*

Конструкции и корпуса своими руками


*

ЭПОКСИДНЫЕ СМОЛЫ.
Смолы обладают крайне малой усадкой. В случае ремонта изделия, изначально изготовленного на основе полиэфирных и винилэфирных смол и подвергнутого деформации и трещинам, хорошо модифицированная эпоксидная смола является наиболее подходящей и имеет, в любом случае, прочность связи с основой в четыре раза выше, чем у винилэфирной. Не имеет значения, из какого сочетания древесины, углеволокна, кевлара, стекловолокна и заполнителя состоит ремонтируемое изделие, смола хорошо впитается и навсегда образует с ним композитное единое целое. Когда эпоксидная смола используется в качестве химически стойкого барьерного слоя, покрытие смолой обладает очень низким водопоглощением ( менее 0.5%) и можно быть уверенным в том , что отделочные покрытия будут иметь хорошее сцепление с эпоксидной основой, а основа – с корпусом судна. Современные эпоксидные смолы могут обладать низкой вязкостью и контролируемым временем отверждения.

ВИНИЛЭФИРНЫЕ СМОЛЫ.
Усадка при отверждении умеренная. Повышенная прочность модифицированной смолы предотвращает образование микротрещин, а сама основа смолы к тому же служит повышению адгезии к поверхности. Обладают неплохими водостойкими качествами и некоторые имеющиеся в продаже барьерные покрытия изготовлены на основе смол этого семейства. К отрицательным сторонам винилэфирных смол относятся критичность к их приготовлению, высокий уровень содержания вредных веществ (в форме стирола), чувствительность к влажности и температуре (может не полимеризоваться). Хорошая винилэфирная смола весьма дорогая по сравнению с полиэфирной, и по цене близка к эпоксидной. Винилэфирные смолы несомненно превосходят по характеристикам полиэфирные при рассмотрении стандартного пероксидного процесса, однако их адгезия к разнородным и ранее отвержденным поверхностям все еще остается крайне низкой и многие корпуса на базе винилэфирной смолы страдают все той же проблемой массового отслоения наружного слоя стеклопластика от заполнителя и переборок. Винилэфирные смолы обладают хорошей адгезией к стекловолокну и низкой адгезией к более экзотическим материалам (кевлар, углеволокно) и древесине. Для отверждения полиэфирных и винилэфирных смол на открытой поверхности требуется введение специальных добавок. Нанесение последующих слоев нуждается в тщательной подготовке поверхности для обеспечения адгезии.

ПОЛИЭФИРНЫЕ СМОЛЫ.
Самые дешевые из всех смол, применяемых в стеклопластиковом изготовлении с использованием отрицательной формы в виде матрицы. Главное преимущество полиэфирных смол по сравнению с винилэфирными и эпоксидными – их крайняя дешевизна. Отрицательными сторонами являются плохая адгезия, высокий уровень фильтрации воды, сильная усадка и высокое содержание вредных веществ. Могут применяться только со стекловолокном. Лучше всего подходят для изготовления конструкций, не критичных к весу, адгезии и прочности на излом. Примером может служить изготовление простого цельного стеклопластикового элемента в открытой матрице за одну операцию и без образования вторичных соединений на этой смоле. Если точность формы не очень важна, водостойкость не имеет значения и место работы имеет хорошую вентиляцию, тогда полиэфирная смола будет главным кандидатом. Полиэфирные смолы с давних времен обладают плохими характеристиками в области адгезии и растяжения, в результате чего готовое изделие склонно к образованию микротрещин и формированию слабого вторичного клеевого соединения. Эти характеристики приобретают значение, когда заходит речь о соединении разнородных материалов в одном изделии или когда материалы не имеют обычной стекловолокнистой основы. Готовый корпус на основе полиэфирной смолы страдает осмотическим пузырением, если его не обработать эпоксидной смолой для образования барьерного покрытия.

XИМИЯ ЭПОКСИДНЫХ СМОЛ
Смола, лежащая в основе всех эпоксидных клеев, называется диглицидиловый эфир бисфенола А. Бисфенол А получают путем взаимодействия фенола с ацетоном при определенных условиях. Бисфенол А является химическим продуктом, представляющим собой комбинацию двух молекул фенола с одной ацетона. Затем бисфенол А вступает в реакцию с веществом под названием эпихлоргидрин. В результате реакции по обеим сторонам молекулы бисфенола А прикрепляются две ("ди-") глицидоловые группы. Получившееся вещество называется диглицидиловый эфир бисфенола А. Именно глицидиловые группы взаимодействуют с атомами водорода аминов в отвердителе, в результате чего и получается отвержденная эпоксидная смола. Эпоксидной смоле могут придавать необходимые свойства методом модификации, вводя добавочно в состав необходимые химические вещества.

Отвердители, применяемые с эпоксидной смолой при комнатной температуре, в большинстве своем полиамины. То есть органические молекулы, содержащие две и более аминогруппы. Аминогруппы по структуре напоминают аммиак, только присоединены к органическим молекулам. Как и аммиак, амины являются сильными щелочами. Из-за этого сходства отвердители эпоксидных смол зачастую обладают аммиачным запахом. На воздухе этот запах мало ощутим из-за высокого давления паров полиаминов. Вступающие в реакцию аминогруппы представляют собой атомы азота с присоединенными к ним одним-двумя атомами водорода. Эти атомы водорода взаимодействуют с атомами кислорода из глицидиловых групп эпоксидной смолы и получается отвержденная смола - термореактивная пластмасса с большим количеством пространственных связей. При нагревании выше температуры стеклования (одна из характеристик отвердевшего полимера) смола размягчается. Трехмерная структура обеспечивает ей отличные физические свойства.

Эпоксидная смола вступает в реакцию с отвердителем, в так называемом, стехиометрическом соотношении. Изменение указанного соотношения приведет к тому, что останутся вакантные атомы кислорода или водорода в зависимости от отклонения в ту или другую сторону. В итоге отвержденная смола будет обладать меньшей прочностью из-за неполного образования пространственных связей.

Отвердители эпоксидных смол не являются катализаторами. Катализаторы способствуют реакции, но химически не являются частью конечного продукта. Отвердители же эпоксидных смол образуют пары с молекулами смолы, что сказывается на конечных свойствах отвержденного продукта. Время отверждения эпоксидной смолы зависит от реакционной активности атомов водорода аминов. И хотя присоединенная органическая молекула не принимает непосредственного участия в химической реакции, она влияет на то, как скоро атомы водорода аминов покидают азот и взаимодействуют с атомами кислорода. Таким образом, время отверждения определяется кинетикой данного амина, используемого в качестве отвердителя. Это время можно изменить, применив другой тип отвердителя, добавив в смолу акселератор или изменив температурный характер отверждения.
Реакция отверждения ЭС - экзотермическая. Это означает, что при ее отверждении выделяется тепло. Скорость, с которой смола отверждается, зависит от температуры смеси. Чем выше температура, тем быстрее реакция. Скорость ее удваивается при повышении температуры на 10° С и наоборот. К примеру, если при 20° С смола становится свободной на отлип за 3 часа, то при 30°С на это потребуется 1,5 часа и 6 часов при 10°С. При комнатной температуре смола достигает от 60 до 80% окончательной прочности спустя 24 часа. Дальнейшее отверждение будет продолжаться в течение последующих нескольких недель, достигнув в конце концов точки, когда дальнейшее отверждение будет невозможно без значительного роста температуры.
Необходим очень осторожный подход при применении эпоксидных смол в паре с полиэфирными. При этом надо соблюдать одно главное правило: эпоксидную смолу можно наносить поверх отвержденной полиэфирной, которая при этом обезжирена и зачищена, но никогда нельзя наносить полиэфирную поверх отвержденной эпоксидной. Амины, не вступившие в реакцию в эпоксидной смоле, будут препятствовать катализатору (пероксиду) полиэфирной смолы, в результате чего на их границе смола будет не полностью отвержденной. Шлифование поверхности никак не влияет на присутствие аминов. Клеевое соединение при этом будет слабым, хотя поверхность и будет выглядеть отвержденной.

Большой проблемой в процессе строительства может быть температура окружающей среды. Как выяснилось на практике, при падении температуры ниже 16-18 градусов стандартная смола категорически отказывается полимеризоваться.

НАПОЛНИТЕЛИ ДЛЯ ЭПОКСИДНОЙ СМОЛЫ
Наполнителями называют добавки к приготовленной смоле, вносимые для увеличения ее объема, предотвращения подтеков и для окрашивания. Для этих целей могут служить самые разные материалы вплоть до песка и опилок. Однако опилки обладают неоднородностью, песок - большим весом, причем то и другое может содержать инородные включения. Поэтому промышленностью разработан ряд наполнителей с предсказуемыми свойствами.
АЭРОСИЛ.
Тиксотропная добавка. Добавляется для исключения подтеков смолы, особенно на вертикальных и наклонных поверхностях. Смесь аэросила со смолой может применяться как шпаклевочно - заполнительный материал высокой плотности. Может применяться вместе с другими наполнителями для придания смеси консистенции сметаны.
МИКРОСФЕРА.
Микроскопические пустотелые наполненные газом шарики в форме мелкозернистого порошка. Обладает низким весом и плотностью. Делает смолу воздушной и повышает вязкость, образуя в больших объемах пенистый материал. Идеальна для шпаклевочных составов, замазок, для заполнения угловых стыков и при ламинировании, где требуются хорошие свойства заполнения швов. Главное ее достоинство в том, что отвержденная смола с такой добавкой хорошо шлифуется, и чем больше такой добавки, тем легче шлифование. Однако надо знать меру, поскольку при избыточном ее количестве смесь трудна в нанесении. Микросфера понижает прочность клеевого шва и не должна использоваться при создании конструктивных связей типа усовых соединений.
ВОЛОКНО.
Добавляются в смолу для повышения ее вязкости при склеивании. Смола с такой добавкой отлично заполняет зазоры, хорошо пропитывает поверхности и не создает обедненных клеем швов, особенно на торцевых поверхностях. Волокно бывает стеклянное рубленое, стеклянное молотое, синтетическое и хлопчатобумажное. Хлопок с целлюлозой обладают наименьшей прочностью, зато повышают тиксотропность и могут служить заменой микросфере для заполнения смолой швов.
ДРЕВЕСНАЯ МУКА.
Применяется для повышения густоты шпаклевок, замазок или клеев при натуральной отделке древесины. Смола с такой добавкой по консистенции мало похожа на сметану и с ней не так легко работать.
ГРАФИТОВЫЙ ПОРОШОК.
Применяется в качестве пигментирующей добавки и для создания скользящих наружных поверхностей гоночных судов. Это мелкозернистый порошок черного цвета, который добавляют в приготовленную смолу для покрытия днища, рулей и швертов. Не используется на солнце. Покрытое таким способом днище не обладает "необрастающими" свойствами, зато имеет жесткую ударопрочную поверхность. Графит является проводником электрического тока и в соленой воде может вызывать электролитические проблемы.
АЛЮМИНИЕВЫЯ ПУДРА И ДВУОКИСЬ ТИТАНА.
Обычно служат в качестве пигментов. Добавление алюминия в смолу дает при покрытии поверхность серого цвета. При добавлении больших количеств улучшает обрабатываемость смолы. Двуокись титана придает смоле белый цвет и может применяться в местах, где нужен светлый цвет типа трюмных участков. Применение пигментов в смоле не заменяет ее покраски при эксплуатации на солнце. Полезно добавить двуокись титана в смолу при нанесении последнего покрытия при оклейке стеклотканью для подготовки под покраску.
ТАЛЬК.
Также может служить наполнителем. Проведение большого количества экспериментов с тальком в широком спектре ситуаций показало, что он по свойствам близок к аэросилу и микросфере с одинаковой первоначальной прочностью клеевого шва. Однако под вопросом осталась способность талька поглощать влагу и при определенных обстоятельствах это может иметь неясные последствия. По этой причине часто придерживаются консервативной практики и избегают его применения.

РАЗБАВЛЕНИЕ И СНИЖЕНИЕ ВЯЗКОСТИ СМОЛ
Разбавление смолы растворителем означает снижение ее вязкости. Смола с низкой вязкостью более текуча, ее проще наносить кистью или валиком, она быстро пропитывает стеклоткань и глубже проникает в пористые поверхности вроде поврежденной гнилью древесины. В простонародии существует два способа временного понижения вязкости смолы: один представляет собой нагревание смеси, а второй – добавление к ней растворителя. В обоих случаях смола становится более текучей. В профессиональной же деятельности, безусловно, пользуются активными разбавителями. Активные разбавители - это те же эпоксидные смолы (алифатические) чрезвычайно низкой вязкости. Активные разбавители не нарушают структуру основной (диановой) смолы, - встраиваются в полимер при отверждении. Ниже речь пойдет о том, что происходит со смолой при том и другом простонародном способе.

А нужно ли вообще разбавлять?
Существует убеждение, что для повышения своей эффективности эпоксидная смола должна глубоко проникать в древесину. Иногда это верно, но в большинстве случаев это не так.
1) Сгнившая древесина, будучи пропитанной эпоксидной смолой, не приобретает вновь потерянные качества. Если смола проникнет глубоко внутрь, древесина от этого станет твердой, но прочнее она не будет.
2) Адгезия (за исключением самых твердых пород ) от глубокого впитывания смолы в древесину лучше не становится. Исследования, проведенные Лабораторией древесных материалов, показывают, что при использовании жидкой смолы адгезия к березе улучшилась незначительно. В случае с породами меньшей плотности типа пихты или ели слабым звеном оказывается низкая прочность древесины поперек волокон и совершенно не имеет значения, проникла смола вглубь на 5 мм или на 0.1 мм. Прочность клеевого соединения определяется типом древесины, площадью соприкасаемых поверхностей и адгезивными качествами клея. Большинство клеев для склеивания древесины не проникают глубоко внутрь, но при правильном использовании их прочность превышает прочность древесных волокон и эпоксидные тут не являются исключением.
3) Водостойкость деревянной детали от глубокой пропитки не улучшается. Простая упаковка ее в пластик обеспечивает достаточно хорошую водостойкость без какой-либо пропитки вообще

Снижении вязкости смолы путем нагрева
Нагревание компонент эпоксидной смолы по отдельности с последующим смешиванием дает жидкую композицию, обладающую после полимеризации всеми свойствами смолы, отвержденной при нормальной температуре. При работе с древесиной лучшим способом теплового метода снижения вязкости является нагрев самой поверхности без нагрева смолы. Надо смешать компоненты и нанести смолу на теплую древесину.

Возможные проблемы
Снижение вязкости смолы тепловым методом имеет и свои минусы. Теплая эпоксидная смола полимеризуется гораздо быстрее, чем вы привыкли. Перед тем как замешать смесь, подготовьте все необходимое и работайте быстро. Насколько сильно надо греть ? При нормальном нагреве рука должна спокойно выдерживать температуру поверхности или емкости со смолой, а это градусов 50 максимум. Лишнее тепло вызовет ускоренное отверждение смолы, особенно при ее толстом слое. Очень быстрое отверждение вызывает перегрев смолы и если при отверждении от нее виден дымок, такая смола испорчена и ее придется удалять.

Снижение вязкости смолы при помощи растворителей.
Введение растворителей является простым и быстрым способом понижения вязкости смолы, но в отличие от теплового способа, по прочности и водостойкости отвержденной смолы в этом случае наносится сильный удар. Вот некоторые примеры последствий этого. Для разбавления эпоксидной смолы годится большое число растворителей, но для обсуждения их свойств мы выбрали ацетон, растворитель для лаков и денатурированный спирт по причине их доступности всем и хороших качеств. К тому же они быстро испаряются и вряд ли будут удержаны в смоле, что немаловажно. По ряду причин летучий растворитель для лаков оказывается более подходящим для разбавления смолы, нежели ацетон или спирт. Добавление в смолу небольшого количества одного из этих растворителей оказывает значительное воздействие на вязкость смолы. Для примера: при добавлении в смолу 5% расворителя для лаков вязкость падает на 60%. При добавлении в смолу 5% растворителя для лаков ее прочность падает на 35% - серьезный удар по механическим свойствам. При превышении 5% растворителя при отверждении получается крайне гибкий материал. Растворитель может вызвать усадку смолы. При нанесении толстым слоем смола полимеризуется быстро и не весь растворитель успевает ее покинуть до отверждения. С течением времени растворитель все же пробьет себе дорогу наружу, смола же при этом получает усадку и во многих случаях покрывается трещинами.

Растворители (особенно ацетон) влияют на цвет отвержденной смолы. Этот эффект проявляет себя не сразу, но при введении ацетона цвет смолы меняется со светлого на темно-янтарный.
Присутствие растворителя в смоле может повредить поверхность. Поэтому прежде чем добавить в смолу растворитель, заранее убедитесь в его безвредности для основы. Присутствие летучих растворителей в смоле неблагоприятно сказывается на здоровье и безопасности. Пары многих растворителей вредны для здоровья и для исключения опасных доз требуется хорошая вентиляция.
Наличие растворителя в смоле с целью улучшения пропитки стеклоткани вызывает повышенную текучесть на вертикальных поверхностях. Ткань быстро впитывает смолу, но затем смола стекает вниз и ткань остается обедненной.

ПОДГОТОВКА МАТРИЦЫ
Часто применяются так называемые композиционные материалы, состоящие из "наполнителя" и "связующего". Наполнителем, выполняющим основные силовые функции, обычно является стеклоткань, углеткань или кевлар (материал из синтетических волокон). В качестве связующего выступают эпоксидные или полиэфирные смолы. Если для изготовления тонких фюзеляжей радиоуправляемых планеров и многих частей свободнолетающих моделей технология выклейки из композиционных материалов является единственно приемлемой (по соображениям прочности), то в остальных случаях, как правило, есть возможность выбора между композитной и бальзовой конструкцией. Если предстоит разовая работа, то, наверное, стоит отдать предпочтение дереву. Тогда общие трудозатраты и вес модели получаться меньше. В случае же "мелкосерийного производства" лучше овладеть техникой работы с композитом.

Чтобы эпоксидку было легче наносить, ее разбавляют растворителем, спиртом или ацетоном. Для тонирования детали можно добавить в смесь типографскую краску или алюминиевую пудру. Неплохие результаты дает и вмешивание в "сырую" смолу художественных масляных красок. Кроме пигментирования, такая краска еще и немного пластифицирует исходную смолу. Стеклоткань, как правило, приходится прокаливать над электрической плиткой, в электродуховке или газовым резаком сварщика (большое пламя) для удаления парафина, которым она пропитывается на заводе.

Прежде всего отметим, что все работы с эпоксидными (да и полиэфирными) смолами нужно проводить в резиновых перчатках в помещении с хорошей вентиляцией. Выклеивание композитных "корок" можно осуществлять как снаружи на болванке, так и внутри, на снятой с нее вогнутой форме (матрице). Болванку можно изготовить из липы, ольхи, плотного пенопласта или бальзы. Ее размеры должны быть меньше размеров детали на толщину будущей "корки". Поверхность следует тщательно зашкурить и загрунтовать. Затем на матрицу наносится разделительный слой (парафин или полироль для мебели). Стеклоткань нарезается на полосы, которыми можно было бы оклеить болванку без образования складок, и "прилачивается" жидкой эпоксидкой. Количество слоев стеклоткани в различных местах детали может варьироваться в зависимости от распределения нагрузок. В случае образования пузырей и вздутий их необходимо сразу же разгладить или прорезать и выдавить из них воздух.. После отверждения смолы "корку" снимают. Если форма матрицы не позволяет этого сделать, деталь разрезают по оси симметрии. При этом, как правило, страдает покрытие болванки, которая будет нуждаться в шпаклевке перед дальнейшим использованием. Недостаток этого способа заключается также в том, что поверхность детали имеет фактуру ткани и требует шпаклевания и вышкуривания.

Для выклеивания деталей по второму способу (матричному) нужно прежде всего изготовить саму "негативную" форму. Обычно она представляет собою толстостенную "скорлупу", выклеенную из стеклоткани. Если требования к точности детали очень высоки (например, силовые панели обшивки крыла с ламинарным профилем), то матрицу делают в виде массивного "монолита" из гипса, цементного раствора или цемента, смешанного с эпоксидной смолой. Эталонная модель-болванка должна иметь размеры, совпадающие с внешними обводами детали. Чем лучше будет качество ее поверхности, тем меньше потребуется отделочных работ для каждого изделия в дальнейшем. Обычно методом лакировки с промежуточным полированием стараются довести поверхность до зеркального блеска, чтобы готовые, отформованные в этой матрице детали нуждались только в окраске. В случае же применения тонированной смолы поверхности оказываются полностью готовыми. При изготовлении модели-копии можно воспроизвести имитацию заклепок и расшивки на матрице или еще на эталонной модель-болванке. При выклеивании корок в полученной матрице применяются те же приемы, что и при ее изготовлении. Первый слой стеклоткани должен иметь толщину 0,02-0,03 мм, последующие - порядка 0,2 мм. После отверждения смолы "корку" обрезают вровень с краем матрицы, вклеивают шпангоуты (если необходимо) и затем вынимают ее.

Для снижения массы детали часто используют армирование пористым пенопластом, бальзой или слоеные (сендвичевые) конструкции, имеющие дополинтельное внутреннее покрытие из тонкой стеклоткани. В этом случае наружное покрытие может быть выполнено из одного слоя стеклоткани толщиной 0,2-0,3 мм. Пенопласт или бальзу нарезают на фрагменты, которым можно было бы придать кривизну пуансона. Пенопласт несложно изогнуть над электроплиткой, а бальзу проще намочить и примотать резиной к болванке до высыхания. Стеклотань можно пропитывать эпоксидной смолой как в самой форме, так и до размещения в матрице, на какой-либо ровной поверхности (излишки клея снимаются шпателем).


*


к оглавлению