Трибология эпоксиуретанового полимера

АННОТАЦИЯ

Исследованы триботехнические свойства эпоксидного и эпоксиуретанового полимера. Проведены сравнительные анализы показателей коэффициента трения скольжения образцов полимерных материалов. Изучена зависимость коэффициента трения скольжения эпоксиуретанового полимера от содержания в нем уретанового олигомера. Представлен синтез олигомера, содержащего уретановых групп. Расшифрован ИК-спектр эпоксиуретанового полимера.

ABSTRACT

The tribological properties of epoxy and epoxyurethane polymer are investigated. . Comparative analyzes of the coefficient of sliding friction coefficient of samples of polymeric materials were carried out. The dependence of the sliding friction coefficient of an epoxyurethane polymer on the content of urethane oligomer in it was studied. The synthesis of oligomer containing urethane groups is presented. The infrared spectrum of the epoxyurethane polymer is decoded.

Ключевые слова: Трибология, трибопласты, олигоуретаны, эпоксиуретаны, фрикционные и антифрикционные полимеры, коэффициент трения скольжения, свойства.

Keywords: Tribology, triboplasts, oligourethanes, epoxyurethanes, friction and antifriction polymers, coefficient of sliding friction, properties.

Одной из важных областей науки, которая изучает проблемы коррозии при трении, механизмы взаимодействия поверхностей и природу трения, следствие деструкции полимеров или смазочного материала при трении, называется трибологией [1]. Появление новых видов узлов трения, постоянно растущие требования к эксплуатационным характеристикам деталей механизмов обусловливают необходимость разработки новых материалов триботехнического назначения [2].

Несомненно, в современной механике полимерные материалы различного состава являются востребованными материалами для узлов, работающих в условиях трения без смазочного материала. Правильное использование полимерных материалов дает возможность увеличить ресурс деталей машин, улучшить их эксплуатационные и технико-экономические показатели [2, 3]. Приготовление деталей механизмов из полимерных материалов, отличается легкой исполнимостью, технологичностью, а также меньшей затратой труда и энергии. Применение полимерных материалов позволяет снизить стоимость детали и позволяет отказаться от дефицитных и, весьма часто, недостаточно эффективных сплавов цветных металлов [2, 4].

Все полимерные материалы триботехнического назначения разделяются на антифрикционные и фрикционные, в зависимости от их величины коэффициента трения. Большая потребность в трибопластах показывает, что создание антифрикционных и фрикционных полимеров с широкими спектрами заданных деформационно-прочностных и физико-механических свойств по-прежнему является немало важной задачей. Создание таких материалов возможно только при комплексном изучении физики и химии полимеров и процессов их трения и изнашивания [3, 5].

Целью данной работы является изучение триботехнических свойств эпоксидных и эпоксиуретановых полимерных материалов.

С целью получения эпоксидного и эпоксиуретанового полимера, выбрана эпоксидная смола марки ЭД-20 (ГОСТ 10587-84), отвердитель ПЭПА (ТУ 2413-646-11131395-2007) и олигоуретан ОУ-300, синтезированный на базе ташкентского химико-технологического института химической технологии.

Олигоуретан ОУ-300 синтезирован неизоцианатным способом. Способ исключает использования ди- или полиизоцианатов, которые по таксикометрическим показателям оцениваются высокотоксичными веществами. Работа с изоцианатами требует строгого инженерного контроля и средств индивидуальной защиты [6]. В качестве исходных веществ для получения олигомера, содержащего уретановых групп, используются этиленгликоль, карбамид, раствор гидроксида натрия с концентраций 0,5Н и формалин. Реакция проводится в четырехгорлой колбе, снабженной капельной воронкой, термометром, мешалкой и обратным холодильником.

В колбу всыпают 50 г карбамида, подключают нагрев и настраивают термореле на 70 ^оС. Как только карбамид начинает расплавляться включают механизм перемешивания и при перемешивании прокапывают 24 г этиленгликоля, не снижая температуру реакционной массы ниже 65 ^оС. После доливания этиленгликоля продолжают перемешивать в течение 10 минут. Далее на протяжении 80 минут поднимают температуру реакционной массы до 140 ⁰С. В это время приготавливают водный раствор карбамида и формальдегида. Для этого в конической колбу помещают 25 г карбамида, наливают 10 мл раствора гидроксида натрия с концентраций 0,5Н и 170 г раствора формальдегида с 30 % концентрации. Затем, когда температура реакционной массы достигнет 140 ⁰С, в капельную воронку наливают предварительно приготовленный водный раствор карбамида и формальдегида. Во время вливания раствора в колбу температура реакции снижается до 120 ⁰С. После доливания раствора реакцию продолжают при этой же температуре и перемешивают в течение 80 минут.  После завершения реакции отгоняют растворитель из реакционной массы. Получают олигоуретан с молекулярной массой 240-260.

Эпоксидный полимер получен горячим отверждением эпоксидной смолы полиэтиленполиамином [7]. Для получения эпоксиуретанового полимера эпоксидную смолу и уретановый олигомер интенсивно перемешивают до образования однородной массы и отверждают полиэтиленполиамином.

Таблица 1.

Состав эпоксидного и эпоксиуретанового полимера

ЭУ-10 – эпоксиуретановый полимер. Массовая доля ОУ-300 составляет 10% от обшей массы полимера; ЭУ-25 – эпоксиуретановый полимер. Массовая доля ОУ-300 составляет 25% от обшей массы полимера; ЭУ-40 – эпоксиуретановый полимер. Массовая доля ОУ-300 составляет 40% от обшей массы полимера; ЭУ-50 – эпоксиуретановый полимер. Массовая доля ОУ-300 составляет 50% от обшей массы полимера; ЭУ-60 – эпоксиуретановый полимер. Массовая доля ОУ-300 составляет 60% от обшей массы полимера.

Рисунок 1. ИК-спектр отвержденного эпоксиуретана

На рисунке 1 показан ИК-спектр отвержденного эпоксиуретана. ИК спектр содержит полосы поглощения валентных колебаний связей -СН₃ в области 2962,68-2870,08 см⁻¹ и деформационного колебания диметиловой группы дифенилолпропана в области 1454,33-1382,96 см⁻¹. Полосы поглощения в области 3319,49-3035,98см^-1 объясняют наличие –CO-NH- группы. ИК-спектр содержит полосу поглощения в области 1506,41см^-1, соответствующую -NH- группам и полосы поглощения в областях 879,54-827,46 см^-1, соответствующие валентным колебаниям С-N групп. Полоса поглощения 1737,86 см^-1 показывает наличие уретановой группы. Деформационные колебания пара замещенного ароматического кольца можно заметить на полосах поглощения в области 827,46-763,81 см^-1.

Результаты ИК спектроскопии показывают отсутствие непрореагировавших эпоксидных групп смолы ЭД-20. Это значит, что эпоксидные группы вступали в реакцию не только с аминогруппами отвердителя, но и с аминами олигоуретана ОУ-300, которые находятся по краям олигомера.

Для исследования триботехнических характеристик полимерных материалов пары трения металл – пластмасса считаются целесообразными. На такую пару трения можно смотреть, как набор жестких микровыступов металла внедряется в ровную поверхность полимерного тела, на том основании, что модуль упругости пластических масс в сотни раз меньше, чем у металла [8]. В таблице 1 приведены коэффициенты трения эпоксидного и эпоксиуретанового полимера при различных постоянных нагрузках.

Таблица 2.

 Коэффициенты трения эпоксидного и эпоксиуретанового полимера

На рисунке 2 показана диаграмма зависимости коэффициентов трения образцов полученных полимерных материалов от различных постоянных нагрузок. По диаграмме можно сравнить коэффициенты трения полученных эпоксиуретанов и эпоксидного полимера. Увеличение постоянной нагрузки приводит к повышению коэффициента трения у всех образцов. Все образцы эпоксиуретана показывают низкий коэффициент трения, чем эпоксидный полимер. С увеличением массовой доли ОУ-300 в полимере до 50% происходит заметное снижение коэффициента трения. Но дальнейшее увеличение концентрации ОУ-300 приводит к снижению триботехнических и деформационно-прочностных характеристик полимерного материала. Самый низкий коэффициент трения у образцов ЭУ-50 и ЭУ-40. Коэффициент трения ЭУ-60 при низких постоянных давлениях меньше, чем у остальных образцов, но с увеличением постоянного давления у образца происходит ухудшение физико-механических свойств.

Рисунок 2. Зависимость коэффициента трения скольжения μ_тр эпоксидного и эпоксиуретанового полимера от постоянной нагрузки P. 1 – эпоксидный полимер; 2 – ЭУ-10; 3 – ЭУ-25; 4 – ЭУ-40; 5 – ЭУ-50; 6 – ЭУ-60

Выводы

Исследования влияние олигоуретана ОУ-300 на коэффициент трения эпоксиуретанового полимерного материала показали, что с увеличением постоянной нагрузки коэффициент трения у образцов эпоксидного и эпоксиуретанового полимера увеличивается. Хорошие антифрикционные свойства показал образец эпоксиуретанового полимера ЭУ-50, содержащий 50% ОУ-300. Низкий коэффициент трения наблюдается и у эпоксиуретанового полимера ЭУ-60 с 60% массовой доли ОУ-300, но только при малых постоянных нагрузках. При высоких постоянных нагрузок у образца ЭУ-60 происходит ухудшение физико-механических и антифрикционных свойств.

Список литературы:
1. Мышкин, Н. К. Трибология. Принципы и приложения / Н.К. Мышкин, М.И. Петроковец. — Гомель ИММС НАНБ – 2002. – 304 с.
2. Михайлин Ю. А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. – СПб.: Научные основы и технологии, 2008. - 822 с.
3. Крыжановский, В. К. Износостойкие реактопласты / В.К. Крыжановский – Л.: Химия, 1984. – 120 с.
4. Бюллер, К. У. Тепло- и термостойкие полимеры. – М.: Химия. 1984. – 624 с.
5. Райт П., Камминг А. Полиуретановые эластомеры. Пер.с англ. Под ред. Д. х. н. Н.П. Апухтиной. Л., «Химия», 1973г. 304с.
6. Раппорт Л.Я. Полиуретановые эластомеры без применения диизоцианатов / Каучук и резина – 1981. - №1. – С. 25-28.
7. Лавров Н.А., Крыжановский В.К, Киёмов Ш.Н. Свойства наполненных эпоксидных полимеров. Пластические массы, 2019, №1-2, С. 37-39.
8. N.A. Lavrov, Sh.N. Kiyomov, V.K. Krizhanovskii. Tribotechnical properties of composite materials based on epoxy polimers / Polimer Science, Seried D, 2019, Vol. 12 No. 2, pp. 182-185.