Полімерні композиційні матеріали з підвищеною зносо- та абразивостійкістю на основі блок-кополіуретанів

Abstract

Розроблено науково обґрунтований підхід щодо створення нових композиційних матеріалів на основі блок-кополіуретанів (БПУ) триботехнічного призначення з заданим рівнем властивостей завдяки регулюванню параметрів структурної організації матеріалу. Методом перколяційного аналізу оцінено імовірність геометричних фазових переходів в залежності від вмісту жорсткої фази, визначено умови порогу перколяції для вивчених БПУ. Встановлено характерні точки вмісту жорстких блоків Рс1 і Рс2, які відповідають умовам геометричних фазових переходів, виявлено умови утворення геометричної фазової морфології з оптимальними параметрами (Рс1 ≤ Рс ≤ Рс2). Вивчено характер залежностей деформаційно-міцнісних, реологічних та триботехнічних властивостей полімерних композицій від співвідношення компонентів у суміші блок-кополіуретанів та у суміші БПУ з поліетиленом та полістиролом. Розроблено композити на основі БПУ з оптимальною фазовою морфологією: створені матеріали мають в 3-10 разів вищий рівень зносостійкості, в 2-3 рази менший коефіцієнт тертя, підвищену теплопровідність, знижену чутливість до напружень при деформації зсуву і розширений температурний інтервал переробки. Практичні розробки впроваджено в промислове виробництво. Разработан научно обоснованный подход к созданию новых композиционных материалов на основе блок-полиуретанов (БПУ) триботехнического назначения с заданным уровнем свойств путем регулирования параметров структурной организации материала. Методом перколяционного анализа проведена оценка вероятности геометрических фазовых переходов в зависимости от содержания жесткой фазы, определены условия порога перколяции для изученных БПУ. Установлены характерные точки содержания жестких блоков Рс1 и Рс2, которые отвечают условиям геометрических фазових переходов, выявлены условия образования геометрической фазовой морфологи с оптимальними параметрами (Рс1 ≤ Рс ≤ Рс2). Изучено физико-механические, реологические, триботехнические свойства полимерных смесей: полиуретановых блок-сополимеров с оптимальным содержанием жестких блоков на основе сложных олигогликолей; смесей БПУ на основе простого олигогликоля и смесей БПУ на основе простого и сложного олигогликолей в широком диапазоне концентраций. Установлен существенный рост уровня деформационно-прочностных показателей смеси при сохранении реологических и триботехнических свойств на удовлетворительном уровне. Исследованы механические, деформационные, триботехнические свойства смесей БПУ с полиэтиленами низкой и высокой плотности, а также сополимерами стирола. Установлено, что уровень свойств смесей блок-полиуретанов с полиэтиленом и полистиролом характеризуется повышением условной прочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве с сохранением величины интенсивности изнашивания на удовлетворительном уровне. Для смесей БПУ с полиэтиленом и полистиролом установлено корреляцию между деформационными и триботехническими характеристиками. Максимальная износостойкость реализуется при повышении эластичности. Показано, что наполнение БПУ с оптимальной фазовой морфологией тонкодисперсным графитом, салицилатом меди, кубовыми остатками производства высших алифатических аминов, фторопластами марок Ф-4 и Ф-4НТД, полиэлектролитным комплексом на основе полиакрилата натрия и поливинилбензилтриметиламмонийхлорида, гранулированным мелкодис-персным металлическим порошком позволяет в 3–5 раз повысить износостойкость композиций в условиях трения без смазывания, снизить в 2–3 раза коэффициент трения, в 2 раза повысить коэффициент теплопроводности, уменьшить чувствительность к напряжениям при сдвиговых деформациях, а также расширить интервал температуры переработки. Установлены технологические параметры литья под давлением БПУ с оптимальной фазовой морфологией и разработанных на их основе композиционных материалов. Рекомендованные параметры позволили в реальных условиях продуктивно влиять на технологический процесс литья под давлением и получать качественные изделия из разработанных композитов. Рассмотрены способы моделирования напряженно-деформированного состояния вязко-упругих материалов на основе БПУ. Представлено методики аппроксимации экспериментальных данных и приведены примеры дальнейшего их использования при расчетах напряженно-деформированного состояния элементов машин. Получена математическая модель для расчетов температурных полей и напряжений с учетом вязко-упругих свойств материала. Промышленные испытания и внедрение деталей из разработанных композиционных материалов в узлах трения машин и механизмов в качестве направляючих скольжения, опор роликов, герметизаторов, элементов передаточних устройств подтвердили их высокую эффективность по сравнению с имеющимися аналогами. Экономический эффект получено за счет увеличения долговечности работы узлов трения, сокращения затрат на ремонтные и профилактические работы. A scientifically substantiated approach for obtaining new tribological composite materials based on block-polyurethanes (BPU) has been developed. The approach allows producing materials with preset properties through variations in their structural organisation. An analysis of geometrical phase transition probability depending on hard phase content is carried out through percolation prediction method. Conditions of percolation threshold for studied BPU are found. Characteristic points of hard blocks content Рс1 and Рс2, that correspond to conditions of geometrical phase transitions are found, conditions of geometrical phase morphology formation with optimal parameters (Рс1 ≤ Рс ≤ Рс2) are revealed. The dependence character of deformation-strength, rheological and tribological characteristics of polymer compositions on component correlation in block-polyurethane blends as well as BPU with polyethylene blend has been studied. Composites based on BPU with an optimal phase morphology have been found. The developed materials have 3-10 times increase of endurance, 2-3 times reduction of the coefficient of friction, an increase in thermal conductivity, reduction of their sensitivity to shear stress and processing temperature range. Practical results are implemented in industry.