您的当前位置：首页正文

_NCO含量对聚氨酯_陶瓷复合材料冲蚀磨损性能的影响

来源：抵帆知识网

2006年6月

第6期(总第178期)

润滑与密封

LUBRICATIONENGINEERING

June2006

No16(serialNo1178)

—NCO含量对聚氨酯/陶瓷复合材料冲蚀磨损性能的影响

李茂华　栾道成　张光业

(11湖南科技大学机电工程学院　湖南湘潭411201;21西华大学材料科学与工程学院　四川成都610039)

摘要:用聚四氢呋喃醚二醇(PTMG)与甲苯二异氰酸酯(TDI)反应,再与陶瓷粉末进行共混,制得耐磨蚀聚氨酯复合材料。用相对抗冲蚀磨损性法评价了聚氨酯陶瓷复合材料的耐磨性,通过扫描电镜观察了聚氨酯复合材料的磨损形貌,尝试解释了陶瓷颗粒增强聚氨酯弹性体的抗冲蚀磨损机制。试验表明:当—NCO含量为6135%、Si3N4粉末质量分数为10%时,耐磨性能最好,可提高纯聚氨酯弹性体抗冲蚀磨损性能近2倍。

关键词:聚氨酯;陶瓷粉末;复合材料;冲蚀磨损

中图分类号:TH11711;TQ174　文献标识码:A　文章编号:0254-0150(2006)6-053-3

EffectofDifferent—NCOContentontheErosiveWearResistanceofPolyurethaneCompositeLiMaohua　LuanDaocheng　ZhangGuangye

(1.SchoolofElectromechanicalEngineering,HunanUniversityofScienceandEngineering,XiangtanHunan411201,China;

2.DepartmentofMaterialScienceandEngineering,XihuaUniversity,ChengduSichuan610039,China)

Abstract:Polyurethaneceramiccompositematerialsweresynthesizedfrompolytetrahydrofuran,toluenediisocyanate

andceramicpowders.Erosionwearresistanceofpolyurethaneceramiccompositematerialswasvaluedwithrelativeerosionwearresistance.Thewearmechanismsofcompositeswerediscussedthroughexaminingandanalyzingthewornsurfaceswithascanningelectronmicroscope.ResultsshowthatcompositecanbestrengthenedwhenSi3N4ceramicpowdersweightcontentis10%,—NCOcontentis6135%,erosionwearresistanceofwhichisalmost2timesofpolyurethane(—NCOcon2tentis6135%).

Keywords:polyurethane;ceramicpowder;compositematerials;erosionwear

　聚氨酯弹性体是一种介于橡胶与塑料之间的新型合成材料,在所有合成材料中具有杰出的耐磨性能,但由于它分子结构中含有—NCO,—OH和脲等大量的强极性基因,使得它的表面能相对较大,摩擦因数偏高,摩擦时产生大量的内生热,因此,在一些要求

[1-2]

减摩耐磨领域中的应用受到限制。

以无机准球形非氧化陶瓷超细颗粒为填料与有机弹性体基体构成聚氨酯复合材料,可以显著增强聚氨酯弹性体的耐磨性。本研究作者用无机填料改性聚氨酯弹性体,通过超声波和高速搅拌来解决陶瓷颗粒在基体中的均匀分散问题,研究了—NCO含量对聚氨

3基金项目:国家自然科学基金重大项目(59895152);863高技术项目(863-715-005-0030);四川省应用基础研究资助项目(042287);四川省特种材料及制备技术重点实验室开发基金项目(Z01141);湖南科技大学硕士资金资助项目(E50442)1

收稿日期:2005-09-12

作者简介:李茂华(1976—),女,硕士,助教,主要从事新材料及摩擦学研究1E2mail:lmhwx@1631com1

酯/陶瓷复合材料冲蚀磨损性能的影响;通过扫描电

镜观察聚氨酯陶瓷复合材料的磨损形貌,并对其磨损机制进行探讨。1　实验部分111　原材料

甲苯22,42二异氰酸酯(TDI)为工业纯(上海试剂一厂);聚四氢呋喃醚二醇-1000(PTMG)为工业纯(国产);3,32二氯24,42二苯基甲烷二胺(MOCA)为工业纯(南京);γ2氨基丙基三乙氧基硅烷(KH2550)为工业纯(南京);丙酮为分析纯(上海化学试剂总厂);氮气为精氮(成都);碳化钛粉末、氮化硅粉末(国产):<≤10μm。112　聚氨酯/陶瓷复合材料的制备方法

将经过表面改性的陶瓷粉末加入聚四氢呋喃醚二醇-1000(PTMG)中,用超声波处理1h。然后,在搅拌(3000r/min)状态下,升温至80℃,将上述混合物真空脱水2h。再在氮气保护下加入甲苯22,42二异氰酸酯(TDI),温度控制在80℃,在搅拌状态下,真空脱水反应2h。最后,加入适量的固化剂(MOCA),混合均匀,真空脱泡后浇入涂有脱模剂的

54润滑与密封总第178期

模具中,室温硫化,固化完全后,冷却脱模。试样尺寸符合GB2T1040292标准要求。磨损性能试样尺寸50mm×35mm×9mm。113　聚氨酯复合材料性能测试

用台钻改装的MSH型冲蚀磨损试验机(如图1所示)进行冲蚀磨损试验。磨蚀面为浇注底面,冲蚀磨损线速度为317m/s,浆体体积分数为20%(5L清水加

图1　冲蚀磨损试验示意图

入1125L的石英砂)。

pH=7,石英砂粒度为0105～0118mm,每组试样更换一次浆体,每次冲蚀试验时间为48h。试验结果为4个试样平均值。用失重法评价复合材料相对抗磨蚀性。相对抗磨蚀性ε=(对比试样磨蚀量Δw/对比试

)/(试样磨蚀量Δw/试样密度ρ)。对比试样密度ρ

样为纯聚氨酯弹性体(其中—NCO含量为6135%)。

利用S2530型扫描电镜观察冲蚀后的试样表面的磨蚀形貌。2　结果与讨论211　不同—NCO含量对纯聚氨酯弹性体磨损性能的影响

当聚醚多元醇相同时,预聚体—NCO的含量不同,所得弹性体的硬度和伸长率有明显的差别,但认为拉伸强度变化不大。这是由于—NCO含量不同时,其所得弹　图2　—NCO含量对纯

聚氨酯弹性体磨性体分子结构中软硬段结构

损性能的影响含量也不同,NCO/OH值越

大,聚氨酯弹性体中刚性链段越多,从而导致硬度等性能的增加。但是聚氨酯弹性体的硬度并不是影响其耐磨蚀性的唯一因素,当硬度超过一定值时,耐磨蚀性缓慢增加甚至降低,特别是在NCO/OH值很大时,柔性和弹性降低,反而降低了聚氨酯弹性体的耐磨性。图2为—NCO含量与纯聚氨酯弹性体相对抗冲蚀磨损性的相互关系。由图可见:随着—NCO含量的增加,其耐磨性逐渐增加;当—NCO含量为7150%时,聚氨酯弹性体的相对抗磨蚀率最高,其耐磨蚀率为1154;当—NCO含量超过7150%时,纯聚氨酯弹性体抗磨蚀率逐渐下降;—NCO含量为9145%时,其耐磨蚀率为0172。212　不同—NCO含量对聚氨酯/Si3N4复合材料磨损

性能的影响

图3为—NCO含量与聚氨酯/Si3N4(质量分数10%)复合材料相对抗冲蚀磨损性的相互关系。由图可见:由于Si3N4颗粒的加入,随着—NCO含量的增加,其耐磨性逐渐减弱;当—NCO含量为6135%时,聚氨酯复合材料的相对抗磨蚀率最高,其相对抗磨蚀率为1188;当—NCO含量达到7150%时,聚氨酯复合材料抗磨蚀率下降到最小值,随后又逐渐增加;当—NCO为9145%时,其相对抗磨蚀率为1151。

213　不同—NCO含量对聚氨酯/TiC复合材料磨损

性能的影响

图4为—NCO含量与聚氨酯/TiC(质量分数为10%)复合材料相对抗冲蚀磨损性的相互关系。由图可见:由于TiC颗粒的加入,随着—NCO含量的增加,其耐磨性逐渐增加;当—NCO含量为7150%时,聚氨酯弹性体的相对抗磨蚀率最高,其相对抗磨蚀率为0195;当—NCO含量超过7150%时,纯聚氨酯弹性体抗磨蚀率逐渐下降;—NCO含量为9145%时,其相对抗磨蚀率为0171。从图中还可以看出,聚氨酯/TiC复合材料相对抗冲蚀磨损性比纯聚氨酯弹性体耐磨性差。

214　聚氨酯/陶瓷复合材料的磨损形貌观察及磨损机

制分析

图5示出了纯聚氨酯弹性体(PU)冲蚀磨损表面SEM形貌。由图可见,当—NCO含量为6135%时,冲蚀磨损表面存在有方向性(按流体的流动方向)的磨痕(如图5(a)所示),冲蚀磨损表面有明显的分层剥落现象。当—NCO含量为7150%时,该冲蚀磨损表面的特征比较特殊。可以分为两种特征:一种特征如图5(b)所示,聚氨酯弹性体表面出现大量条状物,好似磨削在高温下揉搓而成;另一种特征如图5(c)所示,聚氨酯弹性体表面出现大量的花絮状物,花絮周围有凹坑,团簇的花絮大小不等,团簇的花絮周围有微裂纹。这一现象明显不同于纯聚氨酯(—NCO含量为6135%)弹性体冲蚀磨损表面形貌;当—NCO含量为9145%时,冲蚀磨损表

2006年第6期李茂华等:—NCO含量对聚氨酯/陶瓷复合材料冲蚀磨损性能的影响55

面有较粗糙的、有方向性的磨痕,破坏比均匀。由此可见,纯聚氨酯弹性体表现为微切削、疲劳磨损和撕

[3]

裂剥落磨损特性。

形貌与Si3N4/聚氨酯(—NCO含量为6135%)复合材料的基本相似,都出现大量的冲蚀坑,但是由于材料的韧性降低,该复合材料冲蚀磨损表面的剥落坑向纵深发展,且复合材料脆性破坏严重,凹坑内部出现开裂现象,有些磨损表面有分层剥落现象(如图6(b)所示),故耐磨性差。当—NCO含量为9145%时,冲蚀磨损表面冲蚀坑数量明显增加,但凹坑的冲蚀破坏程度较PU(—NCO含量为7150%)/Si3N4复合材料弱。由此可见,Si3N4/聚氨酯复合材料砂浆冲蚀的主要机制是微切削、塑性变形和聚集体或附聚体[4-5]

的碎裂、剥落。

图5　纯聚氨酯(PU)冲蚀磨损表面SEM形貌图6示出了聚氨酯/Si3N4陶瓷复合材料冲蚀磨损表面SEM形貌。由图可见,当—NCO含量为6135%时,冲蚀磨损表面除凹坑以外的部分都很光滑平整(如图6(a)所示)。冲蚀磨损形成的凹坑大小不一,但纵向尺寸较小,仅是亚表层的剥落,并没有向凹坑的纵向发展。此时材料受到了沙粒变形磨损,从而呈现出典型脆性材料的磨蚀特性,即聚氨酯复合材料在沙粒反复弹塑性作用下,冲击点附近出现脆性破坏的裂纹,裂纹的扩大与交汇将使材料破碎与崩落。其原因也可能是陶瓷颗粒的团聚和附聚程度较高,填料出现整体脱落现象。

　　　　图7　聚氨酯(PU)/Si3N4陶瓷复合

材料冲蚀磨损表面SEM形貌

　　　　　图6　聚氨酯(PU)/Si3N4陶瓷复合

材料冲蚀磨损表面SEM形貌

当—NCO含量为7150%时,冲蚀磨损表面SEM

图7示出了聚氨酯/TiC陶瓷复合材料冲蚀磨损表面SEM形貌。由图可见:当—NCO含量为6135%时,冲蚀磨损表面冲蚀磨损有龟裂和整体脱落现象,呈现脆性破坏;当—NCO含量为7150%时,冲蚀磨损表面整体剥落形成粗糙表面,剥落面呈蜂窝状,也能看到部分TiC颗粒镶嵌在基体中,预聚体发生溃裂;当—NCO含量为9145%时,冲蚀磨损表面呈现严重的脆性破坏,形成许多空洞,TiC颗粒与基体的湿润性差,粘结性相当差,界面性能差,当受到含沙水流的冲刷时,颗粒被铲出,在空化效应的作用下,将使凹坑边缘的亚表层或内部被进一步撕裂,或击碎,使凹坑进一步扩大。因而陶瓷颗粒的存在增加了

[6]

弹性体的缺陷,削弱了聚氨酯弹性体的耐磨性,故聚氨酯/TiC陶瓷复合材料冲蚀磨损性能较纯聚氨酯差。聚氨酯/TiC复合材料砂浆冲蚀的主要机制是聚集体或附聚体的碎裂、剥落。3　结论

(1)当—NCO含量为7150%时,(下转第63页)

2006年第6期翟霄雁等:油膜压力测量传感器动力学特性研究63

4　瞬态响应分析

瞬态响应分析(亦称时间2历程分析)是用于确定承受任意的随时间变化载荷的结构的动力学响应的一种方法。

瞬态响应分析按下列步骤进行。411　建模及划分网格

该步与谐响应分析的第一步完全相同。412　定义分析类型和分析选项

指定新的分析类型为Transient(瞬态响应分析),然后选择瞬态响应分析方法中的一种。本文选用完全法(FULL)。413　规定边界条件和初始条件

瞬态响应分析要求给定2种初始条件:初始位移和初始速度。本文设定初始位移和初始速度都为0。模型的底面固定。414　施加时间历程载荷并求解在模型上表面加上述随时间变化的压力载荷(图3)。本文只取压力为正值的部分进行分析。压力载荷可以通过列表输入,设定终止时间为01015s,积分时间步长为010005s。激活自动时间步,规定输出控制为输出每一个子步,然后求解。415　结果分析

在随时间变化的正压力作用下的位移曲线如图6所示。将位移取绝对值,并与压力曲线放在同一个图中,如图7所示。由图中可以看出:输入的波形与经过传感器输出的波形基本一致,只是幅值不同,说明传感器具有良好的动态特性,在01013s时达到正的最大响应值。

(上接第55页)纯聚氨酯的耐磨性最好,比纯聚氨

5　结论

(1)改进的传感器具有较高的一阶固有频率。在实际实验和应用中应避免共振的发生。

(2)传感器的频带较宽。测量油膜压力时满足不失真测量条件。(3)综合分析表明,传感器具有良好的动态特性。参考文献

【1】翟霄雁,马金奎,路长厚.应变式油膜压力测量传感器特

性研究[J].润滑与密封,2006(4):113-114.

ZhaiXiaoyan,MaJinkui,LuChanghou.AnInvestigationoftheCharacteristicofStrainTransducesMeasuringOilFilmPressure[J].LubricationEngineering,2006(4):113-114.

【2】刘国庆,杨庆东.ANSYS工程应用教程[M].北京:中

国铁道出版社,2003:213-260.

【3】刘明杰,等.粘性流体力学[M].济南:山东大学,

2001:71-76.

【4】温诗铸.摩擦学原理[M].北京:清华大学出版社,

1990:33-34.

【3】刘家浚.材料磨损原理及其耐磨性[M].北京:清华大

学出版社,1993:54-59.

【4】赵田臣,樊云昌,付华,等.砂桨冲蚀磨损特性研究

[J].润滑与密封,2003(2):58-59.

ZhaoTianchen,PanYunchang,FuHua,etal.StudyofSlur2ryErosiveWear[J].LubricationEngineering,2003(2):58-59.

酯弹性体(—NCO含量为6135%)提高了1154倍。

(2)聚氨酯(—NCO含量为6135%)/Si3N4

(10%)复合材料抗冲蚀磨损性能比纯聚氨酯弹性体(—NCO含量为6135%)提高了1188倍。Si3N4/聚氨酯复合材料砂浆冲蚀的主要机制是微切削、塑性变形和聚集体或附聚体的碎裂、剥落。

(3)TiC颗粒不能提高聚氨酯弹性体的耐磨性。

参考文献

【1】傅明源,孙酣经.聚氨酯弹性体及应用[M].北京:化

学工业出版社,1999:79-85.

【2】刘芳,吴小华,刘安石,等.减摩耐磨聚氨酯复合材料摩

擦性能的研究[J].塑料工业,1997,25(4):76-78.LiuFang,WuXiaohua,LiuAnshi,etal.CompositeMaterials[J].76-78.

Studiesofthe

PropertyofWear-reducingandWear-resistantPolyurethane

PlasticsIndustry,1997,25(4):

【5】龚国芳,曲敬信,杨华勇.高岭土填充改性超高分子量聚

乙烯的浆体冲蚀磨损特性[J].摩擦学学报,2001,21(4):266-269.

GongGuofang,QuJingxin,YangHuayong.StudyontheEro2sionWearCharacteristicsandMechanismsofUHMWPE/Kao2linComposites[J].Tribology,2001,21(4):266-269.

【6】何仁洋,张嗣伟,王德国,等.聚氨酯在磨粒侵蚀条件下的

表面化学效应[J].摩擦学学报,1995,15(1):45-51.HeRenyang,ZhangSiwei,WangDeguo,etal.bology,1995,15(1):45-51.

Surfacial

ChemicalEffectsofPolyurethaneAbrasiveErosion[J].Tri2

因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容

查看全文