评价温度对聚氨酯弹性体的机械性能和耐磨性的影响外文翻译资料

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评价温度对聚氨酯弹性体的机械性能和耐磨性的影响

H. Ashrafizadehn , P. Mertiny, A. McDonald

加拿大阿尔伯塔省埃德蒙顿市阿尔伯塔大学机械工程系， T6G 1H9

摘 要

聚氨酯具有优异的耐磨性，是一种有效的保护涂层和内衬，防止固体颗粒冲击造成的冲蚀。但由于热对其力学性能的影响，聚氨酯的耐磨性是工作温度的函数。在本研究中，我们设计并发展了一套冲蚀试验装置，以评估聚氨酯弹性体在控制温度下的耐磨性。采用冷态气体动力喷雾系统进行了冲蚀试验。通过调节冷喷涂系统的气体温度来控制目标材料暴露前表面的温度，并且通过使用温度控制器、热电偶和筒式加热器将样品未暴露表面的温度保持在所需的设定点恒定。通过建立三维有限元模型，确定了试样内部的瞬态温度分布。根据超音速流体通过缩-扩喷管的流动原理，建立了一个模型，确定了撞击颗粒的速度。测试了四种邵尔A硬度值为55-85的聚氨酯弹性体。通过拉伸试验和循环加载，表征了聚氨酯弹性体在室温和高温下的应力应变行为。结果表明，测试温度对聚氨酯弹性体的耐冲蚀性能有显著影响。通过对聚氨酯的应力-应变行为及其在控制温度下的抗冲蚀性能的比较，发现塑性变形产生的残余应变和最终断裂伸长率是影响聚氨酯弹性体耐磨性的关键参数。对磨损试样表面形貌的评价证实了残余应变对聚氨酯弹性体抗冲蚀性能的重要性。

一 介绍

固体颗粒腐蚀是一个过程，其中通过颗粒流的冲击将材料从目标表面去除[1].这种腐蚀是一种典型的磨损模式，会对航空航天，海洋，采矿，风能以及石油和天然气等许多行业中暴露于侵蚀性侵蚀环境的零件的寿命产生负面影响[1-3].可以使用保护性涂层来延长暴露在腐蚀性环境中的设备的使用寿命。在所有类型的防护涂料中，由于其优异的耐腐蚀性和相对较低的成本，已发现软弹性衬里可有效用于工业领域[4,5].弹性体具有出色的抗腐蚀性能，这归因于其高回弹力和弹性变形倾向，可吸收冲击能量且塑性变形最小[4,6].在所有类型的弹性体材料中，聚氨酯（PU）弹性体受到了特别的关注，它们可以通过通常用于聚合物的方法进行加工，同时仍具有硫化橡胶的卓越机械性能，例如高弹性，高承载能力和抗撕裂性[7].成本相对较低的聚氨酯弹性体[7] 而且它们的耐磨性比大多数聚合物还高[8]，橡胶[9]，不锈钢[8] 甚至硬面碳化钨-钴（WC-Co）涂层[10] 已使PU成为在管道等大规模应用中用作保护性涂料和衬里的合适选择[11].

尽管弹性体的耐磨性与其力学性能之间的关系一直是先前研究的主题，但人们发现它们的磨损现象是一个复杂的过程，涉及许多影响最终磨损性能的参数[4,5]ping。[10] 结果表明，具有相同拉伸强度和撕裂强度的两个聚氨酯样品的腐蚀速率不同，这可能是由于两个样品的断裂伸长率不同所致，beck。[12] 结果表明，硬度相似的聚氨酯样品的腐蚀速率不同。假定样品的磁滞变化是该因素影响聚氨酯的侵蚀率。聚合物的磁滞表示在变形循环中损失的分数能量。具有较高滞后的样品具有较高的腐蚀速率。建议由PU样品的滞后引起的温度升高对PU的腐蚀速率有影响。这将表明由于较高的热量产生而引起的温度变化可能会对PU弹性体的磨损率产生不利影响。在李等人的综合研究中。[4]，研究了一系列具有几乎相同回弹性的可浇铸PU弹性体的耐蚀性。观察到腐蚀速率随着硬度，拉伸模量和拉伸强度的增加而增加的趋势。拉伸强度最低的最柔软的材料对侵蚀磨损具有最大的抵抗力。另一方面，Hutchings等人。[13] 结果表明，橡胶弹性体与材料的磨损率和机械性能（如肖氏硬度，极限拉伸伸长率和拉伸强度）之间没有简单的关系。发现回弹性是影响橡胶弹性体耐磨性的最主要因素，其中具有较高回弹性的橡胶具有最高的耐蚀性。

聚氨酯弹性体的机械性能对温度敏感，即使只改变大约50酯弹的温度，也可能会发生显著变化。因此，磨损试验期间的温升可能会对聚氨酯的抗冲蚀性产生不利影响，这已在先前的研究中报告过[3,7,9,12,14变化。因。然而，研究工作温度对聚氨酯（PU）和一般弹性体抗冲蚀性能影响的试验装置的数量有限。Zuev等人。[18] 研究了浆体温度对橡胶弹性体冲蚀速率的影响。当温度从20了浆提高到70到浆时，橡胶的冲蚀率降低。建议将橡胶在较高温度下的弹性增加作为导致冲蚀率降低的参数。Marei等人。[19] 报道了在高温空气爆破试验方案中评估橡胶腐蚀时的类似现象。结果表明，试验温度与玻璃化转变温度差越大，橡胶的冲蚀率越低。应当指出的是，上述两项对Zuev等人的研究都没有。[18] 以及Marei等人。[19] 重点是确定腐蚀试验过程中样品内部的实际温度分布。希尔等人。[14] 采用磨损试验方法评价聚氨酯的磨损性能。磨损试验中的温升提高了弹性体的耐磨性，这归因于PU的软化和高温下较低的硬度。另一方面，在其他研究中，报道了PU在高温下的抗侵蚀性降低[3,9]。Zhang等人。[9] 在冲蚀试验中发现，由于迟滞引起的温升降低了PU的抗冲蚀性能。由于PU的导热系数较低，由迟滞产生的热量使其表面下的温度升高。较高的温度降低了表层与基体之间的结合能，最终导致了较低的抗冲蚀性能。Yang等人。[3] 结果表明，PU厚度越大，冲蚀速率越大。由磁滞和随后的温升所产生的热量被认为是腐蚀速率增加的原因。虽然有几项研究已经讨论了温度对聚氨酯弹性体磨损性能的影响，但集中在开发一个试验装置以在冲蚀试验期间精确控制温度的研究数量有限。进一步研究热和温度对PU耐磨性能的影响，对于深入了解PU材料高温冲蚀机理，确定影响PU耐磨性能的关键参数具有重要意义。

这项研究的目的是（i）设计和开发一种能够在磨损测试过程中控制温度的腐蚀测试组件，（ii）在受控温度下评估PU弹性体的耐磨性，以及（iii）找到与聚氨酯弹性体在受控温度下的耐蚀性相关的最佳机械性能。

二 实验方法

2.1PU材质

四种具有肖氏A硬度的PU弹性体（RoPlasthan-1200-55A，RoPlasthan-1200-85A，RoCoat-3000-85A和RoCoat-3000M-85A（Castable），Rosen Group，德国Lingen）的耐腐蚀性在55-85范围内进行了研究。选择7毫米的PU板厚度以确保厚度不影响腐蚀结果并且在测试期间不会显着降低[5].使用喷水切割机（美国华盛顿州肯特市OMAX公司的OMAX 2652 JetMachining中心）将PU样品切成48〜36 mm的切片。为了将PU样品附着到侵蚀测试设备上，将样品通过薄薄的粘合剂层（3M DP460、3M Scotch-Weld，美国明尼苏达州圣保罗市）粘合到尺寸为48〜48〜3 mm的铝板上）。通过差示扫描量热法（DSC）分析确定了60至180确定的温度范围（DSC Q100 V9.8，TA Instruments，New Castle，DE，美国），确定了测试的PU弹性体的玻璃化转变温度。

2.2侵蚀测试组件

为了评估聚氨酯弹性体在受控温度下的耐腐蚀性，基于ASTM的耐腐蚀测试组件标准G76[20] 已开发。根据ASTM标准G76的要求对测试设备进行了略微修改，以纳入腐蚀测试过程中PU温度的影响。使用冷气动态喷雾系统（“冷喷雾”）（SST系列P，加拿大安大略省温莎市CenterLine公司）在各种温度下加热和移动压缩空气，并使用该气体将腐蚀剂颗粒加速至对PU表面的影响。用于腐蚀测试的冷喷涂系统的操作参数总结如下：表格1.PU样品架由铜制成，并配有两个筒形加热器（50 W微型高温筒形加热器（D 1 / 8热〜1 1 / 4热，McMaster-Carr，美国俄亥俄州奥罗拉）。使用温度控制器（CNI8A42，Omega Engineering Inc.，美国康涅狄格州斯坦福德）将铜立方体的温度保持在所需的设定点。图。1显示了定制腐蚀测试系统的示意图和组件。如该图所示，腐蚀测试是在30了的冲击角下进行的，前提是该角度接近条件通常在实践中发现[3] 而且还因为包括弹性体在内的易延展材料的最大腐蚀发生在30还的冲击角上[5,15].在侵蚀试验之前和之后，以精度为plusmn;1 mg的天平称重PU样品（Adventurer Pro AV313，OHAUS Corporation，Parsippany，NJ，美国）。通过将样品的质量损失与腐蚀剂颗粒的质量归一化来计算磨损率。石榴石砂（超级石榴石，VV Mineral，印度泰米尔纳德邦）被选作侵蚀介质。图2 显示了石榴石砂的形态。如图所示，砂粒在侧面呈圆形。石榴石砂颗粒的平均直径通过图像分析（ImagePro，Media Cybernetics，Bethesda，MD，美国）测量。平均直径是通过平均以2美间隔穿过物体质心的线的长度来计算的。平均石榴石沙粒的尺寸为266749毫米（n米（74）。在研究测量次数（n），并且标准偏差始终以平均值表示。在条件A，B和C的三种不同设定点温度值下对每种类型的PU进行了测试（请参见表2).对于每种条件，评估至少两个样品的耐腐蚀性。计算并报告了测试两个以上样品的情况下的标准偏差。PU样品既被来自冷喷涂系统的热压缩空气加热，也被安装在铜板支架中的筒式加热器加热。有关冷喷涂系统和铜支撑板中空气设定点温度的详细信息，请参见表2.通过筒式加热器和铜板将PU样品从未暴露的表面预热120 s。然后，用来自冷喷涂系统的空气在暴露的表面加热样品（参见图1）持续120 s，同时从与通过红外温度计和插入样品表面下方的热电偶进行测量。这确保了在开始侵蚀试验之前，在聚氨酯样品中均匀分布。

图1（a） 定制腐蚀试验组件的示意图和（b）图像

表1 冷喷涂参数

图2 石榴石砂颗粒的形态。

表2聚氨酯样品各项测试条件的详细参数

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