Термопласты полимерных изделий автомото

Термопласты

Термопласты являются наиболее распространенными полимерными материалами. Основной их отличительной чертой является то, что они могут плавиться и затвердевать. Именно поэтому термопласты обычно ремонтируют посредством сварки, а не только склеивания. В случае снекоторыми видами прочных термопластов лучше использовать клей. В данном разделе мы рассмотрим каждый вид термопластов, а также преимущества и недостатки каждого метода ремонта.

Полипропилен и термопластичный полиолефин (ТПО)

Термопластичный полиолефин является смесью полиолефина, обычно полипропилена иэластомера (обычно синтетической резины), при этом полипропилен будет основным составляющим компонентом, а резина будет добавляться с целью оптимизации пластичности иударостойкости. Термопластичные полиолефины смешиваются с другими полимерами ихимическими соединениями, чтобы изменить физические свойства.

Дюжина различных компаний специализируется на производстве термопластичного полиолефина. Так как соотношение технических характеристик и стоимости является очень выгодным, именно в этой области ведутся наиболее активные исследования по совершенствованию химического состава и расширению сфер применения. Именно поэтому термопластичные полиолефины могут иметь совершенно различную структуру. Существуют тысячи различных смесей термопластичных полиолефинов, которые используются везде – от изоляции проводов до бамперов автомобилей.

Из-за большого разнообразия формул термопластичного полиолефина сварку плавлением выполнить достаточно сложно, так как всегда существует вероятность несовместимости между присадочным прутком и полимером. Сварку плавлением достаточно легко выполнить, если полимерный материал и присадочный пруток совместимы. Иногда нам везет. Бамперы на автомобилях Honda, изготовленные из полимерных материалов, имеют слишком низкое содержание эластомера, поэтому их достаточно легко сварить с использованием присадочного прутка из пропилена. Однако, так как содержание эластомера в термопластичном полиолефине может варьироваться от 0 до 50%, сложно подобрать универсальный присадочный пруток для ремонта данного полимерного материала.

Так как это полиолефин (или «маслянистый» полимер), многие виды клея также не подойдут для ремонта. Поверхностная энергия полиолефинов достаточно низкая, именно поэтому слой клея будет скорее слипаться, а не прилипать к поверхности полимера. Сложно добиться соответствующей адгезии, если клей не проникает во все микроскопические неровности на поверхности полимера.

Адгезию можно оптимизировать, используя активатор склеивания перед нанесением клея. Практически все производители разных марок клея выпускают специальные составы для ремонта термопластичного полиолефина. Обычно в комплект входят активатор склеивания идвухкомпонентный уретановый или эпоксидный клей. Термоплавкий клей также отлично работает на деталях из термопластичного полиолефина.

При этом ни цианоакрилат, ни метакрилат не подходят для ремонта термопластичного полиолефина даже при условии использования активаторов склеивания, которые отлично работают с двухкомпонентным клеем. Это связано прежде всего с химической несовместимостью акриловой основы клея и полиолефинов, а также с тем, что цианоакрилаты и метакрилаты намного прочнее, чем термопластичный полиолефин. Если полимерный материал чрезвычайно пластичный, клеевой шов растрескается и лопнет. В таблице3.6 приведены все «за» и «против» различных методов ремонта термопластичного полиолефина.

Таблица 3.6. Методы ремонта деталей из термопластичного полиолефина

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что оптимальными методами ремонта для термопластичного полиолефина являются термоплавкий клей, двухкомпонентный клей или сварка плавлением (именно в таком порядке). Если вам удастся подобрать подходящий присадочный пруток, сварка плавлением станет оптимальным методом. К тому же сварка плавлением может быть единственным приемлемым вариантом, если геометрия детали исключает использование клея.

Полиэтилен

Как полипропилен и термопластичный полиолефин, полиэтилен представляет собой полиолефин, или «маслянистый» полимер. Обычно его можно идентифицировать по маслянистой ипарафинистой на ощупь поверхности. Как правило, его отливают в натуральном цвете (полупрозрачный молочно-белый цвет). Даже если полиэтилен отливают в цвете, например при производстве деталей для мотоциклов для бездорожья и вездеходов, поверхность все равно будет парафинистой и полупрозрачной.

В отличие от термопластичного полиолефина полиэтилен чаще всего отливается от соответствующего сополимера с незначительными добавками для модификации физических свойств. Существует три основных типа полиэтилена, которые различаются по молекулярной структуре: полиэтилен низкой плотности (LDPE), полиэтилен высокой плотности (HDPE) иполиэтилен среднего давления (LLDPE). В данном руководстве мы сосредоточимся на полиэтилене низкого давления, так как именно его чаще всего используют при производстве легковых автомобилей, грузовиков, мотоциклов и транспортных средств для отдыха иразвлечений. Полиэтилен высокого и среднего давления применяется в других видах промышленности. То есть, когда мы будем говорить о полиэтилене, я буду иметь в виду полиэтилен низкого давления, если не указано иное.

Поверхность полиэтилена даже более скользкая, чем поверхность полипропилена итермопластичного полиолефина, поэтому теоретически клей и краска не будут ложиться должным образом. Только некоторые термоплавкие виды клея могут подойти для ремонта полиэтилена.

Оптимальным методом ремонта полиэтилена является сварка плавлением в безвоздушной среде или в среде горячего воздуха. Так как температура размягчения полиэтилена относительно низкая, это был один из первых полимеров, который подвергся сварке. Именно поэтому детали из полиэтилена являются идеальными проектами для ремонта, если вы новичок в этом деле. Втаблице3.7 приведены некоторые правила, которые помогут вам установить оптимальный метод ремонта изделий из полиэтилена.

Таблица 3.7. Методы ремонта деталей из полиэтилена

АБС-пластик

АБС-пластик, или акрилонитрилбутадиенстирол, является достаточно распространенным видом полимерных материалов, который используется для производства различных компонентов, как, например, внутренние облицовочные панели автомобилей, обтекатели мотоциклов для движения по городу, бытовых приборов ит.д. К счастью, АБС-пластик достаточно просто отремонтировать, используя различные методы. На самом деле из всех методов ремонта, которые мы описывали, только использование термоплавких видов клея не подходит для ремонта АБС-пластика.

Существует две основные причины того, почему АБС-пластик легко поддается ремонту. Прежде всего, он обладает относительно высокой поверхностной энергией, что означает, что клей будет отлично пропитывать поверхность. А если клей может эффективно пропитать поверхность, значит, он проникает во все микроскопические неровности и труднодоступные участки, он сможет закрепиться в компоненте механически, таким образом создавая более прочное соединение.

Второй причиной, по которой АБС-пластик легко поддается ремонту, является то, что это прочный материал. Обычно методов ремонта пластичных материалов немного, так как главной целью является сохранение их функциональных особенностей, поэтому материалы для ремонта также должны обладать некоторой пластичностью. Просто пластичных материалов для ремонта намного меньше, чем прочных.

Так как детали из АБС-пластика можно отремонтировать, используя различные методы, оптимальный способ будет определяться такими факторами, как геометрия повреждений. Втаблице3.8 приведены некоторые правила, на основании которых вы сможете подобрать подходящий метод ремонта в зависимости от повреждения.

Таблица 3.8. Методы ремонта деталей из АБС-пластика

Так как для ремонта АБС-пластика подходят многие технологии ремонта, всегда лучше перестраховаться. Вы можете склеить трещину при помощи цианоакрилатного клея, затем приварить ее и упрочнить эпоксидным клеем с обратной стороны. Таким образом ремонтируемую поверхность можно сделать прочнее, чем оригинальный материал.

Поликарбонат и смеси поликарбоната (ПК)

Поликарбонат используется практически в тех же случаях, что и АБС-пластик, так как это также прочный полимер, но поликарбонат прочнее АБС-пластика. Естественно, он также более дорогой. Компания General Electric выпускает поликарбонат под торговой маркой Lexan. Этот полимер представляет собой прозрачный глазированный материал, похожий на акрил, но он намного прочнее.

При производстве автомобилей и мотоциклов поликарбонат обычно смешивают с другими полимерами, как, например, полиэстер или АБС-пластик, чтобы изменить такие физические свойства, как пластичность или коэффициент теплового расширения. Компания General Electric выпускает смеси поликарбоната под торговыми марками Pulse и Xenoy. Pulse используется для создания дверных панелей на автомобилях марки Saturn, а также обтекателей на некоторых дорожных мотоциклах. Xenoy используется для создания бамперов и упрочнительных элементов на некоторых моделях автомобилей.

Поликарбонат отлично поддается сварке, а смеси поликарбоната можно обычно успешно варить при помощи поликарбонатного присадочного прутка. Сварка является оптимальным методом ремонта поликарбоната. Поликарбонат обладает достаточно высокой температурой плавления, поэтому сварка плавлением должна осуществляться при высокой температуре, но, как только необходимый температурный режим будет достигнут, поликарбонат будет отлично поддаваться плавлению и растекаться. Часто помогает предварительный нагрев поверхности техническим феном при использовании безвоздушной сварки. Если вы собираетесь варить в среде горячего воздуха, предварительный подогрев необязателен.

Так как поликарбонат прочный и имеет относительно высокую поверхностную энергию, все виды клея отлично справятся с ремонтом поликарбоната, кроме термоплавкого клея, который обычно более пластичный. Двухкомпонентные уретановые и эпоксидные клеи отлично подходят для устранения крупных повреждений. Цианоакрилат отлично ложится на поликарбонат, однако его не стоит использовать для первичного структурного ремонта.

Какая разница между прочностью на растяжение и прочностью на изгиб?

Многие люди, которые выполняют ремонт изделий из пластика, пытаются проверить прочность полученного соединения, взявшись за край и попытавшись изогнуть его. Даже при условии идеального выполнения ремонтных работ, скорее всего, данной проверки деталь не выдержит. Втаком случае обычно приходят к выводу, что материалы для ремонта были выбраны неправильно.

Проблема адекватности этого теста заключается в том, что концентрация усилий приходится на одну точку, хотя в реальных условиях, если деталь подвергается нагрузке, клей может распределить нагрузку по большему участку. На иллюстрациях ниже показана концентрация нагрузки при проверке прочности на изгиб.

*

1. Проверка прочности на изгиб

2. Сила концентрируется на этом участке

*

При проверке прочности на изгиб сила концентрируется на краю клеевого покрытия. Как только край покрытия не выдерживает, остальное соединение расходится, как змейка.

*

Проверка прочности на растяжение

*

При проверке прочности на растяжение нагрузка распределяется равномерно по всей клеевой поверхности.

Разницу между проверкой прочности на растяжение и прочности на изгиб можно себе представить по аналогии с лейкопластырем. Большая часть людей удаляет лейкопластырь, потянув за один край. В таком случае сила концентрируется по линии контакта лейкопластыря с кожей, таким образом снижая болевые ощущения.

И наоборот: если вы возьметесь за лейкопластырь в центральной части и резко дернете, отклеив сразу весь пластырь, в таком случае придется приложить больше усилий (к тому же будет больнее!). Ведь на этот раз лейкопластырь будет испытывать нагрузку на растяжение, усилие будет распределено более равномерно по всей поверхности пластыря.

Нагрузки на изгиб являются наиболее опасными для всех клеевых соединений. Прочность на изгиб зависит от пластичности и крепости клея, а также поверхностной энергии детали. Возьмем, кпримеру, уретановый двухкомпонентный клей, нанесенный на пластичный реактопластовый уретан. Уретановый клей достаточно крепкий, чтобы обеспечить хорошую адгезию реактопластового уретана. Хрупкие виды клея, как цианоакрилат, наоборот, практически не имеют прочности на изгиб. И совершенно неважно, какой клей используется на деталях с низкой поверхностной энергией (например, из термопластичного полиолефина), так как прочность на изгиб будет крайне низкой.

Чтобы проверить прочность отремонтированного участка в реальных условиях, просто возьмите отремонтированную деталь в руки и попытайтесь потянуть, скрутить и согнуть ее, прикладывая усилия, которые понадобятся при установке. Если вы согнете деталь, потянув ее на себя, вам, скорее всего, удастся повредить отремонтированный участок, однако, скорее всего, при нормальных условиях эксплуатации деталь не будет подвергаться подобным нагрузкам, если только не произойдет повторное столкновение, но в таком случае деталь все равно будет повреждена. Конечно же, мы всегда стремимся сделать деталь прочной, но невозможно добиться этого на современном этапе развития материалов для ремонта трудных материалов.

Из этого можно сделать следующий вывод: не стоит пытаться проверить прочность детали, выполнив тест прочности на изгиб. Если вы выполнили этапы подготовки поверхности и нанесения клея должным образом, вы можете обычно установить, будут ли проблемы во время этапа чистовой обработки. Если ремонтный материал отлично поддается шлифовке, скорее всего, вы добились желаемой адгезии и прочности. Если при использовании наждачной бумаги ремонтный материал начинает отслаиваться от поверхности детали, скорее всего, адгезия неудовлетворительная. После этого необходимо попытаться согнуть деталь сильнее, чем это будет необходимо при установке ипосле нее. Если ремонтируемая поверхность выдержит подобные проверки, вы можете быть довольны качеством ремонта.

В таблице3.9 приведены некоторые правила, согласно которым вы сможете подобрать метод ремонта поликарбоната в зависимости от типа повреждения.

Таблица 3.9. Методы ремонта деталей из поликарбоната

Подведем итог. Трещины в деталях из поликарбоната легче всего ремонтировать посредством сварки плавлением в безвоздушной среде или среде горячего воздуха. Большие повреждения лучше всего ремонтировать при помощи двухкомпонентного эпоксидного клея, который легче поддается шлифовке по сравнению с уретановым двухкомпонентным клеем. В завершение стоит отметить, что небольшие выступы и фланцы легче ремонтировать при помощи метакрилатового клея.

Нейлон и смеси нейлона

Полиамид, который получил широкую известность под торговой маркой компании DuPont «Нейлон», был изобретен химиками компании DuPont в 1939году. Сначала он использовался вкачестве волокон и произвел настоящую революцию, когда заменил шелк в производстве женских чулок. В наши дни нейлон в основном используется в текстильной промышленности, однако существует также нейлон, предназначенный для инжекционного формования. Довольно часто нейлон применяют при производстве автомобилей и мотоциклов, особенно на тех участках, где рабочая температура будет очень высокой.

Иногда нейлон используется для производства крышек, например крышки радиатора. Все современные радиаторы представляют собой алюминиевые теплообменники, с одной из сторон которых установлен расширительный бачок из нейлона, изготовленный путем инжекционного формования и армированный стекловолокном, обычно черного цвета. Нейлон часто используется для изготовления подобных компонентов благодаря своей термостойкости. По той же причине нейлон используют для изготовления полимерных впускных коллекторов, крышек головок блока цилиндров, масляных поддонов и подобных компонентов.

Компания GE Plastics продает популярную полимерную смесь нейлона, которая с успехом используется для изготовления вертикальных панелей кузова автомобиля и обтекателей мотоциклов. Этот материал продается под торговой маркой GTX (смесь нейлона и полиэстера). Данный полимерный материал достаточно пластичный, но при этом прочный. Компания GM использует данный полимер для производства крыльев и панелей автомобилей Saturn, акомпания VW использует данный материал для производства крыльев нового автомобиля Beetle. Так как все в большем количестве автомобилей используются пластиковые панели кузова, GTX, скорее всего, будет наиболее распространенным полимерным материалом, который используется для производства подобных деталей.

Нейлон и смеси нейлона, как, например, GTX, намного проще поддаются ремонту, чем полиолефины, так как их поверхностная энергия относительно высокая, что обеспечивает отличную адгезию клея. Однако несовместимость молекулярных структур, как, например, вслучае с метакрилатным и цианоакрилатным клеями, не допускает использование некоторых видов клея для ремонта нейлона. Именно поэтому метакрилатный и цианоакрилатный клеи не подходят для ремонта изделий из нейлона и нейлоновых смесей.

К счастью, нейлон отлично поддается сварке. На самом деле сварка является единственным допустимым способом ремонта компонентов в моторном отсеке, например расширительных бачков радиатора. Нейлоновые смеси, как GTX, также легко поддаются сварке с использованием нейлонового присадочного прутка. В таком случае важно тщательно вплавить нейлоновый присадочный пруток в базовый материал, чтобы обеспечить прочный сварной шов. Конечно же, для этого рабочая температура должна быть очень высокой. Облегчить процедуру можно, предварительно прогрев область, которую вы собираетесь варить, при помощи технического фена.

В таблице3.10 приведены некоторые эмпирические правила, которые позволят вам подобрать оптимальный метод ремонта в зависимости от типа повреждений.

Таблица 3.10. Методы ремонта деталей из нейлона

Подведем итоги. Сварка плавлением является оптимальным методом ремонта поврежденных компонентов из нейлона. Двухкомпонентный уретановый и эпоксидный клеи также можно использовать для ремонта панелей кузова, но сварка является единственным вариантом ремонта компонентов в моторном отсеке, например расширительного бачка радиатора или впускных коллекторов.

ПВХ

ПВХ, который также известен как поливинилхлорид, является довольно распространенным видом полимерных материалов, который используется для производства огромного количества изделий, начиная с детских игрушек и заканчивая трубопроводами и чехлами для сидений. Данный полимер нечасто используется в производстве автомобилей и мотоциклов, исключением можно считать обивку салона. Именно по этой причине я не буду углубляться в методы ремонта ПВХ, однако более подробную информацию вы сможете найти в главе4 данного руководства («Ремонт крышек щитка приборов»).

Как и нейлон, ПВХ можно отремонтировать с использованием клея или сварки. Двухкомпонентный клей отлично клеит ПВХ, как, в принципе, метакрилатный ицианоакрилатный клеи.

Сварка плавлением является достаточно эффективным методом ремонта, однако необходимо предпринять соответствующие меры предосторожности, чтобы избежать появления паров, так как они опасны для вашего здоровья. Листы ПВХ часто используются для изготовления шкафчиков свыдвижными ящиками, так как данный материал достаточно просто поддается сварке в среде горячего воздуха. Для ремонтных работ вы также можете использовать сварку плавлением в безвоздушной среде.

Из-за присущей ПВХ химической нестабильности он может растворяться и размягчаться при использовании подходящей смеси растворителя. По этой причине чаще всего при соединении трубопроводов из ПВХ используют сварку растворителем. При этом растворитель просто впитывается в поверхность, размягчая ее. Затем соединяемые поверхности складываются вместе, размягченный материал на каждой поверхности смешивается, создавая сварной шов. Соединение должно быть выполнено таким образом, чтобы одна деталь перекрывала поверхность другой на значительном участке, что происходит само собой, когда один трубопровод соединяется с другим. Несмотря на мой многолетний опыт работы с полимерами, я никогда не использовал сварку растворителем, поэтому я представляю ее здесь скорее с академической, а не практической точки зрения. Эта технология может вам пригодиться, если вы собираетесь изготовить деталь из листа ПВХ, однако в случае ремонта изделий она, скорее всего, вам не пригодится.

В таблице3.11 приведены некоторые эмпирические правила относительно методов ремонта ПВХ в зависимости от типа повреждений.

Таблица 3.11. Методы ремонта деталей из ПВХ

Акрил

Акрил – народное название полиметилметакрилата (PMMA), который является одним из распространенных акриловых полимеров. Они получили такое название, так как при их производстве используется акриловая кислота. Данные полимерные материалы были разработаны в начале ХХ века и благодаря своей прозрачности нашли широкое применение в авиации (для упрочнения стекол). Наиболее распространенными торговыми марками, под которыми продается акрил, являются Plexiglas и Lucite.

Акрил производится путем инжекционного формования или экструзии. Многие распространенные изделия из пластика производятся посредством обработки листов, труб или штоков акрила. Акрил нечасто используется при производстве автомобилей, кроме тех случаев, когда пластик должен быть прозрачным (например, рассеиватели задних фонарей, фар головного освещения и ветровое стекло на дорожных мотоциклах). На гоночных автомобилях часто использовался пластик Plexiglas вместо стекла, чтобы уменьшить вес.

Хотя акрил и плохо поддается ремонту, его достаточно просто восстановить, используя сварку растворителем, для чего применяются такие растворители, как хлороформ. Часто при производстве листового акрила и экструзионных уголков используются соединения сперекрытием и сварка растворителем. Хотя акрил относится к термопластовым материалам, часто он довольно плохо поддается сварке из-за плохих характеристик течения расплава. Ксчастью, такие детали легко отремонтировать с использованием различных видов клея, особенно метакрилатного.

Так как прозрачность является важной характерной особенностью деталей, отлитых из акрила, отсюда следует, что ремонтный материал также должен быть прозрачным. Поэтому метакрилатный клей является оптимальным вариантом для ремонта изделий из акрила. Он не только прозрачен, но и имеет химическую структуру, идентичную акрилу. На самом деле метакрилатный клей при вулканизации образует акриловый полимер. Цианоакрилатный клей также отлично подходит для заполнения узких трещин, но детали, отремонтированные сего использованием, особенно в случае соединения встык, могут не выдержать длительную вибрацию или ударные нагрузки. Двухкомпонентный клей также отлично клеит акриловый пластик, но чаще всего необходимой прозрачности добиться не удается.

В таблице3.12 приведены некоторые эмпирические правила, в соответствии с которыми вы сможете выбрать оптимальный способ ремонта для различных видов повреждений акрила.

Таблица 3.12. Методы ремонта деталей из акрила

Другие термопласты

Хотя типы термопластовых полимеров, о которых говорилось выше, и составляют большинство материалов, которые могут использоваться при производстве транспортных средств, существуют и другие типы полимеров, использующиеся в промышленности. Основные производители полимерных смол постоянно ведут разработки все новых и новых смесей и формул, чтобы оптимизировать некоторые важные свойства материалов. Эта область деятельности находится впостоянном развитии, поэтому данное руководство может лишь кратко поведать вам онастоящем состоянии дел. Однако я думаю, что через несколько десятилетий полимерные материалы будут похожи по составу на те, что мы используем сейчас.

Если деталь, которую вам необходимо отремонтировать, произведена из термопластового полимера, который по описанию не совпадает ни с одной из категорий, о которых здесь говорилось, велики шансы, что вам все-таки удастся его отремонтировать должным образом. Если у вас есть горелка для сварки пластика, прежде всего попытайтесь выполнить тестовый сварной шов с использованием различных присадочных прутков. Подберите два или три присадочных прутка, которые больше всего подходят на ощупь и по внешнему виду к свариваемому материалу. Очистите пластик на невидимом участке при помощи крупноабразивной наждачной бумаги. Вплавьте небольшое количество присадочного прутка в свариваемую поверхность и дайте прутку сплавиться с базовым материалом. Также попробуйте использовать другие присадочные прутки, которые вы выбрали. После того как эти тестовые сварные швы остынут, попытайтесь поддеть их ногтем. Если пластик и присадочный пруток несовместимы, сварной шов легко повредить. Если вам повезет, один из присадочных прутков настолько прочно соединит детали, что вам не удастся его повредить. В таком случае выполните сварку плавлением, используя выбранный присадочный пруток.

Если ни один из выбранных присадочных прутков не справился с задачей, не отчаивайтесь: не все еще потеряно. В общем, если этот полимер не полиэтилен, двухкомпонентный клей должен вам помочь. Большая часть двухкомпонентных клеев имеет пластичную или прочную формулу, поэтому в зависимости от прочности пластика, который необходимо отремонтировать, выберите подходящий клей и попытайтесь его применить. Термоплавкий клей отлично подходит для ремонта полупластичного пластика, как, например, термопластичный полиолефин. Если это прочный пластик, попробуйте использовать цианоакрилатный или метакрилатный клей.

При использовании клея не рекомендуется применять проверку, которая описывалась при использовании присадочных прутков. Прочность адгезии является слабым местом для всех видов клея, которые используются при ремонте пластика. Большая часть различных видов клея предназначена для того, чтобы выдерживать нагрузку на растяжение, поэтому клей, который вреальных условиях вполне справится с задачей, может не выдержать проверку на прочность адгезии. Проще всего проверить прочность подобного соединения, выполнив испытания вреальных условиях. В завершение, если на этапе чистовой обработки ремонтируемая поверхность отлично поддается шлифовке, значит, вы отлично справились с задачей. Впротивном случае вам, скорее всего, придется оставить попытки и приобрести новую деталь. Вследующей таблице подведены итоги и показаны все преимущества и недостатки всех видов ремонтных материалов, а также указаны оптимальные методы ремонта каждого типа полимерных материалов.