CC BY
13
1НЖЕНЕРН1 НАУКИ
УДК 667.64:678.026
А.В. БУКЕТОВ, М.Ю. АМЕЛ1Н, О.М. БЕЗБАХ, Р.Ю. НЕГРУЦА
Херсонська державна морська академiя
ЗАХИСН1 ЕПОКСИКОМПОЗИТН1 ПОКРИТТЯ З ПОЛ1ПШЕНИМИ АНТИКОРОЗ1ЙНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ I ЗНОСОСТ1ЙК1СТЮ
У poöomi обтрунтована доцшьтсть вiдновлення деталей та Mexani3Mie у ргзних галузях npoMu^oeocmi полiмерними композитами. Розроблено Hoei захист епоксикомпозитш покриття з полтшеними антикорозшними властивостями i зносостшюстю.
Для формування композитних матерiалiв i захисних пoкриттiв на ix oснoвi використано епоксидний дiанoвий oлiгoмер ЕД-20, модифжатор, твердник пoлiетиленпoлiамiн i нано- i мжродисперсш частки. До^джено антикорозшш властивoстi матерiалiв у природних умовах та у агресивних середовищах.
Доведено, що найменшими показниками кoрoзiйнoi стткостх вiдзначаeться захисне покриття, модифшоване параамтоазобензолом i наповнене частками сумш нанодисперсних сполук, зал1зно'1' окалини i Waltrop. Прониктсть у природних умовах такого покриття впродовж часу t = 250... 300 дiб до^дження становить 1,8 %, що у 3,8 разiв менше за аналoгiчнi показники виxiднoi епоксидно'1' матрицi.
Обгрунтовано, що найвищими показниками знoсoстiйкoстi вiдзначаeться захисне покриття, модифшоване параамтоазобензолом i наповнене частками сумш нанодисперсних сполук, зал1зно'1' окалини i Agocel S-2000. Кoефiцieнт знoсoстiйкoстi тд дieю гiдрoабразиву такого покриття становить Кз = 1,75, що у 1,3 разiв бшьше за аналoгiчнi показники виxiднoi епоксидно'1' матриц. Показано, що механизм зношування матерiалiв зумовлений ф1зико-мехатчними процесами на поверхш кoмпoзитiв, визначальними з яких e процеси мiкрoрiзання i пластичного деформування поверхневого шару.
Ключoвi слова: епоксидний композит, корозшна тривюсть, зносостштсть, наповнювач, покриття.
А.В. БУКЕТОВ, М.Ю. АМЕЛИН, О.М. БЕЗБАХ, Р.Ю. НЕГРУЦА
Херсонская государственная морская академия
ЗАЩИТНЫЕ ЭПОКСИКОМПОЗИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ С УЛУЧШЕННЫМИ АНТИКОРРОЗИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ
В работе обоснована целесообразность восстановления деталей и механизмов в различных отраслях промышленности полимерными композитами. Разработаны новые защитные эпоксикомпозитные покрытия с улучшенными антикоррозийными свойствами и износостойкостью.
Для формирования композитных материалов и защитных покрытий на их основе использован эпоксидный диановый олигомер ЭД-20, модификатор, отвердитель полиэтиленполиамин и нано- и микродисперсные частицы. Исследованы антикоррозионные свойства материалов в естественных условиях и в агрессивных средах.
Доказано, что наименьшими показателями коррозионной стойкости отличается защитное покрытие, модифицированное парааминоазобензолом и наполненное частицами смеси нанодисперсных соединений, железной окалины и Waltrop. Проницаемость в естественных условиях такого покрытия в течение времени t = 250...300 суток исследования составляет 1,8%, что в 3,8 раза меньше аналогичных показателей исходной эпоксидной матрицы.
Обосновано, что самыми высокими показателями износостойкости отличается защитное покрытие, модифицированное парааминоазобензолом и наполненное частицами смеси нанодисперсных соединений, железной окалины и Agocel S-2000. Коэффициент износостойкости под действием гидроабразив такого покрытия составляет Кз = 1,75, что в 1,3 раза больше аналогичных показателей исходной эпоксидной матрицы. Показано, что механизм износа материалов обусловлен физико-механическими процессами на поверхности композитов, определяющими из которых являются процессы микрорезания и пластического деформирования поверхностного слоя.
Ключевые слова: эпоксидный композит, коррозионная стойкость, износостойкость, наполнитель, покрытие.
A.V. BUKETOV, M.YU. AMELIN, O.M. BEZBAKH, R.YU. NEGRUTCA
Kherson State Maritime Academy
PROTECTIVE EPOXYCOMPOSITE COATINGS WITH IMPROVED ANTICORROSIVE PROPERTIES AND WEAR RESISTANCE
The feasibility of restoring parts and mechanisms in various industries with polymer composites is grounded in the work. New protective epoxy-composite coatings with improved anticorrosive properties and wear resistance have been developed.
To form composite materials and protective coatings based on them, epoxy diane oligomer ED-20, a modifier, a hardener polyethylene polyamine and nano- and micro-dispersed particles were used. The anticorrosive properties of materials under natural conditions and in aggressive media have been investigated.
It is proved that the protective coating modified with paraaminoazobenzene and filled with particles of a mixture of nanodispersed compounds, iron scale and Waltrop is shown to have the least indicators of corrosion resistance. Permeability in natural conditions of such coating for a time t = 250... 300 days of study is 1.8%, which is 3.8 times less than the same parameters of the initial epoxy matrix.
It is substantiated that the protective coating modified with paraaminoazobenzene and filled with particles of a mixture of nanodispersed compounds, iron scale and Agocel S-2000 is characterized by the highest wear resistance indexes. The coefficient of wear resistance under the action of the hydroabrasive of such a coating is Ks = 1.75, which is 1.3 times greater than that of the initial epoxy matrix. It is shown that the wear mechanism of materials is due to physical and mechanical processes on the surface of composites, the determining of which are the processes of microcutting and plastic deformation of the surface layer. Keywords: epoxy composite, corrosion resistance, wear resistance, filler, coating.
Постановка проблеми
Полiмернi композитш матерiали (КМ) i захисш покриття на !х 0CH0Bi широко застосовують для збшьшення ресурсу роботи деталей та MexaHi3MiB технолопчного обладнання хiмiчноl, нафтопереробно! галуз^ машино- та суднобудування. Захисш композитш покриття (КП) на полiмернiй основi завдяки нескладнш технологи формування е випдними не лише з економiчноl, але й з технолопчно! точки зору. ^iM того, так1 матерiали мають широку сировинну базу на територп Укра!ни i завдяки широкому спектру iнгредiентiв та технолопчносп формування композицш у природних умовах мають широкий спектр впровадження у промисловостi впродовж останнiх десятилiть.
Водночас розвиток промисловосп ставить умови створення нових матерiалiв з пiдвищеними експлуатацiйними характеристиками у комплекса При цьому важливе значения мають антикорозшш властивостi захисних КП, а також зносостшшсть готових виробiв. У даному контекстi ефективним е використання полiмерних КП на епоксиднш основi. Так1 матерiали вiдзначаються у комплекс полiпшеними теплофiзичними, фiзико-механiчними, адгезшними властивостями та незначними залишковими напруженнями. При цьому прогнозоване керування технолопчними прийомами введення iнгредiентiв рiзноl активносп, дисперсностi i природи за критичного вмюту на початковiй стадп формування композицш дозволить формувати захисш покриття з полшшеними антикорозшними властивостями i зносостiйкiстю.
Аналiз останшх дослiджень i публiкацiй Проведений аналiз публiкацiй у напрямку дослiджения властивостей епоксидних КМ вказуе на необхщшсть введення у зв'язувач пластифiкаторiв, модифiкаторiв та наповнювачiв для отримання епоксиполiмерiв з шдвищеними експлуатацiйними характеристиками. Доведено [1-3], що введення у зв'язувач модифiкаторiв та дисперсних часток, навиъ за незначно! кiлькостi, забезпечуе змiну швидкостi переб^у фiзико-хiмiчних процесiв при структуроутвореннi КМ. Причому важливе значення при регулюванш процесiв зшивання епоксидних КМ мае не лише хiмiчна i фiзична природа, але й вмiст та дисперсшсть часток. Як зазначено у пращ [4], для полшшення адгезшних властивостей у зв'язувач доцiльно вводити дрiбнодисперснi частки (8...30 мкм), у той час як для полшшення когезшно! мщносп композитiв необхiдно використовувати дисперсний наповнювач (63... 120 мкм). Враховуючи це, вважали за доцшьне проведення вiдповiдних дослiджень зi встановлення впливу природи як модифжатора, так i дисперсного наповнювача на антикорозшш властивосп i зносостiйкiсть епоксидних КМ.
Формулювання мети дослiдження Мета роботи - дослщити антикорозiйнi властивосп i зносостiйкiсть багатокомпонентних полiмерних покритпв для вiдновления деталей транспорту.
Викладення основного матерiалу дослiдження Матерiали та методика дослщження Як основний компонент для зв'язувача при формуванш епоксидних КМ вибрано епоксидний дiановий ол^омер марки ЕД-20 (ГОСТ 10587-84), який характеризуеться високою адгезiйною та
когезшною мщшстю, незначною усадкою i технолопчшстю при нанесенш на noBepxHi складного профiлю.
Як модифжатор використано параамiноазобензол (ПААБ). Зпдно з результатами попереднiх дослiджень модифжатор вводили у зв'язувач за вмюту 1,0 мас.ч. на 100 мас.ч. епоксидного олiгомеру ЕД-20 (тут i далi за текстом мас. ч. наводять на 100 мас.ч. епоксидного олтемеру ЕД-20). Молекулярна маса параамшоазобензолу - 197. Температура плавлення - 400 К.
Для зшивання епоксидних композицiй використано твердник полiетиленполiамiн ПЕПА (ТУ 605-241-202-78), що дозволяе затверджувати матерiали при к1мнатних температурах. ПЕПА е низькомолекулярною речовиною, яка складаеться з таких взаемозв'язаних компоненпв: [-CH2-CH2-NH-]n. Зшивали КМ, вводячи твердник у композицiю при стехюметричному спiввiдношеннi компонентiв за вмюгу (мас.ч.) - ЕД-20 : ПЕПА - 100 : 10.
Як нанодисперсний наповнювач для експериментальних дослщжень використано порошок, який е сумшшю нанодисперсних сполук (СНДС) i характеризуеться наступним складом, %: Si3N4 - 90, I203 -5; Al2O3 - 5. Зернистiсть часток становить d = 30...90 нм. Зпдно з результатами попередшх дослiджень модифжатор вводили у зв'язувач за вмюту 0,25 мас.ч. на 100 мас.ч. епоксидного олтемеру ЕД-20.
Як мжродисперсш наповнювачi для експериментальних дослiджень використано частки порошив Agocel S-2000 (АС) i Waltrop (ВТ). Це порошки вщповщно бiлого i жовтого кольору виробництва Нiмеччини. Використовують у виглядi наповнювачiв для КМ будiвельного призначення. Розмiр часток становить 8.. .12 мкм.
Додатково як наповнювач було використано частки залiзноl окалини (ЗО), що характеризуеться наступним складом, %: SiO2 - 0,803; Al2O3 - 0,36; Fe2O3 - 32,57; FeO - 64,85; MgO - 0,03; MnO - 0,44; CaO - 0,21; S - 0,031. Залiзна окалина е вiдходом виробництва металу на металургшних пiдприемствах. Зернистiсть часток становить d = 60.. .63 мкм.
Епоксидш композити формували за такою технолопею: пiдiгрiвання смоли до температури Т = 353 ± 2 К i витримка при данiй температурi впродовж часу т = 20 ± 0,1 хв; гiдродинамiчне сумщення олiгомерiв, модифiкатора i часток наповнювача впродовж часу т = 10 ± 0,1 хв; ультразвукова обробка (УЗО) композицп впродовж часу т = 1,5 ± 0,1 хв; охолодження композицп до шмнатно! температури впродовж часу т = 60 ± 5 хв; введения твердника i перемiшування композицп' впродовж часу т = 5 ± 0,1 хв. Затверджували КМ за режимом: формування зразк1в та !х витримування впродовж часу т = 12,0 ± 0,1 год за температури Т = 293 ± 2 К, на^вання зi швидк1стю и = 3 К/хв до температури Т = 393 ± 2 К, витримування впродовж часу т = 2,0 ± 0,05 год, повшьне охолодження до температури Т = 293 ± 2 К. З метою стабшзацп структурних процеСв у композитi зразки витримували впродовж часу т = 24 год на повг^ за температури Т = 293 ± 2 К з наступним проведенням експериментальних випробувань.
У робот дослщжували наступнi властивостi КМ: корозшну тривк1сть i гiдроабразивну зносостшшсть.
Корозiйну тривк1сть захисних покриттiв визначали шляхом занурення зразк1в у воду, бензин, ацетон, розчини натрш, Срчано! та азотно! кислот. Тривалiсть витримки зразк1в з розмiром 60х10х10 мм в агресивних середовищах становила 720 год за температури Т = 293 + 2 К. Зразки з масою 1,0...1,2 г перед дослщженнями i пiсля витримки в агресивних середовищах зважували на аналггичних вагах марки ВЛР-200 з точшстю до + 0,001 г.
При збшьшенш маси зразк1в розрахунок проникносл агресивних середовищ проводили за формулою:
х = — -100%,
а
а при зменшеннi маси зразк1в розрахунок проникносл агресивних середовищ проводили за формулою:
х = — -100%, а
де: %- корозiйна тривк1сть, %; а - маса зразк1в до випробовувань, г; b - маса зразюв пiсля випробування, г.
Вiдносну стшшсть КМ до дп гiдроабразиву визначали за методикою випробування матерiалiв i покриттiв на газоабразивне зношування з використанням вщцентрового прискорювача (ГОСТ 23201-78). Методика дозволяе моделювати реальнi процеси зношування деталей механiзмiв пiд дiею гiдроабразиву (рис. 1). Швидк1сть обертання ротора вiдцентрового прискорювача становила 3000 об/хв. Як пдроабразивну суспензiю використано сумш техшчно! води i абразивних часток кварцового пiску (5:1 за об'емом). Випробування зразк1в з розмiром 30 х 20 х 4 мм проводили при змш кута атаки пдроабразивно! сумiшi в межах вщ а = 30° до а = 90°. Для порiвняння отриманих результатiв експериментальних дослщжень як еталон використано зразки зi сталi Ст 3. Маса використаного при дослщженш кварцового пiску становить m = 9 ± 0,1 кг.
Вщносну штенсившсть зношування визначали за формулою:
I=т^к. юо%,
т0
де т0 - маса зразка на початку дослщження, кг; тк - маса зразка у шнш дослщження, кг. Коефiцieнт зносостiйкостi визначали за формулою:
К = ^,
3 I
де 1Е - вщносна штенсившсть зношування еталону (сталь Ст 3) %; I - вщносна штенсившсть зношування КМ, %.
Зважування зразк1в перед i шсля випробувань проводили на електронних вагах DRS-8000 «SШMADZU» з точнiстю 0,02 + 0,001 г.
Вiдхилення значень при дослщженнях показник1в пдроабразивно! зносостшкосп властивостей КМ становило 4.. .6 % вщ номiнального.
Рис. 1. Схема вщцентрового прискорювача: 1 - резервуар з абразивними частками; 2 - резервуар з техшчною водою;
3 - бункер для зм1шування абразивних часток з водою; 4 - ротор;
5 - зразок з покриттям; 6 - електродвигун; 7 - тахометр
Для протикорозшного захисту технолопчного устаткування, яке експлуатують у агресивних середовищах, дослiджували розробленi захисш покриття на 0CH0Bi модифiкованого епоксидного зв'язувача з трикомпонентним дисперсним наповнювачем, вмiст якого визначали попередньо [5, 6].
Випробовували п'ять складiв антикорозшних покриттiв:
- матриця (контрольний зразок) (матрицю формували за наступного сшввщношення компонентiв - епоксидний олiгомер ЕД-20 : твердник ПЕПА - 100 : 10);
- КМ 1 (композит формували за наступного сшввщношення компоненпв -зв'язувач : модифжатор параамшоазобензол (ПААБ) : нанопорошок, який е сумiшшю нанодисперсних сполук (СНДС) (з0...90 нм) : залiзна окалина (ЗО) (60...63 мкм) : Waltrop (ВТ) (8...12 мкм) - 100 : 1,0 : 0,25 : 70 : 10);
- КМ 2 (композит формували за наступного сшввщношення компоненпв -зв'язувач : модифшатор ПААБ : СНДС : ЗО : ВТ - 100 : 1,0 : 0,25 : 60 : 20);
- КМ 3 (композит формували за наступного сшввщношення компоненпв -зв'язувач : модифшатор ПААБ : СНДС : ЗО : Agocel S-2000 (АС) (8.12 мкм) - 100 : 1,0 : 0,25 : 60 : 30);
- КМ 4 (композит формували за наступного сшввщношення компоненпв -зв'язувач : модифшатор ПААБ : СНДС : ЗО : АС - 100 : 1,0 : 0,25 : 70 : 20).
Експериментально встановлено, що сорбшя води епоксикомпозитами суттево залежить вщ природи та когезшно! мщносп покритпв (рис. 2). Встановлено, що найбшьш водотривкими е композити, наповнеш залiзною окалиною i частками Waltrop, а композити, яш мютять частки залiзноl окалини i Agocel S-2000, вщзначаються значною сорбцiею води. Отримаш результати добре узгоджуються з результатами випробування когезiйних властивостей дослiджуваних покритпв - найбшьш висока водотрившсть спостертаеться у покриттях зi значною когезшною мiцнiстю i незначними показниками
залишкових напружень [1, 6]. Встановлено, що на початковш стадп дослiдження (до 150 дiб) спостерiгали iнтенсивне набухання усiх без винятку захисних покритгiв. Передбачали, що агресивне середовище проникае не лише у поверхневий шар покритпв, але й у 1х об'ем. У результат на данiй стади дослщження вiдносна маса захисних покритгiв становить % = 0,5.. .1,2 %. Доведено (рис. 2), що максимальними показниками проникносп (%= 1,8 %) впродовж визначеного промiжку дослiдження ^ = 150 даб) вiдзначаюгься зразки з епоксидно! матрицi. На наш погляд, отримаш результати зумовленi iнгенсивним проникненням молекул агресивного середовища не лише у об'ем полiмеру, але й до металево! основи. При цьому вщбуваеться замiщення зв'язк1в «полiмер-субстрат» на «середовище-субстрат» [3]. Вiдомо [2, 3], що адгезшш зв'язки в такому напруженому сганi з часом руйнуються, утворюючи мiкротрiщини, оск1льки, згiдно з розклинюючим ефектом Ребiндера, агресивне середовище, проникаючи в трiщину, зумовлюе И подальший розвиток. Порiвняно з дослщжуваними захисними покриттями вихiдна епоксидна матриця вiдзначаегься найменшими показниками адгезiйноl i когсзшно! мiцносгi, а також значними залишковими напруженнями. У резульгагi проникнення агресивного середовища у об'ем полiмеру на почагковiй стади вiдбуваегься його набухання, надалi згiдно з ефектом Ребiндера утворюються мiкротрiщини, а попм сiгка макротрiщин. Це, у свою чергу, призводить до штенсифжацп процесу набухання, що спосгерiгали в основному впродовж часу t = 50...100 дiб дослiдження.
X %
1,6
1,2
0,8
0,4
- ---[
---< » О
р О
. 1
1
3
0 50 100 150 200 250 t, доби
Рис. 2. Залежшсть сорбци води у природних умовах захисними покриттями вiд тривалосл витримки: 1 - матриця (контрольний зразок); 2 - КП 1; 3 - КП 2; 4 - КП 3; 5 - КП 4
Надалi аналiз результапв дослiдження дозволяе констатувати, що впродовж часу t = 150...300 дiб дослiдження вiдносна маса зразк1в (КП 1...КП 4) практично не змшюеться (значення знаходяться у межах похибки експерименту). Однак, слiд зазначити, що у даний промiжок дослiдження вщносна маса зразк1в з вихщно! епоксидно! матриц зростае вiд х= 1,8 до х= 1,9 %. Це сввдчить про продовження процесу проникнення агресивного середовища у полiмер, що зумовлюе подальше руйнування хiмiчних зв'язшв i, як наслiдок, вiдшарування покриття вiд основи.
Порiвняльний аналiз поведшки дослiджуваних композитiв (КП 1... КП 4) в умовах впливу агресивного середовища у природних умовах дозволяе констатувати, що швидшсть дифузп води у полiмеркомпозит визначаеться переважно дифузiею на меж1 под^ «полiмер - наповнювач». Попередньо доведено [5, 6], що матерiали КП 1 i КП 3 вщзначаються найкращими показниками адгезшно! i когезшно! мiцностi серед гами усiх дослщжуваних матерiалiв. Встановлено (рис. 2), найменшими показниками корозшно! тривкостi вiдзначаеться захисне покриття, модифжоване параамiноазобензолом (q = 1 мас.ч.) i наповнене частками сумiшi нанодисперсних сполук (30.90 нм) (q = 0,25 мас.ч.), залiзно! окалини (60.63 мкм) (q = 60 мас.ч.) i Waltrop (8.12 мкм) (q = 20 мас.ч.).
Проникшсть у природних умовах такого покриття впродовж часу t = 250.300 дiб дослщження становить х = 1,8 %, що у 3,8 разiв менше за аналогiчнi показники вихщно! епоксидно! матрицi. Це зумовлено пiдвищеними показниками когезшно! i адгезшно! мiцностi розробленого покриття до металево! основи, що е визначальним при формуваннi адгезивiв з полiпшеними антикорозiйними властивостями.
Цiкавим з науково! i практично! токи зору було проведення додаткових дослiджень корозшно! тривкостi розроблених матерiалiв у рiзних агресивних середовищах. Тому з метою тдтвердження наведених вище результатiв випробовували проникнiсть композитiв у наступних середовищах: бензин (А-95), ацетон, NaOH (50 %), мастило марки И-20 i H2SO4 (10 %). Результати експериментальних дослщжень показують високу хiмiчну стабiльнiсть матерiалiв на основi епоксидного зв'язувача в рiзних агресивних середовищах. Встановлено, що найбшьш агресивним середовищем до полiмерно! матрицi е розчин арчано! кислоти (табл. 1). Це пов'язано з тим, що значна деструкцш матриц в розчинi кислоти вiдбуваеться внаслiдок сорбцп полiмером компоненпв агресивного середовища, при цьому змiнюеться структура матрицi та руйнування фiзичних та хiмiчних зв'язк1в.
Встановлено (табл. 1), що введення в епоксидний зв'язувач дисперсних наповнювачiв сприяе тдвищенню хiмiчно! тривкостi. Це зумовлено зменшенням вiдносного вмiсту полiмеру в об'емi композиту та збiльшенням шляху проникнення молекул корозiйно-активних агентiв при дифузп до металево! основи внаслiдок бар'ерного ефекту, який створюють дисперснi частки наповнювача [7]. Отриманi результати дослщження матерiалiв у агресивних середовищах корелюють з аналогiчними результатами випробувань цих же композипв у природних умовах. Встановлено (табл. 1), що композит КП 1 вщзначаеться найкращими показниками хiмiчно! тривкостi серед усiх дослщжуваних матерiалiв. Доведено, що формування покриття на епоксиднш основi з частками залiзно! окалини i Waltrop за оптимального вмюту (вiдповiдно q = 70 мас.ч. i q = 10 мас.ч. на q = 100 мас.ч. смоли ЕД-20) тдвищуе стосовно вихiдно! епоксидно! матрицi показники хiмiчно! стiйкостi: у 2,9 разiв в бензинi (А-95); у 3,3 разiв в ацетонi; у 2,9 разiв в NaOH (50 %); у 2,9 разiв в мастилi марки И-20; у 2,0 разiв в H2SO4 (10 %). У першу чергу це зумовлено когезшною взаемодiею на меж1 подiлу фаз «полiмер - наповнювач», що суттево впливае на захиснi властивостi КП. Невисока ад^я дисперсних часток до полiмеру у об'емi покриття знижуе захиснi властивостi адгезиву внаслiдок розвитку сггки трiщин, що, у бшьшосп випадк1в, пов'язано з розклинюючою дiею агресивного середовища.
Композити, наповненi залiзною окалиною i додатково частками Agocel S-2000, мають невисоку хiмiчну стшшсть, особливо у мастилi марки И-20 i в розчинах NaOH та H2SO4. Це зумовлено адсорбцiею води та молекул активних реагенпв на поверхш гiдрофiльних оксидiв у виглядi гiдроксильних груп, як1 утримуються водневими зв'язками.
Таблиця 1
В1дносна змша маси (х %) композит1в шсля ix витримки у агресивних середовищах
(за температури Т = 293 ± 2 К, впродовж т = 720 год)
Вид покриття Агресивне середовище
Бензин (А-95) Ацетон NaOH (50 %) Мастило марки И-20 H2SO4 (10 %)
Матриця 5,2 5,0 5,3 6,3 8,4
КП 1 1,8 1,5 1,8 2,2 4,3
КП 2 2,4 2,8 2,6 3,2 5,5
КП 3 1,9 1,9 2,2 2,8 5,0
КП 4 2,7 2,8 2,9 3,6 6,1
На наступному етат дослщжували зносостiйкiсть пiд дieю пдроабразиву розроблених матерiалiв. Аналiз коефщенту зносостiйкостi дослiджуваних КМ при куп атаки гiдроабразивноi сумiшi а = 45° дозволяе стверджувати, що в уах, без винятку, зразках зносостшшсть е вiдносно високою. Експериментально встановлено, що найнижчими показниками коефiцiенту зносостшкосп серед усiх дослiджуваних композитiв вщзначаеться вихiдна епоксидна матриця (рис. 3). Показано, що при куп атаки пдроабразиву а = 45° коефщент зносостiйкостi матрицi становить Кз = 1,32. Авторами [7] доведено, що штенсившсть зношування залежить вiд переб^у двох процесiв руйнування: мiкрорiзання та пластичного деформування. При цьому домшуючий вплив кожного з процесiв залежить вщ когезiйноi мiцностi КМ. Методом оптично! мiкроскопii доведено, що для матрищ характерш два види руйнування поверхневого шару матерiалу: макрорiзання i пластичне деформування з подальшим видаленням матерiалу.
Додатково встановлено (рис. 3), що найвищими показниками стiйкостi до пдроабразивного спрацювання характеризуеться композит КП 3, для якого спостертали наступний показник
зносостшкосп - Кз = 1,75. Методом електронно! мжроскопп шдтверджено, що на noBepxHi такого композиту спостертали розгалуженi рельeфнi смуги, як1 виникли внаслiдок мiкрорiзання шд дieю гiдроабразиву. При цьому порiвняно з матрицею вони не так глибок1, а довжина !х е значно меншою. Покращення зносостiйкостi епоксикомпозипв можна пояснити !х полiпшеними когезшними властивостями порiвняно з епоксидною матрицею, що передбачае шдвищення коефiцiенту зносостшкосп.
Дещо гiршими показниками зносостiйкостi вщзначаються композити, наповненi частками залiзно! окалини i Waltrop (КП 1, КП 3). Доведено (рис. 3), що при куп атаки пдроабразиву а = 45° !х зносостiйкiсть шдвищуеться стосовно матрицi вiд Кз = 1,32 до Кз = 1,54.1,68. При цьому спостертали переб^ процеСв мiкрорiзання, що характерно для зношування жорстких гетерогенних КМ. Методом електронно! мжроскопп пiдтверджено, що на поверхш контакту виникають канавки, як1 мають орiентацiю у напрямку вектора швидкосп ковзання гiдроабразивного потоку. Можна констатувати, що при зношуванш таких зразшв домiнуючим е механiзм пластично! деформацп [7].
Кз
1,6
1,4
1,2
Рис. 3. Залежшсть коефщенту зносостшкост (КЗ) при кутi атаки пдроабразиву а = 45° ввд вмiсту та природи iнгредieнтiв у композитах: а) матриця (контрольний зразок); б) КП 1; в) КП 2; г) КП 3;
д) КП 4. Еталон - сталь Ст 3
Отже, за результатами дослщження встановлено, що найвищими показниками зносостшкосп вщзначаеться захисне покриття, модифжоване параамшоазобензолом (д = 1 мас.ч.) i наповнене частками сумiшi нанодисперсних сполук (30.90 нм) (д = 0,25 мас.ч.), залiзноi окалини (60.63 мкм) (д = 60 мас.ч.) i Agocel S-2000 (8.12 мкм) (д = 30 мас.ч.). Коефщент зносостiйкостi пiд дieю гiдроабразиву такого покриття становить Кз = 1,75, що у 1,3 разiв менше за аналопчш показники вихiдноi епоксидноi матрицi. Показано, що механiзм зношування матерiалiв зумовлений фiзико-механiчними процесами на поверхнi композитiв, визначальними з яких е процеси мiкрорiзання i пластичного деформування поверхневого шару.
Висновки
У роботi розробленi модифжоваш епоксиднi композитнi захиснi покриття з полшшеними антикорозiйними властивостями i зносостшкютю в умовах дп гiдроабразиву.
1. Встановлено, що найменшими показниками корозшно! тривкостi вiдзначаеться захисне покриття, модифжоване параамiноазобензолом (q = 1 мас.ч.) i наповнене частками сумiшi нанодисперсних сполук (30.90 нм) (q = 0,25 мас.ч.), залiзно! окалини (60.63 мкм) (q = 60 мас.ч.) i Waltrop (8.12 мкм) (q = 20 мас.ч.). Проникнiсть у природних умовах такого покриття впродовж часу t = 250.300 дiб дослiдження становить %= 1,8 %, що у 3,8 разiв менше за аналопчш показники вихщно! епоксидно! матрицi. Це зумовлено пiдвищеними показниками когезшно! i адгезiйно! мiцностi розробленого покриття до металево! основи, що е визначальним при формуванш адгезивiв з полiпшеними антикорозiйними властивостями.
2. Доведено, що формування покриття на епоксиднш основi з частками залiзно! окалини i Waltrop за оптимального вмюту (вiдповiдно q = 70 мас.ч. i q = 10 мас.ч. на q = 100 мас.ч. смоли ЕД-20) пiдвищуе стосовно вихщно! епоксидно! матрицi показники хiмiчно! стiйкостi: у 2,9 разiв в бензиш (А-95); у 3,3 разiв в ацетонi; у 2,9 разiв в NaOH (50 %); у 2,9 разiв в мастилi марки И-20; у 2,0 разiв в H2SO4 (10 %). Це зумовлено когезшною взаемодiею на меж1 подiлу фаз «полiмер - наповнювач», що суттево впливае на захисш властивостi адгезиву.
б
а
г
д
в
3. Обгрунтовано, що найвищими показниками зносостшкосп вiдзначаeться захисне покриття, модифiковане параамiноазобензолом (q = 1 мас.ч.) i наповнене частками cyMrni нанодисперсних сполук (30.90 нм) (q = 0,25 мас.ч.), залiзно! окалини (60.63 мкм) (q = 60 мас.ч.) i Agocel S-2000 (8.12 мкм) (q = 30 мас.ч.). Коефщент зноcоcтiйкоcтi пiд дieю гiдроабразивy такого покриття становить Кз = 1,75, що у 1,3 разiв бшьше за аналогiчнi показники вихщно! епоксидно! матрицi. Показано, що мехашзм зношування матерiалiв зумовлений фiзико-механiчними процесами на поверхнi композитiв, визначальними з яких е процеси мiкрорiзання i пластичного деформування поверхневого шару.
Список використанот лiтератури
1. Buketov A.V. Nanomodified dispersed particles- and synthetic fibers-filled epoxy composite materials for the metal-polymer tribosystems of transport vehicles / A.V. Buketov, D.O. Zinchenko, S.O. Smetankin // Nanomechanics Science and Technology: An International Journal. - 2017. - Vol. 8. - Р. 41-54.
2. 2. Стухляк П.Д. Структурные уровни разрушения эпоксидных композитных материалов при ударном нагружении / П.Д. Стухляк, А.В. Букетов, С.В. Панин, П.О. Марущак, К.М. Мороз, М.А. Полтаранин, Т. Вухерер, Л.А. Корниенко, Б.А. Люкшин // Физическая мезомеханика. -2014. - Т. 17. - № 2. - С. 65-83.
3. Buketov A. Enhancing performance characteristics of equipment of sea and river transport by using epoxy composites / A. Buketov, P. Maruschak, O. Sapronov, D. Zinchenko, V. Yatsyuk, S. Panin // Transport. - 2016. - Vol. 31(3). - P. 333-342.
4. Brailo M.V. Optimization of contents of two-component polydispersed filler by applying the mathematical design of experiment in forming composites for transport repairing / M.V. Brailo, A.V. Buketov, S.V. Yakushchenko, О.О. Sapronov, L. Dulebova // Весник КарГУ. - 2018. - № 1(89). - С. 93-104.
5. Ходаковський О.В. Дослщження впливу параамшоазобензолу на адгезшш властивосп епоксидно! матриц для захисних покритпв заcобiв транспорту / О.В. Ходаковський, М.Ю. Амелш, С О. Сметаншн, О.В. Ашмов, В.М. Яцюк // Вюник НТУ «ХП1». - 2016. - № 50 (1222). -С.42-46.
6. Амелш М.Ю. Вщновлення деталей транспорту полiмерними композитами з мжродисперсними частками, що е выходами виробництва / М.Ю.Амелш, О.О.Сапронов, О.В.Ходаковський, Н.М.Букетова // Нау^ нотатки. - Луцьк: ЛНТУ. - Випуск 60. - 2017. - С. 22-30.
7. Букетов А.В. Фiзико-хiмiчнi процеси при формуванш епоксикомпозитних матерiалiв / А.В.Букетов, П.Д.Стухляк, С.М.Кальба. - Тернопшь: Збруч, 2005.-182с.
