Якущенко Сергій Вікторович Закономірності формування модифікованих епокси-поліефірних композитів для підвищення зносостійкості деталей транспортних засобів

Краткое описание

Якущенко Сергій Вікторович, аспірант Херсонської державної
морської академії, тема дисертації: «Закономірності формування
модифікованих епокси-поліефірних композитів для підвищення
зносостійкості деталей транспортних засобів», (275 Транспортні
технології). Спеціалізована вчена рада ДФ 67.111.001 в Херсонській
державній морській академії

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ХЕРСОНСЬКА ДЕРЖАВНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ХЕРСОНСЬКА ДЕРЖАВНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ
Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису
ЯКУЩЕНКО СЕРГІЙ ВІКТОРОВИЧ
УДК 629.1
ДИСЕРТАЦІЯ
ЗАКОНОМІРНОСТІ ФОРМУВАННЯ МОДИФІКОВАНИХ ЕПОКСИ-
ПОЛІЕФІРНИХ КОМПОЗИТІВ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ
ЗНОСОСТІЙКОСТІ ДЕТАЛЕЙ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ
Спеціальність 275 Транспортні технології
Галузь знань 27 Транспорт
Подається на здобуття наукового ступеня доктора філософії
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей, результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело
С.В. Якущенко
Науковий керівник Браїло Микола Володимирович, к.т.н., доцент
Херсон - 2020

ЗМІСТ
ВСТУП 27
РОЗДІЛ 1 ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ ТА ПОСТАНОВКА ЗАВДАНЬ ДОСЛІДЖЕННЯ 35
1.1. Загальні відомості про полімерні епоксидні та поліефірні
композити 35
1.2. Використання полімерних композитних матеріалів для
виготовлення та ремонту вузлів тертя засобів транспорту 47
1.3. Основні напрямки підвищення експлуатаційних властивостей
деталей вузлів тертя, виготовлених на основі композитних матеріалів 57
РОЗДІЛ 2 МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ 63
2.1. Характеристика та властивості досліджуваних матеріалів 63
2.2. Методи досліджень 67
2.2.1. Дослідження адгезійної міцності 67
2.2.2. Дослідження залишкових напружень 68
2.2.3. Методи фізико-механічних досліджень 69
2.2.4. Випробування теплофізичних властивостей 70
2.2.5. Дослідження питомої площі поверхні наповнювачів 71
2.2.6. Метод дослідження впливу ультрафіолетового опромінення 71
2.2.7. Дослідження трибологічних властивостей 72
2.2.8. Методи вивчення структури і міжфазової взаємодії 73
2.3. Оптимізація складу епокси-поліефірних композитних матеріалів
методом математичного планування експерименту 74
РОЗДІЛ 3 ТЕХНОЛОГІЧНІ І ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ФОРМУВАННЯ ЕПОКСИ-ПОЛІЕФІРНИХ МАТЕРІАЛІВ ТРИБОЛОГІЧНОГО
ПРИЗНАЧЕННЯ 79
3.1. Оптимізація вмісту ініціатора у поліефірній матриці за її адгезійними та фізико-механічними властивостями 80
3.2. Створення двокомпонентної полімерної матриці з поліпшеними
адгезійними властивостями для відновлення деталей морського та річкового транспорту 85
3.3. Розроблення епокси-поліефірної матриці з поліпшеними фізико-
механічними властивостями для відновлення засобів морського та річкового транспорту 87
3.4. Розроблення епокси-поліефірного композиту з поліпшеними
теплофізичними властивостями для відновлення деталей морського і річкового транспорту 94
3.5. Розроблення епокси-поліефірної матриці з поліпшеними
адгезійними та фізико-механічними властивостями із застосуванням модифікатора метилендіфенілдіізоціанату 99
3.6. Дослідження теплофізичних властивостей епокси-поліефірних
композитів, модифікованих метилендіфенілдіізоціанатом 104
3.7. Висновки 110
РОЗДІЛ 4 ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ УЛЬТРАФІОЛЕТОВОГО ОПРОМІНЕННЯМ ТА ДИСПЕРСНИХ НАПОВНЮВАЧІВ РІЗНОЇ ПРИРОДИ НА ВЛАСТИВОСТІ ЕПОКСИ-ПОЛІЕФІРНИХ КОМПОЗИТНИХ МАТЕРІАЛІВ 114
4.1. Оптимізація технологічних регламентів обробки ультрафіолетовим
опроміненням композитних матеріалів 114
4.2. Дослідження морфології та активності поверхні дисперсних
добавок для формування полімеркомпозитних матеріалів 121
4.3. Дослідження впливу дисперсних та дрібнодисперсних наповнювачів на фізико-механічні властивості епокси-поліефірних композитних матеріалів оброблених ультрафіолетовим опроміненням ... 130
4.4. Дослідження впливу наповнювачів різної природи та дисперсності
на теплофізичні властивості епокси-поліефірних композитних матеріалів, оброблених ультрафіолетовим опроміненням 135
4.5. Застосування методу математичного планування експерименту для
встановлення оптимального вмісту двокомпонентного наповнювача у епокси-поліефірній матриці, обробленій ультрафіолетовим опроміненням 143
4.5.1. Оптимізація складу бідисперсного наповнювача в
двокомпонентній епокси-поліефірній матриці методами математичного планування 143
4.5.2. Оптимізація складу бідисперсного наповнювача в
двокомпонентній епокси-поліефірній матриці для формування функціонального композиту 152
4.6. Висновки 162
РОЗДІЛ 5 ТРИБОЛОГІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ЕПОКСИ-ПОЛІЕФІРНИХ КОМПОЗИТНИХ МАТЕРІАЛІВ ОПРОМІНЕНИХ УЛЬТРАФІОЛЕТОМ . 167
5.1. Дослідження трибологічних властивостей епокси-поліефірних
композитних матеріалів для використання у вузлах тертя засобів морського транспорту 167
5.2. Дослідження трибологічних властивостей двокомпонентного бідисперсного епокси-поліефірного композитного матеріалу для його
використання у вузлах тертя засобів морського транспорту 192
5.3. Дослідження ударної в’язкості епокси-поліефірних матеріалів для використання у агресивних середовищах на водному транспорті 211
5.4. Технологія формування та практичне впровадження епокси- поліефірних композитних матеріалів з підвищеними експлуатаційними
характеристиками 222
5.5. Висновки 228
ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ТА НАУКОВІ РЕЗУЛЬТАТИ 234
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 238

Список литературы

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ТА НАУКОВІ РЕЗУЛЬТАТИ
У дисертаційній роботі вирішена науково-технічна задача - створення нових модифікованих ультрафіолетовим опроміненням епокси-поліефірних композитних матеріалів і покриттів на їх основі з поліпшеними властивостями для збільшення ресурсу експлуатації технологічного устаткування, зокрема морського і річкового транспорту. Вирішення наукової задачі полягає у дослідженні і науково-обґрунтованому керуванні процесами структуро-утворення у результаті фізико-хімічного модифікування зв’язувача, а також у встановленні механізмів підвищення характеристик композитів, що дозволяє збільшити міжремонтний період експлуатації захисних покриттів без погіршення їх властивостей. У результаті виконання роботи отримано такі основні результати:
1. Експериментально доведено, що для формування покриттів з
поліпшеними когезійними властивостями у вигляді зв’язувача необхідно використовувати композицію наступного складу: епоксидний оліґомер марки ЕД-20 (100 мас.ч.), поліефірна смола марки ENYDYNE H 68372 TAE
(10 мас.ч.), твердник ПЕПА (10 мас.ч.), твердник Butanox-M50 (1,5 мас.ч.), модифікатор 4,4-MDI (0,25 мас.ч.). Така композитна матриця
характеризується наступними властивостями: модуль пружності при згинанні - Е = 3,4 ГПа, руйнівні напруження при згинанні - озг = 50,0 МПа, ударна в’язкість - W = 5,9 кДж/м2.
2. Доведено механізм фізико-хімічної взаємодії модифікатора метилендіфенілдіізоціанату на процеси структуроутворення епокси- поліефірних матеріалів, який полягає у взаємодії функціональних груп -NCO модифікатора з гідроксильними та третинними аміногрупами епоксидного зв’язувача, а також з карбоксильними групами поліефірної смоли. Це дозволяє за незначного вмісту модифікатора (0,25 мас.ч. на 100 мас.ч. епоксидної смоли) підвищити у комплексі фізико-механічні та теплофізичні властивості матеріалів. Показано, що для формування полімерного матеріалу з поліпшеними адгезійними властивостями слід використовувати матрицю наступного складу: епоксидний оліґомер марки ЕД-20 (100 мас.ч.), поліефірна смола марки ENYDYNE H 68372 TAE (80 мас.ч.), твердник ПЕПА (10 мас.ч.), твердник Butanox-M50 (1,5 мас.ч.), модифікатор 4,4-MDI (0,25 мас.ч.).
3. Досліджено активність та морфологію поверхні дисперсних наповнювачів і встановлено, що для слюди-мусковіт за розміру часток d = 20...40 мкм питома площа поверхні становить Sw1 = 0,89 м2/г, для h-BN, CuO та WS2 - Sw2 = 1,17 м2/г, Sw3 = 0,19 м2/г, Sw4 = 0,12 м2/г відповідно. Методом ІЧ-спектрального аналізу встановлено, що частки слюди, h-BN, CuO, WS2 характеризуються значною інтенсивністю смуг поглинання поверхнево- активних О-Н, С=О, С-Н, -СН2-, NH2 груп. Результати дослідження питомої площі поверхні та ІЧ-спектрального аналізу порошкоподібних матеріалів дозволяють стверджувати про ефективність використання даних порошків у вигляді антифрикційних наповнювачів для епокси-поліефірних композитів.
4. Проведено комплексні дослідження впливу ультрафіолетового опромінення хвиль різної довжини на властивості епокси-поліефірних композитів. Доведено ефективність попередньої обробки ультрафіолетовим опроміненням модифікованого епокси-поліефірного зв’язувача за тривалості опромінення т = 5 хв та довжини хвилі А = 365 нм. Встановлено підвищення показників фізико-механічних і теплофізичних властивостей матеріалів, а саме: руйнівні напруження при згинанні - від азг = 50,0 МПа (для модифікованої 4,4-MDI матриці) до азг = 57,0 МПа, модуль пружності при згинанні - від Е = 3,4 ГПа до Е = 3,7 ГПа, ударна в’язкість - від W = 5,9 кДж/м2 до W = 8,9 кДж/м2, теплостійкість - від Т = 348 К до Т = 354 К.
5. Оптимізовано склад двокомпонентного бідисперсного наповнювача у епокси-поліефірному зв’язувачі для формування композитних матеріалів з використанням ортогонального центрального композиційного планування експерименту. Обґрунтовано необхідність формування двох матеріалів з покращеними трибологічними властивостями з добавлянням дисперсних часток у розроблений зв’язувач: 1 -ий - введення як основного наповнювача слюди (20.30 мас.ч.) та додаткового - CuO (60 мас.ч.); 2-ий - введення як основного наповнювача слюди (20...30 мас.ч.) та додаткового - h-BN (40...60 мас.ч.). Введення у зв’язувач таких добавок у комплексі (за умови різної дисперсності) дозволить отримати додаткове поліпшення антифрикційних властивостей композитних матеріалів за рахунок взаємодії поверхневих груп часток з активними центрами епокси-поліефірного зв’язувача, що дозволить суттєво підвищити трибологічні характеристики композитів та покриттів на їх основі для деталей засобів транспорту.
6. Встановлено поліпшення трибологічних властивостей розробленого
епокси-поліефірного композитного матеріалу: епоксидний оліґомер марки ЕД-20 (100 мас.ч.), поліефірна смола марки ENYDYNE H 68372 TAE
(10 мас.ч.), твердник ПЕПА (10 мас.ч.), твердник Butanox-M50 (1,5 мас.ч.), модифікатор 4,4-MDI (0,25 мас.ч.), слюда (30 мас.ч.), CuO (60 мас.ч.). Доведено, що при випробуванні композиту в агресивних середовищах морської води та мастильного середовища порівняно з композитними матеріалами, які випробовували при сухому терті, коефіцієнт тертя знижується від f = 0,33.0,35 до f = 0,07.0,09 (морська вода) та f = 0,02.0,04 (мастильне середовище) відповідно. Обґрунтовано, що інтенсивність зношування такого матеріалу знижується від Im = 4,30.5,30 мг/км до Im = 0,10.0,15 мг/км (морська вода) та Im = 0,25.0,30 мг/км (мастильне середовище), а це характеризує стійкість розробленого композитного матеріалу до зношування за впливу агресивних середовищ.
7. Розроблено композит на основі модифікованої матриці із частками слюди у кількості 20.30 мас.ч. та гексагонального нітриду бору (h-BN) у кількості 40.60 мас.ч. для підвищення стійкості устаткування до ударних навантажень за впливу агресивних середовищ. Встановлено, що масляне середовище, морська вода, річкова вода, бензин та лужне середовище (NaOH (50%)) суттєво не впливають на здатність полімерного матеріалу чинити опір ударним навантаженням. Визначено, що розроблений матеріал характеризується зниженими показниками до адсорбції середовищ: відносна зміна маси композиту, який витримували на повітрі становить Am = 0,12 %, у масляному середовищі - Am = 0,09 %, у середовищі морської води - Am = 0,20 %, річкової води - Am = 0,23 %, бензину - Am = 0,11 %, у середовищі NaOH (50%) - Am = 0,07 %.
8. На основі експериментальних досліджень розроблено епокси- поліефірні матеріали трибологічного призначення для підвищення експлуатаційно-ремонтних характеристик технологічного устаткування засобів транспорту, а також технологічні умови їх формування. Дослідно- промислова технологія пройшла апробацію:
- на підприємстві ТОВ «Шипярд1930» (м. Херсон, Україна) для захисту та відновлення елементів допоміжного устаткування суден; розроблені зносостійкі матеріали на основі епокси-поліефірного зв’язувача забезпечили підвищення антифрикційних властивостей елементів допоміжного обладнання у 2,0...2,2 разів;
на підприємстві «Lakiemictwo Samochodowe» (м. Гнєзно, Польща), що дозволило отримати підвищення трибологічних характеристик деталей засобів транспорту у 2,0...2,5 разів.