Розробка абразивостійких матеріалів на основі термопластичних поліуретанів

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата

технічних наук

РОЗРОБКА АБРАЗИВОСТІЙКИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ ТЕРМОПЛАСТИЧНИХ ПОЛІУРЕТАНІВ

Семенець Олександр Анатолійович

Дніпропетровськ - 2004

Анотація

Семенець О.А. Розробка абразивостійких матеріалів на основі термопластичних поліуретанів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.06 - технологія полімерних і композиційних матеріалів. - Український державний хіміко-технологічний університет, Дніпропетровськ, 2004.

Дисертація присвячена встановленню взаємозв'язку між умовами синтезу і переробки термопластичних поліуретанів (ТПУ) та їх структурою, фізико-механічними і триботехнічними властивостями; пошуку шляхів підвищення абразивостійкості ТПУ за рахунок синтезу з оптимальних вихідних матеріалів; розрахункам і прогнозуванню зношування поліуретанових термопластів у потоці абразивних частинок з урахуванням зміни структурних параметрів (концентрація жорстких блоків, молекулярна маса), природи та виду вихідних компонентів, а також експлуатаційних характеристик (швидкість потоку абразивних частинок, кут атаки); розробці практичних рекомендацій з використання абразивостійких поліуретанів в умовах газоабразивного зношування.

Виявлено, що визначальний вплив на фізико-механічні, триботехнічні характеристики поліуретанових термопластів має їх хімічна будова, природа та вид вихідних компонентів, їх співвідношення на стадії синтезу та молекулярна маса.

Ключові слова: діізоціанат, подовжувач ланцюга, поліефір, термопластичний поліуретан, концентрація жорстких блоків, інтенсивність газоабразивного зношування, критична точка.

Аннотация

Семенец А.А. Разработка абразивостойких материалов на основе термопластичных полиуретанов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.17.06 - технология полимерных и композиционных материалов. - Украинский государственный химико-технологический университет, Днепропетровск, 2004.

Диссертация посвящена установлению взаимосвязи между условиями синтеза и переработки термопластичных полиуретанов с их структурой, физико-механическими и триботехническими свойствами; поиску путей повышения абразивостойкости ТПУ за счет синтеза исходных материалов с заданным комплексом свойств; расчету и прогнозированию изнашивания полиуретановых термопластов в потоке абразивных частиц с учетом изменения структурных параметров (концентрация жестких блоков, молекулярная масса), природы и вида исходных компонентов, а также эксплуатационных характеристик (скорость потока абразивных частиц, угол атаки); разработке практических рекомендаций по использованию абразивостойких полиуретанов в условиях газоабразивного изнашивания.

Изнашивание ТПУ в потоке абразивных частиц представляет собой сложный комплексный процесс, который содержит в себе совместное действие усталостного и абразивного механизмов изнашивания. Основными показателями, которые влияют на абразивостойкость и механизм изнашивания термопластичных полиуретанов, являются молекулярная масса полимера и концентрация жестких блоков в макромолекуле. Полиуретановые термопласты с молекулярной массой, которая соответствует показателю характеристической вязкости [з]=0,9-1,1 дл/г, имеют наиболее благоприятную структурную упорядоченность и минимальные значения интенсивности газоабразивного изнашивания.

Впервые показано, что в качестве износостойких материалов для работы в потоке абразивных частиц, следует использовать полиуретановые термопласты с концентрацией жестких блоков _ж в области, которая ограничена характерными для всех исследованных композиций полиуретанов критическими точками _ж1=20-40 масс.% и _ж2=40-50масс.%.

Установлено, что переход от скользящего удара (б=15⁰) к нормальному (б=90⁰), независимо от скорости потока абразивных частиц, приводит к изменению механизма изнашивания от абразивного к усталостному и, как следствие, к изменению интенсивности газоабразивного изнашивания.

Получены математические модели процесса изнашивания, которые связывают между собой структурные параметры (концентрация жестких блоков, молекулярная масса) и эксплуатационные характеристики (скорость потока абразивных частиц, угол атаки) полиуретановых термопластов, с помощью которых стало возможным прогнозировать триботехнические свойства синтезированного материала.

Установлено, что переработка полиуретановых термопластов литьем под давлением приводит к увеличению интенсивности газоабразивного изнашивания на 10-15% в сравнении с интенсивностью изнашивания ТПУ, полученных синтезом в массе. Для сохранения на достаточном уровне основных физико-механических свойств материала и деталей, изготовленных из него, рекомендуется добавлять в первичный гранулят до 30% вторичного материала, что совпадает с данными литературных источников и приводит к увеличению эффективности производства и экономии материала.

Промышленная апробация и внедрение полиуретановых направляющих и опор роликов ленточных транспортеров из разработанных композиционных материалов в узлах оборудования на предприятиях горнодобывающей и металлургической промышленности подтвердили их высокую эффективность в сравнении с существующими аналогами.

Ключевые слова: диизоцианат, удлинитель цепи, полиэфир, термопластичный полиуретан, концентрация жестких блоков, интенсивность газоабразивного изнашивания, критическая точка.

Summary

Semenetz А.А. Development of abrasion-resistant materials on the basis of thermoplastic polyurethanes. - Manuscript.

Dissertation work is presented for a candidate degree in engineering sciences after speciality 05.17.06 - technology of polymeric and composition materials. - Ukrainian state chemical technological university, Dnepropetrovsk, 2004.

Dissertation is devoted to establishment of intercommunication between the condition of synthesis and processing of thermoplastic polyurethanes (TPU) and their structure, physicomechanical and tribotechnical properties; search of ways of the increase of abrasion-resistant TPU from synthesis of optimum initial materials; to the calculations and prognostication of wear of thermoplastic polyurethanes in the stream of abrasive particles taking into account the change of structural parameters (concentration of hard blocks, molecular mass), nature and type of initial components, and also operating descriptions (speed of stream of abrasive particles, corner of attack); to development of practical recommendations for the use of abrasion-resistant polyurethanes in the conditions of gasoabrasive wear.

Established that determining influence on physicomechanical, tribotechnical descriptions of thermoplastic polyurethanes has their chemical structure, nature and type of initial components, their correlation on the stage of synthesis and molecular mass.

Key words: diisocyanate, extending of chain, polyester, thermoplastic polyurethanes, concentration of hard blocks, intensity of gasoabrasive wear, critical point.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасний розвиток техніки тісно пов'язаний з прогресом в області розробки нових видів полімерних композиційних матеріалів, без яких не може обійтись жодна галузь промисловості. Застосування полімерних матеріалів забезпечує можливість створення принципово нових конструкцій та різних видів виробів, сприяє зниженню їх маси, експлуатаційних і транспортних витрат, підвищенню якості та зовнішнього вигляду. Використання композиційних матеріалів для потреб машинобудування дає ряд дуже суттєвих переваг: забезпечення високої зносостійкості, зниження коефіцієнта тертя, підвищення довговічності, можливість експлуатації в агресивному середовищі.

У даний час гостро стоїть проблема захисту деталей і конструкцій від абразивного зношування. В індустрії будівельних матеріалів, на збагачувальних фабриках, в кольоровій і чорній металургії, а також на підприємствах гірничо-видобувного комплексу експлуатуються пневмопроводи, дробарки, кульові і стрижневі млини, ситові та спіральні класифікатори, циклони, піскоструминні апарати, флотаційні, піскові і ґрунтові насоси, компресори, вентилятори та інше устаткування. Низька зносостійкість робочих деталей в абразивних середовищах стимулює розробку і створення ефективних методів підвищення їх абразивостійкості.

Застосування традиційних способів підвищення зносостійкості робочих деталей, завдяки максимальному збільшенню твердості матеріалів (високолеговані сплави, наплавлення, корунд, кам'яне лиття та ін.), у ряді випадків вирішує поставлену задачу. Однак, у залежності від умов експлуатації, іноді доцільно використовувати для підвищення зносостійкості не зростання твердості матеріалу деталі, а еластичну піддатливість її поверхні.

Усе більше поширення знаходить метод гумування, однак застосування спеціальних сортів гум і наявність стадії вулканізації робить його не завжди прийнятним для широкої номенклатури устаткування. Вирішити дану проблему останнім часом виявилося можливим завдяки широкому розповсюдженню поліуретанів, у яких відсутні перераховані вище недоліки. Вони мають унікальний комплекс властивостей: високу міцність та еластичність, гарну протидію ударним навантаженням і вібрації, стійкість до дії різних неполярних розчинників, мастил, палив; можливість переробки високопродуктивними методами. Однак, серед широкої різноманітності даних матеріалів, здатність успішно протистояти абразивному впливу мають не всі. У літературі такі дані носять обмежений характер. Незначний обсяг досліджень з вивчення взаємозв'язку структури і властивостей цих полімерів в умовах газоабразивного зношування є однією з причин відсутності науково обґрунтованих методів створення матеріалів з високими експлуатаційними характеристиками.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконувались на кафедрі хімічного машинобудування Українського державного хіміко-технологічного університету згідно з планами Міністерства освіти і науки України за наступними держбюджетними темами: “Оптимізація конструктивно-технологічних параметрів хімічного обладнання та підвищення його надійності” (№ державної реєстрації 0102U006459), “Дослідження закономірностей структуроутворення матеріалів” (№ державної реєстрації №0102U001959), “Дослідження і розробка устаткування, матеріалів, захисних покриттів, що мають підвищені експлуатаційні характеристики” (№ державної реєстрації 0102U001963).

Мета і задачі дослідження. Встановлення взаємозв'язку між умовами синтезу і переробки термопластичних поліуретанів та їх структурою, фізико-механічними і триботехнічними властивостями. Розробка методів прогнозування зношування поліуретанових термопластів у потоці абразивних частинок з урахуванням зміни структурних параметрів (концентрація жорстких блоків, молекулярна маса), природи та виду вихідних компонентів, а також експлуатаційних характеристик (швидкість потоку абразивних частинок, кут атаки). Розробка шляхів підвищення абразивостійкості ТПУ за рахунок синтезу вихідних матеріалів з заданими властивостями. Розробка практичних рекомендацій з використання абразивостійких поліуретанів в умовах газоабразивного зношування.

Для досягнення визначеної мети поставлені наступні основні задачі:

Розробити методи регулювання структури і властивостей ТПУ з метою підвищення їх абразивостійкості.

Експериментально дослідити газоабразивне зношування ТПУ в залежності від їх хімічної будови з урахуванням зміни молекулярної маси полімеру, концентрації жорстких блоків, природи та виду вихідних компонентів.

Розробити математичні моделі процесу зношування, що пов'язують між собою структурні параметри (концентрація жорстких блоків, молекулярна маса) та експлуатаційні характеристики (швидкість потоку абразивних частинок, кут атаки) поліуретанових термопластів.

Вивчити вплив параметрів переробки на зміну триботехнічних характеристик термопластичних поліуретанів.

Створити композиційні матеріали на основі ТПУ з підвищеною стійкістю до газоабразивного зношування.

Дослідити вплив наповнювачів різного функціонального призначення на триботехнічні характеристики ТПУ.

Провести промислову апробацію та впровадження деталей з розроблених матеріалів у вузлах устаткування і на об'єктах підприємств гірничовидобувної та металургійної промисловості.

Об'єкт дослідження: композиційні матеріали на основі термопластичних поліуретанів.

Предмет дослідження: розробка абразивостійких термопластичних поліуретанів і композиційних матеріалів на їх основі з урахуванням макромолекулярної будови, природи та виду вихідних компонентів.

Методи дослідження: рентгеноструктурний, термомеханічний, оптичний, визначали фізико-механічні характеристики (умовне напруження при подовженні f₃₀₀, МПа; відносне видовження _р, %, залишкове видовження ,%, умовну міцність при розтягу f_р, МПа; коефіцієнт гістерезисних втрат ч; температуру релаксаційних переходів Т, К; ступінь кристалічності S_к/S_а, %) та триботехнічні властивості (інтенсивність газоабразивного зношування).

Наукова новизна. Вперше встановлено закономірності зношування ТПУ в абразивному потоці від структурних параметрів та експлуатаційних характеристик.

Виявлено, що основними показниками, які впливають на абразивостійкість та механізм зношування термопластичних поліуретанів, є молекулярна маса полімеру та концентрація жорстких блоків у макромолекулі.

Показано, що ТПУ з молекулярною масою, яка відповідає показнику характеристичної в'язкості [з]=0,9-1,1 дл/г мають найбільш оптимальну структурну упорядкованість та мінімальні значення інтенсивності зношування.

Вперше показано, що у якості абразивостійких матеріалів у потоці абразивних частинок слід використовувати поліуретанові термопласти із значенням концентрації жорстких блоків _ж в області, яка обмежена характерними для усіх досліджених композицій поліуретанів критичними точками _ж1=20-40 мас.% та _ж2=40-50 мас.%.

Розроблені математичні моделі процесу зношування, що пов'язують між собою структурні параметри (концентрація жорстких блоків, молекулярна маса) та експлуатаційні характеристики (швидкість потоку абразивних частинок, кут атаки) поліуретанових термопластів, за допомогою яких стало можливим прогнозування триботехнічних властивостей синтезованого матеріалу.

Визначено, що переробка поліуретанових термопластів литтям під тиском призводить до збільшення інтенсивності газоабразивного зношування на 10-15% у порівнянні з абразивостійкістю ТПУ, отриманих синтезом у масі.

За результатами досліджень отриманий патент України на поліуретанову композицію. Композиція призначена для виготовлення деталей вузлів тертя машин і механізмів, і має високу зносостійкість, задовільну термостійкість та низький коефіцієнт тертя. Поставлена задача вирішується шляхом введення у полімерну композицію, яка містить поліуретан, у якості наповнювачів саліцилат міді та графіт.

Практична цінність результатів роботи. У результаті проведених досліджень запропоновані склади абразивостійких ТПУ та композиційних матеріалів на їх основі з високим комплексом фізико-механічних та триботехнічних характеристик.

За розробленими математичними моделями зношування поліуретанових термопластів є можливим вже на стадії синтезу вихідних ТПУ прогнозувати їх стійкість в умовах газоабразивного зношування.

Наведені рекомендації з раціонального конструювання форми робочих елементів машин і механізмів для роботи в потоці абразивних частинок.

Результати промислових досліджень підтвердили доцільність та ефективність використання рекомендованих композицій поліуретанів у ролі напрямних ковзання вузлів бурових верстатів фірми “Atlas Copco” (Швейцарія), а також опор роликів стрічкових транспортерів. На основі ТПУ розроблені нові абразивостійкі автодорожні фарби.

Особистий внесок дисертанта полягає у безпосередньому виконанні експериментальної частини, аналізі і математичній обробці отриманих результатів і формулюванні основних теоретичних положень роботи. У співавторстві з к.т.н., доц. Анісімовим В.М. прийнята участь у формулюванні мети, задач та основних висновків роботи.

К.т.н. Страхов В.В. та к.т.н. Летуновський М.П. приймали участь у синтезі ТПУ, у плануванні експерименту, та частково, у формулюванні основних висновків.

Кураченков В.М. приймав участь в обговорюванні одержаних даних, формулюванні основних висновків і виготовленні дослідно-промислових партій опор роликів стрічкових транспортерів і напрямних ковзання бурових верстатів.

Горяєва Ю.Є. виконала дослідження зношування полімерних матеріалів в умовах гідроабразивного впливу навколишнього середовища.

Апробація роботи. Основні результати наукових досліджень докладались на наступних науково-технічних конференціях: Міжнародній науково-технічній конференції “Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ - 2000)”, Хмельницький, 2000 р.; ХХ міжнародній конференції “Композиційні матеріали в промисловості (Славполіком - 2000), Ялта, 2000 р.; ІІІ міжнародній конференції “Наука і освіта - 2000”, Дніпропетровськ, 2000 р.; ХХІІ міжнародній конференції “Композиційні матеріали в промисловості (Славполіком - 2002), Ялта, 2002 р.; І міжнародній науково-технічній конференції студентів і аспірантів “Хімія і сучасні технології”, Дніпропетровськ, 2003 р.

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи опублікований в 14 друкованих працях, у тому числі в фахових наукових журналах - 9 статей, у тезах конференцій - 5 робіт, отриманий патент України на винахід.

Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Об'єм машинописного тексту дисертаційної роботи 184 сторінки, вона містить 63 рисунки, 12 таблиць, 182 бібліографічних посилання.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, визначена мета і задачі дослідження, наукова новизна роботи, наведені практичні результати, отримані в роботі, описані структура та короткий зміст дисертації. Наведені відомості про апробацію та публікування основних результатів досліджень.

У першому розділі наведений огляд наукової та технічної літератури за темою дисертаційної роботи. Показано, що полімерні композиційні матеріали займають важливе місце у сучасній промисловості. Це зумовлене сполученням у них таких властивостей, як висока питома міцність та жорсткість, низькі коефіцієнти термічного розширення та тертя, висока зносостійкість, змінні у широкому діапазоні показники тепло- та електропровідності, стійкість до дії агресивних середовищ, іонізованого випромінювання, термічного та радіаційного ударів, легкість переробки.

Розглянуті основи синтезу, вихідна сировина та її вплив на властивості поліуретанів. Здійснений аналіз досліджень абразивостійкості полімерних композиційних матеріалів. Показано, що існує велика кількість вузлів та деталей машин, в яких дуже актуальним питанням є захист робочих поверхонь від абразивного зношування в потоці частинок. Розглядаються напрямки вибору полімерних композиційних матеріалів для роботи в абразивному потоці. Вказуються основні переваги та недоліки використання згаданих матеріалів в абразивному середовищі.

У результаті аналізу наявних у літературі даних і результатів досліджень встановлено, що одними з перспективних матеріалів для захисту деталей і вузлів промислового устаткування від дії газоабразивного потоку є поліуретани. Однак, обмежений обсяг досліджень з вивчення структури та властивостей цих полімерів є однією з причин відсутності науково обґрунтованих методів створення матеріалів з високими експлуатаційними характеристиками. Прийняті оцінювання триботехнічних характеристик ТПУ в залежності від твердості або еластичності не враховують особливостей їх молекулярної будови, природи та виду вихідних компонентів.

У другому розділі наведені об'єкти досліджень і методики вивчення їх будови, фізико-механічних і триботехнічних характеристик.

В якості об'єктів дослідження обрані термопластичні поліуретани, синтезовані у ВАТ “Полімерсинтез” (Російська Федерація, м. Володимир). Досліджені системи, які відрізнялися між собою типом поліефіру (простий, складний), їх молекулярною масою, яка змінювалась відповідно до рекомендацій від 500 до 2000, а також природою вихідних компонентів. Для синтезу використовувались складні поліефіри - поліетиленглікольадипінат (ПЕГА), полібутиленглікольадипінат (ПБГА) і поліетиленбутиленгліколь-адипінат (ПЕБГА), простий поліефір - поліокситетраметиленгліколь (ПОТМГ). З ізоціанатів використовували 4,4¹-дифенілметандіізоціанат (МДІ) і 2,4-толуїлендіізоціанат (ТДІ), в якості подовжувачів ланцюга - етандіол (етиленгліколь) (ЕГ) та 1,4-бутандіол (бутиленгліколь) (БД). Вихідні зразки термопластичних поліуретанів отримували одностадійним способом синтезу в масі при рівному співвідношенні ізоціанатних і гідроксильних груп (NCO/OH=1).

Аналіз просторових моделей поліуретанів, отриманих з урахуванням типу і співвідношення компонентів, показав, що ці матеріали є блок-сополімерами вигляду(АВ)_n, молекули яких складаються з блоків (сегментів) гнучких і жорстких ланцюгів. До складу гнучких блоків входять прості або складні поліефіри. Жорсткі блоки утворюються в результаті взаємодії діізоціанатів з низькомолекулярними гліколями. Через обмежену розчинність блоків у поліуретані формується двофазна структура, ступінь гетерогенності якої може бути досить великим. Присутність в об'ємі ТПУ структурних неоднорідностей у вигляді мікрофаз гнучких і жорстких блоків, зв'язаних між собою хімічними зв'язками, визначає основні особливості властивостей цих полімерних матеріалів. Таким чином, регулювання характеристик поліуретанів можливо здійснювати як зміною концентрації жорстких блоків, так і варіюванням молекулярної маси полімеру.

Рентгеноструктурні дослідження фазового складу розроблених матеріалів здійснювали на установці ДРОН-2. Зйомка здійснювалась в мідному (CuК_б) випромінюванні з використанням кристала-монохроматора при наступних режимах роботи: напруга - 20кВ, струм - 10мА, межа вимірювання - 1000. Криві розподілу інтенсивності записували на діаграмну стрічку потенціометра. Дифракційні максимуми записували в інтервалі подвійних кутів відбиття (5-150⁰). Подвійні кути визначали за положенням піка дифракційного максимуму, потім за кутом відбиття и визначали міжплощинну відстань d (в нм) з рівняння Вульфа-Брега.

Фізико-механічні характеристики поліуретанів (умовне напруження при подовженні f₃₀₀, відносне видовження _р, залишкове видовження , умовну міцність при розтягу f_р) визначали згідно ГОСТ 270-75 на універсальній машині INSTRON-1122. Виміри умовного напруження при подовженні f₃₀₀ ТПУ здійснювали при 293 К в області лінійної в'язкопружності (f<f_к, де f_к - межа пружності ТПУ даного складу). Вимір коефіцієнта механічних гістерезисних втрат ч здійснювали при розтягу із швидкістю рухомого затискача 50 мм/хв і рівні деформації - 100%. Втрати на гістерезис визначались як у першому циклі навантаження (навантаження + розвантаження), так і в п'ятому (до п'ятого циклу значення ч стабілізуються).

Термомеханічні дослідження здійснювали на приладі ТМК-2 за інтегральним методом з автоматичним записом кривої деформації від температури при навантаженні 1 МПа і швидкості підйому температури 2К/хв.

Дослідження на газоабразивне зношування здійснювали на відцентровому прискорювачі ЦУК-3М. Геометричні і кінематичні параметри прискорювача регламентовані ГОСТ 23.201-78 “Обеспечение износостойкости изделий. Метод испытания материалов и покрытий на газоабразивное изнашивание с помощью центробежного ускорителя”. Дослідження здійснювались при кутах атаки б=15⁰, 30⁰, 45⁰, 60⁰ та 90⁰. Швидкість потоку частинок абразиву складала 38, 57 та 76 м/с. В якості абразивного матеріалу використовувався річковий пісок з розмірами зерен до 1 мм і відносним вмістом вологи не більше 0,15%.

Топографія поверхонь, які зношувались абразивним потоком, досліджувалась на стереоскопічному мікроскопі МБС-9. Спостереження здійснювалось при штучному освітленні у відбитому світлі.

Обробка результатів досліджень здійснювалась на ЕОМ за допомогою пакета прикладних програм Mathcad 7 pro. Математичну модель досліджених процесів зношування знаходили у вигляді лінійної комбінації функцій, які дають найкращу апроксимацію даних. За ГОСТ 269-91 визначали середньо-арифметичне результатів досліджень х, середнє квадратичне відхилення S, коефіцієнт варіації v, %, межу довірчого інтервалу е та відносне відхилення в.

Третій розділ присвячений вивченню впливу молекулярної маси полімеру на інтенсивність газоабразивного зношування. Для здійснення досліджень обрані ТПУ, які синтезовані на основі складного поліефіру полібутиленглікольадипінату (ПБГА) молекулярною масою 500, бутандіолу (БД) та дифенілметандіізоціанату (МДІ) із співвідношенням компонентів у кожній серії відповідно 1:0,5:1,5; 1:1,5:2,5 та 1:3:4. Контроль молекулярної маси М здійснювали за показником характеристичної в'язкості [з] розчинів ТПУ у диметілформаміді при температурі 303 К. Аналітично залежність [з] від М описується рівнянням степеневого виду.

За результатами досліджень встановлено, що молекулярна маса є найважливішою характеристикою, яка визначає технологічні та експлуатаційні властивості поліуретанових термопластів. Залежність інтенсивності зношування для досліджених поліуретанів від показника характеристичної в'язкості [з] має екстремальний характер.

Матеріали з [з] у межах 0,52-0,9, 0,42-0,8 та 0,6-1,0 дл/г, відповідно для ТПУ з вмістом БД=0,5, 1,5 та 3,0 моль, мають більші значення інтенсивності зношування. Особливістю ТПУ в цих областях є швидке зниження інтенсивності зношування при вже незначному збільшенні характеристичної в'язкості, а також різке зростання міцносних характеристик. В області [з]=0,9-1,0 дл/г, 0,8-0,9 та 1,0-1,1, відповідно для матеріалів з вмістом БД=0,5, 1,5 та 3,0 моль, ТПУ мають максимальну стійкість в потоці абразивних частинок. Для матеріалів третьої області з [з] відповідно більше 1,0 дл/г, більше 0,9 дл/г та більше 1,1 (М>75000) характерні зростання інтенсивності зношування, що пояснюється невисоким опором поверхневих шарів газоабразивному впливу внаслідок зниження таких фізико-механічних показників як величина відносного видовження, опір до згинання, умовна міцність при розтягу.

Залежність інтенсивності зношування від кута атаки також має екстремальний характер. При переході від матеріалів з вмістом БД=0,5 моль до матеріалів з вмістом БД=3,0 моль ця залежність стає більш виразною. При цьому спостерігається зсув області екстремального зношування в область більших кутів атаки (для матеріалів з БД=0,5 моль - б_max=25⁰; для матеріалів з БД=1,5 моль - б_max=30⁰ та для матеріалів з БД=3,0 моль - б_max=35⁰). При б>70⁰ значення інтенсивності зношування для всіх матеріалів знаходиться у від'ємній області. Це пов'язане з насиченням поверхневого шару зразків частинками абразиву, так як саме при цих кутах умови зіткнення частинки з поверхнею близькі до фронтального удару. Абразивні частинки при ударі пересилюють сили взаємодії між макромолекулами поверхневого шару ТПУ за рахунок підвищених напружень, які виникають в зоні контакту гострої грані частинки і поверхневого шару, і вкорінюються у зразок поліуретану. Якщо частинці для вкорінення не вистачає кінетичної енергії удару, або контакт з поверхнею зразка відбувається не по гострій грані, то абразивна частинка відскакує від поверхні. Не виключаються умови, за яких поверхневий шар вкорінених частинок буде поводитись як своєрідний захисний екран від подальшого зношування.

Аналіз рентгенограм показав, що з підвищенням показника характеристичної в'язкості до 0,9-1,1 дл/г відбувається зростання структурних утворень з параметрами кристалічної решітки 0,36-0,48 нм при фіксованих кутах розсіювання 2и=19⁰-24⁰, що свідчить про зростання упорядкованості структури. У цьому ж діапазоні відзначене різке підвищення значень температури початку розм'якшення.

Таким чином у результаті досліджень встановлено, що мінімальні значення інтенсивності газоабразивного зношування мають поліуретанові термопласти з молекулярною масою, яка відповідає показнику характеристичної в'язкості [з]=0,9-1,1 дл/г. Системи з показником [з]1,1 дл/г недоцільно синтезувати, так як спостерігається зниження найважливіших фізико-механічних характеристик матеріалів.

Шляхом обробки результатів здійснених експериментів з використанням ЕОМ отримана математична модель процесу зношування. Користуючись отриманою моделлю можна, за відомим показником характеристичної в'язкості та експлуатаційними характеристиками (швидкість потоку абразивних частинок, кут атаки) визначити величину зносу потрібного матеріалу.

У четвертому розділі оцінювався вплив концентрації жорстких блоків на інтенсивність газоабразивного зношування ТПУ. Регулювання структури і властивостей здійснювали зміною в широкому інтервалі співвідношення вихідних компонентів. Досліджені матеріали, синтезовані на основі різних поліефірів (простий, складний) з молекулярною масою 500, 1000, 2000 та з у межах 0,9 - 1,1 дл/г. В якості подовжувача ланцюга використовували 1,4-бутандіол. Для більш точного оцінювання триботехнічних характеристик поліуретанових термопластів аналіз їх абразивостійкості здійснений як у взаємозв'язку із вмістом 1,4 - бутандіолу на стадії синтезу, так і з вмістом у матеріалі жорстких блоків ц_ж. Використання поліуретанових термопластів з ц_ж в діапазоні від 10 до 60 мас.% дало змогу дослідити матеріали із широким діапазоном фізико-механічних властивостей.

Встановлено, що зміна властивостей ТПУ в залежності від ц_ж пов'язана з формуванням у матеріалі безперервної мікрофази жорстких блоків (МФЖБ). На залежностях інтенсивності зношування від концентрації жорстких блоків можна умовно виділити три характерні області. Як приклад, розглянемо матеріали на основі ПОТМГ₁₀₀₀:БД:МДІ .

У першій області, при низьких значеннях _ж (до 32%), жорсткі блоки в матеріалі являють собою окремі структурні утворення та агрегати. Матеріал, який складається переважно з гнучких поліефірних блоків з низькою температурою склування не в змозі протистояти зовнішньому впливу. Незважаючи на мінімальні значення інтенсивності газоабразивного зношування ТПУ в даній області, для всіх досліджених зразків спостерігається явна тенденція переходу її в область від'ємних значень. Це викликане нездатністю матеріалів з _ж до 32 мас.% протистояти зовнішньому впливу і, переважно, є результатом вкорінення абразивних частинок у тіло зразка.

У другій області _ж=32-48 мас.% із суттєвою зміною концентрації жорстких блоків відбувається незначна зміна інтенсивності зношування з ознаками стабілізації. На залежностях спостерігається своєрідне “плато”. При значенні _ж порядку 32 мас.% на більшості залежностей фізико-механічних характеристик від концентрації жорстких блоків спостерігаються або явний геометричний перегин, або оптимум. Такий характер концентраційних залежностей у даній області відповідає моменту появи зв'язної структури, утвореної МФЖБ. Робоча поверхня ТПУ характеризується дрібними, округленими хвилеподібними вершинами, які свідчать про сумісну дію абразивного та втомлювального механізму зношування. Негативні значення Кg при кутах атаки =45⁰, 60⁰ і 90⁰ у даній області свідчать про недостатню жорсткість зв'язної структури МФЖБ.

Третя область з концентрацією _ж>48 мас.% характеризується різким зростанням інтенсивності газоабразивного зношування. Закономірність спостерігається при всіх кутах атаки та всіх швидкостях потоку абразивних частинок. На більшості фізико-механічних залежностей виникає другий характерний перегин. Відбувається зниження еластичності, зростання твердості і гістерезисних втрат, зменшення долі пружно-пластичного деформування. Із збільшенням концентрації жорстких блоків відбувається формування жорсткої структури, утвореної МФЖБ. Дане припущення підтверджують результати рентгеноструктурного аналізу - зростання _ж сприяє появі в структурі досліджених поліуретанів яскраво виражених упорядкованих утворень.

Таким чином, на абразивостійкість поліуретанових еластомерів, окрім молекулярної маси, суттєвий вплив здійснює співвідношення вихідних компонентів при синтезі, цілеспрямованою зміною яких можна отримувати матеріали з широким діапазоном властивостей, у тому числі триботехнічних.

Найважливішим параметром, який характеризує хімічний склад ТПУ та контролює рівень їх фізико-механічних властивостей є концентрація у макромолекулі жорстких блоків. Зміна властивостей поліуретанових термопластів у залежності від вмісту _ж насамперед зв'язана з формуванням у матеріалі безперервної жорсткої фази. Якщо при невеликому вмісті бутандіолу при синтезі, а отже, малих значеннях _ж (24-32 мас.%) жорстка фаза у матеріалі являє собою окремі структурні утворення та агрегати, то з підвищенням кількості діолу у матриці формується сітка з жорсткої фази, яка бере на себе основне навантаження та забезпечує високі значення фізико-механічних властивостей матеріалу. Щільність сітки зростає за мірою збільшення у суміші масової долі діолу. Формуванням такої сітки пояснюється зміна триботехнічних характеристик досліджених поліуретанів та їх механізму зношування.

Вперше показано, що в якості абразивостійких матеріалів у потоці абразивних частинок, слід використовувати поліуретанові термопласти із значенням концентрації жорстких блоків _ж в області, яка обмежена характерними для усіх досліджених композицій поліуретанів критичними точками _ж1=20-40 мас.% та _ж2=40-50мас.%.

D1_i, K1_i, R1_i, N1_i, D2_i, K2_i, R2_i, N2_i, D3_i, K3_i, R3_i, N3_i, D4_i, K4_i, R4_i, N4_i - коефіцієнти апроксимації, які враховують зміни умов зношування (i=1, 2). Розраховані значення коефіцієнтів наведені в дисертаційній роботі.

Загальний вигляд математичної моделі містить у собі лінійну комбінацію функцій з поліноміальними коефіцієнтами, які дають найкращу апроксимацію даних.

У п'ятому розділі досліджений вплив природи та виду вихідних компонентів на інтенсивність газоабразивного зношування поліуретанових термопластів. У попередніх випадках для формування жорстких блоків використовували МДІ та БД. Науковий і практичний інтерес має заміна в складі жорстких блоків МДІ на 2,4-толуїлендіізоціанат (ТДІ), який разом з першим широко використовують для синтезу литтєвих поліуретанів. Дослідження поліуретанів цього складу з ц_ж<48 мас.% не доцільне, тому що ці матеріали через свої дуже низькі фізико-механічні характеристики при нормальних умовах втрачають форму та розпливаються.

При ц_ж>48 мас.% характер кривих зношування повторює характер таких же залежностей для попередньо розглянутих ТПУ: спостерігається різке збільшення інтенсивності газоабразивного зношування для усіх кутів атаки, що свідчить про формування безперервної сітки, утвореної з жорстких блоків. Як і в попередніх випадках, максимальне зношування для всіх швидкостей потоку абразивних частинок спостерігається для залежностей, отриманих при кутах атаки б=30⁰. Менші значення інтенсивності зношування мають матеріали при кутах атаки б=45, 15, 60 та 90⁰. Помітний перехід зношування при великих кутах атаки в область від'ємних значень за рахунок додаткової маси вкорінених у зразки абразивних частинок. Заміна у ТПУ на основі ПБГА₂₀₀₀:БД:МДІ бутандіолу на етандіол (етиленгліколь), незалежно від умов дослідження, не призводить до суттєвої різниці в характері зношування. Як і завжди, первинний вплив на інтенсивність зношування має концентрація жорстких блоків. На залежностях спостерігаються три характерні області, але з іншими значеннями концентраційних діапазонів у порівнянні з попередніми матеріалами.

За результатами досліджень для розглянутих матеріалів отримана математична модель процесу зношування. Вона має вигляд аналогічний моделі, яка отримана в четвертому розділі. Значення коефіцієнтів апроксимації, які враховують зміну умов зношування наведені в дисертаційній роботі.

Шостий розділ присвячений технології переробки та її впливу на властивості термопластичних поліуретанів.

Можливість багаторазової переробки поліуретанових термопластів дає змогу створювати безвідходні замкнені цикли переробка - використання. При литті під тиском, екструзії, каландруванні ТПУ можливе протікання різних механо-фізичних процесів. Тому знання особливостей цих процесів, їх вплив на властивості поліуретанових еластомерів сприяє раціональному вибору вихідних матеріалів, режимів їх переробки та отриманню виробів з високими експлуатаційними характеристиками.

Для досліджень, з метою відпрацювання технології переробки матеріалів, що пропонуються, у вироби, обрані термопластичні поліуретани з концентрацією жорстких блоків ц_ж переважно у межах 30-50% та значенням характеристичної в'язкості з у межах 0,9-1,1 дл/г. Досліджені ТПУ на основі поліокситетраметиленгліколю молекулярної маси 1000, бутандіолу та діізоціанату із співвідношенням ПОТМГ₁₀₀₀:БД:МДІ = 1:0,6:1,6; ТПУ на основі поліетиленглікольадипінату молекулярної маси 500, бутандіолу та діізоціанату із співвідношенням ПЕГА₅₀₀:БД:МДІ=1:4:5; ТПУ на основі поліокситетра-метиленгліколю молекулярної маси 1000, бутандіолу та діізоціанату із співвідношенням ПОТМГ₁₀₀₀:БД:МДІ=1:1:2; ТПУ на основі поліетиленбутілен-глікольадипінату молекулярної маси 2000, бутандіолу та діізоціанату із співвідношенням ПЕБГА₂₀₀₀:БД:МДІ=1:3:4; ТПУ на основі полібутилен-глікольадипінату молекулярної маси 500, бутандіолу та діізоціанату із співвідношенням ПБГА₅₀₀:БД:МДІ=1:4:5. Порівняльне оцінювання властивостей ТПУ проводилось як після їх отримання в процесі синтезу, так і після переробки литтям під тиском.

У роботі наведені діаграми залежності інтенсивності зношування Kg від кута атаки для досліджених матеріалів після синтезу в масі та переробки литтям під тиском. За результатами досліджень визначено, що переробка поліуретанових термопластів литтям під тиском призводить до збільшення інтенсивності газоабразивного зношування на 10-15%, у порівнянні з інтенсивністю зношування ТПУ, отриманих синтезом у масі. Це явище вірогідно пов'язане із розривом молекулярних ланцюгів під дією механічних сил при подрібненні вихідного полімеру, його термодеструкції при переробці литтям та умовами формування МФЖБ.

Таким чином, для збереження на достатньому рівні основних фізико-механічних властивостей матеріалу та деталей, виготовлених з нього, можливо рекомендувати додавання у первинний гранулят до 30% вторинного матеріалу, що збігається з даними літературних джерел і призводить до збільшення ефективності виробництва та економії матеріалу.

Рекомендовані технологічні режими лиття під тиском ТПУ з різною концентрацією жорстких блоків ц_ж.

Сьомий розділ присвячений доцільності та ефективності використання досліджених матеріалів на основі термопластичних поліуретанів.

Здійснені експлуатаційні випробування деталей із розроблених матеріалів у вузлах бурових верстатів фірми “Atlas Copco” (Швейцарія). За умовами експлуатації в цих вузлах використовувались вироби з полімерних матеріалів. Аналіз роботи таких вузлів показав, що вони експлуатуються в умовах газо- та гідроабразивного впливу навколишнього середовища, що призводить до їх швидкого зносу, і як наслідок, проведення трудомістких ремонтів.

За результатами наукових досліджень з вивчення зношування поліуретанів в умовах газо- та гідроабразивного впливу з урахуванням умов експлуатації, запропоновано виготовляти напрямні ковзання бурових верстатів з матеріалів на основі термопластичних поліуретанів. Результати технологічних та експлуатаційних випробувань показали ефективність використання розроблених матеріалів для виготовлення деталей та елементів вузлів промислового устаткування. Напрямні ковзання сертифіковані фірмою-виготовлювачем та успішно працюють до цього часу.

Результати розробок дисертаційної роботи використані при проектуванні вузла опори роликів стрічкових транспортерів, які експлуатуються в умовах підвищеного впливу абразивного середовища. Апробація роботи здійснювалась в умовах ВАТ “Дніпрококс” м.Дніпропетровська. Промислові дослідження показали високі експлуатаційні характеристики розроблених конструкцій та використаних у них поліуретанів, що дозволило в 2-3 рази підвищити термін їх служби.

На базі кафедри хімічного машинобудування УДХТУ та в умовах заводської лабораторії ВАТ “ЧЛКЗ “Аврора” (м. Черкаси), здійснено дослідження зразка лакофарбового матеріалу для дорожньої розмітки. В якості аналогу обрана фарба АК-501 біла (ТУ У 02972374.008-2001) для дорожньої розмітки, яка випускається ВАТ “ЧЛКЗ “Аврора”. У результаті випробувань встановлено, що технологічні характеристики лакофарбового матеріалу відповідають фарбі АК-501 білій. Абразивостійкість дослідної композиції перевищує в 1,4 рази абразивостійкість аналога.

Висновки

Встановлено, що визначальний вплив на фізико-механічні, триботехнічні характеристики поліуретанових термопластів має їх хімічна будова, природа та вид вихідних компонентів, їх співвідношення на стадії синтезу та молекулярна маса.

Визначено, що поліуретанові термопласти з молекулярною масою, яка відповідає показнику характеристичної в'язкості [з]=0,9-1,1 дл/г, мають найбільш сприятливу структурну упорядкованість та мінімальні значення інтенсивності газоабразивного зношування.

Вперше показано, що в якості абразивостійких матеріалів у потоці абразивних частинок, слід використовувати поліуретанові термопласти із значенням концентрації жорстких блоків _ж в області, яка обмежена характерними для усіх досліджених композицій поліуретанів критичними точками _ж1=20-40 мас.% та _ж2=40-50 мас.%.

Встановлено, що перехід від ковзного удару (б=15⁰) до нормального (б=90⁰), незалежно від швидкості потоку абразивних частинок, призводить до зміни механізму зношування від абразивного до втомлювального і, як слідство, до зміни інтенсивності газоабразивного зношування.

Розроблені математичні моделі процесу зношування, що пов'язують між собою структурні параметри (концентрація жорстких блоків, молекулярна маса) та експлуатаційні характеристики (швидкість потоку абразивних частинок, кут атаки) поліуретанових термопластів, за допомогою яких стало можливим прогнозування триботехнічних властивостей синтезованого матеріалу.

Визначено, що переробка поліуретанових термопластів литтям під тиском призводить до збільшення інтенсивності газоабразивного зношування на 10-15%, у порівнянні з інтенсивністю зношування ТПУ, отриманих синтезом у масі. Для збереження на достатньому рівні основних фізико-механічних властивостей матеріалу та деталей, виготовлених з нього, можна рекомендувати додавання у первинний гранулят до 30% вторинного матеріалу, що збігається з даними літературних джерел і призводить до збільшення ефективності виробництва та економії матеріалу.

Промислова апробація і впровадження поліуретанових напрямних та опор роликів стрічкових транспортерів з розроблених композиційних матеріалів у вузлах устаткування на об'єктах гірничовидобувної та металургійної промисловості підтвердили їх високу ефективність у порівнянні з існуючими аналогами.

термопласт поліуретан фізичний механічний

Основний зміст дисертації опублікований в таких працях

Семенец А.А. Строение термопластичных полиуретанов и его роль в условиях фрикционного взаимодействия // Проблеми трибології. - 1999. - №1. - С.98-104.

Семенец А.А. Износостойкость полиуретановых термопластов при газоабразивном воздействии // Проблеми трибології. - 2000. - №1. - С.76-79.

Семенец А.А. О связи строения и свойств термопластичных полиуретанов на основе простого полиэфира в условиях газоабразивного изнашивания // Вопросы химии и химической технологии. - 2001. - № 3. - С. 85-87.

Семенец А.А., Анисимов В.Н. Взаимосвязь строения и свойств полиуретановых термопластов при газоабразивном воздействии // Вопросы химии и химической технологии. - 2000. - №1. - С. 221-223.

Семенец А.А., Анисимов В.Н., Кураченков В.Н. Некоторые особенности изнашивания термопластичных полиуретанов в потоке абразивных частиц // Проблеми трибології. - 2001. - №1. - С.52-55.

Анисимов В.Н., Семенец А.А., Кураченков В.Н. Критерии выбора оптимальной матрицы термопластичных полиуретанов с повышенной износостойкостью // Проблеми трибології. - 2001. - №2. - С. 78-82.

Анисимов В.Н., Семенец А.А., Летуновский М.П., Страхов В.В. Влияние концентрации жестких блоков на деформационно-прочностные характеристики и абразивостойкость термопластичных полиуретанов // Физико-химическая механика материалов. - 2002. - № 1. - С. 79-82.

Анисимов В.Н., Семенец А.А. Синтез и структурно-механические особенности создания термопластичных полиуретанов с повышенной износостойкостью // Композиційні полімерні матеріали. - 2001. - Т.23, №2. - С. 113-118.

Горяєва Ю.Є., Семенець О.А., Анісімов В.М. Порівняльні дослідження працездатності матеріалів при зношуванні в потоці абразивних часток // Питання хімії і хімічної технології. - 2003. - № 6. - С. 128-131.

Патент України 53746, МПК С08L75/04 Полімерна композиція / АнісімовВ.Н., Кураченков В.Н., Семенець О.А. № 2000042013 Заявл. 10.04.2000; Опубл. 17.02.2003; Бюл. № 2 - 2 с.

Семенец А.А., Анисимов В.Н. Газоабразивное изнашивание термопластичных полиуретанов // Тезисы докладов ІІІ Міжнародної конференції “Наука і освіта - 2000”. - Дніпропетровськ. - 2000. - С. 31.

Семенец А.А., Анисимов В.Н. К вопросу о взаимосвязи строения и свойств полиуретановых термопластов при газоабразивном изнашивании // Тези доповідей Міжнародної науково-технічної конференції “Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2000)”. - Хмельницький. - 2000. -С.39-40.

Семенец А.А., Анисимов В.Н. Абразивостойкие материалы на основе полиуретановых термопластов // Тезисы докладов ХХ Международной конференции “Композиционные материалы в промышленности (Славполиком-2000)”. - Киев. - 2000. - С. 111-112.

Семенець О.А., Анісімов В.М. Вплив молекулярної маси термопластичних поліуретанів на інтенсивність газоабразивного зношування // Тезисы докладов ХХІІ Международной конференции “Композиционные материалы в промышленности (Славполиком-2002)”. - Киев. - 2002. - С. 100.

Горяєва Ю.Є., Семенець О.А.. Анісімов В.М. Працездатність матеріалів при зношуванні в потоці абразивних часток // Тези доповідей І міжнародної науково-технічної конференції студентів і аспірантів “Хімія і сучасні технології”, - Дніпропетровськ: УДХТУ. - 2003. - С. 211-212.

Размещено на Allbest.ru