ревизия свай, выполненная через 1, 5 года после проведения их ремонта показала, что во всех случаях адгезионная прочность клей - металл была выше когезионной прочности клея.

Разработанный нами способ восстановления подземных трубопроводов путем нанесения на внутреннюю поверхность трубы армированного минеральными чешуйками полимерного покрытия с помощью системы поршней потребовал обеспечения высокой адгезии покрытия к металлу.

Рис. 1 Зависимость адгезионной прочности при склеивании металла в воде от скорости перемещения клея: 1 - клей без добавок ПАВ, 2 - клей с добавкой: олигомерного ПАВ, 3 - клей с добавкой олигомерного и катионактивного ПАВ.

Рис. 2 Зависимость адгезионной прочности при склеивании металла в воде от времени перемещения клея: 1 - клей без добавок ПАВ, 2 - клей с добавкой олигомерного ПАВ, 3 - клей с добавкой олигомерного и катионактивного ПАВ.

Проблема заключалась в том, что металл в этих случаях всегда покрыт остатками транспортируемых жидкостей и загрязнениями, в обычных условиях образование адгезионных связей полимер-металл не происходит. Включение в систему поршней стальной металлической щетки позволило значительно увеличить адгезию, а подача на эту щетку электрических импульсов повысило поднять адгезионную прочность до уровня, выше когезионной прочности клея. Обеспечение высокой адгезионной прочности полимер - металл в этих условиях позволяет реализовать ситуацию, когда при санировании металлических трубопроводов полимерными армированными материалами образуется не система «труба в трубе», как во всех известных способах, а система «металл, дублированный армированным полимером», что значительно повышает надежность и несущую способность трубопроводов (8).

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

склеивание элемент изделие

Р. А. Веселовский. Регулированире адгезионной прочности полимеров. Наукова Думка. Киев, 1988, 176с.

С. И. Корягин. Применение полимерных материалов при ремонте судовых конструкций и деталей механизмов рыбопромысловых судов. Калининград: Всесоюзный институт повышения квалификации руководящих работников и специалистов рыбной промышленности и хозяйства, 1992, 131с.

И. Г. Манец, Р. А. Веселовский. Полимерные композиционные материалы в горном деле. М., «Недра». 1988, 375с.

R. A. Veselovsky, V. N. Kestelman. Adhesion of Polymers. McGraw Hill, New-York, 2003, 500c.

К. А. Забела, Ю. К. Значков, Р. А. Веселовский. Ремонт подводных трубопроводов с помощью клеев. М. «Недра», 1978, 176с.

Р. А. Веселовский. Физическая химия многокомпонентных полимерных систем, том. 1. Наукова Думка, Киев, 1986, 375с.

А. Ф. Корецкий, В. А. Колоскова, А. В. Смирнова. Роль энергетики в процессах очистки поверхностей от масляных загрязнений. Новосибирск: Известия Сибирского отделения АН СССР, серия Химия, вып. 2, №4, 1972, с. 32-40.

Д. Р. Веселовский, Н. В. Савицкий, Б. А. Ляшенко, Р. А. Веселовский, О. С. Коротков. Исследование прочности системы «металлическая подложка-армированное полимерное покрытие» при изгибе и растяжении. Сб. научных трудов ПГАСА, г. Днепропетровск, 2006, с. 78-88.

Размещено на Allbest.ru