Исследование потребительских свойств стеклонаполненных полиуретановых материалов

УДК 691.53

Л. Н. Шафигуллин, И. А. Абдуллин, Э. Р. Галимов,

А. А. Бобрышев, А. Н. Шафигуллина, Е. Д. Жарин, Г. Р. Шаяхметова

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ

СТЕКЛОНАПОЛНЕННЫХ ПОЛИУРЕТАНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ключевые слова: стеклонаполненные полиуретаны, физико-механические свойства.

В работе представлены исследования потребительских свойств стеклонаполненных полиуретановых материалов, полученных по технологии Fiber Composite Spraying. Установлено изменение физико-механических свойств в процессе воздействия ультрафиолетового излучения. Выявлена возможность применения стеклонаполненных ППУ при изготовлении крупногабаритных изделий автомобилестроения в серийном производстве мелких и средних партий.

Keywords: glass-filled polyurethane, physical and mechanical properties.

Fiber Composite Spraying technology. The change of physical and mechanical properties during exposure to ultraviolet radiation. Revealed the possibility of using glass-filled polyurethane foam in the manufacture of large-sized products in the automotive mass production of small and medium-sized batches.

К настоящему времени проведено большое количество исследований по разработке перспективных составов пенополиуретанов (ППУ), связанных со снижением их себестоимости, упрощением технологий, понижением токсичности в производстве, а также возможностью эксплуатации в широком температурном диапазоне [1, 2].

Стеклонаполненные пенополиуретаны позволяют изготавливать крупногабаритные элементы с многослойной структурой, составленной из различных комбинаций материалов. Стеклонаполненные ППУ широко применяют в автомобильной отрасли в грузовых и коммерческих автомобилях для изготовления крупногабаритных изделий, тепло-шумоизоляционных экранов и т.д. [3]. Применение экранов из стеклонаполненного ППУ позволяет обеспечить более комфортные условия водителям для управления транспортным средствам, уменьшить утомляемость, повысить безопасность дорожного движения.

В соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к шумоизоляционным акустическим экранам автомобилей КАМАЗ, они должны удовлетворять следующим критериям:

- эксплуатация в различных климатических зонах: умеренный климат, тропики, районы Крайнего Севера;

- условия эксплуатации: пыль, грязь, попадание щебня, машинного масла, дизельного топлива;

- химическая стойкость: вода, нефтепродукты, чистящие средства;

- физико-механические свойства: удовлетворительная твердость, стойкость к ударным нагрузкам, исцарапыванию;

- срок эксплуатации - не менее 7 лет в условиях умеренного климата.

Провели исследования жесткого стеклонапол-ненного ППУ, состоящего из полиуретановой системы на основе полиольного компонента А (SPECFLEX 753) и изоцианатного компонента Б (SPECFLEX 138) в соотношении компонентов А: Б -1,8:1 [4]. В качестве наполнителя использовался стеклоровинг марки EDR 24-2400-386 (2400 tex) [5]

в количестве 25 масс.ч. на 100 масс.ч. матричного компонента. Изделия из стеклонаполненного полиуретана изготавливались по инновационной технологии «Fiber Composite Spraying» (FCS) [6]. В качестве основного технологического оборудования для производства изделий использовали: робот ABB 721 68; заливочную машину Krauss Maffei; пресс SIEMAG.

Определяли физико-механические свойства стеклонаполненных ППУ: статический изгиб по ГОСТ 18564-73 [7], твердость по Шору D по ГОСТ 24621-91 [8], стойкость к действию ультрафиолетового излучения.

В качестве испытательного оборудования использовали: твердомер многофункциональный DigiTest, электрошкаф сушильный СНОЛ, штангенциркуль, линейку металлическую ГОСТ 427-75 [9], машину испытательную универсальную LRXplus. Испытания проводили при температуре 21 0С, влажности воздуха 55%. Для определения стойкости к действию ультрафиолетового излучения использовали экспериментальную установку, созданную специалистами Набережночелнинского института КФУ (рис. 1).

В соответствии с ГОСТ 16350-80 «Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей» все климатические зоны бывшего СССР разделены на 12 зон [10]. В случае эксплуатации изделий в условиях средней полосы необходимо использовать климатический район II5 (Умеренный). Суммарная доза солнечной радиации 300-400 нм с учетом потерь за год 148,10 МДж/м2. Поток лучистой энергии составляет Р=128 Вт. С учетом расстояния до испытуемых образцов (250 мм) время выдержки под лампой с мощность ДРТ 1000 эквивалентное 1 году составляет 20 часов 5 минут (рис. 1).

Разрушающее напряжение при изгибе определяли на 5 образцах до и после воздействия ультрафиолетового излучения в течение 140 часов 35 минут, эквивалентное 7 лет эксплуатации в условиях средней полосы РФ (таблица). Проводили пять измерений твердости по Шору D в разных местах поверх-

ности образца. Испытывали по 3 образца каждого изделия до и после воздействия ультрафиолетового излучения (табл. 1).

Рис. 1 - Общий вид установки по определению светостойкости материалов: 1) вентилятор; 2) реле - автомат; 5А; 3) дроссель 1000 Вт, 220 В; 4) лампа; 5) корпус

Таблица 1 - Результаты испытаний физико-механических свойств жестких стеклонаполнен-ных ППУ

Показатель Значение

до воздей- после воздейст-

ствия УФ из- вия УФ излуче-

лучения ния

Разрушаю- 49,4' 47,5'

щее напря-

жение при изгибе, МПа

Твердость по 60-692 68-762

Шору D

1 - представлены усредненные значения пяти испытаний;

2

- представлен диапазон изменения твердости.

Анализ данных таблицы выявил, что в процесс воздействия ультрафиолетового излучения на стек-лонаполненные ППУ происходит:

- уменьшение разрушающего напряжение при изгибе в среднем на 2 МПа;

- увеличение твердости по Шору D в среднем на 7 единиц.

Изменение твердости в процессе воздействия УФ излучения происходит из-за доотверждения компонентов ППУ и ускорения процесса полимеризации в поверхностных слоях. Обнаружено изменение цвета поверхностного слоя (рис. 2, 3). На образцах появляется коричневый оттенок, характеризующий термодеструкцию пенополиуретановой матрицы. Ухудшаются упругие и эластичные свойства материала, приводящие к уменьшению разрушающего напряжения при изгибе.

Результаты испытаний выявили удовлетворительные значения исследуемых свойств стеклона-полполненных ППУ. В процессе длительного воздействию ультрафиолетового излучения не происходит значительного изменения предела прочности при изгибе и твердости по Шору D.

Рис. 2 - Внешний вид стеклонаполненного ППУ до воздействия УФ излучения

Рис. 3 - Внешний вид стеклонаполненного ППУ после воздействия УФ излучения

Полученные результаты позволяют рекомендовать использовать стеклонаполненные ППУ в качестве альтернативы традиционным стеклопластико-вым материалам. Применение технологии FCS позволяет повысить гибкость и качество производства, снизить затраты на изготовление изделий, особенно небольших габаритов, за счет низкой стоимости оснастки, высокого качества изготовления и небольшого количества отходов в процессе производства. Относительно низкие расходы на инструмент делают возможным серийное производство мелкими и средними партиями. Технология FCS позволяет получать стеклонаполненные ППУ с удовлетворительными значениями физико-механических свойств, стойких к воздействию УФ излучения в течение всего периода эксплуатации.

Литература

1. Интернет-ресурс: Газонаполненные пластические массы (пенопласты). http://chem21.info/info/895542/ (Дата обращения: 13.11.2015).

2. Н.Н. Терентьева, В.А. Данилов, М.В. Кузьмин, С.М. Верхунов. Лабораторный практикум по дисциплине химия полиуретанов: учебное пособие. ЧГУ им. И.Н.Ульянова, М., 2007. 97 с.

3. Интернет-ресурс: ООО «Автотехник». http://автотехник.net/ru/news/44-osvoeno-novoe-izdelie-2014 .html

4. Интернет-ресурс: http://www.dow-izolan.com/ru/products/

5. Интернет-ресурс: http://poly-tex.ru/fiberglass/glass-гоут^

6. Интернет-ресурс: http://www.kraussmaffei.com/ru/home.html

7. ГОСТ 18564-73. Пластмассы ячеистые жесткие. Метод испытания на статический изгиб; Введен с 01.07.1974. М.: Изд-во стандартов, 2000.

8. ГОСТ 24621-91. Пластмассы и эбонит. Определение твердости при вдавливании с помощью дюрометра (твердость по Шору); Введен с 01.01.1993. М.: Изд-во стандартов, 1992.

9. ГОСТ 427-75. Линейки измерительные металлические. Технические условия; Введен с 01.01.1977. М.: Стандар-тинформ, 2007.

10. ГОСТ 16350-80. Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей; Введен с 01.07.1981. М.: Изд-во стандартов, 1980.

© А. А. Бобрышев, к.т.н., доцент, доцент кафедры «Материалов, технологий и качества» Автомобильного отделения Набе-режночелнинского института (филиала) ФГАОУ ВО "Казанский (Приволжский) федеральный университет", borisov800@mail.ru; Л. Н. Шафигуллин, к.т.н., доцент той же кафедры Автомобильного отделения Набережночелнинского института (филиала) ФГАОУ ВО "Казанский (Приволжский) федеральный университет", Автомобильное отделение, misha-rin_82@mail.ru; А. Н. Шафигуллина, магистр той же кафедры Автомобильного отделения Набережночелнинского института (филиала) ФГАОУ ВО "Казанский (Приволжский) федеральный университет", Shafigullina.AN@KAZAN.VTB24.RU; И.А. Абдуллин, д.т.н., профессор, проректор по НДИП, зав. каф. ТИПиКМ КНИТУ, ilnur@cnit.ksu.ras.ru; Э. Р. Галимов, д.т.н., профессор зав. каф. МСиПБ КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева, kstu-material@mail.ru; Г. Р. Шаяхметова, инженер 1 категории отдела организации научно-исследовательской работы, Набережночелнинского института (филиал) ФГАОУ ВО "Казанский (Приволжский) федеральный университет", krit8181@mail.ru; Е. Д. Жарин, бакалавр кафедры «Материалов, технологий и качества» Автомобильного отделения Набережночелнинского института (филиала) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет", shark-scorpions@mail.ru.

© À. À. Bobrishev, Ph.D., Associate Professor of the Department "Materials, technology and quality" department Car Naberezhnye Chelny Institute, Kazan (Volga region) Federal University, borisov800@mail.ru; L.N. Shafigullin, Ph.D., associate professor of the department "Materials, technology and quality" department Car Naberezhnye Chelny Institute, Kazan (Volga region) Federal University, misharin_82@mail.ru; A. N. Shafigullina, undergraduate the Department "Materials, technology and quality" department Naberezhnye Chelny Car Institute (branch ) of the Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education "Kazan (Volga) Federal University", Shafigullina.AN@KAZAN.VTB24.RU; I. A. Abdullin, Doctor of Technical Sciences, Professor, Kazan National Research Technological Universe, ilnur@cnit.ksu.ras.ru; E. R. Galimov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Tupolev Kazan National Research Technical Universe, kstu-material@mail.ru; G. R. Shayakhmetova, engineer of 1 category of the department of scientific and research work. Naberezhnye Chelny Institute (branch) of the Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education "Kazan (Volga) Federal University", krit8181@mail.ru, E. D. Zharin, Bachelor the Department "Materials, technology and quality" department Car Naberezhnye Chelny Institute, Kazan (Volga region) Federal University, shark-scorpions@mail.ru.