Optimization of formulation of repair abrasion-resistant dispersion-strengthened epoxy composition with sand filler on the adhesion strength

Full Text

Абразивостойкие полимерные покрытия на основе эпоксидной смолы нашли широкое распространение в основном в строительной отрасли в качестве защитных покрытий полов и плиток [1]. Информация же об их применении в ремонтном производстве в качестве упрочняющих покрытий и материалов для восстановления конструкционных элементов машин ограничивается сведениями о заделке трещин в корпусных деталях, например блоках цилиндров двигателей внутреннего сгорания [2]. Между тем последние разработки ГОСНИТИ [3] в области создания противоабразивных дисперсно-упрочненных композитов на основе эпоксидной матрицы, наполненной песком природного происхождения, показали широкие перспективы использования таких материалов для упрочняющего восстановления элементов машин, подвергающихся интенсивному абразивному изнашиванию. Прежде всего к таким элементам относятся рабочие органы строительных, дорожных машин, а также детали почвообрабатывающих с.-х. орудий [4]. Однако исследования по оптимизации состава данных веществ нельзя считать завершенными. Так, остается неизученным вопрос о влиянии количественного соотношения k компонентов композитных составов (эпоксидной составляющей и кварцевого песка определенной дисперсности) на адгезионную прочность τс системы «композит - металлическая поверхность». В связи с этим поставлена серия экспериментов по определению зависимости τс от концентрации компонентов. При проведении испытаний использовался композит, состоящий из эпоксидного клея (100 мас.ч. эпоксидно-диановой смолы ЭД-20, 10 мас.ч. отвердителя полиэтиленполиамина) и наполнителя - природного кварцевого песка. Изучалась адгезионная прочность шести композитов следующего состава (эпоксидный клей / песчаный наполнитель, мас.ч.): 10/90; 30/70; 40/60; 50/50; 60/40 и 70/30. Дисперсность песчаного компонента, оцениваемая эффективным диаметром dэ частиц песка, рассматривалась в четырех вариантах: dэ = 0,1; 0,25; 0,5 и 1 мм, что укладывается в определение песка как почвенной составляющей [5]. Причем пески с указанными дисперсностями использовались при изготовлении каждого состава. Таким образом, испытывались шесть композитов с разной концентрацией компонентов. Суммарное число исследуемых веществ с учетом наполнителей разной дисперсности - 24 варианта. Для сравнения в экспериментах использовался клеящий эпоксидный состав без наполнителей. Перед приготовлением испытуемой композиции песок просушивался и разделялся на фракции в соответствии с принятыми размерами ситовым методом. Определение сдвигающих напряжений, характеризующих адгезионную прочность, проводилось путем продавливания сформированного во внутренней полости металлической матрицы композита после его отверждения (рис. 1). Опорный материал (можно использовать пластилин) удаляется после полной полимеризации композита. Размеры матрицы должны обеспечивать отсутствие пластической деформации при силовом воздействии на сформированный образец. Пуансон и полость формирования композита притирались вручную с целью устранения перекосов. Поверхность контакта матрицы обрабатывалась растворителем для удаления заметных следов загрязнений. Шероховатость поверхности матрицы, контактирующей с композитом, примерно соответствовала шероховатости наиболее распространенных деталей почвообрабатывающих машин. Общая площадь взаимодействия композита с материалом матрицы была достаточной для всесторонней и полной реализации адгезионных процессов. Каждое значение на графике (рис. 2) соответствует среднему из пяти измерений. Эксперимент проводился на разрывной машине МИ-20 УМТ, оснащенной ПЭВМ, что позволяет в определенной мере автоматизировать процесс исследований и непосредственно наблюдать за ходом эксперимента на мониторе. Напряжение сдвига, которое характеризует прочность сцепления эпоксидно-песчаной композиции с металлической подложкой, определяется путем деления сдвигающей нагрузки P на площадь сечения контактирующей поверхности (в рассматриваемом случае - на площадь цилиндра). Полученные экспериментальные данные, представленные в виде графических зависимостей (см. рис. 2), указывают на однотипный и сложный характер изменения адгезионной прочности независимо от дисперсности песчаного наполнителя. Как следует из рис. 2, композитный состав имеет значительную адгезионную прочность и при полном отсутствии песчаного наполнителя, т.е. при k = 0 мас.ч. Эта прочность обеспечивается химическими и физическими свойствами самого эпоксидного клея, взаимодействующего с металлической основой. Увеличение концентрации песка до k = 30…40 мас.ч. приводит не к увеличению, а к уменьшению адгезионной прочности эпоксидно-песчаного композита при всех дисперсностях песчаного компонента. Видимо, наличие даже незначительной доли песка в композите приводит к нарушению структуры клеевой массы и препятствует проявлению адгезионных свойств этой массы. Вместе с тем песчаной массы в композите еще не достаточно, чтобы стало заметным трение песчинок о металлическую основу, которое вносит положительный вклад в рост адгезионной прочности композита. Но когда количество песка увеличивается (примерно до k = 70 мас.ч.), его влияние становится значительным, и адгезионная прочность композита растет. Увеличение количества песчаного компонента приводит к довольно резкому росту прочности сцепления и объясняется возрастанием площади контактирования частиц с поверхностью подложки. Следует заметить, что такое влияние частиц песка имеет место при одновременном возрастании количества песчаного компонента в композите и увеличении эффективного диаметра частиц. Адгезионная прочность клеевой массы без наполнителя составляет около 10 МПа, тогда как наличие песка в объеме 60-70 мас.ч. обеспечивает τс = 19,1 МПа, т.е. адгезионная прочность композита увеличивается почти вдвое. При дальнейшем увеличении концентрации песка k, %, малое количество клея уже не способно скреплять частицы песка в монолит, - композит рассыпается, а его адгезионная прочность, естественно, падает. Количество песка в композите более 70% ведет к резкому падению прочности сцепления, связанному с нарушением внутренней адгезии частиц наполнителя в эпоксидной матрице. Наибольшей прочностью сцепления обладает состав с концентрацией 70 мас.ч. песка и 30 мас.ч. клеевой массы. Таким образом, экспериментально установлена зависимость адгезионной прочности дисперсно-упрочненных эпоксидно-песчаных абразивостойких композитов от количества песчаного компонента. Она носит сложный характер. Максимальные значения адгезионной прочности имеют составы с содержанием природного песка 60-70 мас.ч. и эффективным диаметром частиц порядка 1 мм.

About the authors

A. M Mikhalchenkov

All-Russian Research Institute of Repair and Maintenance of Machine and Tractor Fleet, Moscow State University of Railway Engineering (MIIT), Bryansk branch

V. F Komogortsev

Bryansk State Agrarian University

Yu. I Filin

Bryansk State Agrarian University

Email: rock2032@rambler.ru

M. A Mikhalchenkova

All-Russian Research Institute of Repair and Maintenance of Machine and Tractor Fleet

References

Supplementary files