Исследования белковых казеиновых клеев в работах ВИАМ

ВИАМ/2009-205455
Исследования белковых казеиновых клеев в
работах ВИАМ 1935–1938 гг.
А.Р. Нарский
А.М. Смолеговский
Ноябрь 2009
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья подготовлена для опубликования в журнале «Клеи.
Герметики. Технологии», № 3, 2010 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
Исследования белковых казеиновых клеев
в работах ВИАМ 1935–1938 гг.
А.Р. Нарский1, А.М. Смолеговский2
1
2
ФГУП «Всероссийский институт авиационных материалов», г. Москва
Институт истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН, г. Москва
Рассмотрены основные научно-исследовательские работы, проведенные
в ВИАМ в период с 1935 по 1938 гг. и приведшие к созданию клея марки
В-105,
высокоэффективных
методов
испытания
клеев
и
усовершенствованию способов склеивания деревянных деталей. Показано,
что результаты работ позволили доказать принципиальную возможность
введения антисептиков в состав клеев и склеивания листовой фибры.
Ключевые слова: казеин, казеиновые клеи, склеивание, антисептики,
фибра.
Исследования казеинового клея В-105
Одна из важнейших разработок клеевой лаборатории Всесоюзного
научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ)
середины 1930-х гг. – рецептура нового порошкообразного казеинового клея
В-105 * [1]. В его состав входили: молочный казеин, известь, фтористый
натрий и медный купорос. Величина прочности клея на скалывание (по
склейке ясеня или дуба) составляла не менее 9,8 МПа, водостойкости (после
24 ч вымачивания в воде) – 6,9 МПа; рабочая жизнеспособность – 4 ч [2].
В августе 1936 г. клей В-105 вошел в практику отечественных авиазаводов,
почти сразу вытеснив использовавшийся прежде порошкообразный клей
ЦАГИ №104. Внедрение клея и организация его производства на крупнейших
предприятиях происходили под руководством сотрудников ВИАМ. К концу
Рецептура была разработана под руководством H.Ф. Бочарова (бригадир – инженер А.В. Устинович).
Прим. авт.
*
1936 г. было произведено уже 200 т клеевого порошка В-105. Комплекс
научно-исследовательских работ ВИАМ в 1936 г. был нацелен на
усовершенствование методик испытаний казеинового клея В-105 и анализ
ряда его свойств. В задачу работ входило установление зависимости свойств
клея от качества сырья, изучение явления «старения» клеевых порошков,
определение вязкости в тонком клеевом слое и механической прочности
клеевых пленок. Результаты сразу же внедрялись в заводскую практику
благодаря тесному контакту института с промышленностью [1].
Высокие требования к качеству авиационных материалов и к клеящим
веществам, в частности, вызвали необходимость особо тщательного контроля
сырья для производства клея. Например, известь должна была иметь
достаточно высокую степень измельчения, но на заводах часто использовали
ее
крупные
фракции,
что
приводило
к
понижению
прочности
и
водостойкости клея. Наличие в порошках примесей угля, песка, карбоната
кальция и негашеной извести (вследствие «недожога» или «недогаса»
соответственно) также оказывали неблагоприятное влияние на свойства клея.
ВИАМ разработал рекомендации о необходимости проведения сепарации
или просева извести через ряд тонких сит.
Наблюдение за качеством клеевого порошка и изменением его свойств в
зависимости от времени хранения в лабораторных условиях («старение»)
позволило установить, что жизнеспособность клея сохраняется в течение
5 месяцев со дня изготовления, а значения его прочности и водостойкости
снижаются только после 3 месяцев хранения и на незначительную величину.
Большое практическое значение получил разработанный лабораторией
ВИАМ метод определения вязкости клеевых растворов. Эта физическая
величина определялась как обратная от скорости движения металлического
шарика, помещенного на наклонную стеклянную пластинку с определенным
количеством раствора клея. Внедрение метода позволило не только
сократить время проведения испытаний вязкости с минимальным расходом
клея, но и установить максимально допустимую продолжительность
процесса склеивания. В заводских условиях метод оказался незаменимым,
так как другие методы измерения вязкости были непригодными.
Разработан метод получения клеевых пленок определенной влажности и
установлена зависимость скорости их высыхания и влажности от параметров
окружающей среды – температуры и относительной влажности воздуха. По
результатам испытаний выяснили, что клей В-105 характеризуется хорошей
жизнеспособностью в тонком слое, т.е. меньшей скоростью загустевания.
Проведение сравнительных испытаний механической прочности на
разрыв и относительного удлинения пленок казеиновых клеев ЦАГИ №104 и
В-105 показало, что клей В-105 дает пленку, имеющую более высокую
прочность в сухом состоянии и меньшее удлинение во влажном (табл. 1).
Перед испытанием образцы подвергали предварительному натяжению при
нагрузке 200 г.
Таблица 1.
Влажность
пленок, %
21,9
37,7
62,9
84,4
97,2
Прочностные характеристики клеевых пленок
Марка клея
В-105
ЦАГИ №104
Прочность на Удлинение, % Влажность Прочность на Удлинение, %
разрыв, МПа
пленок, %
разрыв, МПа
22,3
0
20,6
9,9
2,1
4,1
26,2
40,0
3,9
36,0
1,0
40,5
60,9
1,3
45,1
0,5
21,0
77,9
0,6
31,0
0,5
23,6
97,4
0,5
54,0
Для клея В-105 созданы дополнительные физические и физикохимические методы испытаний: изменение вязкости и щелочности при
различной концентрации клеевых растворов; определение водостойкости
клеевой пленки на древесине сосны. Выяснено, что водостойкость пленок не
зависит от характера древесины (ядро или оболонь), направления волокон,
влажности древесины (в пределах от 8 до 17%), а изменяется в зависимости
от толщины клеевого слоя и условий сушки пленок.
Научно-исследовательские работы ВИАМ увенчались разработкой и
внедрением в промышленность новых технических условий на клей В-105 и
его ингредиенты, а также выпуском новой переработанной инструкции по
склеиванию деревянных деталей в самолетостроении [1].
Работы ВИАМ в области химии клеев были посвящены изучению
характера
распада
казеина
путем
качественного
и
количественного
определения выделяющихся аминокислот и аммиака. Предварительные
исследования
1935
г.
позволили
установить,
что
фактором,
обусловливающим связующую способность клея, является не сам казеин, а
продукты его расщепления. В 1937 г. было начато изучение взаимосвязи
между соотношением компонентов и «старением» порошков клея, с одной
стороны, и количеством выделенного аммиака из клеевого раствора, с другой
стороны.
Установлено,
что
комбинирование
качественного
и
количественного состава клея позволяет регулировать процесс распада
казеина. Например, его можно ускорить дополнительным введением извести
(пушонки) или малых количеств фтористого натрия. Были намечены пути
установления влияния степени химического расщепления казеина в клеевом
растворе на величину его связывающей способности [3].
Изучение возможностей введения антисептиков в казеиновые клеи (1936 г.)
Необходимость увеличения сроков эксплуатации клеевых соединений
требовала
изыскания
возможностей
«антисепирования»
клея
противогнилостными составами. В качестве первых антисептических веществ
предлагались β-нафтол и ртутно-органическая соль Р1. Изучался характер
изменений физико-химических свойств клеевых растворов при введении
антисептика, определялись физико-химические свойства клеевых порошков с
антисептиком при их длительном хранении, исследовалась связующая
способность клеевых растворов, содержащих антисептики, путем испытания
на скалывание клеевых соединений ясеня и сосны. Было установлено, что
комплекс физико-механических свойств клея с определенным количеством
нафтола или ртутной соли сохранялся, и наблюдалась повышенная стойкость
клея в отношении микологических показателей.
Проведенные
ВИАМ
работы
позволили
дать
рекомендации
для
использования в промышленности клея В-105, содержащего 2–4% β-нафтола
(при его содержании более 6% отмечалось снижение жизнеспособности
клеевых растворов) или до 0,15% соли Р1. С учетом токсичности ртутного
антисептика допускалось введение его непосредственно в воду в момент
приготовления клеевых растворов на месте потребления.
Применение изготовленного в промышленном производстве клея В-105 с
ртутным антисептиком для серийного склеивания отдельных деталей лодок
гидросамолета показало хорошие результаты [4].
Разработка технологии рационального метода склеивания
клеем В-105 (1937 г.)
Анализ различных режимов склеивания и поиск возможных недочетов в
технологических процессах склеивания были обусловлены потребностью в
улучшении качества и техники склеивания клеем В-105 основных
деревянных деталей самолета и необходимостью составления стандарта
«Склеивание деревянных деталей казеиновым клеем В-105».
Прежде для любых клеевых соединений применяли единое соотношение
клея и воды, равное 1:2 (здесь и далее, по массе), что не исключало в
отдельных случаях образования «голодных» или «толстых» клеевых
соединений. После установления оптимальных консистенций клеевых
растворов (в зависимости от склеиваемых материалов) приняты следующие
соотношения клея и воды:
Объекты склеивания
Соотношение клея и воды, мас. ч.
Усовые, торцевые и полуторцевые
соединения; приклеивание уголков…………….
Выклейка скорлуп из шпона пневматическим
способом и приклеивание их к каркасу
фюзеляжа с длительным временем сборки и
запрессовки……………………………………….
Все прочие детали………………………………..
1:1,8 – 1:1,9
1:2,1 – 1:2,2
1:2
Разграничено применение одно- и двухстороннего способов нанесения
клеев. Одностороннее нанесение рекомендовано при склеивании авиадеталей
вдоль волокон древесины из хвойных пород (сосна, ель, пихта, лиственница),
а двухстороннее – при склеивании «на ус», торцевых или полуторцевых
соединений, приклеивании фанеры, а также для деталей из твердых
лиственных пород (ясень, дуб, береза).
Определены необходимые выдержки по времени:
– «открытая» пропитка (выдержка перед сборкой) – от 2 до 6 мин;
– «закрытая» выдержка (выдержка от сборки до наложения пресса) – от
4 до 18 мин.
Установлены
запрессовке
предельные
склеиваемых
величины
деталей,
–
давления,
0,1–0,49
необходимого
МПа.
при
Определена
продолжительность запрессовки в зависимости от склеиваемого материала,
например, для хвойных пород – не менее 4 ч, для лиственных пород и
фанеры – не менее 6 ч.
Кроме того, были разработаны и приняты к изготовлению роликовый
клеенамазыватель, обеспечивающий равномерность нанесения клеевого
раствора и нужную толщину слоя, и эскизные проекты пневматических
прессов для склеивания полок лонжеронов и фанеровки нервюр. Прессы
обеспечивали равномерность давления по всей склеиваемой поверхности,
исключали перекашивание и деформацию деталей, позволяли достичь
быстроты запрессовки и распрессовки [5].
Изучение возможностей склеивания фибры клеем В-105 (1938 г.)
Целью
отдельной
работы
ВИАМ
стало
изыскание
возможности
склеивания листовой фибры клеем В-105 [6]. Материалом для испытаний
стала листовая фибра (производства Кинешемской фабрики) с толщиной
листа 1,9–2,2 мм и прочностью на разрыв 52,2–72,6 МПа. Клей разводили
водой в соотношении 1:2 и наносили на обе склеиваемые поверхности.
Для установления прочности склеивания фибры проведены испытания на
разрыв образцов, склеенных внахлестку и «на ус».
Образцы соединений фибры внахлестку показали наиболее высокие
результаты
по
прочности
после
предварительной
обработки
на
пескоструйном аппарате, выдержке под прессом в течение 2 ч и давлении
запрессовки 0,49–0,78 МПа. Поскольку влажность фибры в месте склеивания
возрастала примерно на 2% (результат увлажнения раствором клея),
рекомендовалось применять фибру с влажностью 6–10% во избежание ее
коробления.
В табл. 2 приведены результаты испытаний соединений фибры
внахлестку при различных давлениях запрессовки. При этом все образцы
разрушались по фибре.
Таблица 2.
Давление при
запрессовке, МПа
0,2
0,49
0,78
Прочность соединений фибры внахлестку
в зависимости от условий прессования
Продолжительность
Прочность, МПа
запрессовки, ч
4,9
5,4
2
5,6
Оптимальные режимы, разработанные для соединений внахлестку,
позволили провести склеивания соединений фибры «на ус». В табл. 3
приведены результаты испытаний на прочность соединений фибры «на ус»
(длина уса изменялась от 0,01 до 0,04 м) с указанием характера скалывания.
Таблица 3.
Прочность и характер скалывания усовых соединений фибры
Длина уса, м
Давление при
Продолжительность Прочность,
% образцов,
запрессовке, МПа
запрессовки, ч
МПа
разрушившихся по
фибре
0,01
27,6
80
0,02
42,6
85
0,2
0,2
0,03
49,6
75
0,04
51,6
Практически все
Лучшие результаты были получены при длине уса 0,04 м, так как
скалывание образцов происходило большей частью не в плоскости склеивания.
Итог
–
установление
возможности
использования
стандартного
казеинового клея В-105 для склеивания листовой фибры. Наиболее прочные
соединения получались при «открытой» пропитке в течение 2–5 мин и
«закрытой» пропитке продолжительностью не более 10 мин, при давлении
запрессовки 0,49–0,78 МПа и времени выдержки под прессом не менее 2 ч [6].
Выводы
Распространению казеиновых клеев и проведению в ВИАМ цикла
научно-исследовательских
работ
по
клеям
способствовало
развитие
деревянного авиастроения, требовавшего как высокой прочности клеевых
соединений
дерева,
так
и
хорошей
сопротивляемости
переменным
атмосферным условиям. В указанный период приоритетными были работы
по изучению свойств порошкообразного казеинового клея В-105, созданного
в ВИАМ и внедренного в промышленность в 1936 г., а также работы по
усовершенствованию техники склеивания деталей этим клеем. С 1935 по
1938 гг. были созданы и рекомендованы новые методы физико-химических и
механических испытаний (испытания вязкости в тонком клеевом слое,
определение водостойкости по вымачиванию сосновой пластинки с клеевым
слоем, испытания клеевых пленок по прочности на разрыв); установлены
принципиальные возможности введения антисептиков в состав клеев, а также
доказана целесообразность использования клея В-105 для склеивания
листовой фибры.
В процессе исследований были отмечены также и недостатки казеиновых
клеев: они увлажняли деревянные детали при склеивании, что приводило к
возникновению дополнительных напряжений при высыхании, а значит, и
короблению и трещинообразованию; они были недостаточно водостойкими и
склонными к гниению. Водные казеиновые клеи оказались непригодными
для склеивания облагороженной древесины с повышенными твердостью и
прочностью.
Дальнейшее развитие авиационной техники в конце 1930-х гг.
потребовало создания нового класса клеев, обладающих максимально
высокой водостойкостью и исключающих многие недостатки казеиновых
клеев. Таковыми стали клеи, изготовленные на основе синтетических смол.
Список литературы:
1. Устинович А.В. // Краткие технические отчеты о научно-исследовательских работах
ВИАМ за 1936 г. Т. IV: Химические материалы / Архив ФГУП «ВИАМ». М., 1937.
С. 126–136.
2. Михалев И.И. // Применение древесины в авиастроении. Материалы сессии / Под ред.
Н.Н. Чулицкого. – М.: Гос. изд-во оборонной пром-ти, 1940. С. 30–35.
3. Столярова Р.К. // Краткие технические отчеты о научно-исследовательских работах
ВИАМ за 1937 г. Химические материалы / Архив ФГУП «ВИАМ». М., 1938.
С. 176–185.
4. Хрипунов М.А. // Краткие технические отчеты о научно-исследовательских работах
ВИАМ за 1936 г. Т. IV: Химические материалы / Архив ФГУП «ВИАМ». М., 1937.
С. 137–140.
5. Михалев И.И. // Краткие технические отчеты о научно-исследовательских работах
ВИАМ за 1937 г. Авиационная древесина / Архив ФГУП «ВИАМ». М., 1938. С. 68–70.
6. Хрипунов М.А. // Краткие технические отчеты ВИАМ за 1938 г. / Архив ФГУП
«ВИАМ». М., 1939. С. 211–213.