клеевая композиция на основе эпоксидной смолы

Формула изобретения

Клеевая композиция на основе эпоксидной смолы, пластификатора, отвердителя и наполнителя, отличающаяся тем, что она в качестве наполнителя содержит карбоксиметилцеллюлозный клей, при следующем соотношении компонентов, маc. %:

Отвердитель - 8,5 - 2,3

Пластификатор - 0,5 - 5,0

Карбоксиметилцеллюлозный клей - 7 - 70

Эпоксидная смола - Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области клеевых композиций, в частности к клеевым композициям на основе эпоксидной смолы, предназначенным для склеивания резьбовых соединении металлических инструментов для холодной обработки металлов, работающих в условиях вибрационных нагрузок.

При холодной обработке металлов используют металлический рабочий инструмент, состоящий из державки и рабочей части, которые соединены между собой с помощью резьбового соединения.

В процессе холодной обработки металлов таким инструментом происходит вибрационное воздействие на него, которое приводит к раскручиванию резьбового соединения и в последующем к браку обрабатываемого изделия.

Для исключения подобных случаев резьбовое соединение инструмента дополнительно склеивают клеевой композицией, что практически исключает раскручивание резьбового соединения инструмента в процессе обработки металлов.

В связи с тем, что вышеуказанный рабочий инструмент дорогостоящий, то при износе или поломке его рабочих поверхностей необходимо раскрутить склеенное резьбовое соединение и заменить испорченную рабочую часть инструмента на годную.

Известно использование клеевой композиции марки ДЕLОМLS249 производства Германии в резьбовом соединении оправок, используемых при изготовлении труб из циркониевых сплавов на прокатных станах типа KPW (Перевалка трубопрокатного стана KPW-18. Рабочая инструкция Р-85-76-98 от 23.12.98).

Данная клеевая композиция отверждается при комнатной температуре, обеспечивает требуемую прочность склеенного резьбового соединения оправок в процессе прокатки труб и позволяет раскручивать с помощью гаечного ключа склеенное резьбовое соединение при нагревании его до температуры 160-180^oС.

Недостатками данной клеевой композиции являются ее высокая стоимость в валюте и недостаточно большой гарантированный срок ее использования (6 месяцев со дня изготовления).

Известен пастообразный клей ВК-37 на основе модифицированного эпоксидного олигомера, который применяется для повышения усталостной прочности клеерезьбовых соединений (Д.А.Кардашов. Конструкционные клеи. - М.: Химия 1980 г. с.222).

Данный клей отверждается при комнатной температуре, обеспечивает требуемую прочность склеенного резьбового соединения инструмента в процессе холодной обработки металла, имеет достаточно большой гарантированный срок его использования (12 месяцев со дня изготовления). Однако недостатками данного клея являются его сравнительно высокая стоимость и значительные трудности при раскручивании склеенного резьбового соединения даже при температуре 160-180^oС.

Наиболее близким техническим решением, выбранным авторами за прототип, является известная композиция на основе эпоксидной смолы, пластификатора, отвердителя и наполнителя в виде рогокопытной муки в количестве 70-80 вес.ч на 100 вес.ч эпоксидной смолы (а.с. СССР 362856, С 08 D 51/14, 1970).

Данная эпоксидная композиция отличается сравнительной низкой стоимостью, имеет достаточно большой гарантированный срок ее использования (12 месяцев со дня изготовления).

Однако недостатками известной эпоксидной композиции являются низкая прочность клеевого соединения в резьбе инструмента при холодной обработке металла и значительные трудности при раскручивании склеенного резьбового соединения инструмента даже при температуре 160-180^oС.

Кроме того, низкая прочность клеевого соединения в резьбе инструмента при вибрационном воздействии в процессе обработки металла приводит к раскручиванию резьбового соединения инструмента и к его поломке, что вызывает повышенный брак изделий.

Заявляемое техническое решение направлено на повышение прочности клеевого соединения в резьбе инструмента для холодной обработки металла, на снижение прочности клеевого соединения в резьбе инструмента при температуре 160-180^oС для облегчения условий раскручивания склеенных резьбовых соединений инструмента после его использования, а также на снижение брака от поломки инструмента.

Указанная задача решается следующим образом. В отличие от известной клеевой композиции на основе эпоксидной смолы, пластификатора, отвердителя и наполнителя в заявляемом техническом решении в качестве наполнителя использован карбоксиметилцеллюлозный клей при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Отвердитель - 8,5-2,3

Пластификатор - 0,5-5

Карбоксиметилцеллюлозный клей - 7-70

Эпоксидная смола - Остальное

При анализе патентных и научно-технических источников не выявлено технических решений, обладающих всей совокупностью существенных признаков заявляемой композиции.

Таким образом, заявляемая клеевая композиция по результатам анализа уровня техники является неизвестной и соответствует критерию патентоспособности изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить технических решений с признаками, отличающими заявляемую клеевую композицию от прототипа.

Заявляемое техническое решение явным образом не следует из уровня техники, т.к. заявляемая клеевая композиция представляет собой сложную многокомпонентную систему и поэтому весьма сложно представить себе механизм явлений, происходящий при смешивании вышеуказанных компонентов в композиции, а тем более не представляется возможным предсказать ее свойства, а именно прочность клеевого соединения в резьбе инструмента при вибрационных нагрузках в процессе холодной обработки металлов и прочность этого соединения при температуре 160-180^oС при раскручивании резьбового соединения. Кроме того, для выявления оптимального соотношения компонентов заявляемой клеевой композиции требуется проведение большого количества дорогостоящих экспериментов.

Таким образом, заявляемая клеевая композиция соответствует критерию патентоспособности изобретения "изобретательский уровень".

Введение в заявляемую клеевую композицию карбоксиметилцеллюлозного клея, по-видимому, приводит к повышению активности центров связи клеевого соединения со склеиваемой резьбовой металлической поверхностью, к созданию значительного количества новых активных центров связи и к большей разветвленности структурных связей "клеевая композиция - резьбовая поверхность", в результате чего существенно повышается прочность клеевого соединения в резьбе инструмента для холодной обработки металлов при рабочей температуре. Механизм повышения прочности клеевого соединения путем введения карбоксиметилцеллюлозного клея в клеевую композицию может быть объяснен современными теориями катализа и заключается в увеличении числа электронов проводимости благодаря образованию примесных локальных уровней между валентной зоной и зоной проводимости. Вместе с тем, наличие в заявляемой клеевой композиции пластификатора и карбоксиметилцеллюлозного клея в заявленных пределах, по-видимому, приводит к снижению теплостойкости заявляемой системы, что в конечном счете приводит к снижению прочности клеевого соединения в резьбе инструмента при температуре 160-180^oС и к облегчению условий раскручивания резьбового соединения инструмента после его использования.

Кроме того, повышение прочности клеевого соединения в резьбе инструмента при рабочей температуре (60-80^o) приводит к значительному сокращению количества поломок инструмента и снижению брака изделий из-за поломки инструмента. Карбоксиметилцеллюлозный клей представляет собой мелкодисперсный порошок светлого цвета. Данный клей изготавливают на основе карбоксиметилцеллюлозы - простого эфира целлюлозы и гликолевой кислоты. Общая химическая формула [С₆Н₇O₂(ОН)_3-X(ОСН₂СООН)X].

Карбоксиметилцеллюлозный клей марки КМЦ выпускается промышленностью по ТУ 2385-005-02953738-96. Эпоксидная смола с пластификатором и отвердителем выпускается промышленностью по ТУ 6-15-1070-82.

В качестве эпоксидной смолы могут быть также использованы:

- эпоксидно-диановая смола марки ЭД-20 по ГОСТ 10587-93;

- эпоксидная смола на основе резорцина и его производных марки УП-637;

- эпоксидная смола на основе дифенилолпропана модифицированного тиоколом и олигоэфиракрилатом МГФ-9 марки К-153.

В качестве отвердителя могут быть также использованы:

- смола фенолоформальдегидная резольного типа марки СФЖ-309 по ГОСТ 20907-75;

- отвердитель марки Л-18 по ТУ 6-06-1123-98;

- метилдиэтаноламин по ТУ 2423-005-11159873-2000.

В качестве пластификатора могут быть также использованы:

- дибутилфталат марки ДБФ по ГОСТ 8728-88;

- дибутилфталат марки ДМФ по ГОСТ 8728-88;

- пластификатор марки С-3 по ТУ 2481-001-51831493-2000.

Для проверки заявляемого технического решения проводили следующую работу. По прототипу получали клеевую композицию следующего состава: брали 75 вес.ч. рогокопытной муки и смешивали ее со 100 вес.ч. эпоксидной смолы марки ЭД-20 до получения однородной массы, затем вводили пластификатор (дибутилфталат марки ДБФ) в количестве 5 вес.ч. и отвердитель (фенолформальдегидная смола марки СФЖ-309) в количестве 10 вес.ч. и перемешивали композицию до получения однородной массы. Затем на предварительно обезжиренную ацетоном и просушенную резьбовую поверхность образца оправки для прокатки труб наносили тонким слоем вышеуказанную композицию и закручивали резьбовое соединение до упора. Излишки клея удаляли. По заявляемому техническому решению получали клеевые композиции по разным вариантам, состоящие из:

отвердителя - 9; 8,5; 5,4; 2; 3; 2 мас.%;

пластификатора - 0,3; 0,5; 3; 5; 5,5 мас.%;

карбоксиметилцеллюлозного клея - 5; 7; 39; 70; 75 мас.%;

эпоксидная смола - остальное.

Клеевые композиции получали путем перемешивания эпоксидной смолы, пластификатора и карбоксиметилцеллюлозного клея до состояния однородной массы. В качестве эпоксидной смолы использовали эпоксидно-диановую смолу марки ЭД-20, в качестве отвердителя использовали смолу фенолформальдегидную марки СФЖ-309, в качестве пластификатора использовали дибутилфталат марки ДБФ.

Непосредственно перед применением в эпоксидную композицию вводили отвердитель и перемешивали клеевую композицию до состояния однородной массы. Затем на предварительно обезжиренную ацетоном и просушенную резьбовую поверхность образца оправки для прокатки труб наносили тонким слоем заявляемую клеевую композицию и закручивали резьбовое соединение до упора. Излишки клея удаляли. Проверяли также клеевые композиции, состоящие из следующих компонентов оптимального состава:

- эпоксидная смола марки УП-637+ отвердитель марки Л-18+ пластификатор марки ДМФ+ карбоксиметилцеллюлозный клей;

- эпоксидная смола марки К-153 + отвердитель (метилэтаноламин) + пластификатор марки С-3 + карбоксиметилцеллюлозный клей.

Для сравнения получали клеевое соединение на резьбовой поверхности образца оправки для прокатки труб с использованием клеевых композиций марок DELO ML 5368 и DELO MLS 249.

По каждому варианту получали по шесть образцов оправок для прокатки труб с клеевым соединением. Отверждение клеевого соединения по всем вариантам проводили при комнатной температуре в течение 24часов.

Прочность клеевого соединения в резьбе образцов оправок оценивали по усилию раскручивания склеенного резьбового соединения при комнатной температуре и температуре 180^oС с помощью гаечного ключа и динамометра американской фирмы "ADAMEL LHOMARGY". Процент брака изделий от поломки инструмента оценивали после выпуска опытных партий труб из циркониевого сплава Э110 с использованием оправки по каждому варианту.

Результаты исследований приведены в таблице. В таблице приведены средние относительные значения усилий раскручивания резьбовых соединении образцов оправок по отношению к средним значениям усилий, полученных для клеевых соединений с использованием клеевой композиции марки DELO - ML 5368 по результатам трех опытов.

Анализ данных, представленных в таблице, показывает, что заявляемая клеевая композиция отличается от прототипа и аналога более высокой прочностью клеевого соединения при комнатной температуре (1,46-1,11 вместо 0,76 у прототипа и 1 у аналога), меньшей прочностью клеевого соединения при температуре 180^oС (0,85-0,71 вместо 1,54 у прототипа и 1 у аналога), что облегчает условия раскручивания резьбового соединения оправки после ее использования, кроме того, заявляемая клеевая композиция отличается от аналога меньшей стоимостью (72,14 руб/кг вместо 1980 $/кг у аналога), большим сроком использования композиции (12 месяцев вместо 6 месяцев у аналога) и меньшим процентом брака изделий от поломки инструмента (0,02-0,04% вместо 0,05-0,06% у аналогов и 0,51% у прототипа). Оптимальным составом заявляемой композиции является следующий, мас.% (опыты 5-7, 10, 11, 14, 15, 17-22):

Отвердитель - 8,5-2,3

Пластификатор - 0,5-5

Карбоксиметилцеллюлозный клей - 7-70

Эпоксидная смола - Остальное

Уменьшение количества отвердителя в клеевой композиции менее 2,3 мас.% (опыт 8) приводит к значительному снижению прочности клеевого соединения.

Увеличение количества отвердителя в клеевой композиции более 8,5 мас.% (опыт 4) приводит к резкому снижению жизнеспособности композиции.

Уменьшение количества пластификатора в клеевой композиции менее 0,5 мас. %, (опыт 9) приводит к снижению прочности клеевого соединения при комнатной температуре.

Увеличение количества пластификатора в клеевой композиции более 5 мас.% (опыт 12) приводит к значительному повышению усилия раскручивания резьбового соединения оправки при температуре 180^oС.

Уменьшение количества карбоксиметилцеллюлозного клея в клеевой композиции менее 7 мас.% (опыт 13) приводит к значительному снижению прочности клеевого соединения при комнатной температуре и увеличению усилия раскручивания резьбового соединения оправки при температуре 180^oС.

Увеличение количества карбоксиметилцеллюлозного клея в клеевой композиции более 70 мас.% (опыт 16) приводит к резкому снижению текучести композиции и снижению ее технологических свойств.

Заявляемая клеевая композиция опробована в производственных условиях ОАО ЧМЗ при склеивании резьбового соединения конусных оправок с положительным результатом. Данные оправки были использованы при прокатке опытных партий труб диаметром 9,137,72 мм из циркониевого сплава Э110 на прокатном стане KPW-18.