СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИУРЕТАНОВОЙ КОМПОЗИЦИИ
METHOD OF ITEMS PRODUCTION FROM POLYURETHANE COMPOSITION

Изобретение относится к способам изготовления изделий из полиуретановых композиций по литьевой технологии и может быть использовано в машиностроении, железнодорожном транспорте и других отраслях промышленности.
В настоящее время для изготовления широкого круга изделий (накладок, прокладок и т.п.) из полиуретановых эластомеров применяется способ, основанный на смешении предварительно синтезированных уретановых форполимеров с отвердителями различной химической природы с последующей заливкой реакционной массы в формы для отверждения.
Наиболее близким к предложенному способу является способ изготовления изделий из полиуретановой композиции, приведенный в патенте РФ №2323237 С1, 27.04.2008, C08L 75/04 - прототип, включающий приготовление и заливку полиуретановой композиции в предварительно прогретую форму, установку формы с полиуретановой композицией в термопечь для полимеризации, извлечение детали из формы и выдержку детали. В данном способе при изготовлении полиуретановой композиции смешивают форполимер и отвердитель, осуществляют перемешивание и вакуумирование при температуре 30-40°С, заливку полиуретановой композиции в форму осуществляют после перемешивания в течение 10-15 минут, после установки формы с полиуретановой композицией в термопечь осуществляют нагрев и дальнейшую выдержку формы с полиуретановой композицией при температуре 80°С в течение 3 суток. После извлечения из формы образец полиуретанового эластомера выдерживают 10 суток при 20°С.
Недостатком данного способа является низкая технологичность процесса изготовления из-за увеличенного времени его проведения, а также недостаточное качество получаемых изделий, ограничивающее возможность их использования при эксплуатации в условиях больших нагрузок, большого перепада температур, агрессивных средах.
Технический результат заявленного изобретения - повышение технологичности процесса изготовления и повышение качества полученных изделий, обладающих повышенной прочностью, морозостойкостью и долговечностью.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления изделий из полиуретановой композиции, включающем приготовление и заливку полиуретановой композиции в предварительно прогретую форму, установку формы с полиуретановой композицией в термопечь для полимеризации, извлечение детали из формы и выдержку детали, используют полиуретановую композицию с содержанием изоцианатных групп в количестве 4,09-6,5%, причем после установки формы с полиуретановой композицией в термопечь осуществляют ее нагрев и дальнейшую выдержку при температуре 110-120°С в течение 0,5-2 ч, после выдержки формы с полиуретановой композицией в термопечи и перед извлечением детали из формы осуществляют прямое прессование полиуретановой композиции в форме с помощью гидравлического пресса при температуре 110-120°С, давлении 20-120 атм в течение 7-10 мин, а выдержку детали после извлечения ее из формы осуществляют в термопечи при температуре 110-120°С в течение 8-16 ч.
Способ характеризуется тем, что после извлечения из формы и выдержки детали в термопечи осуществляют механическую обработку детали.
Проведение операции нагрева и дальнейшей выдержки в термопечи формы с полиуретановой композицией при температуре 110-120°С в течение 0,5-2 ч, а также выдержка в термопечи детали после извлечения ее из формы при температуре 110-120°С в течение 8-16 ч позволяют повысить физико-механические свойства материала, такие как морозоустойчивость, износостойкость, стойкость к циклическим нагрузкам, понизить показатели водопоглощения и остаточной деформации, что соответственно позволяет повысить качество получаемых изделий.
Осуществление операции прямого прессования полиуретановой композиции в форме под высоким давлением на обогреваемых плитах гидравлического пресса позволяет исключить образование воздушных пузырей в массе полиуретана, а также при наличии в изделии рифлений (ребер жесткости) более точно оформить их рисунок, что соответственно повышает качество полученных изделий и срок их эксплуатации.
Операцию прессования осуществляют на гидравлическом прессе при температуре 110-120°С, давлении 20-120 атм в течение 7-10 мин. Данные диапазоны являются достаточными для полного удаления воздуха из материала, поскольку ниже указанных значений диапазонов не обеспечивается полное удаление воздушных пузырей, что в дальнейшем приведет к уменьшению долговечности полученных из полиуретановой композиции изделий из-за преждевременного расслоения и зарождения трещин в материале. А увеличение параметров выше указанных диапазонов приведет к удорожанию процесса изготовления и уменьшению его технологичности.
После изготовления изделий проводится контроль их внешнего вида и размеров в соответствии с нормативными требованиями, предъявляемыми к изделию.
При необходимости (для соответствия размеров заданным параметрам, при наличии заусенцев, небольших деформаций и т.п.) проводится механическая обработка деталей.
Приготовление и заливка полиуретановой композиции может быть осуществлена на заливочной машине, например, SK-3.
Нагрев и дальнейшую выдержку формы с полиуретановой композицией осуществляют при температуре 110-120°С в течение 0,5-2 ч. Указанные диапазоны обусловлены тем, что нагрев и выдержка при температуре выше 120°С и времени более 2 ч является нецелесообразным, поскольку эти параметры являются достаточными для завершения процесса полимеризации, поэтому дальнейшее увеличение температуры и времени выше указанных диапазонов приводит к усложнению процесса изготовления изделий. А проведение нагрева и дальнейшей выдержки формы с полиуретановой композицией при температуре менее 110°С и менее 0,5 ч приведет к ухудшению физико-химических свойств полиуретанового эластомера (прочность, износостойкость, твердость и т.д.), поскольку при незавершенном процессе полимеризации может быть получена неоднородная структура вещества, что соответственно ухудшит качество получаемого эластомера.
Большое значение на получение качественного изделия из полиуретанового эластомера оказывают также параметры термостатирования детали (изделия) после извлечения ее из формы. Выдержку детали после ее извлечения из формы осуществляют в термопечи при температуре 110-120°С в течение8-16 ч.
Нижние пределы температуры и времени проведения термостатирования обусловлены тем, что уменьшение параметров указанных диапазонов приведет к ухудшение прочностных характеристик получаемого материала, таких как морозоустойчивость, устойчивость к агрессивным средам, стойкость к циклическим нагрузкам и т.д. Увеличение параметров диапазонов выше заявленных является нерентабельным, поскольку дальнейшее их увеличение не приведет к повышению (улучшению) прочностных характеристик.
Соотношение компонентов, используемых для приготовления полиуретановой композиции, может различаться в рамках заявленных соотношений и зависит от требований, предъявляемых к изделию.
Содержание изоцианатных групп (NCO-групп) в композиции может составлять 4,09-6,5% и выбирается в зависимости от вида изделия, которое необходимо изготовить, предъявляемых к нему требований и от предполагаемых условий его эксплуатации.
Так, например, для изготовления накладки износостойкой (ТУ 2252-028-00203476-2003 г.), предназначенной для установки на наклонную поверхность фрикционного клина, взаимодействующего с наклонной поверхностью надрессорной балки вагона, содержание NCO-групп в композиции составляет 6,15-6,5%. Для изготовления упругого элемента триангеля (ТУ 2252-03 5-00203476-2006 г.), предназначенного для безрезьбового крепления тормозных башмаков и наконечников триангеля тележек грузовых вагонов, содержание NCO-групп в композиции составляет 5,8-6,0%. А для изготовления прокладки-амортизатора (ТУ 2252-029-00203476-2006 г.), предназначенной для установки на железобетонных или деревянных шпалах и на брусьях стрелочных переводов, содержание NCO-групп в композиции составляет 4,09-4,29%.
Способ изготовления изделий из полиуретановой композиции может быть осуществлен следующим образом (показан на примере изготовления прокладки-амортизатора для рельсовых скреплений).
Для изготовления прокладки-амортизатора была использована полиуретановая композиция АПИ-5 (в количестве 4,1%) следующего состава: форполимер из смеси простого полиэфира-олигодиендиола с молекулярной массой 2000 и 2,4-толуилендиизоцианата (ТДИ), сшиватель (отверждающий агент аминного типа) - 3,3'-дихлор-4,4'-диаминодифенилметан (Диамет X), паста из тонкодисперсного технического углерода (до 3%).
На заливочной машине SK-3 была осуществлена свободная заливка приведенной выше полиуретановой композиции в предварительно прогретую до 120°С и смазанную силиконовой жидкостью форму.
Затем форму с полиуретановой композицией поместили в термопечь для полимеризации, где осуществили нагрев и дальнейшую выдержку формы с полиуретановой композицией при температуре 120°С в течение 2 ч.
После этого осуществили подачу формы с полиуретановой композицией к гидравлическому прессу и произвели прямое прессование полиуретановой композиции в горячей форме с помощью гидравлического пресса при температуре 115°С, давлении 100 атм в течение 9 мин.
Далее извлекли полученное изделие (прокладку) из формы и осуществили подачу изделия в термокамеру (термопечь), где произвели выдержку полученной прокладки при температуре 115°С в течение 12 ч.
После изготовления были проведены физико-механические испытания полученных прокладок. Осмотр внешнего вида прокладок, а также их среза выявил, что поверхность прокладок не имеет дефектов в виде раковин, механических повреждений, отсутствуют трещины и расслоения, на срезе прокладки в материале отсутствуют пузырьки воздуха.
Результаты проведенных испытаний показали, что образцы из полиуретановых прокладок соответствуют предъявляемым к ним техническим требованиям, при этом превышая нормативные значения показателей к прокладкам полиуретановых материалов и к резиновым прокладкам II и III категорий исполнения (см. таблицу 1).
Таблица 1
Наименование показателя
Нормативное значение показателя
Фактическое значение показателя
по техническим требованиям к полиуретановому материалу прокладки
по ТУ 2539-161-01124325-2003 резиновых прокладок II/III категорий
образцы прокладок из полиуретового материала, полученные заявленным способом
Твердость по Шору А, ед. Шора А
70-85
65-80/ 60-75
80
Условная прочность при
не менее
растяжении, МПа
12
7,5-8,5
20,6
Относительное удлинение при
не менее
разрыве, %
250
430
Температурный предел хрупкости, °С
не выше
-60
-40/-55
-75
Истираемость, м<sup>3</sup>/ТДж
не более
70
140
40
Удельное объемное сопротивление электрическому току, Ом·см
не менее 1×10<sup>9</sup>
1,5×10<sup>10</sup>
Изменение относительного удлинения при разрыве после старения в воздухе в течение (24±0,5) ч, %, при (100±1)°С
в пределах
от -20 до+20
0-35
8,9
Относительная остаточная деформация при 20% сжатии после старения в воздухе в течение (24±0,5)ч, % при
не более
(70±1)°С
30
-
28
(100±1)°С
50
45
36
Изменение массы после воздействия агрессивной среды в течение (24±1) ч при температуре (23±2)°С, %:-осевого масла м. "Л" (ГОСТ 610-72)- воды (ГОСТ 6709-72)
0-4
0-4
0,58
0-0,5
0-0,5
0,43
В результате проведенных испытаний была также определена жесткость и коэффициент трения по стали полученных прокладок из полиуретановой композиции АПИ-5 и для сравнения из резины 18730. Оценка жесткости прокладок проведена на машине ЦЦМ-10 при скорости нагружения, равной 6 мм/мин, в диапазоне нагрузок 2-10 т. Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 2
Наименование показателя
Прокладка из материала
полиуретановая композиция АПИ-5
резина 18730
Жесткость, т/мм
4,3
3,9
Твердость по Шору А, ед. ШораА
80
76
Коэффициент трения по стали
0,55
0,55
Из табл.2 следует, что величины значений жесткости полиуретановой прокладки, а также коэффициента трения по стали составляющего находятся в диапазоне величин, рекомендуемых для подрельсовых прокладок.
Результаты проведенных испытаний, показанных на примере изготовления прокладок для рельсовых скреплений, показывают, что изделия, изготовленные заявленным способом, характеризуются комплексом физико-механических свойств, соответствующих высоким требованиям качества, что позволяет повысить надежность и долговечность их работы даже в экстремальных условиях эксплуатации.