CC BY
176
УДК 641.16
ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНЫХ СМОЛ (МАШИНОСТРОЕНИЕ)
Михальченков А.М., д. т. н., Лушкина С.А., к. б. н.
Московский государственный университет путей сообщения - Брянский филиал МИИТ
Михальченкова М.А., соискатель Брянский институт управления и бизнеса
Лавров В.И., инженер ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет»
Аннотация. Проанализирован ряд составов композитов на основе эпоксидной смолы и показано влияние некоторых наполнителей и модификаторов на их свойства.
Ключевые слова: эпоксидные композиты, машиностроение, наполнители, модификаторы, свойства, применение.
Как известно, композиты с матрицей из эпоксидных смол (ЭС) обладают высокой функциональностью. В этом плане не являются исключением и материалы с дисперсными наполнителями.
В современном машиностроении, в основном, применяют функциональные покрытия, которые снижают коэффициент трения и износ при эксплуатации без смазки, повышают устойчивость к абразивному воздействию среды, защищают от влияния атмосферных факторов. Каждое из перечисленных свойств формируется под воздействием определенного количества факторов.
Эпоксидная композиция, разработанная в [1] содержит (мас.ч.): эпоксидную диановую смолу - 100, полиэтиленполиамин - 15-20, дибутилфталат - 8-12, измельченный графит с дисперсностью (0,3-0,5)-10-6 м - 20-25, кристаллический йод - 0,5-1,0 мас.ч., порошок железа с дисперсностью (5-10)-10-6 м 200-250, обладает повышенными износостойкостью и ударной вязкостью при возрастании температуры эксплуатации. Принятое количество порошка железа с дисперсностью (5-10)-10-6 м обусловлено необходимостью увеличения теплопроводности и ударной прочности композиции. Добавление в эпоксидную композицию кристаллического йода повышает температурную устойчивость графита, являющегося твердой смазкой, так как с повышением температуры активность йода возрастает и образующиеся на его основе соединения приобретают свойства твердой смазки. Это позволяет использовать данную
Abstract. Analyzed a number of formulations of composites based on epoxy resin and shows the effect of some fillers and modifiers on their properties.
Keywords: epoxy composites, mechanical, fillers, modifiers, properties, application.
К ним следует отнести использование наполнителей, модификаторов, отвердителей и других добавок, определяющих те или иные свойства, необходимые при использовании деталей.
В области разработки композитов на основе ЭС с использованием дисперсных наполнителей накоплен достаточно большой опыт, однако обобщающих работ по анализу влияния компонентов на свойства создаваемых композитов недостаточно и они не отличаются разработанностью.
Авторы на основании критического рассмотрения наиболее применяемых композитов сделали попытку устранить этот недостаток.
снижающей вероятность распространения трещин. Типичной конструкцией подобного типа являются карданные передачи.
Композиция [3] включает следующие компоненты при их соотношении в мас.%: 38,650,6 эпоксидной диановой смолы ЭД-20, 41,043,7 отвердителя изо-метилтетрагидрофталевого ангидрида, 0,4-0,7 2,4,6-трис-(диметиламинометил) фенола, 5,020,0 полиуретанового модификатора. В качестве полиуретанового модификатора композиция содержит эпоксиуретановую смолу с уретановым каучуком, что повышает прочностные характеристики при растяжении и стойкость к абразивному износу. Материал используются в качестве связующего для стеклопластиков и литьевых композитов с повышенными деформационно-прочностными характеристиками при растяжении и стойкостью к абразивному износу. В результате
композицию в узлах трения (втулки подшипников скольжения, направляющие металлорежущих станков и приборов) и в 1,5-2 раза повысить ее ударную прочность с одновременным обеспечением высокой износостойкости при нагреве до температуры 80°С.
Композиционный материал на основе сшивающихся смол, предназначен для нанесения покрытий на детали машин, механизмов и конструкций с целью предотвращения абразивного изнашивания и коррозионного воздействия окружающей среды [2]. Он включает следующие компоненты в мас.%: 40-45 функциональных добавок, 28,1443,5 термопластичного модификатора, 1-2 отвердителя, эпоксидную смолу Э-41, Э-41р -остальное. Композиция повышает адгезионную прочность и стойкость покрытий к абразивному изнашиванию, при воздействии
знакопеременных и ударных нагрузок. В качестве термопластичного полимера применяли смолу полихлорвиниловую ПХС-ЛС. Функциональные добавки -двуокись титана Р-02, окись хрома, углерод К-354, пудру алюминиевую ПАП-2, наполнитель: микротальк, соль металла, стронций хромовокислый. Наполнитель выбирают, исходя из требований по твердости. Состав по стойкости: к абразивному изнашиванию превосходит известные в 9-10 раз, к знакопеременным нагрузкам в 5-9 раз, к ударным нагрузкам на 10-20%. При наличии в эпоксидной матрице, эластичного
термопластичного компонента снижается уровень остаточных напряжений,
увеличивается адгезионная прочность, износостойкость и ударная прочность материала. При введении в состав дисперсных частиц термопластичного полимера
формируется структура, в которой частицы модификатора выполняют одновременно функцию противоизносной добавки, и компоненты,
Низкая износостойкость эпоксидной композиции [6], содержащей (в мас. ч.) ЭС марки ЭД-5 - 100, полиэтиленполиамин - 10, дибутилфталат - 10, железный порошок - 200, не позволяет широко использовать ее для изготовления, например, втулок для подшипников скольжения, штампов,
направляющих и других деталей.
Дисперсная эпоксидная композиция [7] (ЭС - 100, полиэтиленполиамин - 15-20, дибутилфталат - 8-12, порошок железа - 150-200 с дисперсностью (5-10)-10-6 м, графит - 20-25 с дисперсностью (0,3-0,5)-10~6 м) хотя и имеет в
реализации предлагаемого изобретения удается получить эпоксидную композицию, имеющую предел прочности при растяжении 69-78 МПа, деформацию при растяжении 7-8,6%, истираемость 710-1080 см 3/кВт-ч, что обеспечивает увеличение срока их эксплуатации и повышение стойкости к циклическому нагружению и гидравлическому давлению.
Авторами [4] разработан состав и способ применяемый для заполнения межэлементного пространства между элементами конструкций, для работы в жесткой абразивной среде (дробилки, элеваторы мельниц). Наполнитель выбирают из промытого кварцевого песка, электрокорунда, карбида бора или доломита. Образованный компаунд обладает стабильными физико-механическими характеристиками.
Состав композита (масс част. %): пластификатор, растворитель, наполнитель (кварцевый песок или другие твердые вещества), отвердитель количество которых составляет 8-12%, 25-35%, 75-125%, 15-30% от массы эпоксидной смолы соответственно. Он используется для покрытия деталей, которые подвергаются интенсивному абразивному износу минеральными частицами при перемещении высокоминерализованных сред в ограниченном пространстве.
Применение в качестве наполнителя промытого кварцевого песка обеспечивает высокие и стабильные физико-механические характеристики компаунда по абразивной стойкости. Эпоксидная композиция [5] содержащая (в мас. ч.) эпоксидную диановую смолу -100, полиэтиленполиамин - 21-42 и пятипроцентный раствор диацетата целлюлозы в фурфуриловом спирте - 1-25 хотя и обладает определенной стойкостью к абразивному изнашиванию однако низкие теплопроводность и ударная вязкость, а так же высокое значение коэффициента трения не позволяет допустить ее к широкому использованию.
После холодной сушки композиция на основе органического связующего [12], например, эпоксидного, содержащая минеральный наполнитель (40-80%) оксида алюминия с размером частиц 10-40 мкм) обладает высокой твердостью и износостойкостью, однако жесткость и наличие высоких внутренних напряжений способствуют разрушению и отслаиванию покрытий. Разновидностью такой композиции, является состав [13], который содержит эпоксидный олигомер - 100,0 мас.ч., отвердитель агидол (АФ-2) - 20,0 мас.ч., флотореагентоксоль - 23,0 мас.ч., диоксид титана - 8,0 мас.ч., этилцеллозольв - 4 мас.ч. После отвержения
своем составе износостойкие компоненты при повышении температуры эксплуатации имеет место снижение ударной вязкости и износостойкости, что не позволяет использовать этот материал в узлах трения.
Состав (мас. ч.) на основе эпоксидного олигомера (Э-41) в количестве 10-15, содержащий 6,5-6,9 термопластичного полимера - полихлорвиниловой смолы в качестве модификатора, 0,4-1,0 отвердителя и 15-19,8 функциональных добавок [8] обеспечивает высокие свойства по сопротивлению к химическим воздействиям, однако по механическим свойствам не может быть рекомендована к применению для нанесения покрытия на деталях эксплуатирующихся в сложных условиях.
Известна диановая эпоксидная композиция, модифицированная продуктом взаимодействия алифатической эпоксидной смолы ДЭГ-1 с моноизоцианатом [9]. Недостатком композиции является то, что введение в нее модификатора приводит только к улучшению реологических характеристик, но физико-механические свойства отвержденной композиции не улучшаются.
Модифицированные низкомолекулярные алифатические эпоксидные смолы Эпурол, содержащие преимущественно тетраэпоксиды
[10] и отвержденные аминами, характеризуются высоким разрушающим напряжением при растяжении, но имеют низкие относительные удлинения при разрыве. Сведения об их устойчивости к истиранию отсутствуют.
Материал из эпоксидиановой смолы, отвердителя (изо-метилтетрагидрофталевы ангидрид), ускоритель (фенол) и полиуретановый пластификатор "Пластур РК0Ф-0203", представляющий собой раствор термопластичного полиуретана на основе полиэфира и диизоцианата в диоктилфталате
[11] используются для изготовления стеклопластиковых труб и имеют повышенное относительное удлинение при разрыве (6%). Однако предел прочности композиции после введения пластификатора снизился до 54-70 МПа, что ограничивает сферу использования стеклопластиковых труб. Информация о стойкости к изнашиванию отсутствует.
Список литературы
1. Патент РФ № 2424258, 20.07.2011.
2. Патент РФ № 2268276, 20.01.2006.
3. Патент РФ № 2345106, 27.01.2009.
4. Патент РФ № 2461598, 20.09.2012.
5. Патент РФ № 1609799, 20.08.2000.
6. Миненков В.В., Стасенко И.В. «Прочность деталей из пластмасс», М.: Машиностроение,
образуется жесткое покрытие с большими внутренними напряжениями и имеющее низкую износостойкость.
Анализируя состав композитов можно выявить какие свойства определяются некоторыми наполнителями и
модификаторами.
Порошок железа увеличивает
теплопроводность и ударную прочность композиции. Кристаллический йод в соединении с графитом при температурном воздействии обеспечивает эффект твердой смазки, улучшая триботехнические показатели вещества. Термопластичный модификатор АХС-ЛС (полихлорвиниловая смола) обеспечивает снижение остаточных напряжений, увеличение прочности, износостойкости и ударной вязкости, снижается вероятность распространения трещин. Эпоксиуретановая смола с уретановым каучуком повышает прочность и стойкость к абразивному изнашиванию при циклических нагружениях. Наполнители в виде диоксидов кремния и титана; бориды оказывают положительное влияние на прочность иабразивостойкость. Добавление графита в смеси с железным порошком приводят к росту износостойкости,что позволяет использовать полученные композиты в узлах трения. Оксид А1 обеспечивает высокую твёрдость и износостойкость, однако высокая склонность к разрушению, ограничивает применение такого наполнителя.
В результате проведенного анализа можно сделать следующие выводы:
- регулирование свойств композитов на основе ЭС, возможно путем введения в них специальных наполнителей, модификаторов и отвердителей;
- наиболее существенную роль в предании композитам механических заданных свойств играет наполнитель;
- свойства дисперсно-упрочненного композита во многом определяются природой и дисперсностью наполнителя;
- для создания абразиво-стойкой композиции в большинстве случаев в качестве наполнителя используются диоксид кремния.
9. Бляхман Е.М.. Эпоксидные смолы на основе многоатомных спиртов и их производных. - Л.: ЛДНТП, 1965
10. Авторское свидетельство 789546 СССР, БИ 1980, №47.
11. Патент РФ № 2160752, 20.12.2000.
12. Патент 2556735, Франция.
13. Авторское свидетельство 1804468 СССР, БИ 1991, №11.
1977.
7. Патент РФ № 2156658, 27.09.2000
8. Патент РФ № 2233299, 27.07.2004
