CC BY
0
УДК 621.822.6.004.67+668.3+631.3.02 DOI 10.24412/2311-6447-2023-2-178-183
Исследование физико-химических свойств полимерной
нанокомпозидни на основе герметика АН-111 для восстановления узлов машин и оборудования в АПК
Study of physical and chemical properties of the polymeric nanocomposition based on sealant AH- 111 for restoration of units of machinery and equipment I n the agroindustrial complex
Доцент П.Н. Кузнецов (ORCID 0000-0002-5984-510X), старший преподаватель А.Б. Рожнов,
Мичуринский государственный аграрный университет, кафедра стандартизации, метрологии и технического сервиса, тел. 8-953-709-23-17, PaNК-77@mail.ru
доцент С.В. Соловьев (ORCID 0000-0003-4639-9478) Мичуринский государственный аграрный университет, кафедра транспортно-технологических машин и основ конструирования, sergsol6800@ya.ru
Assistant Professor P.N. Kuznetsov, Senior Lecturer A.B. Rozhnov, Michurinsk State Agrarian University, chair of standardization, metrology and technical service, tel. 8-953-709-23-17, PaNK-77@mail.ru
Assistant Professor S.V. Solovyov Michurinsk State Agrarian University, chair of Transport and Technological Machines and Design Fundamentals, sergsol68Q0@va.ru
Аннотация. Любые машины и оборудование перерабатывающей промышленности характеризуются надежностью, которая во многом зависит от своевременного и качественного проведения технического сервиса. Одним из эффективных и современных способов восстановления посадочных мест под подшипники, является применение полимерных материалов. Полимеры, контактирующие с рабочими жидкостями, должны обладать высокой химической стойкостью к ним. Особое влияние рабочие жидкости оказывают на увеличение массы и объема (набухание) и вымывание их компонентов (растворение) полимерных составов, допустимые значения которых составляют соответственно не более 12 и 4 %. Анализ результатов исследований позволил заключить, что Анатерм-111 при выдержке этого состава в исследуемых жидкостях до 504...840 ч набухает. В трансмиссионном масле и антифризе набухание заканчивается через 504 ч и составляет соответственно 0,374 и 0,053 %, в индустриальном масле и бензине - через 672 ч и достигает 0,592 и 0,114 % соответственно, в моторном масле -через 840 ч и составляет 0,507 %. Результаты исследований позволили заключить, что стойкость к рабочим жидкостям у нанокомпозиций на основе Анатерм-111 выше, чем у исходного состава. Нами была рассмотрена проблема восстановления неподвижных соединений типа «вал-подшипник качения» полимерными составами. Установлено, что добавление нанонаполнителей Таунит-М в полимерные составы Анатерм-111 уменьшает процессы сорбции агрессивных рабочих жидкостей, их диффузии в объеме полимера и десорбции из полимерного состава, а следовательно, повышает стойкость полимеров к рабочим жидкостям..
Abstract. Any machines and equipment of the processing industry are characterized by reliability, which largely depends on timely and quality maintenance. One of effective and modern ways to restore bearing seats is the use of polymeric materials. Polymers in contact with working fluids should have high chemical resistance to them. Working fluids have a special effect on the increase of mass and volume (swelling) and washout of their components (dissolution) of polymer compositions, the permissible values of which are not more than 12 and 4 %, respectively. Analysis of the study results enabled us to conclude that Anatherm -111 swells when exposed to the studied liquids up to 504...840 h. In gear oil and antifreeze, it swells up after 504 hours and makes 0.374 and 0.053 %, respectively; in industrial oil and gasoline, it swells up after 672 hours and makes 0.592 and 0.114 %, respectively; in engine oil after 840 hours and makes 0.507 %. The results of the studies allowed us to conclude that the resistance to working fluids of nanocompositions based on Anatherm- 111 is higher than that of the initial composition. We considered the problem
© П.Н. Кузнецов, А.Б. Рожнов, C.B. Соловьев, 2023
of restoration of fixed joints of "shaft - rolling bearing" type by polymeric compositions. Because of the study, it was established that the addition of Taunit-M nanofillers to Anatherm-111 polymer compositions reduces the processes of sorption of aggressive working fluids, their diffusion in the polymer volume and desorption from the polymer composition, and consequently increases résistance of polymers to working fluids.
Ключевые слова: наноматериалы, нанонаполнитель, нанокомпозиции, полимерные составы, анаэробные композиции, посадочные места под подшипники, восстановление
Keywords: nanomaterials, nanofiller, nanocompositions, polymer compositions, anaerobic compositions, bearing seats, restoration
Надежность машин и оборудования во многом зависит от качественного технического сервиса, поскольку своевременное обслуживание позволяет поддерживать состояние агрегатов в рабочем состоянии, повышая их безотказность и долговечность [1]. Подшипниковые узлы являются неотъемлемой частью конструкций машин и оборудования, от долговечности которых зависит эффективность работы техники. Износ посадочного места под подшипник ведет к изменению посадки внутреннего кольца подшипника на вал, а следовательно, и к нарушению соосности вала, что влечет за собой возникновение биения.
Одной из основных причин выхода из строя подшипниковых узлов является фреттинг-коррозия. Этот дефект появляется в условиях взаимных перемещений малой амплитуды плотно соприкасающихся пар металл-металл. В результате микроколебаний на поверхностях сопрягаемых деталей возникают повреждения, которые имеют локальный характер. Продукты износа не могут покинуть зону контакта и концентрируются на малых площадях, что способствует увеличению давления, а коррозионные частицы начинают действовать как абразив на основной металл, что приводит к нарушению работы узла [2].
Восстановление соединения «вал-подшипник качения», как правило, является трудоемким процессом, а затраты на его проведение порой превышают стоимость изготовления новых деталей. Ввиду этого становится актуальным увеличение долговечности подшипниковых узлов.
Для восстановления неподвижных соединений широко используются сварочно-наплавочные методы, но они не способны исключить дальнейшее появление фрет-тинг-коррозии в сопряжении, что является ограничением по их применению. Кроме того, данные методы требуют использования дополнительной механической обработки для придания нужной геометрии, точности и шероховатости восстанавливаемым деталям.
Применение полимерных материалов зачастую заменяет традиционные методы. При восстановлении посадок под подшипники анаэробными полимерами отсутствует тепловое воздействие на узел, не требуется механическая обработка и предотвращается возникновение фреттинг-коррозии. Этот способ восстановления не требует специального оборудования и высококвалифицированных специалистов, что определяет невысокую трудоемкость и себестоимость процесса. Полимер, благодаря своим свойствам дает возможность создать в посадке упругий слой для более равномерного распределения нагрузки в подшипниках, что приводит к увеличению их долговечности [2].
В настоящее время наиболее часто для восстановления подшипниковых узлов используются анаэробные материалы, представляющие собой жидкий полимерный состав, который полимеризуется только в узких металлических зазорах при отсутствии контакта с кислородом. Анаэробы обладают хорошими механическими свойствами, высокой стойкостью к воздействию процессов старения и вибрации [4].
При всех известных преимуществах полимерных составов остается открытым вопрос об их стойкости к рабочим жидкостям. Под действием физико-химических процессов, которые возникают при влиянии агрессивности контактирующих с анаэробными составами рабочих сред, возможно ухудшение их механических и
прочностных свойств до критических значении.
Цель исследования - повышение стойкости полимерной композиции Анатерм-111 к воздействию моторного, индустриального, трансмиссионного масла, бензина АИ-92 и антифриза путем модификации нанонаполнителем «Таунит-М». Наибольшее распространение среди предприятий технического сервиса получили такие полимерные продукты, как Анатерм-111. Поэтому для исследований сорбционно-диффузионного взаимодействия использовали анаэробный герметик Анатерм-111, а также нанонаполнитель «Таунит-М». В качестве рабочих жидкостей применяли моторное, трансмиссионное и индустриальное масло.
Исследуемые составы и нанокомпозиции на их основе полимеризовали в течение 24 ч между двумя стальными пластинами с размерами 150х50 х 10 мм для получения образцов в виде пленок толщиной 0,2 мм. Далее образцы очищали в моющем техническом средстве марки МС-37, просушивали и выдерживали в эксикаторе, затем их взвешивали на электронных весах марки Sartorius с точностью 10~4 г. После выдержки образцов в рабочих жидкостях в течение 1-1176 ч при комнатной температуре их очищали в моющем техническом средстве, просушивали на воздухе, выдерживали в эксикаторе и взвешивали.
Изменение массы образца в результате воздействия на него рабочей жидкости определяли по формуле:
4 =
т - т
х 100%
т,
где то - масса образца до погружения в рабочую жидкость, г; т - масса образца после воздействия рабочей жидкости, г.
В результате контакта поверхности полимерного материала с рабочей жидкостью изменяются его физико-механические свойства и вследствие этого ухудшаются эксплуатационные параметры. Под влиянием рабочих жидкостей одновременно происходят процессы как набухания, так и растворения компонентов полимерных составов, что оказывает влияние на их долговечность.
Анализ результатов исследований позволил заключить, что Анатерм-111 имеет разную стойкость ко всем исследуемым жидкостям (рис. 1). При выдержке этого состава в исследуемых жидкостях до 504-840 ч происходит его набухание.
•Моторное масло
■Трансмиссионное масло Индустриальное масло
И Бензин AJI-95 Ж Антифриз
Рис. 1. Кинетические кривые набухания и растворения Анатерм-111 в рабочих жидкостях
Также были проведены дополнительные исследования стойкости Анатерм-111 и нанокомпозиции на его основе к влиянию бензина АИ-92 и антифриза, хотя подшипники с ними не контактируют, просто для сравнения и визуализации.
В трансмиссионном масле и антифризе оно заканчивается через 504 ч и со-
ставляет соответственно 0,374 и 0,053 %, в индустриальном масле и бензине - через 672 ч и достигает 0,592 и 0,114 % соответственно, в моторном масле - через 840 ч и составляет 0,507 %. При дальнейшей выдержке Анатерм-111 в бензине происходит незначительное снижение его массы, а во всех остальных рабочих жидкостях наблюдается стабилизация процессов взаимодействия.
Характер сорбционно-диффузионного взаимодействия у нанокомпозиций Ана-терм-111 + Таунит-М приблизительно такой же, как у ненаполненного состава (рис. 2). Исследования показали, что наблюдается устойчивая тенденция повышения стойкости ко всем рабочим жидкостям.
с
0,5
0.4
0,3 0,2 0,1 0
0 200 400 600 800 1000 f фОО
• Моторное масло ■ Трансмиссионное масло Л Индустриальное масло
)( Бензин АИ-95 Ж Антифриз
Рис. 2. Кинетические кривые набухания и растворения нанокомпозиции Анатерм-111 + Таунит-М в рабочих жидкостях
Результаты исследований позволили заключить, что стойкость к рабочим жидкостям у нанокомпозиций на основе Анатерм-111 выше, чем у исходного состава (рис. 3). Так, его стойкость к моторному маслу увеличивается на 16,6 %, трансмиссионному маслу - на 19,5 %, к индустриальному маслу - на 15,9 %, бензину -на 18,4 % и антифризу - на 11,3 % (рис. 3).
% 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 о
Рис. 3. Влияние нанонаполнителя Таунит-М на изменение массы Анатерм-111 в рабочих жидкостях
Результаты экспериментов показали, что при контакте исследуемых составов Анатерм-111 и Анатерм-111+Таунит-М с моторным, индустриальным, трансмиссионным маслами, бензином АИ-92 и антифризом увеличение массы образцов, то есть превалирует процесс набухания. Процесс растворения образцов в этих рабочих жидкостях осуществляется значительно медленнее.
Подводя итоги исследования, можно заключить, что добавление нанонаполни-телей в полимерные составы уменьшает процессы сорбции агрессивных рабочих
Моторное масло Индустриальное масло Антифриз
■ Ан-111 ■ Ан-111 + Таушгт
жидкостей, их диффузии в объеме полимера и десорбции из полимерного состава, а следовательно, повышает стойкость полимеров к рабочим жидкостям.
Наибольшее влияние наполнители оказывают на составы, контактирующие с индустриальным и моторным маслами, наименьшее - с бензином и антифризом. Скорее всего, это связано с тем, что антифриз является малоагрессивной рабочей жидкостью, а при влиянии бензина процессы набухания компенсируются вымыванием его компонентов из объема полимера из-за высокой агрессивности этой рабочей жидкости. По нашему мнению, для создания высокомодульных и высокопрочных нанокомпозитов важны не исходные характеристики нанонаполнителя, а формирование его структуры в полимерной матрице нанокомпозита. В этом отношении преимущество имеет нанонаполнитель Таунит-М, который в силу своей одномерной исходной структуры гораздо лучше поддается действию ориентационных технологий в сравнении с графеном.
ЛИТЕРАТУРА
1. Li, R. I. Evaluative quality parameters in nondestructive control of adhesive metallic bonds in machine unit. / R. I. Li, M. A. Shipulin // ISSN 1995_4212, Polymer Science, Series D. Glues and Sealing Materials, 2012, Volume 5, Number 1, pp. 15-19.
2. Кононенко, A.C. Стойкость полимерных составов холодного отверждения и наномодификаций на их основе к вибрационным нагрузкам [Текст] / A.C. Кононенко, К.Г. Дмитраков // Ремонт, восстановление, модернизация. 2016. № 3. С. 22-25.
3. Кононенко, A.C. Адгезионная прочность составов холодного отверждения и нанокомпозиций на их основе [Текст] / A.C. Кононенко, К.Г. Дмитраков // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2016. № 11. С. 10-14.
4. Кононенко, A.C. Улучшение механических и эксплуатационных свойств полимерных материалов использованием наполнителей [Текст] / A.C. Кононенко, В.Ф. Алешин, А.Ю. Колобов, К.С. Дмитраков // Международный научный журнал. 2016. № 3. С. 59-66.
5. Гуняев, Г.М. Структура и свойства полимерных волокнистых композитов [Текст] / Г.М. Гуняев; - М.: Химия, 1981. - 232 с.
6. Мищенко, С. В. Углеродные наноматериалы "Таунит": исследование, производство, применение [Текст] / Ткачев А.Г., Мищенко C.B., Негров В.А., Блинов C.B., Турлаков Д.А., Н.Р. Меметов // Нанотехника, 2006. - №2.
7. Овидько, И.А. Механика процессов роста трещин в нанокерамиках [Текст] / И.А. Овидько, А.Г. Шейнерман и др.; - Materials Physics and Mechanics 12, 2011.
8. Композиция для склеивания металлических изделий [Текст]: Патент на изобретение №2526991 РФ Заявл. 05.02.2013 / Ли Р.И., Бутин A.B., Рожнов А.Б., Сафонов В.Н. // Опубл. 27.08.2014. - Бюл. №24
9. Рожнов, А. Б. Исследование деформационно-прочностных свойств полимерной нанокомпозиции на основе анаэробного герметика АН -111 [Текст] / Рожнов А.Б., Ли Р.И., Хатунцев В.В.// Вестник МичГАУ. - 2014. - № 6.
10. Рожнов, А. Б. Технология механизированного нанесения полимерных покрытий на подшипники качения [Текст] / Рожнов А.Б., Д.Н. Псарев, Р.И. Ли, В.В. Хатунцев, М.М. Мишин, С.Ю. Астапов / / Достижения науки и техники в АПК. 20 If). - Том 30. - №5. - С. 86-88
11. Рожнов, А. Б. Перспективный полимерный композиционный наноматериал для фиксации деталей подшипникового узла в трансмиссии автотракторной техники [Текст] / Рожнов А.Б., Ли Р.И. / / Сборник научных трудов по материалам ежегодных конференций: Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования. - 2016. - Том 3, выпуск 1 (4).
REFERENCE
1. Li, R. I. Evaluative quality parameters in nondestructive control of adhesive metallic bonds in machine unit. / R. I. Li, M. A. Shipulin // ISSN 1995_4212, Polymer Science, Series D. Glues and Sealing Materials, 2012, Volume 5, Number 1, pp. 15-19.
2. Kononenko A.S. Resistance of cold-curing polymer compositions and nanomodi-fications on their basis to vibration loads [Text] / A.S. Kononenko, K.G. Dmitrakov // Repair, restoration, modernization. 2016. № 3. C. 22-25.
3. Kononenko A.S. Adhesive strength of cold-curing compositions and nanocompo-sitions based on them [Text] / A.S. Kononenko, K.G. Dmitrakov // Repair. Restoration. Modernization. 2016. № 11. C. 10-14.
4. Kononenko A.S. Improvement of mechanical and operational properties of polymer materials using fillers [Text] / A.S. Kononenko, V.F. Aleshin, A.Yu. Kolobov, K.S. Dmitrakov // International Scientific Journal. 2016. № 3. C. 59-66.
5. Gunyaev G.M. Structure and properties of polymeric fiber composites [Text] / G.M. Gunyaev; - M.: Chemistry, 1981. - 232 c.
6. Mischenko, S.V. Carbon nanomaterials "Taunit": research, production, application [Text] / Tkachev A.G., Mischenko S.V., Negrov V.L., Blinov S.V., Turlakov D.A., Me-metov N.R. // Nanotechnology, 2006. - №2.
7. Ovidko I.A. Mechanics of crack growth processes in nanoceramics [Text] / I.A. Ovidko, A.G. Sheynermann et al; - Materials Physics and Mechanics 12, 2011.
8. Composition for bonding of metal products [Text]: Patent for the invention №2526991 RF Application. 05.02.2013 / Lee R.I., Butin A.V., Rozhnov A.B., Safonov V.N. // Published 27.08.2014. - Bulletin no. 24.
9. Rozhnov A.B. The study of deformation-strength properties of polymer nanocom-position based on anaerobic sealant АН-Ill [Text] / Rozhnov AB, Lee RI, Khatuntsev W // Bulletin of MichGAU. - 2014. - № 6.
10. Rozhnov A.B. Technology of mechanized application of polymer coatings on rolling bearings [Text] / Rozhnov A.B., Psarev D.N., Li R.I., V.V. Khatuntsev, M.M. Mishin, S.Yu. Astapov // Achievements of science and technology in the agroindustrial complex. - 2016. - Vol. 30. - №5. - C. 86-88
11. Rozhnov A.B., Lee R.I. Prospective polymeric composite nanomaterial for fixation of bearing unit parts in the transmission of automotive tractor machinery [Text] / Rozhnov A.B., Lee R.I. // Collection of scientific papers on the materials of the annual conferences: Alternative energy sources in transport and technological complex: problems and prospects for rational use. - 2016. - Vol. 3, issue 1 (4).
