Клеевые и герметизирующие составы в автомобилестроении

Количество различных клеевых и герметизирующих составов, применяемых при сборке автомобиля среднего класса (по данным компании 3М), уже 10 лет назад перевалило за 50 кг. Сегодня вес различных видов клея в автомобиле сравним с весом его двигателя. Автомобильная промышленность становится одним из основных потребителей клеевых композиций, поглощая в развитых странах более 15% выпускаемых химической отраслью материалов.

Применение клеевых составов становится особенно эффективно, когда сталь заменяется другими материалами: алюминием, композитами, пластиками… Поэтому прогнозируется бурный рост потребления клея и герметиков, причем не только на сборочных конвейерах, но и для ремонта, поскольку ремонтная технология должна соответствовать технологии сборки автомобиля.

И вот тут намечаются серьезные «подводные камни», о существовании которых сначала даже не подозревали. Чтобы суть проблемы стала более понятна, объясним ее на примерах.

Многие производители, поставляющие узлы и агрегаты автомобиля на конвейер, гордятся тем, что на вторичный рынок они поставляют те же самые (что и на конвейер) изделия. Понятие «конвейерное качество» для них стало синонимом качества вообще… Однако это далеко не всегда так. Разработки, сделанные для конвейера, требуют «конвейерной» технологии, которую повторять в сервисе не всегда целесообразно, а часто и невозможно. Первыми это почувствовали именно химики. Пример. Клеевой состав для вклейки стекол на конвейере рассчитан на работу при комнатной температуре, которая поддерживается в помещении сборки как по соображениям комфорта, так и по технологическим требованиям. Но ответьте на вопрос, где вы видели сервис, где бы зимой поддерживалась температура 21+/–2 градуса? Таких найдется не много. Значит, нужны другой материал и другая ремонтная технология, которая позволяет в условиях сервиса получить приемлемое качество работ при приемлемых для сервиса затратах.

(Совершенно то же самое можно сказать не только и об иных продуктах автохимии, например о красках, с подобной проблемой сталкиваются в совершенно другой области, при ремонте некоторых механических узлов, однако статья не об этом.)

Поэтому у производителей автохимических препаратов наметилось два направления. Первое – продукция для конвейера. Здесь они работают по принципу: «Скажи, что тебе нужно склеить или герметизировать, какие свойства шва должны быть, какой расчетный срок службы изделия и какова желаемая стоимость шва, а фирма подберет составы и технологию». Затем, если эти составы устраивают заказчика, химики оснастят конвейер оборудованием для нанесения продуктов в соответствии с технологией. То есть важнейшей особенностью крупных игроков рынка являются не поставки отдельных продуктов, а предоставление полноценных конструктивно-технологических решений стоящей перед заказчиком задачи. В таких случаях главными становятся опыт специалистов, наработанные технологии и инфраструктура компании.

Автопроизводителю при этом совершенно необязательно знать, какова химическая природа применяемых составов. Более того, разные производители, исходя из опыта, особенностей собственного производства и других причин, могут для сходных целей предложить различные по химическому составу препараты, дающие одинаковые результаты.

Но химию процесса важно и интересно знать тем, кто разрабатывает и применяет ремонтную технологию, потому что одинаковые по назначению препараты (клеи, например) разного химического состава требуют к себе не только разного подхода, но даже прямо противоположных действий. Одни для ускорения процесса можно и порой нужно подогреть, а другие (полиуретаны, например) греть запрещено, а можно только увеличить влажность в помещении, где идет отверждение.

Все клеевые и герметизирующие составы состоят из полимерной основы с различными добавками.

Герметики предназначаются для обеспечения непроницаемости (герметизации) стыков узлов, агрегатов и кузовных деталей. Герметики-прокладки формируют прокладки между соединяемыми плоскостями агрегатов, герметики-фиксаторы используются для исключения самоотворачивания резьбовых соединений.

Клеи обеспечивают создание постоянного прочного соединения между разными материалами. Они обеспечивают целостность конструкции и даже заменяют в ряде случаев сварку. Прочность соединения определяют два основных свойства клеевого шва: адгезия – слипание с поверхностью и когезия – сцепление частиц внутри клеевого слоя. Клеи-компаунды предназначены для заливки поврежденных мест, клеи-шпатлевки обладают повышенной прочностью при отверждении (холодная сварка).

Клеи-герметики. Это не клеи и не герметики в привычном понимании. Их возможности гораздо шире. Они превосходят по своим параметрам возможности и силиконовых, и полиуретановых герметиков.

Для подготовки поверхности к склеиванию или герметизации могут использоваться вспомогательные материалы.

Герметики
В сборочных и ремонтных технологиях широко применяют силиконовые и полиуретановые герметики. Принято считать, что область применения полиуретановых герметиков – кузовные работы, а силиконовые герметики служат для уплотнения стыков двигателя с высокими температурными нагрузками, формирования различных прокладок. Как правило, это однокомпонентные системы, затвердевание которых происходит путем поликонденсации в результате контакта с атмосферной влагой.

Однако каждый вид герметиков содержит несколько подвидов препаратов. Так, понятие «полиуретановые герметики» включает в себя однокомпонентные, двухкомпонентные и гибридные составы.

Однокомпонентные полиуретаны – эластичные клеи и герметики на основе полиуретанов, которые затвердевают под воздействием атмосферной влаги до состояния прочного эластомера. Имеют плотную пастообразную консистенцию с хорошей устойчивостью к усадке. Наносят в виде валика из пистолета (ручного, пневматического, электрического). Отличаются прочностью, временем пленкообразования. Таких полиуретанов применяют как минимум три вида:

• системы, затвердевающие под действием влаги при комнатной температуре;
• системы горячего нанесения, затвердевающие под действием влаги;
• бустерные системы, в которых вводится во время нанесения (через смеситель) ускоритель затвердевания.

Полиуретановые герметики используются для остекления транспортных средств. Соединение после полимеризации сочетает эластичность и гибкость с высокой прочностью и прекрасно демпфирует вибрации, но плохо переносит природное ультрафиолетовое излучение.

Двухкомпонентные полиуретаны. Затвердевание происходит в результате смешивания двух компонентов: наполненной смолы  и отвердителя, что позволяет гибко управлять процессом полимеризации. Используют для сэндвич-панелей фургонов-рефрижераторов или для склеивания дверей автомобилей.

Гибридные однокомпонентные полиуретаны. Имеют те же механические свойства, что однокомпонентные полиуретаны, но для улучшения некоторых характеристик (адгезии, например) в состав преполимера внесены добавки (сополимер).

Эпоксидные двухкомпонентные клеи с различными наполнителями применяют для соединения различных материалов. Шов обладает высокой прочностью, но плохо противостоит вибрации.

Гибридные эпоксиды сочетают технологию эпоксидов и полиуретановых смол. Затвердевают при нагревании (160–180 градусов, иногда ниже). Склеивают замасленные металлы. Используют для герметизации корпусных деталей транспортных средств (противовибрационные вставки, фланцевые швы, соединения с точечной сваркой).

Анаэробные клеи способны длительное время не менять свойств на открытом воздухе, но быстро отверждаются при отсутствии доступа воздуха в контакте с активной металлической поверхностью. Используются для фиксации и герметизации резьбы, восстановления посадочных мест подшипников, заделки трещин в корпусных деталях, заполнения дефектов литья и сварки.

Клей-расплав. В эту категорию входят как реактивные, так и нереактивные физически полимеризуемые препараты на основе полимеров (модифицированный полиэфир, полипропилен). Наносят в горячем виде и сразу же прижимают приклеиваемую деталь. Используют для соединения деталей климатических установок автомобилей, изоляционных материалов, ковровых покрытий.

Цианакриловые (цианакрилатные) клеи быстрого отверждения используются для металлов, керамики, резины, пластика. Они не вызывают коррозии, быстро сохнут, активатором отверждения служит атмосферная влага. Есть токопроводящие составы, которые можно использовать вместо пайки. Непригодны для постоянного контакта с водой.

Модифицированные акриловые клеи склеивают металлы, стекло,  некоторые пластики в различных сочетаниях. Такой клей применяется для крепления кронштейна зеркала к внутренней поверхности лобового стекла. Отверждаются с помощью активаторов (двухкомпонентная композиция) либо с помощью облучения ультрафиолетовым светом (клей для ремонта автомобильных стекол).

Клеи-герметики

К этой группе препаратов в первую очередь относят MS-полимеры. Это современные препараты, способные склеивать конструкционные материалы в любых сочетаниях: «металл – металл», «металл – дерево», «металл – стекло», «металл – пластик», «дерево – пластик», «резина – …». «MS» означает modified silicone – «модифицированные силиконы» или более правильный термин – силоксаны. Управляя реакцией поликонденсации, расставляя в нужных местах связи между углеводородными радикалами и кислородными соединениями кремния, удается получить препараты с уникальными свойствами. Адгезионная и когезионная прочность шва настолько велики, что эти составы могут быть использованы при сборке металлических конструкций, при производстве автобусов (есть примеры автобусов, полностью собранных с помощью MS-полимеров), вагонов, судов, транспортных контейнеров. Эти препараты нашли широкое применение в тюнинге автомобиля. Ими приклеивают листы металла, пластика, бакулитовой фанеры, резины… Шов хорошо выдерживает знакопеременные вибрационные и температурные нагрузки. Монтажная прочность шва достигается уже через час.

MS-полимеры заменяют сварку и клепку. Конечно, сварка прочнее на равной площади шва примерно в 100 раз. Однако в транспортном машиностроении используют почти исключительно точечную сварку с очень малой площадью шва, а полимер наносят полосой, площадь которой в сотни раз выше площади точек. Кроме того, для увеличения прочности склеиваемые поверхности выполняют в виде пазового замка или дополняют сваркой там, где иначе невозможно.

Шинные герметики

Совершенно особый и в чистом виде отмирающий вид продукции. Отмирает он потому, что современные шины уже имеют герметизирующий слой, предотвращающий утечки воздуха при проколах. Однако шин без герметика выпускают еще очень много.

Большинство из имеющихся в продаже препаратов ухудшает качество шин. Происходит это по простой и понятной причине. Во время стоянки герметик стекает в самый низ шины, и после начала движения вибрации могут быть очень значительны. Правда, после какого-то пробега герметик может распределиться более равномерно.

Из этого правила есть исключения. Герметик VIPSEAL образует после затвердевания нестекающий гелевый слой. Он прекрасно герметизирует шину, при правильном нанесении не нарушает балансировки и не сильно утяжеляет шину.

С одной стороны, все прекрасно – предлагается масса возможностей. А с другой, на вторичный рынок (за некоторым исключением) поставляется «ассортимент» препаратов, разбираться в котором и выбирать нужный продукт предоставляется самому потребителю без какого-либо контроля правильности сделанного выбора и технологии применения со стороны производителя.

Неудивительно, что среди всех ремонтных технологий абсолютное первенство по отклонениям от технологических режимов и связанным с этим ошибкам держит именно автохимия.

Серьезные производители химических препаратов прекрасно видят эту проблему. Пути решения у всех различны (как это происходит на практике, планируется рассказать в следующих номерах журнала), но общим становится тот факт, что количество технических специалистов в штате российских представительств компаний год от года увеличивается. На них возлагаются обучение потребителей продукции правильному обращению с ней и контроль соблюдения технологических режимов.