Ремонт кузовов легковых автомобилей

8. Ремонт металлических деталей полимерными материалами

8.1. Полимерные материалы

Использование полимерных материалов позволяет значительно снижать трудоемкость ремонта автомобиля, что обусловлено следующими их преимуществами:

не требуется сложное оборудование и высокая квалификация работающих;
появляется возможность производить ремонт без разборки узлов и агрегатов;
можно производить ремонт таких деталей, которые другими способами отремонтировать невозможно;
можно восстанавливать детали, исключив сложные технологические процессы нанесения материала и его обработки.

Наиболее широко при ремонте автомобилей используют анаэробные полимеры и композиционные материалы.

Анаэробные полимерные материалы представляют собой смеси жидкостей различной вязкости, способные длительное время оставаться в исходном состоянии без изменения свойств и быстро отвердевать с образованием прочного полимерного слоя в узких зазорах между поверхностями при температурах 15...35 °С при условии прекращения контакта с кислородом воздуха.

Основой анаэробных составов являются способные к полимеризации соединения акрилового ряда, чаще всего димета-криловые эфиры полиалкиленгликолей. В анаэробный состав входят ингибирующие и инициирующие системы, обеспечивающие его длительное хранение и быстрое отверждение в зазорах, а также загустители, модификаторы, красители и другие добавки. Выпускаются анаэробные полимерные материалы с разнообразными свойствами.

По прочностным свойствам анаэробные полимерные материалы подразделяются на высоко-, средне- и низкопрочные. После отверждения анаэробные материалы обладают высокой термической и химической стойкостью, обеспечивают работоспособность узлов и деталей при эксплуатации их в контакте с органическими растворителями и агрессивными средами в широком интервале температур и давлений. Скорость отверждения и время достижения максимальной прочности соединений зависят от температуры окружающей среды. При температуре ниже 15 °С полимеризация замедляется. Благодаря высокой проникающей способности анаэробные полимерные материалы плотно заполняют трещины, микродефекты сварных швов, зазоры.

На скорость отверждения анаэробных полимеров влияет материал, контактирующий с ними. Эти материалы подразделяются на три группы:

активные, ускоряющие отверждение полимера (сплавы меди, никель, малоуглеродистые стали);
нормальные, не влияющие на скорость отверждения (железо, углеродистые стали, цинк);
пассивные, замедляющие отверждение (высокоуглеродистые стали, алюминий, золото, титан и его сплавы, материалы с антикоррозионными покрытиями, пластмассовые изделия).

Композиционные полимерные материалы обычно классифицируются по виду армированного наполнителя или связующего. Наиболее широко распространены следующие связующие: полиэфиры, фенолы, эпоксидные компаунды и смолы, силиконы, алкиды, меламиды, полиамиды, фторуглеродистые соединения, поликарбонат, акрилы, ацетали, полипропилен, полиэтилен и полистирол.

Связующие подразделяются на термопласты (способные размягчаться и затвердевать при изменении температуры) и реактопласты, или термореактивные смолы (связующие, в которых при нагреве происходят необратимые структурные и химические превращения). В настоящее время для композиционных материалов больше используются термореактивные связующие.

Эпоксидные смолы — одни из лучших связующих для большого количества композиционных материалов, что объясняется следующими причинами:

эпоксидные смолы обладают хорошей адгезией к большинству наполнителей, армирующих компонентов и подложке;
разнообразие доступных эпоксидных смол и отверждающих агентов позволяет получать после отверждения материалы с широким диапазоном свойств;
в ходе химической реакции между эпоксидными смолами и отверждающими агентами не выделяются вода и вредные летучие вещества, а усадочные явления при отверждении в этом случае реже, чем для фенольных или полиэфирных смол;
отвержденные эпоксидные смолы обладают хорошей химической стойкостью к бензину, маслам, специальным жидкостям.

К преимуществам композиционных материалов перед полимерными относятся: повышенные жесткость, прочность, теплостойкость, стабильность размеров; пониженные газо- и паро-проницаемость; регулируемые электрические и фрикционные свойства; невысокая стоимость. Однако достичь сочетания всех этих свойств в одной композиции нельзя.

По отношению к полимерным композиционным материалам часто применяют термин «холодная сварка», что обосновано тем, что во многих случаях они позволяют не только заменять пайку, сварку или наплавку, но и восстанавливать такие детали, ремонт которых известными способами затруднен или невозможен.

Многие свойства полимерной композиции в значительной степени определяются свойствами матрицы. Для ремонтных целей наиболее подходят матрицы из эпоксидных олигомеров, которые являются основой многих композиционных материалов, как отечественных, так и зарубежных. В технической и научной литературе эпоксидными олигомерами называют эпоксидные смолы в неотвержденном состоянии. Для композиционных материалов, применяемых при ремонте автомобилей, наиболее подходят эпоксидно-диановые смолы марок ЭД-22, ЭД-20, ЭД-16 (табл. 8.1).

Таблица 8.1

Характеристики эпоксидно-диановых смол

Наибольшей вязкостью обладает смола ЭД-16, которую перед употреблением необходимо нагреть до температуры 60...80 °С. Смолы ЭД-20 и ЭД-22 пригодны для работы при комнатной температуре. Неотвержденные эпоксидные смолы легко растворяются во многих органических растворителях и имеют ограниченное применение.

Эпоксидные смолы проявляют ценные физико-механические свойства в результате превращения под действием отвер-дителей в сетчатый полимер. Эпоксидные композиции обладают уникальным набором технологических свойств, а полимерные материалы на их основе отличаются таким сочетанием высоких прочностных, теплофизических, диэлектрических, адгезионных, влагозащитных и других показателей, какого не имеет ни одна группа высокомолекулярных соединений.

Основное достоинство технологии ремонта с использованием эпоксидных олигомерных композиций основано на возможности их отверждения при любых температурах (начиная с отрицательных) и получения требуемых формы и размеров отвердевшей композиции.

На основе матрицы из эпоксидных смол могут быть созданы универсальные материалы. Эпоксидные смолы в неотвержден-ном состоянии относятся к высокомолекулярным соединениям с низкой степенью полимеризации, которые могут вступать в реакции полимеризации. Они содержат функциональные группы, обусловливающие возможность образования полимеров с пространственной сетчатой структурой (реакция отверждения).

Свойства отвержденной эпоксидной композиции во многом определяются характеристиками эпоксидной смолы, условиями и режимами протекания процесса их отверждения.

Отверждение происходит в результате взаимодействия функциональных разнотипных групп или ненасыщенных связей с низкомолекулярными веществами, называемыми отверди-телями. Химическая природа и строение молекул отвердителя во многом определяют структуру сетки и оказывают влияние не только на технологические свойства исходных композиций, но и на эксплуатационные характеристики полимеров. Самым распространенным отвердителем эпоксидных смол является полиэтиленполиамин, но отверждать эпоксидные смолы можно практически любым карбофункциональным соединением или основанием Льюиса.

Существующие отвердители можно подразделить на четыре группы: аминные отвердители; ангидриды ди- и поликарбоно-вых кислот; олигомерные отвердители; катализаторы и ускорители отверждения эпоксидных смол. Однако для практического использования пригодна лишь малая доля соединений, так как использование композиционных материалов при ремонте автомобилей требует отверждения эпоксидных композиций при комнатной температуре или при умеренном нагреве, а в случае необходимости — и при отрицательных температурах. Указанным требованиям отвечает подгруппа аминных отвер-дителей, в которую входят полиаминоалкилфенолы в виде технически чистых соединений, технология получения которых освоена промышленностью.

Приведенный ассортимент аминных отвердителей позволяет отверждать эпоксидные смолы в интервале температур -5...+200 °С, обеспечивает установление необходимых реологических показателей и жизнеспособность эпоксидных композиций. При этом можно получать полимерные материалы с комплексом ценных эксплуатационных свойств.

Отвержденные эпоксидные смолы в чистом виде обладают повышенной хрупкостью, плохо выдерживая удары и вибрации. Для повышения их эластичности в состав смол вводят пластификаторы. Суть пластификации состоит в изменении вязкости полимерной композиции, увеличении гибкости молекул и подвижности надмолекулярных структур. Пластификаторы уменьшают хрупкость, повышают морозостойкость и стойкость к резкому изменению температур отвержденных композиций. В ремонтном производстве в качестве пластификатора применяется в основном дибутилфталат (ДБФ) — желтовато-маслянистая жидкость с небольшой молекулярной массой и достаточно высокой температурой кипения.

Эпоксидные смолы не вступают в химическое взаимодействие с ДБФ и в процессе эксплуатации подвергаются быстрому старению; ДБФ является инертным разбавителем эпоксидной композиции. В процессе эксплуатации происходит выход ДБФ из композиции, что снижает прочность сцепления и стойкость к ударным нагрузкам. Одновременно снижается теплостойкость отвержденной композиции, уменьшается прочность при изгибе, растяжении и сжатии, ухудшаются диэлектрические характеристики материала.

К активным разбавителям, содержащим реакционноспособные группы, относятся низковязкие эпоксидные смолы. Введение активных разбавителей в эпоксидные смолы способствует снижению их начальной вязкости, увеличению жизнеспособности и повышению эластичности отвержденных композиций.

Пластификаторы допускается вводить вручную, однако это может привести к неравномерному смешиванию с образованием большого количества пузырьков воздуха. Поэтому целесообразно использовать готовые компаунды, в которые уже введены пластификаторы.

В эпоксидный компаунд входит олигоэфиракрилат МГФ-9, представляющий собой эфир, полученный на основе метакри-ловой и фталевой кислот и триэтиленгликоля.

В качестве пластификаторов эпоксидных смол используют также низкомолекулярные полиамидные смолы (Л-18, Л-19, Л-20), являющиеся одновременно отвердителями.

Наполнитель может влиять на молекулярную структуру полимерной матрицы на сравнительно больших расстояниях от его поверхности, значительно превышающих радиус действия межмолекулярных сил. Наполнители в виде металлических порошков придают эпоксидным композициям свойства, присущие металлам: теплопроводность и электропроводность. Одновременно они сохраняют важные свойства полимеров: эластичность, адгезию к металлам, химическую стойкость. Кроме того, при определенных условиях полимеры, наполненные металлическим порошком, могут приобретать протекторные и ингибирующие свойства соответствующих металлов.

Влияет наполнитель и на процесс отверждения эпоксидной смолы, вступая в химические реакции с реакционноспособными группами эпоксидных отвердителей. Наполнители могут быть неорганическими и органическими, а также могут представлять собой порошки различных металлов.

В производственной практике ремонта автомобилей наибольшее распространение получили многочисленные композиции на основе эпоксидных смол ЭД-20 и ЭД-16, где в качестве пластификатора используется ДБФ с отвердителем полиэтилен-полиамином.

Готовят композиционные материалы следующим образом. Для лучшего перемешивания эпоксидную смолу ЭД-16 разогревают до температуры 60...80 °С и отбирают в ванночку необходимое ее количество. В смолу добавляют небольшими порциями пластификатор (если он содержится в композиции) и перемешивают смесь в течение 5...8 мин. Затем вводят наполнитель и перемешивают в течение 8...10 мин. Такой состав можно хранить длительное время.

Окончательное приготовление композиции осуществляется непосредственно на месте использования и незадолго до ее применения. Это объясняется тем, что после введения отвердителя или катализатора жизнеспособность композиции находится в интервале от нескольких минут до нескольких часов (в зависимости от типа отвердителя). Этим определяется количество приготавливаемой композиции.

Анализ показывает, что отклонение дозировки отвердите-лей до 5 % от оптимального соотношения, а пластификаторов и наполнителей — до 10 % не приводит к существенным изменениям свойств композиции при хорошем смешивании компонентов. Большее отклонение вызывает ухудшение свойств композиции.

Отвердитель вводят в состав непосредственно перед его применением и тщательно перемешивают композицию.