Лако-красочные материалы — производство

Под прогнозированием свойств клеевых соединений можно по­нимать как разработку клеев с заранее заданными свойствами, обеспечивающими получение соединений с требуемыми характе­ристиками, так и предсказание поведения клеевых соединений при действии того или иного эксплуатационного фактора или их совокупности. В данной книге рассматривается только второе направление.

Прогнозирование свойств клеевых соединений является весь­ма сложной и еще далеко не решенной задачей. "Однако имеется значительный практический опыт применения различных эмпи­рических способов оценки клеевых соединений и их сопоставле­ния с натурой.

Наиболее развиты эмпирические методы, основанные на ис­пытании клеевых соединений в более жестких условиях, чем в натуре, и сопоставлении результатов ускоренного и естественно­го старения. К теоретическим относятся, главным образом, спо­собы, базирующиеся на температурно-временной и других ана­логиях.

Принято считать, что если соединение выдерживает опреде­ленное число циклов (обычно от 3—5 до 30—50) быстрого пере­пада температур, то изделие с такими соединениями может длительно работать в условиях, когда скорость изменения тем­пературы или ее перепад будет меньше, чем при испытаниях на тепловой удар.

Известно, что соединения древесины, успешно прошедшие циклическое температурно-влажностное старение, например по ГОСТ 17580—72, как правило, обладают хорошей атмосферо­стойкостью. Соединения* выдерживающие длительное пребыва­ние в воде при повышенной температуре, при прочих равных условиях будут более водостойки в воде с меньшей температу­рой.

Однако ёслн используются клеи, отверждение которых про­шло не до конца, то в горячей воде они быстро доотверждаются, а в холодной — этот процесс замедлен. В связи с этим стойкость в горячей воде может оказаться больше, чем в холодной. Это относится к клеям, отверждение которых происходит вследствие поликонденсации и других химических процессов, а не в резуль­тате испарения растворителей.

Таким образом, прогнозирование поведения клея в конкрет­ных условиях эксплуатации зависит от его химической ак­тивности.

В то же время, если в кипящей воде (например, по ГОСТ 17006—71) клеевые соединения неустойчивы, это еще не явля­ется критерием их плохой стойкости в холодной воде, поскольку скорости гидролиза в кипящей и холодной воде различаются очень значительно. Испытания на тепловой удар в известной степени моделируют процессы, происходящие при действии пе­репада температур на клеевые соединения в средствах транс­порта, строительных конструкциях. Однако эти испытания эф­фективны только тогда, когда склеиваемые материалы и клеи значительно различаются по коэффициентам линейного расши­рения, причем размеры соединения должны быть довольно зна­чительны, чтобы температурные напряжения достигли величины, сопоставимой с прочностью.

К эмпирическим методам следует отнести также экстраполя­цию данных, полученных при сравнительно небольших сроках испытаний, на более длительные периоды. Для этого, в первую очередь, следует быть уверенным, что на протяжении всего прогнозируемого срока закономерность изменения свойств кле­евых соединений не меняется и не отличается от закономерности, установленной для времени эксперимента. К сожалению, уста­новить это с достаточной степенью достоверности можно только, проведя испытания, по длительности равные сроку эксплуатации соединения. Это в значительной степени обесценивает методику.

Получили распространение способы прогнозирования, осно­ванные на качественной идентичности процессов, протекающих при разном уровне воздействия того или иного эксплуатацион­ного фактора. Так, если изменение прочности или другого свой­ства за время длительной выдержки при разных температурах, например при тепловом старении, происходит по одному механизму, то графическая зависимость в координатах степень изменения свойства — обратная температура выражается пря­мой линией. Это дает основание с довольно большой степенью достоверности прогнозировать время "снижения изучаемого свойства при разных температурах, причем по тангенсу угла наклона прямой можно определить’безразмерный коэффициент скорости процесса. Однако следует решительно предостеречь от выводов [25, 154], что старение подчиняется уравнению Арр’е — ниуса, характеризующему температурную зависимость скорости химических реакций в газовой фазе, и на этом основании рас­считывать энергию активации процесса старения.

Все эти методы применяются для соединений, не испытыва­ющих при эксплуатации нагрузок, что на практике встречается редко. Для прогнозирования прочности соединений, работающих под нагрузкой, следует использовать зависимости, вытекающие из кинетической теории прочности, о чем говорилось выше. Со­блюдение указанных зависимостей позволяет экстраполировать временные кривые прочности на один-два порядка. Например, при экспериментах продолжительностью 10е—107 с допустима экстраполяция до 10® —109 с, т. е. на один-два порядка, чего, как правило, достаточно для практических целей. По мере набора экспериментальных данных должна быть создана возможность определения длительной прочности клеевых соединений путем экстраполяции ее кратковременной прочности на заданные сро­ки с учетом продолжительности машинных испытаний, подобно тому, как это предложено для древесины [155].

В этом случае продолжительность кратковременных испыта­ний T следует связать с разрушающим напряжением сгБР в со­ответствии с выражением

‘ аш

Где со — постоянная скорость роста напряжения.

В результате ряда преобразований получаем формулу

0т =——— ——

Т В + С Lg t

Где В = CTo/Ov; C =

По этой формуле можно определить длительную прочность путем экстраполяции кратковременной прочности на срок эксплуатации.

Пересчет результатов, полученных при одном методе испы­таний, на другой возможен путем использования. критерия Бей-

-ли [156]. В соответствии с критерием Бейли

[ Dt

J T[a(f)]

О

Можно просуммировать разрушение в условиях переменной на­грузки. Расчетные значения долговечности, вычисленные по критерию Бейли, могут давать отклонения от эксперименталь­ных значений вследствие изменения структуры материала в процессе испытаний, разогрева (например, при циклических ис­пытаниях) и т. п. В связи с тем, что зависимость долговечности от напряжения и температуры носит экспоненциальный характер, пребывание клеевого соединения под большим напряжением даже в течение малого времени приведет к такому же исчерпанию долговечности, как пребывание длительное время под малой нагрузкой. Перерывы в действии нагрузки —«от­дых»— в соответствии с критерием Бейли отнюдь не приводят к увеличению долговечности по сравнению с непрерывным прило­жением постоянного напряжения. Суммарная долговечность при периодическом нагружении не увеличивается, а в ряде случаев может даже уменьшаться из-за того, что отдых влияет на пере­стройку структуры материал^ [164].

Однако при исследовании клеевых соединений мягких мате­риалов при температурах выше температуры стеклования отме­чено [165], что при режимах с отдыхом экспериментально най­денная долговечность значительно превышает долговечность, определенную по критерию Бейли. Возможно, это связано с самозалечиванием во время отдыха дефектов, полученных при нагружении.

Вводя различные допущения, можно воспользоваться урав­нениями, следующими из кинетической теории прочности, для расчета самых различных клеевых соединений [157].

Для прогнозирования свойств клеевых соединений, особенно на клеях, находящихся в высокоэластическом состоянии, перс­пективно сопоставление релаксационных свойств и долговечно­сти с тем, чтобы по релаксационным характеристикам судить о сроке службы изделия [26, 158, 159].

Прогнозирование деформативности клеевых соединений мо­жет проводиться по кривым ползучести под постоянной нагруз­кой путем их ограниченной экстраполяции.

Весьма перспективно применение метода суперпозиций (ана­логий), основанного на том, что, например, повышение темпера­туры эквивалентно увеличению времени действия более низкой температуры. Для полимеров установлены температурно-вре — менная, напряженно-временная, влаго-временная и другие виды суперпозиций [166, 167], которые можно применять к клеевым соединениям на полимерных клеях. При этом необходимо при­нимать во внимание различные ограничения, связанные как с недостаточной практической проверкой того или иного метода аналогий для реальных изделий, так и с тем, что отдельные характеристики исследуемого объекта и реального изделия раз­личаются по напряженному состоянию, краевому эффекту, мас­штабу и т. п. Методы аналогий основаны на использовании факторов (температуры, влаги и др.), ускоряющих релаксаци­онные процессы или процессы разрушения. В первом случае речь идет о. прогнозировании деформационных свойств (ползучести и т. п.), а во втором — о прогнозировании прочностных характе­ристик. В настоящее время более развито направление прогно­зирования деформационных свойств полимеров.

Методы прогнозирования применимы как для области стек­лообразного, так и для высокоэластичного состояния полимеров.

Рис. VIII. 1.

Зависимость релаксации напряжений в соединениях древесины со стальной арматурой иа клее ЭПЦ-1 от температуры.

Наиболее распространено прогнозирование ползучести и релак­сации напряжений. Обобщенные кривые строятся путем сдвига отрезков кривых, полученных при разных температурах (влаж­ности и т. п.), относительно произвольно выбранной температуры (влажности и т. п.) приведения. Коэффициент температурно — временной редукции определяется по уравнению Вильямса — Ланделла — Ферри [163]. Следует отметить, что при темпера­туре выше и ниже температуры стеклования эти коэффициенты могут различаться.

В качестве примера приложения таких способов к клеевым соединениям можно привести данные для конструкционных и неконструкционных клеев [161 —163]. На рис. VIIL 1 представ­лены экспериментальные кривые релаксации средних напряже­ний в соединениях стальной арматуры с древесиной на эпоксид­ном клее ЭПЦ-1 при различных температурах. Начальные напряжения составляли около 60% от значений временных со­противлений при каждой температуре испытания, что примерно соответствует соотношению между расчетным и временным со­противлениями. В соответствии с методикой применения темпе — ратурно-временной аналогии была выбрана температура приве­дения (40*°С) и построена обобщенная кривая путем смещения зависимостей т — lg T вдоль оси lg / с учетом фактора приве­дения At. Область, лежащая ниже обобщенной кривой, позволяет судить о работоспособности соединений в исследуемом интер­вале температур на время до 8-Ю8 с (около 30 лет), что вполне достаточно для практических целей.

Справедливость применения того или иного метода прогно­зирования следует Проверять, сопоставляя результаты ускорен­ных испытаний с поведением соединений в реальных изделиях с учетом масштабного фактора, напряженного состояния и т. п. Естественно, что по мере накопления экспериментальных данных необходимость такого сопоставления должна снижаться.