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评价温度对聚氨酯弹性体力学性能和耐磨性的影响

H. Ashrafizadeh n, P. Mertiny, A. McDonald

（加拿大阿尔伯塔省埃德蒙顿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，是一种有效的防护涂层和衬里，防止固体颗粒的冲击造成的侵蚀。然而，由于热对聚氨酯的机械性能的影响，聚氨酯的耐磨性是工作温度的函数。本研究设计并开发了一套冲蚀试验装置来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腐蚀试验。暴露前表面的温度目标材料的控制通过调整冷喷淋系统、气体温度和温度未暴露的表面的样品保持不变在使用所需的设定点的温度控制器,热电偶,筒加热器。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收敛-发散喷嘴的流动原理，建立了冲击颗粒速度的数学模型。对肖尔硬度为55-85的四种聚氨酯弹性体进行了测试。通过拉伸试验和循环加载，研究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蚀性有重要影响。研究了聚脲类弹性体在控制温度下的应力-应变行为，并与耐磨性进行了比较，结果表明:塑性变形引起的残余应变和断裂伸长率是影响聚氨酯弹性体耐磨性的关键参数。磨损试样的表面形貌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。

关键词：侵蚀，工作温度残余应变，聚氨酯弹性体应力软化，温度分布

1引言

固体颗粒侵蚀是一种颗粒流^[1]撞击目标表面，将材料从目标表面去除的过程。这种类型的侵蚀是一种典型的磨损模式，在航空航天、海洋、采矿、风能、石油和天然气等许多行业中，暴露在腐蚀性侵蚀环境下的部件的寿命会受到负面影响^[1-3]。防护涂层可用于增加设备暴露在腐蚀性环境中的寿命。在所有类型的防护涂料中，软弹性衬层由于其优异的耐腐蚀性和相对较低的成本，已被发现是有效的工业用途^[4,5]。弹性体具有优异的抗冲蚀性能，这是弹性体具有高回弹能力和弹性变形倾向的结果，允许以最小的塑性变形吸收冲击能^[4,6]。在所有类型的弹性体材料中，聚氨酯弹性体受到了特别的关注，因为它们可以用通常用于聚合物的方法加工，同时仍具有硫化橡胶的优良力学性能，如高弹性、高承载能力和抗撕裂性能。聚氨酯弹性体的成本相对较低^[7],其耐磨性比大多数聚合物^[8],橡胶^[9],不锈钢^[8]甚至其貌不扬的碳化钨 (WC-Co)涂料^[10]使得聚氨酯一个适当的选择在大型应用程序中使用防护涂料和衬垫等管道^[11]。

虽然弹性体的耐磨性与其力学性能之间的关系一直是前人研究的课题，但研究发现弹性体的磨损现象是一个复杂的过程，涉及到许多影响最终磨损性能的参数^[4,5]。Ping等人的^[10]研究表明，拉伸强度和撕裂强度相近的两种聚氨酯试样，这可能是由于这两个试样的断裂伸长率不同造成的。Beck等人的^[12]表明，硬度相近的PU试样具有不同的侵蚀速率。研究结果表明，试样的滞后变化是影响聚氨酯侵蚀速率的主要因素。聚合物的滞回率表示变形循环中损失的部分能量。滞后率越高的试样侵蚀速率越高。聚氨酯样品的滞后引起的温度升高对聚氨酯的侵蚀速率有一定的影响。这表明高温产生的温度变化可能对聚氨酯弹性体的磨损率产生不利影响。在Li等人^[4]的综合研究中，研究了一系列回弹率几乎相同的浇注型聚氨酯弹性体的抗冲蚀性能。随着硬度、拉伸模量和拉伸强度的增加，侵蚀率呈上升趋势。最柔软的材料具有最低的抗拉强度，产生最大的抗侵蚀磨损能力。在另一方面，哈钦斯等人的^[13]表明，没有橡胶弹性体磨损率与材料力学性能如肖氏硬度、配合拉伸伸长率和拉伸强度。回弹性是影响磨损最主要的因素。

聚氨酯弹性体的力学性能对其力学性能十分敏感温度的变化可能会很大，因此,温度在磨损试验过程中，上升可能会影响其抗冲蚀性PU是有害的，这在以前的研究中也有报道^{[3、7、9、12、14-17]}。然而，有多少研究表明重点设计了一种测试组件，用于研究工作温度对PU耐蚀性的影响，弹性体是有限的。Zuev等人^[18]研究了温度对橡胶弹性体侵蚀速率的影响。侵蚀当温度从20℃升高到70℃。在较高温度下弹性的增加建议用橡胶作为引起减薄的参数在侵蚀速率中。Marei等人报道过类似的在评价空气爆破对橡胶的腐蚀时，应注意事项在较高空气温度下的试验方案。人们发现提高了测试温度与试验温度的差值玻璃化温度越高，对橡胶的侵蚀越小率。应该指出的是，上述两项研究都没有其中，Zuev等人的^[18]和Marei等人的^[19]着重于确定的实际温度分布侵蚀测试。Hill等人^[14]对聚氨酯的磨损性能进行了评价通过使用磨损测试程序。气温上升在磨损试验过程中提高了钢的耐磨性弹性体的软化是造成这一结果的主要原因高温下硬度较低。另一方面，在其他研究中，PU的耐蚀性下降在高温下被报道^[3,9]。Zhang等人发现了^[9]结果表明，滞后引起的温升明显降低在冲蚀试验中对聚氨酯的耐蚀性进行了研究。由于聚氨酯导热系数低，产生的热滞后导致了地表下一层的温度升高。这较高的温度降低了材料间的粘聚能表面层和基材，最终导致较低的侵蚀阻力。Yang等人的^[3]表明，侵蚀速率增加通过增加聚氨酯厚度超过阈值水平。热产生的原因是滞后和随后的瞬变电磁法,温度升高被发现是厚度增加的原因。虽然有几项研究探讨的影响温度对聚氨酯弹性体的磨损性能有影响集中于开发测试程序集的若干研究在腐蚀试验过程中，温度的精确控制是有限的。进一步研究了热量和温度对温度的影响聚氨酯的耐磨性是获得知识和更大的基础了解材料的侵蚀机理提高温度，并确定影响的关键参数耐磨性。

本研究的目的是(i)设计和开发一种能够控制温度的腐蚀试验装置在磨损试验过程中，(ii)评价聚氨酯的耐磨性弹性体在控制温度和(iii)找到与冲蚀作用最相关的机械性能和聚氨酯弹性体在控制温度下的耐受性。

术语表

2 实验方法

2.1聚氨酯材料

对肖尔A硬度在55-85范围内的四种聚氨酯弹性体( RoPlasthan-1200-55A, RoPlasthan-1200-85A,RoCoat-3000-85A,Rocoat-3000M-85A)的侵蚀磨损性能进行了研究。选用厚度为7mm的PU板，以保证厚度不影响冲蚀结果，且在试验过程中性能不会显著降低^[5]。采用水射流切割机将聚氨酯试样切割成4836mm的截面。为了将PU样品附在腐蚀测试装置上。另外，用薄层粘合剂把这些样品粘在相同尺寸为48*48*3 mm的铝板上。采用扫描法测定了聚氨酯弹性体的玻璃化转变温度。采用宁氏量热法(DSC)对60-180℃的温度范围进行分析。

2.2侵蚀测试装配

为了评估聚氨酯弹性体在控制温度下的耐蚀性，基于ASTM的腐蚀试验装置H. Ashrafizadeh等/ Wear 368-369 (2016) 26-38 28研制了标准G76^[20]。测试设备根据ASTM标准G76的要求进行了轻微的修改，在侵蚀测试中加入了温度对PU的影响。采用冷态气体动态喷雾系统(“冷态喷雾”)在不同温度下加热和移动压缩空气，并使用气体加速腐蚀颗粒对PU表面的冲击。用于冲蚀试验的冷喷淋系统运行参数如表1所示。PU样品夹是由铜制成，配有两个盒式加热器(50w微型高温)盒式加热器, 麦克马斯特-卡尔，奥罗拉，美国)。温度控制器用于将铜立方体的温度保持在所需的设定值。图1显示了定制的冲蚀测试系统的原理图和总成。如图1所示,侵蚀进行了测试在30°角时产生影响,这个角是接近条件通常发现在实践中^[3],也从这一事实的最大侵蚀韧性材料,包括弹性体、发生在30°角产生影响^[5,15]。

表1冷喷涂系统参数

图1 (a)定制腐蚀试验装置示意图和(b)图像

通过将试样的质量损失与腐蚀颗粒的质量归一化，计算了磨损率。石榴石砂(印度泰米尔纳德邦超级石榴石，矿物)被选为腐蚀介质。图2为石榴石砂的形态。如图所示，沙粒的边缘是圆形的。通过图像分析测量石榴石砂颗粒的平均直径。平均直径的计算是通过平均线的长度通过物体质心在2°的间隔。石榴砂颗粒的平均尺寸是2667plusmn;49mm(n=159)。在本研究中，测量的个数(n)和标准差总是用平均值表示。

每种类型的PU分别在A、B、C条件下的三个不同的设定值下进行测试(见表2)，每种条件下至少评估两个样品的耐蚀性。在超过两个样本被测试的情况下，计算并报告标准偏差。PU样品由冷喷涂系统的热压缩空气和安装在铜板支架上的盒式加热器加热。表2总结了冷喷系统和铜支撑板中空气的设置点温度的详细信息。将PU样品从未暴露的表面用筒式加热器和铜板预热120秒。然后将试样在暴露表面与冷喷涂系统的空气(见图1)加热120 s，同时从未暴露表面与铜板支架接触加热。这就保证了温度在开始侵蚀试验之前，PU样品的表面要均匀。

图2 石榴石砂粒的形态

2.3温度测量

一个J型热电偶被插入到将要被侵蚀区域中心表面以下1.5 mm的PU基体中。采用数据采集系统采集插入式热电偶测得的瞬态温度数据。利用该热电偶获得的数据，对随后提出的有限元(FE)传热模型进行了验证，并研究了在侵蚀过程中摩擦力和滞后可能引起的温升。采用另一种j型热电偶对聚氨酯试样未暴露表面温度进行了测量，该热电偶位于聚氨酯与铝板之间未暴露表面以下。采用红外摄像机对PU样品的暴露表面温度进行了测量。将聚氨酯的暴露表面划分为12个正方形截面，将红外摄像机对准给定截面的中心，测量各截面的温度。在给定的测试条件下，对每个剖面进行了三次测量。得到的数据取平均值，并用于制定FE模型的边界条件。通过调整发射率系数，直到温度大致相同时，确定了指向PU表面的红外温度计设置所需的发射率由红外温度计和插入样品表面以下的热电偶测量。测定发射率为0.99。

表2详细介绍了聚氨酯试样各项测试条件的参数