А.В. Бутин, М.А.Шипулин, Р.И. Ли

ФГОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет», г. Мичуринск, Россия

По данным ГОСНИТИ, применение полимерных материалов при ремонте машин снижает трудоемкость работ на 20…30%, себестоимость на 15…20%, а расход металлов при этом сокращается на 40…50%. Полимерные материалы эффективно компенсируют износ посадочных мест подшипников на валах и в корпусных деталях. При восстановлении неподвижных соединений подшипников качения акриловым адгезивом АН-105 полностью исключается фреттинг-коррозия сопрягаемых поверхностей соединения и многократно повышается ресурс подшипникового узла [1]. Одним из основных недостатков материала является относительно высокая цена (15 тыс. руб/кг) и жесткость материала.

Эластификация адгезива эластомером Ф-40 позволит повысить ударную прочность и долговечность, а также уменьшить цену, так как эластомер Ф-40 в 33,3 раза дешевле (450 руб/кг) адгезива АН-105. При разработке новой полимер-полимерной композиции (ППК) необходим комплексный подход. В настоящее время отсутствует метод неразру-шающего контроля качества неподвижных соединений подшипников качения, восстановленных ППК. Эксплуатация дефектных клеевых соединений приводит к преждевременным отказам, простоям техники и соответствующим финансовым потерям, дискредитации понятия эффективного применения адгезивов в узлах машин при их ремонте. В этой связи цель исследований заключалась в теоретическом и экспериментальном обосновании возможности эластификации жестких полимеров эластомерами, разработке теоретических предпосылок метода неразрушающего контроля неподвижных соединений подшипников, восстановленных ППК.

Деформационно-прочностные свойства ППК определяются свойствами и соотношением исходных компонентов, их взаимодействием на границе раздела фаз и свойствами межфазных слоев. Большинство ППК представляют собой комбинацию жесткой стеклообразной и эластичной фаз. При эластификации из-за смешения полимера и наполнителя образуется структура, в которой макромолекулы полимера матрицы оказываются окруженными и частично разделенными молекулами наполнителя. При этом возникает упорядоченное распределение макромолекул. Это ведет к понижению взаимодействия между макромолекулами и, как следствие, к повышению их кинетической гибкости. Кроме того, молекулы наполнителя являются более подвижными и быстрее обмениваются местами при тепловом движении, чем макромолекулы полимера. В результате повышения кинетической гибкости цепей и наличия в системе подвижного компонента облегчается возможность взаимной перегруппировки звеньев макромолекул под влиянием внешних нагрузок и, соответствено, увеличивается механическая податливость всей системы [2].

Установлено, что частицы эластичной фазы наполнителя действуют как концентраторы напряжений и инициируют образование микротрещин в стеклообразной матрице полимера. При отсутствии таких частиц образование микротрещин или сдвиговых полос происходит только в локальных участках, обусловленных концентрацией напряжений вблизи места разрушения. Присутствие частиц эластичной фазы наполнителя способствует развитию этих деформаций по всему объему напряженного материала, значительно увеличивая количество энергии, затрачиваемой на его разрушение.

Конкретный механизм введения наполнителя зависит от размера частиц наполнителя и от структуры матрицы, а также распределения напряжений в ней. Размер включений наполнителя влияет на прочность разрушения и изменяет механизм образования матрицы ППК. При меньшем размере включений наполнителя в полимере возникает более упорядоченная система композита. Доказано, что в случае отвержденных эпоксидных смол способность густосетчатых полимеров к проявлению предела текучести по механизму сдвига усиливается в присутствии эластичных частиц диаметром от 10 до 100 нм [3]. С увеличением размера частиц начинает доминировать образование микротрещин.

Прочность зависит от концентрации полимера в композите. Введение небольшого количества наполнителя приводит к повышению прочности, но при дальнейшем увеличении его количества прочность уменьшается. При этом также увеличивается плотность упаковки вторичной структурной матрицы, которая схожа со стеклообразной. В результате происходит образование микротрещин.

Перспективным на наш взгляд является использование в качестве наполнителя раствора эластомера. В отличие от дисперсных наполнителей снимается проблема агрегатирования дисперсных частиц, раствор более равномерно распределяется по объему жесткой полимерной матрицы. Введение в качестве наполнителя раствора эластомера, имеющего в отвержденном состоянии низкий модуль упругости и высокие деформационно-прочностные свойства, является перспективным техническим решением, которое требует всестороннего исследования.
Следует учесть тот фактор, являются ли совместимыми (т.е. взаимно растворимы) или несовместимы смешиваемые полимеры. Взаимная растворимость полимеров резко уменьшается с увеличением молекулярной массы и размером включений в полимер. Для установления взаимной растворимости полимеров сопоставляют значения их энергий когезии.

Для этой цели используют параметр растворимости

где Е – энергия когезии, V – удельный объем.

Примерами промышленных полимеров, которые обладают взаимной растворимостью являются: ПВХ и бутадиеннитрильный каучук (СКН-40), поливинилацетат и нитроцеллюлоза, ПВХ и полиметилметакрилат, полистирол и полифениленоксид, полистирол и поликапролактон, цисполибутадиен и бутадиен-стирольный каучук. Отсутствует взаимная растворимость в смесях кристаллических полимеров.
Смешение взаимно нерастворимых полимеров приводит к образованию гетеро-фазной системы, т.е. дисперсии одного полимера в матрице другого. Размер частиц дисперсной фазы в смесях полимеров в зависимости от условий смешения колеблется от 0,1 до 5…10 мкм (еще больший размер указывает на неэффективное смешение). Если смешение ведется при температуре выше температуры текучести, наименьший размер частиц достигается, когда вязкости смешиваемых полимеров близки.

Исследованы деформационно-прочностные свойства акрилового адгезива АН-105 и композиции на его основе с эластомером Ф-40.
Установлено, что клеевые соединения адгезива АН-105 при толщине клеевого шва 0,15 мм имеют прочность 12,6 МПа и деформацию – 14%. На рисунке 1 показаны зависимости прочности и деформации композиции АН-105 от концентрации эластифика-тора Ф-40.



1 – прочность; 2 – деформация

Рисунок 1 – Зависимости прочности и относительной деформации композиции АН-105 от концентрации эластификатора Ф-40:

Из рисунка видно, что оптимальной концентрацией является 12 масс. ч. эласти-фикатора Ф-40. Прочность клеевых соединений, выполненных композицией АН-105, составляет 17,1 МПа, что на 36% превышает прочность адгезива АН-105. Деформация составляет 26%, что на 86% превышает аналогичный показатель АН-105.

В ходе теоретических исследований разработаны теоретические предпосылки диэлектрического метода неразрушающего контроля неподвижных соединений подшипников, восстановленных ППК.

Зависимость между диэлектрической проницаемостью и плотностью не полярного диэлектрика описывается уравнением Клаузиусса-Мосотти [4]

Формулы см. в печатной версии журнала ВЕСТНИК МИЧГАУ

где Р - молекулярная поляризованность диэлектрика; Na - число Авогадро; СС -поляризуемость молекулы диэлектрика; ? - диэлектрическая проницаемость диэлектрика; Mс - молекулярная масса диэлектрика; ? - плотность диэлектрика.
Зависимость между диэлектрической проницаемостью и плотностью полярного диэлектрика описывается уравнением Клаузиусса-Мосотти-Дебая

Формулы см. в печатной версии журнала ВЕСТНИК МИЧГАУ

где СС 0 - деформационная поляризуемость, включающая в себя электронную, атомную поляризуемость, а также поляризуемость упругосвязанных диполей; СС д - ди-польная (ориентационная) поляризуемость.
Зависимость между теоретической прочностью ? и модулем упругости полимерного материала Е имеет вид [5]

Анаэробные герметики после отверждения образуют сшитый полимер. Зависимость между плотностью и модулем упругости для сшитых полимеров имеет вид

Формулы см. в печатной версии журнала ВЕСТНИК МИЧГАУ

где Епк, Еп, Енап – модули упругости полимерной композиции, полимера (матрицы) и наполнителя соответственно.
Анализ формул (7) и (8) показывает, что эти функции совершенно аналогичны, зависят от формы частиц наполнителя, его объемной доли, коэффициента Пуассона полимерной матрицы и отличаются лишь физическими величинами элементов композиции. В формуле (7) это диэлектрическая проницаемость полимерной композиции, полимера и наполнителя, а в формуле (8) – модуль упругости тех же элементов. Это позволяет сделать вывод о подобном характере формирования значений диэлектрической проницаемости и модуля упругости полимерной композиции с изменением формы частиц наполнителя, его объемной доли и коэффициента Пуассона полимерной матрицы. То есть имеет место корреляционная связь. Наличие корреляционной связи также подтверждается формулами (5) и (6), если в них подставить диэлектрическую проницаемость и модуль упругости полимерной композиции.

Выводы

Теоретически обосновано и экспериментально установлено существенное увеличение деформационно-прочностных свойств адгезива АН-105 при введении раствора эластомера Ф-40. Теоретическими исследованиями установлена корреляционная связь между оценочным параметром качества – диэлектрической проницаемостью и прочностью клеевого шва, выполненного наполненным клеем-диэлектриком. Выявлена возможность использования диэлектрического метода неразрушающего контроля применительно к клеевым металлическим соединениям, выполненным полимер-полимерными композициями.

Проведенные исследования подтверждают перспективность дальнейших исследований полимер-полимерной композиции АН-105 с целью разработки технологии восстановления.

Литература

1.    Щетинин, М. В. Восстановление неподвижных соединений подшипников качения сельскохозяйственной техники адгезивом Анатерм-105 [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / Щетинин М.В. – Мичуринск, 2008. – 146 с.
2.    Ричардсон, М. Промышленные полимерные композиционные материалы [текст]. – М.:Химия,1980. – 471 с., ил.
3.    Козлов, П.В. Физико-химические основы пластификации полимеров [текст]. – М.:Химия, 1982. – 223 с., ил.
4.    Ли, Р. И. Неразрушающий контроль качества неподвижных соединений подшипников качения сельскохозяйственной техники, восстановленных анаэробными герметиками [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / Ли Р. И. – М., 1990. – 220 с.
5.    Нарисава, И. Прочность полимерных материалов [Текст]: Пер. с япон. / Под ред. А А. Берлина. – М.: Химия, 1987 – 398 с.
6.    Наполнители для полимерных композиционных материалов [Текст]: Справочное пособие. Под ред. Каца Г. С. и Милевски Д. В. Пер. с англ. / Под ред. П. Г. Бабаевского – М.: Химия, 1981. – 736 с., ил.


Источник - ВЕСТНИК МИЧГАУ, научно-производственный журнал, 2010, № 1,  Печатная версия.