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温度对聚氨酯弹性体力学性能和耐磨性影响的评估
H.Ashrafizadeh，P.Mertiny，A.McDonald
机械工程系，阿尔伯塔大学，埃德蒙顿，亚伯达，加拿大，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垫材料，可防止固体颗粒冲击造成的腐蚀。然而，由于热量对聚氨酯力学性能的影响，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种用于评估聚氨酯弹性体在受控温度下耐磨性的冲蚀试验装置。采用冷气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，并利用温度控制器、热电偶和管式加热器使试样未暴露表面的温度保持在所需的设定点。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会聚发散喷嘴流动的原理，采用模型确定了冲击颗粒的速度。测试了4种硬度值为55~85的聚氨酯弹性体.。通过拉伸试验和循环加载，对聚氨酯弹性体在室温和高温下的应力-应变行为进行了表征。结果表明，测试温度对聚氨酯弹性体的抗冲蚀性能有显著影响。通过对所研究的聚氨酯材料的应力-应变行为及其在控制温度下的抗冲蚀性能的比较，发现塑性变形和最终断裂伸长率是影响聚氨酯弹性体耐磨性的关键因素。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耐冲蚀性能的重要性。
关键词：侵蚀；操作温度；残余应变；聚氨酯弹性体；压力软化；温度分布
- 引言
固体颗粒侵蚀是由粒子流的作用将物质从目标表面去除的过程[1]。这种类型的侵蚀是一种典型的磨损方式，它对在航空、海洋、采矿、风能、石油和天然气等许多行业中遭受侵蚀性侵蚀环境的部件的寿命产生负面影响[1-3]。防护涂层可以用来延长暴露在腐蚀环境下的设备的使用寿命。在所有保护涂层的类型中，软弹性衬板由于具有优良的抗侵蚀性和相对较低的成本[4,5]因此被发现对工业应用是有效的。弹性体具有优异的抗腐蚀性能。这是由于其高回弹性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量[4,6]。在所有类型的弹性体材料中，聚氨酯（PU）弹性体得到了特别的重视，因为它们可以采用通常用于聚合物的方法加工，同时仍然具有硫化橡胶的优越的机械性能，如高弹性、高承载能力和抗撕裂能力[7]。聚氨酯弹性体的成本相对较低[7]，而且其耐磨性高于大多数聚合物[8]、橡胶[9]、不锈钢[8]、甚至硬面碳化钨-钴(WC-Co)涂层[10]，这使聚氨酯成为了在管道等大规模应用中用作防护涂层和衬板的适当选择[11]。虽然弹性体机械性能的耐磨性之间的关系一直是以往研究的主题，但它们的磨损现象已被发现是一个复杂的过程，涉及许多影响最终磨损性能的参数[4,5]。Ping等人[10]表明具有相近拉伸强度和撕裂强度的两个相同聚氨酯试样的侵蚀速率不同，这可能是由于两种试样断裂伸长率不同所致。Beck等人[12]表明硬度相近的聚氨酯试样具有不同的侵蚀速率。假定样品滞后的变化是影响聚氨酯侵蚀速率的因素。聚合物的滞后表示变形周期中损失的分数能量。滞后较高的试样具有较高的侵蚀率。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影响。这表明由于较高的发热量而引起的温度变化可能会对聚氨酯弹性体的磨损率产生不利影响。在Li等人的综合研究中[4]。研究了具有几乎相同回弹值的一系列可浇注聚氨酯弹性体的抗侵蚀性能。随着硬度、拉伸模量和抗拉强度的增加，冲蚀速率呈上升趋势。最低抗拉强度的最柔软的材料产生最大的抗侵蚀磨损性。另一方面，Hutchings等人[13],表明橡胶弹性体的磨损率与材料和力学性能的关系，如邵氏硬度、极限拉伸强度和抗拉强度之间没有简单的关系。回弹值是影响橡胶弹性体耐磨性的主要因素，回弹值越高的橡胶抗冲蚀能力越强。
聚氨酯弹性体的力学性能对温度很敏感，甚至可以通过将温度仅改变大约50°C，而发生显著变化，因此，磨损试验期间的温升可能会对聚氨酯的抗侵蚀性能产生不利影响，这在以往的研究中作过报道[3,7,9,12,14-17]。然而，专注于设计一个测试组件，以研究工作温度对聚氨酯和一般弹性体抗侵蚀性能的影响，但研究的数量有限。Zuev等人[18]。研究了浆料温度对橡胶弹性体冲蚀率的影响。当温度从20°C提高到70°C时，磨损率下降，橡胶在较高温度下增加弹性被认为是导致侵蚀速率降低的参数。Marei等人[19]。报道了在空气温度升高的情况下评估空气爆炸试验方案中橡胶侵蚀的相似现象。结果表明，橡胶的测试温度与玻璃化转变温度的差值越大，侵蚀速率越低。应当指出的是，上述关于Zuev等人的研究都没有[18]。和Marei等人[19]。着重于在确定侵蚀试验期间样品内的实际温度分布。Hill等人。[14]通过采用磨损试验工序评估聚氨酯的磨损性能。磨损测试期间的温升提高了弹性体的耐磨性，这是由于聚氨酯在高温下软化和硬度降低所致。另一方面，在其他研究中，随温度升高聚氨酯的抗侵蚀性下降[3,9]。Zhang等人[9]。在侵蚀实验中，发现滞后引起的温度上升降低了聚氨酯的抗侵蚀性能。由于聚氨酯的低导热性，滞后产生的热量会导致表面下层中的温度升高。这种较高的温度降低了表层与基体之间的结合能，最终导致抗侵蚀性降低。Yang等人[3]。结果表明，通过增加聚氨酯厚度超过阀值水平，侵蚀速率增加。发现由迟滞和随后的温升引起的热量是侵蚀速率增加的原因。虽然有几项研究已经解决了温度对聚氨酯弹性体磨损性能的影响，但专注于开发用于在侵蚀期间精确控制温度的测试组件的研究数量是有限。进一步研究热和温度对聚氨酯材料磨损性能的影响，对于获得有关材料在高温下侵蚀机理的知识和更深入的了解并确定影响耐磨性的关键参数至关重要。
本研究的目的是：(1)设计和开发一套能在磨损试验中控制温度的冲蚀试验装置；(2)评价聚氨酯弹性体在受控温度下的耐磨性；(3)寻找与聚氨酯弹性体在受控温度下的耐冲蚀性能有关的力学性能。
2. 实验方法
2.1. 聚氨酯材料
研究了4种硬度在55~85范围内的聚氨酯弹性体(RoPlasthan-1200-55A, RoPlasthan-1200-85A, RoCoat-3000-85A,and RoCoat-3000M-85A(Castable), Rosen Group, Lingen, Germany)的耐冲蚀磨损性能。选择了7mm的聚氨酯板厚度，以确保厚度不影响侵蚀结果，并在试验期间不明显减少[5]。采用水射流切割机(OMAX 2652 JetMachining Center, OMAX Corporation, Kent, WA, USA)将聚氨酯样品切割成48times;36 mm的切片。为了将聚氨酯试样附着到冲蚀试验设备上，试样用一层薄的胶粘剂(3M DP460, 3M Scotch-Weld, St. Paul, MN, USA)，与尺寸为48times;48times;3mm的铝板结合。采用差示扫描量热法(DSC)测定了聚氨酯弹性体的玻璃化转变温度，温度范围为-60~180°C(DSC Q100 V9.8, TA Instruments, New Castle, DE, USA)。
2.2. 冲蚀测试装置
为了评估聚氨酯弹性体在控制温度下的抗冲蚀性能，开发了一种基于ASTM标准G76[20]的冲蚀试验装置。该测试设备从ASTM标准G76的要求中略作修改，以结合侵蚀试验中聚氨酯温度的影响。采用冷气动力喷雾系统(“冷喷雾”) (SST Series P, CenterLine Ltd., Windsor, ON, Canada)在不同温度下加热和移动压缩空气，并将气体用于加速颗粒撞击聚氨酯表面。表1概述了用于冲蚀试验的冷喷涂系统的运行参数。聚氨酯样品架是用铜制成的，配有两个筒式加热器(50 W Miniature High Temperature Cartridge Heater (D 1/8ʺ 1 1/4ʺ), McMaster-Carr, Aurora, OH,USA)。温度控制器(CNI8A42, Omega Engineering Inc., Stamford, CT, USA)被用来维持铜立方体的温度在所需的设定点。图1显示了定制腐蚀试验系统的原理图和组装。如图所示，冲蚀试验是在冲蚀角度为30°下进行的，因为这一角度接近于实际[3]中通常发现的条件，而且也是因为包括弹性体在内的延性材料的最大冲蚀发生在30°[5,15]的冲蚀角上。
表 1
冷喷涂系统参数
压缩空气压力 (kPa) 435
压缩空气温度(°C) 25, 75, 125
靶距(mm)常见接管长度22(mm) 70
主喷管喉道直径(mm) 2.5
喷嘴输出口径(mm) 5.4
图1 （a）原理图和（b）定制侵蚀测试装置的图像
在冲蚀试验前后，通过精度为plusmn;1mg的天平称重聚氨酯式试样 (Adventurer Pro AV313,OHAUS Corporation, Parsippany, NJ, USA)。通过将试样的质量损失与侵蚀颗粒的质量进行归一化，计算出磨损率。石榴石砂 (Super Garnet, V.V. Mineral, Tamil Nadu, India)被选为侵蚀介质。图2显示了石榴石砂的形态。如图所示，沙粒在侧面呈圆形。采用图像分析方法测定石榴石砂颗粒的平均粒径(ImagePro, Media Cybernetics, Bethesda, MD, USA)。平均直径是通过2°间隔穿过物体质心的线的平均长度来计算的。石榴石砂颗粒平均粒径为266plusmn;49 (n=159)。在这项研究中，测量的次数(N)和标准差总是用平均值表示的。
图2 石榴石沙粒的形态
表 2
聚氨酯样品每一测试条件的详细参数
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资料编号：[9178]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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测试条件 参数 |
条件 A |
条件B |
条件 C |
|
目标聚氨酯温度 (°C) |
22 |
60 |
100 |
|
空气压力 (kPa) |
435 |
435 |
435 |
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冷喷雾操作台设定温度(°C) |
25 |
75 |
125 |
|
温度控制器设定温度 (°C) |
25 |
65 |
105 |
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预热阶段背火面 (s) |
120 |
120 |
120 |
|
预热阶段未暴露表面和暴露表面 (s) |
120 |
120 |
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