CC BY
76
УДК 665.939.5
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ РЕМОНТНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С ВЫСОКИМИ ТРИБОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
Корнеев Алексей Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии, конструирования и экспертизы изделий,
Шилов Николай Викторович, аспирант кафедры технологии, конструирования и экспертизы изделий, [email protected],
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»,
г. Москва
THEORETICAL FOUNDATIONS FOR MAKING REPAIR COMPOSITE MATERIAL WITH HIGH TRIBOLOGICAL CHARACTERISTICS
Korneyev A.A., Shilov N.V.
В статье представлены результаты работы по разработке теоретических основ создания ремонтного композиционного материала с высокими трибологическими свойствами. Показано, что антифрикционность и износостойкость дисперсно-упрочненных композиционных материалов на эпоксидной основе зависят от плотности сшивки полимерной матрицы, вида пластификатора и вида наполнителя. Проведенный анализ литературных источников позволил определить виды и оптимальное соотношение компонентов, необходимых для создания ремонтного композиционного материала, с помощью которого можно производить восстановление изношенных поверхностей узлов трения технологического оборудования.
Ключевые слова: дисперсно-упрочненный композиционный материал,
наполнитель, пластификатор, антифрикционность, износостойкость.
The article provides with the results of working out theoretical foundations for the creation of repair composite material with high tribological characteristics. The article shows that antifrictionality and wear resistance of epoxy based dispersion composite materials depend on polymer matrix cross-link density, a plasticizing agent type and a filler type. The performed analysis of literature references allowed determining kinds and efficient balance in components that are necessary to create repair composite material with which it is possible to restore worn-out surface of technology equipment tribology application.
Key words: dispersion composite materials, filler, plasticizing agent, antifrictionality, wear resistance.
Техническое состояние оборудования во многом влияет на качество работы предприятий коммунального хозяйства. Сегодня наличие обширной экспериментальной техники для определения рабочих нагрузок, высокий уровень развития прикладной теории упругости, хорошие знания физических и механических свойств материалов позволяют обеспечить продолжительную работу оборудования в нормальных условиях
эксплуатации. Поэтому в коммунальном хозяйстве наиболее частыми причинами выхода оборудования из строя являются износ и повреждение трущихся поверхностей.
Отечественная и зарубежная практика показывает, что восстанавливать детали узлов трения возможно с применением ремонтных композиционных материалов на полимерной основе. Несмотря на невысокие (по сравнению с металлами) прочностные характеристики их применение в восстановительных работах возрастает во всем мире.
За рубежом промышленный выпуск специальных ремонтных композиционных материалов на полимерной основе освоен примерно 40 лет назад. К наиболее известным фирмам, выпускающим такие материалы, можно отнести: «Durmetall» (Швейцария), «Diamant» и «MultiMetall» и «Unirep» (Германия), «Belzona» (США), «Chester Molecular» (Польша) и ряд других.
Наша промышленность производила до недавнего времени лишь несколько видов таких материалов, физико-механические характеристики которых не позволяли применять их при ремонте и восстановлении ответственных деталей и узлов промышленного оборудования.
В большинстве случаев ремонтные композиционные материалы состоят из основы, отвердителя и дополнительных компонентов (рисунок 1). Соотношения основы и отвердителя в зависимости от физико-технических характеристик материалов и технологических потребностей может быть различным и колебаться от соотношения 1:10 до 1:1.
Рисунок 1 - Состав ремонтных композиционных материалов [4]
Основа - главная часть двухкомпонентной композиции, определяющая ее физикомеханические характеристики. Большинство отечественных и зарубежных производителей используют в качестве основы эпоксидные смолы. Это объясняется следующими причинами [12]:
1) эпоксидные смолы обладают хорошей адгезией к большинству наполнителей, армирующих компонентов и подложек;
2) разнообразие доступных эпоксидных смол и отверждающих агентов позволяет получить после отверждения материалы с широким сочетанием свойств;
3) в ходе химической реакции между эпоксидными смолами и отверждающими агентами не выделяются вода и вредные летучие вещества, а усадочные явления при отверждении ниже, чем для фенольных или полиэфирных смол.
Активаторы - отвердители органических смол, которые существенно влияют на такие физико-технологические характеристики металлополимеров, как жизнеспособность приготовленной композиции, время полимеризации, температуростойкость,
водостойкость композиции.
В исходном состоянии активаторы могут быть в виде паст, гелей, жидкостей, поэтому можно варьировать получаемые композиции от вязких (тиксотропных) паст, предназначенных для нанесения на наклонные и вертикальные поверхности без стекания, до жидкообразных композиций, используемых для нанесения покрытий небольшой толщины на значительные площади поверхности.
С в о й ств а РКМ
Э кс плутац и о н н ы е Технологические
Хи ми ч еские
Физические Механические
коррозийная с то й к о с т ь ст о й ко с т ь к де й с т в и ю т е м п е ра т уры в о д о с т о й к о с т ь п р о ч н о с т ь с о о тн о ш е н и е к о м п о н е н т о в
электропроводность п ло т н о с т ь стойкость к м аслам и топливу твердость в ре мя о тв е ржд е н ия
ан ти ф ри кц и о н н о с ть ст о й к о с т ь к ки сл о там и щ ел о ч ам в я з к о с т ь в ре м я н а бо ра п о л н о й п ро чн о с т и
н е го рю ч ес ть
Рисунок 2 - Структурная схема свойств ремонтных композиционных материалов [4]
Варьируя видами и соотношениями компонентов ремонтных композиционных материалов, можно создавать материалы с заранее заданными свойствами (рисунок 2), среди которых трибологические свойства (антифрикционность и износостойкость) занимают не последнее место.
Обзор литературных источников показал, что трибологические свойства дисперсно-упрочненных композиционных материалов на эпоксидной основе зависят от следующих факторов [1]:
- плотность сшивки полимерной матрицы;
- вид пластификатора;
- вид наполнителя.
На плотность сшивки полимерной матрицы на эпоксидной основе влияют концентрация и природа отвердителей, а также температурно-временной режим отверждения. Например, с увеличением концентрации метафенилендиамина износ сначала уменьшается, а потом увеличивается [6, 10]. При концентрации
метафенилендиамина в диапазоне от 10 до 13 массовых частей изнашивание эпоксидного компаунда уменьшается примерно в 2,5 раза. Увеличение изнашивания эпоксидного компаунда при высоких концентрациях отвердителя связано, вероятно, с пластифицирующим действием избытка отвердителя.
Подобный характер носит зависимость изнашивания эпоксидного компаунда от температуры отверждения. Это связано с тем, что при высоких температурах возникают термоокислительные и деструктивные процессы.
В работе [13] представлены результаты исследований свойств эпоксидных олигомеров различной структуры, отвержденных моноцианэтилированным диэтилентриамином. Они показали неоднозначное влияние природы олигомеров на их износостойкость. Однако для эпоксидных диановых олигомеров с ростом молекулярной массы наблюдается снижение износа.
В процессе трения металлического материала по полимеру в нем происходит необратимое смещение участков макромолекул, формирующих трехмерную сетку, что приводит к накоплению дефектов в поверхностных слоях полимерного материала и, как следствие, к его разрушению.
Снижение скорости усталостных процессов при трении можно получить путем увеличения подвижности элементов трехмерной сетчатой структуры полимерной матрицы. Для этого в эпоксидные смолы добавляют различные пластификаторы (дибутилфталат, тиоколы, минеральные масла и др.).
В работе [2] показано, что введение дибутилфталата от 5 до 15 % в эпоксидный компаунд значительно увеличивает его износостойкость. Это связано, вероятно, с тем, что в объеме связующего формируется редкосшитая трехмерная сетчатая структура с большим сопротивлением усталостному изнашиванию.
В работе [11] исследовалась износостойкость эпоксидных полимеров, отвержденных ПЭПА с различными пластификаторами. Результаты эксперимента показали, что введение пластификаторов повышает износ эпоксидного компаунда. Однако графические зависимости износа эпоксидных полимеров от содержания пластификаторов имеют ряд экстремумов.
Взаимодействие композиционного материала на полимерной основе и металлической поверхности при трении имеет двойственную молекулярно-механическую природу [8]. С одной стороны, при разрушении трехмерной сетки полимерной матрицы образуются связи между радикалами и участками металлической поверхности, с другой -происходит взаимодействие частиц пленки переноса с сопряженными поверхностями и между собой в соседних слоях. Следовательно, повысить трибологические свойства полимерного композиционного материала можно путем повышения жесткости полимерной матрицы. Для этого в эпоксидные олигомеры вводят различные наполнители.
В работе [2] исследовано влияние порошков алюминия, железа, графита и дисульфида молибдена на изнашивание эпоксидных композиционных материалов, пластифицированных дибутилфталатом. Результаты исследований показали, что наименьшим износом обладает эпоксидный композиционный материал, наполненный порошком алюминия, наибольшим - порошком графита.
В работах [3,7] исследовано влияние графита и дисульфида молибдена на износостойкость эпоксидных композиционных материалов. Полученные результаты показали, что эпоксидные композиционные материалы, наполненные графитом и отвержденные низкомолекулярным полиамидом, при смазке маслом имеют коэффициент трения 0,015-0,05. Более низким износом и коэффициентом трения при трении в масле обладают графитоэпоксидные композиционные материалы, отвержденные фталевым ангидридом.
Антифрикционный материал должен обладать хорошей теплопроводностью, чтобы отводить тепло из зоны трения. В противном случае это может привести к сильному перегреву материала и, как следствие, к его разрушению. Однако теплопроводность полимерных материалов невысока. Причина этому - фононный механизм передачи тепла в полимерах.
Повысить теплопроводность композиционного материала можно введением в полимерную матрицу определенных наполнителей. Это связано с возникновением или электронного (наполнитель - проводник) или фонон-фононного (наполнитель -диэлектрик) механизмов теплопроводности.
В работе [5] приведено сравнение теплопроводности полимерных композиционных материалов, полученных с использованием различных наполнителей. Показано, что высокое значение теплопроводности имеют композиционные материалы с содержанием наполнителя более 50 %.
Для повышения прочности и теплопроводности полимерного композиционного материала можно использовать омедненный порошок графита. Предварительные исследования показали, что применение такого композиционного наполнителя позволяет примерно в 1,5 раза повысить прочность и теплопроводность композиционного материла на полимерной основе.
По результатам проведенной работы можно сделать следующие выводы.
1. Для эпоксидных диановых олигомеров с ростом молекулярной массы наблюдается снижение износа.
2. Высокую износостойкость имеют эпоксидные олигомеры, содержащие отвердитель и пластификатор в строго определенном соотношении.
3.Для снижения коэффициента трения в состав композиционного материала необходимо вводить различные антифрикционные материалы, например, графит.
4. Для повышения износостойкости в состав композиционного материала необходимо вводить оксид алюминия.
5. Для получения высокой теплопроводности суммарное содержание наполнителя должно быть более 50%.
6. Для увеличения прочностных характеристик композиционного материала необходимо использовать омедненный порошок графита.
Литература
1. Берлин А.А. Принципы создания композиционных полимерных материалов / А.А. Берлин, С.А. Вольфсон, В.Г. Ошмян, Н.С. Ениколопов. М.: Химия, 1990. 238 с.
2. Белый В. А. Проблема создания композиционных материалов и управления их фрикционными свойствами // Трение и износ. 1982. Т.З. №3. С. 389-395.
3. Васильев Ю.Н. Природа смазочной способности графита //Трение и износ. 1983. Т.4. №3. С.483-491.
4. Сервис производственных систем с применением прогрессивных технологий / А.Б. Гончаров, А.П. Голубев, А. А. Корнеев, А.Б. Тулинов. М., ФГОУ ВПО «РГУТиС», 2010. 117с.
5. Дувакина Н.И., Ткачева Н.И. Выбор наполнителей для придания специальных свойств полимерным материалам // Пластические массы. 1989. № 11. С. 46-48.
6. Давидчевский Л.М. Исследование влияния отвердителей и режима отверждения на износ эпоксидных композиций при трении со смазкой: автореф. дис. ... канд. тех. наук. Минск, 1969.
7. Кутьков А.А. Износостойкие и антифрикционные покрытия: М., 1976.
8. Крагельский И.В. Основы расчета на трение и износ / И.В. Крагельский, И.Н. Добычин, В. С. Комбалов. М., 1977.
9. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров // Пластические массы. 1976. №11. С. 6-11.
10. Олешкевич Э.П. Исследование влияния ингредиентов на износ эпоксидных пластмасс: автореф. дис. ... канд. тех. наук. Минск, 1966.
11. Орбелин С.И., Ратнер С.Б., Фарберова И.И. // Пластические массы. 1966. №10. С. 44-46.
12. Тулинов А.Б., Корнеев А.А. Особенности создания композиционных материалов для ремонта // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2004. №8.
13. Хахалина Н.Ф., Русанова Л.А., Лапидус А.С. и др. Физико-химические основы наполнения полимеров // Пластические массы. 1984.№6. С. 20-22.
