Поліуретанова композиція

Реферат: Винахід стосується композиційних матеріалів на основі поліуретанів і може бути використаний при розробці зносостійких деталей важконавантажених вузлів тертя машин і механізмів. Задачею винаходу є удосконалення поліуретанової композиції з метою підвищення теплостійкості і зменшення коефіцієнту тертя при експлуатації в умовах тертя у рідинах та тертя без підводу зовнішнього мастила. Поставлена задача досягається тим, що відома композиція, яка містить поліуретан, нафталінформальдегідну смолу та наповнювач, згідно винаходу додатково містить епоксидіанову смолу з вмістом епоксидних груп 22 мас. %, а як наповнювач - порошок сплаву на основі міді, при наступному співвідношенні компонентів, мас. ч.: термопластичний поліуретан нафталінформальдегідна смола порошок сплаву на основі міді епоксидіанова смола з вмістом епоксидних груп 22 мас. % 100 5-20 5-20 5-10. UA 101050 C2 (12) UA 101050 C2 UA 101050 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до композиційних матеріалів на основі поліуретанів і може бути використаний при розробці зносостійких деталей важконавантажених вузлів тертя машин і механізмів металургійних виробництв. Відомо, що поліуретани знаходять все більше застосування в різних галузях господарства [Булатов Г. А. Полиуретаны в современной технике. М.: Машиностроение, 1983.-272с; Композиционные материалы на основе полиуретанов: Пер. с англ. /Под ред. Ф.А. Шутова.М.:Химия, 1982.-С.72-74.]. Це перш за все викликано їх високою зносостійкістю, міцністю на роздир та розрив, здібністю змінювати властивості у широкому діапазоні. Для підвищення зносостійкості, міцності у поліуретани вводять різні домішки і модифікатори [А.с №1290620 СССР, C08L75/04. Полиуретановая композиция/ И.А.Мандзюк, Р.В.Гриневич, Н.Л.Мамашкалова, Л.Н.Марцонь (СССР).-№3777208/23-05;заявл. 26.07.84; опубл. 23.03.86, Бюл.№ 11; Пат. 53746 Україна, C08L75/04. Полімерна композиція/ Анісімов В.М., Кураченков В.М., Семенець О.А.;заявник та патентовласник Український держ. хім, - тех. університет- № 2000042013; заявл. 10.04.90; опубл. 17.02.03, Бюл. № 2] Однак, введення дисперсних наповнювачів звичайно спряжено з різким падінням фізико-механічних характеристик. Це пояснюється формуванням слабких адгезійних зв'язків на межі полімер-наповнювач. Деяке поліпшення властивостей відбувається при введенні в поліуретани модифікаторів, наприклад, фенолформальдегідної смоли (ФФС) [А.с.№730759 СССР, C08L75/04. Абразивная маса для изготовления шлифовального інструмента/ Н.И.Богомолов, В.В.Ефанова, Л.А.Кольцов, А.П.Рехман, В.Т.Чалый (СССР).- № 2523631/23-05; заявл. 14.09.77; опубл.30.04.80, Бюл.№ 16]. Однак, дана композиція також має порівняно невисокі міцностні характеристики, зносостійкість і теплопровідність. Найбільш близькою по технічній суті і ефекту, що досягається, до запропонованої є поліуретанова композиція, яка містить у своєму складі поліуретан, нафталінформальдегідну смолу та металевий порошок сплаву при наступному співвідношенні компонентів, (мас.ч): поліуретан - 100, нафталінформальдегідна смола - 5-50, порошок сплава 5-20 [А.с. № 1634686 СССР, C08L75/04. Полиуретановая композиция/ В.Н.Анисимов, В.Н.Кураченков, Д.С.Ковальчук, В.В.Страхов (СССР).- № 4371464/05;заявл.26.01.88; опубл. 15.03.91, Бюл.№ 10] (прототип). Використання у запропонованій композиції металевого порошка тонкого помелу ПГ-10Н-01 (ТУ 48-19-383-84), який містить у своєму складі (мас. %): 14-20 % хрому, 2,8-3,4 % бору, 4-4,5 % кремнію, 3-4 % заліза, 0,6-1 % вуглецю, сприяє тому, що в умовах фрикційної взаємодії відбувається перерозподіл навантаження і змінення характеру деформування поверхневого шару. Тверді частки наповнювача сприймають більшу частину навантаження. Деформація матричного матеріалу локалізується при цьому між частками наповнювача. Ці процеси сприяють зростанню зносостійкості металополімерних пар тертя. Формування сітки із смоли, яка містить в полімерному ланцюзі нафталінові ядра, сприяє до зростання міцності, твердості і зносостійкості. Недоліками прототипу є порівняльно високі значення коефіцієнта тертя і низька теплостійкість, що в умовах фрикційного контакту приводить до значної регенерації тепла і втраті полімерним матеріалом деформаційної стійкості. Крім того, наявність у запропонованій композиції таких надтвердих матеріалів як хром, кремній, вуглець сприяє інтенсифікації абразивного зношування робочої поверхні деталі із появленням характерних полос подряпання. Зростання зносостійкості, відзначене при введенні в поліуретани нафталінформальдегідної смоли і металевого порошку є недостатнім, що суттєво позначається при роботі в умовах підвищеного навантаження або при введенні у зону контакту мастильно-охолоджуючої рідини, наприклад, води. В основу винаходу поставлена задача - розробити поліуретанову композицію із підвищеною теплостійкістю та низьким коефіцієнтом тертя при експлуатації їх в умовах тертя у рідинах і тертя без підводу зовнішнього мастила шляхом утворення взаємопроникних структур та створення умов для утворення на поверхні тертя мідної сервовидної плівки. Поставлена задача досягається тим, що відома поліуретанова композиція, до складу якої входять поліуретан, нафталінформальдегідна смола та наповнювач, згідно винаходу вона додатково містить епоксидіанову смолу з вмістом епоксидних груп 22 мас. %, а в якості наповнювача - металевий порошок із сплаву на основі міді марки ПГ-19М-01 (ТУ48-19-383-84), який складається, мас. %, 8,5-10,5 % алюмінію, 2-4 % заліза, інше - мідь при наступному співвідношенні компонентів, мас.ч.: термопластичний поліуретан 100 нафталінформальдегідна смола 5-20 металевий порошок сплаву 5-20 епоксидіанова смола з вмістом 1 UA 101050 C2 5 10 15 20 25 30 35 епоксидних груп 22 мас. % 5-10. Використання епоксидіанової смоли як модифікатора сприяє зниженню коефіцієнта тертя і підвищенню теплостійкості. Позитивний ефект досягається за рахунок реалізації у процесі отримання і гарячої переробки хімічної взаємодії як між епоксидним олігомером і нафталінформальдегідною смолою, так і між епоксіолігомерами і кінцевими непрореагувавшими ізоцианатними і діольними угруповуваннями. Даний процес зумовлений розкриттям і взаємодією епоксиугруповувань, що підтверджується даними ІК - спектроскопії. Суттєвим є і той факт, що при переробці запропонованої композиції литтям під тиском, плавлення шару смоли, який сформувався на гранулах поліуретанового термопласту на першій стадії переробки, інтенсифіцирує швидкість плавлення полімерних часток, а також знижує в'язкість і підвищує текучість розчину. Тобто нафталінформальдегідна та епоксидіанова смоли у цьому випадку виступають у ролі високотемпературного пластифікатора, який дозволяє поліпшити формування виробів і зменшити кількість макродефектів в структурі. Присутність у поліуретановій матриці металевого порошку на основі міді, заліза та алюмінію обумовлює більш ефективний тепловідвід і сприяє умовам для самоутворення тонкої сервовидної мідної плівки на робочій металевій поверхні [Гаркунов Д.Н.Триботехника. - М…Машиностроение, 1985.-424 с] З літературних джерел відомо, що порошок на основі міді марки ПГ-19М-01 використовують для газотермічної наплавки та напилення зносостійких шарів сплаву на робочі поверхні деталей машин [Евдокимов В.Д., Клименко Л.П., Евдокимова А.Н. Технология упрочнения машиностроительных материалов. Пособие-справочник/Под ред. д.т.н., проф. В.Д.Евдокимова Одесса-Николаев:Изд-во НГТУ им. Петра Могилы, 2005.-352 с]. Технологіний режим приготування запропонованого композиційного матеріалу пояснюється прикладами конкретного виконання. Приклад 1. 50 % спиртовий розчин нафталінформальдегідної та епоксидіанової смоли змішують з розчином поліуретану і при постійному перемішуванні вводять порошок сплаву на основі міді. Отриману суміш підсушують і поміщають у вакуумну термошафу. Тут суміш підлягає витримуванню при температурі 363 К до повного усування розчинника. Кількість наповнювача контролюють ваговим методом. Приклад 2. Гранули термопластичного поліуретану зануряють у 50-ти відсотковий розчин нафталінформальдегідної і епоксидіанової смол. Після 1,5 годин витримування за допомогою сита гранули відокремлюють від розчину і просушують у термокамері до повного вилучення розчинника (кількість модифікатора контролюється по сухому залишку), потім змішують з металевим порошком. Отриману композицію переробляють у вироби литтям під тиском на термопластавтоматах типу ДГ при питомому тиску 100 МПа та температурі 453 К. Винахід ілюструється прикладами конкретного виконання (таблиця 1). Таблиця 1 Склад поліуретанових композицій, мас.ч. Компоненти Поліуретан Нафталінформальдегідна смола Порошок сплаву Епоксидіанова смола 40 45 Композиції по прикладу, мас.ч. 2 3 4 5 100 100 100 100 6 100 15 2,5 5 15 20 25 15 25 2,5 20 5 15 7 5 10 2,5 15 1 (прототип) 100 Порівняльні дослідження на тертя та зношування композицій проводили на дисковій машині [Тищенко Г.П., Кураченков В.Н., Анисимов В.Н. и др. Совершенствование методов исследования физико-химических свойств полимерных материалов и защитных покрытий: Обз. Инф. М.: НИИТЭХИМ, 1985, вып.12/242-36 с] в режимі тертя без змащення при навантаженні Р=0,2 МПа та швидкості ковзання V=1 м/с та при терті у воді (Р=0,2 МПа, V=1,2 м/с). Як контртіло використовували диск із сталі 45 (HRC 45-48) з шорсткістю поверхні Ra=0,63-0,8 мкм. Інтенсивність зношування знаходили як втрату ваги зразків шляхом їх зважування на аналітичних терезах ВЛА-200М через кожні 1000 м шляху. Коефіцієнт тертя знаходили як відношення сили тертя до площі поперечного перерізу зразків. Контроль сили тертя здійснювали за допомогою тензометричної схеми вимірювання. Дослідження фізико-механічних характеристик проводили на машині INSTRON1122. 2 UA 101050 C2 5 Вимірювання теплостійкості проводилось на приборі ТМК по інтегральному методу з автоматичним записом кривої деформації від температури при навантаженні 1 МПа і швидкості підйому температури 2 К/хв. Оцінка теплостійкості проводилась по температурі початку розм'якшення. Результати досліджень представлені у таблиці 2 (нумерація у відповідності до таблиці 1). Таблиця 2 Фізико-механічні характеристики розроблених поліуретанових композицій Показник Композиція по прикладу 1(Пу+15 НФС+15 ПС (прототип) Гранична міцність при розриві, МПа. Інтенсивність зношування, мг/км: - при терті без змащування - при терті у воді Коефіцієнт тертя: - при терті без змащування - при терті у воді Теплостійкість, К (температура початку розм'якшення) 10 15 2 3 4 5 6 52 52 52 52 53,3 53 3,0 4,0 3,0 4,0 3,0 4,0 2,5 3,5 2,2 3,5 2,5 3,5 0,46 0,45 0,4 0,4 0,3 0,3 0,25 0,2 0,25 0,1 0,25 0,1 373 373 378 383 393 390 Як контрольний матеріал та прототип використовували поліуретан Вітур Т-0213-90 (ТУ 6-05221-526-82) Як слідує з таблиці 2, запропонований композиційний матеріал має більш високу теплостійкість і низькі значення коефіцієнта тертя при збереженні на попередньому рівні міцностних характеристик і інтенсивності зношування. Це виникає завдяки реалізації хімічних зв'язків між сіткою матриці і наповнювача, а також внаслідок формування у матеріалі більш жорсткої сітки модифікатора з міцними ароматичними ядрами. Запропонований винахід може бути використаний в умовах КЕШІ "Пластик" (м. Дніпропетровськ) з метою випуску широкої номенклатури манжет і ущільнень для насоснокомпресорних станцій металургійних виробництв. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 Поліуретанова композиція, що містить поліуретан, нафталінформальдегідну смолу та наповнювач, яка відрізняється тим, що вона додатково містить епоксидіанову смолу з вмістом епоксидних груп 22 мас. %, а як наповнювач - металевий порошок сплаву на основі міді, який складається, мас. %: 8,5-10,5 алюмінію, 2-4 заліза, все інше – мідь, при наступному співвідношенні компонентів, мас. ч.: термопластичний поліуретан 100 нафталінформальдегідна смола 5-20 металевий порошок сплаву 5-20 епоксидіанова смола з вмістом епоксидних груп 22 мас. % 5-10. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3