Введение
Полиуретановые покрытия широко применяются на валах бумагоделательных машин (БМ). Их используют в сеточной, прессовой частях на валах мягких каландров, насетко-, сукно- и бумаговедущих валах. Покрытия выполняют антикоррозионную и технологическую функции. Современный процесс производства бумаги невозможен без использования полимерных покрытий валов, в частности, полиуретановых. Наиболее нагруженная часть бумагоделательной машины – прессовая, в которой покрытия валов подвергаются большим линейным давлениям, температуре и другим воздействиям, оказывающим прямое влияние на срок службы покрытий и качество выпускаемой продукции. Температура в прессовых частях БМ составляет 50 0С – 70 0С, порой может доходить до 90 0С. Воздействие высоких температур даже на протяжении короткого времени приводит к уменьшению прочностных качеств покрытий и соединения «металл-полимер» [3]. Поэтому в настоящее время предъявляются жесткие требования к покрытиям валов. Одно из таких требований – сохранение своих физико-механических свойств в широком диапазоне температур [5]. Несоблюдение этого требования приводит к изменению технологических параметров производства бумаги – изменению площадки контакта валов. А это в свою очередь приводит к изменению напряженного состояния в покрытии, что приводит к снижению его долговечности. Исследование напряженного состояния покрытий рассмотрено в статье [4]. При изготовлении и эксплуатации покрытия важно знать, как оно ведет себя в этих условиях. Чтобы при изготовлении учесть этот факт и выбрать материал с наилучшими физико-механическими характеристиками, а при эксплуатации назначить требуемые параметры режима работы.
В качестве показателя, характеризующего физико-механические свойства, используется твердость. Достоинства данного параметра состоят в простоте измерения, воспроизводимости, малой трудоемкости, ее измерение не приводит к повреждению детали.
Для определения твердости полиуретана используют метод Шора. Твердость полиуретанов измеряют дюрометрами двух типов: дюрометром типа A – более мягкие материалы, дюрометромтипа D – более твердые [1]. Если измеренное значение твердости больше 90 А, то материал твердый, и для оценки его твердости необходимо использовать дюрометр типа D, и если меньше 20 D,то материал мягкий, и следует использовать дюрометр типа А.
Производители материала дают информацию о его твердости при трех температурах: -5 0C, +20 0Си +80 0С. Причем изменение твердости в этом диапазоне температур существенно. Так, например, для полиуретана твердостью 65 ШорА разница составляет 20 единиц (при температуре -5 0С твердость 73 Шор А, при температуре +80 0С – 53 ШорА). С увеличением твердости эта разница уменьшается. Для полиуретана твердостью 85 Шор А она составляет 16 единиц.
В данной статье описываются экспериментальные исследования по определению твердости в интервале температур от +45 0С до +120 0С; проводится анализ полученных данных, приводятся рекомендации по выбору покрытий.
Экспериментальные исследования проводим на базе научно-производственного предприятия «Уником-Сервис» г. Первоуральск. На предприятии выпускается продукция из полиуретана, в частности, валы бумагоделательных и текстильных машин, оборудования металлургического комплекса и другого технологического оборудования, гуммированные полиуретаном.
Образцы имеют цилиндрическую форму, их диаметр 90мм, а толщина 10мм, дата заливки – январь 2013 года.
При экспериментах используется следующее оборудование: пирометр Center 350 с диапазоном измерения температуры −20…500 °C и погрешностью ±2°С; электрическая печь с регулятором температуры; дюрометр типа А; дюрометр типа Д.
Ход эксперимента. Образцы плавно нагреваются в электрической печи до требуемой температуры, выдерживаются при этой температуре 30 минут для равномерного прогрева по всей толщине. После извлечения из печи инфракрасным пирометром фиксируется температура образца и производится замер твердости. Данные заносятся в таблицу, строятся графики изменения твердости в зависимости от температуры материала образца.
Данные измерений для образца твердостью 74 Шор Dсведены в таблицу 1.
Таблица 1
Твердость образца при изменении температуры
|
Твердость, ШорDпо ГОСТ [1] |
Температура, 0С |
|||||||
|
74 Шор D |
120 |
115 |
110 |
105 |
100 |
95 |
90 |
85 |
|
57 |
59 |
61 |
63 |
64 |
64 |
64 |
64 |
|
|
80 |
75 |
70 |
65 |
60 |
55 |
50 |
45 |
|
|
64 |
67 |
69 |
69 |
70 |
70 |
71 |
71 |
|
Данные измерений для образцов с твердостями 85 ШорА, 91 Шор А и 97 Шор А сведены в таблицу 2.
Таблица 2
Твердость образцов при изменении температуры
|
Твердость, ШорAпо ГОСТ [2] |
Температура, 0С |
|||||||
|
85 ШорА |
120 |
115 |
110 |
105 |
100 |
95 |
90 |
85 |
|
78 |
79 |
80 |
80 |
81 |
82 |
82 |
82 |
|
|
80 |
75 |
70 |
65 |
60 |
55 |
50 |
45 |
|
|
82 |
82 |
82 |
82 |
84 |
84 |
84 |
84 |
|
|
91 ШорА |
120 |
115 |
110 |
105 |
100 |
95 |
90 |
85 |
|
74 |
76 |
77 |
77 |
78 |
82 |
82 |
82 |
|
|
80 |
75 |
70 |
65 |
60 |
55 |
50 |
45 |
|
|
82 |
82 |
82 |
82 |
82 |
83 |
83 |
83 |
|
|
97 ШорА |
120 |
115 |
110 |
105 |
100 |
95 |
90 |
85 |
|
88 |
89 |
90 |
91 |
92 |
92 |
92 |
93 |
|
|
80 |
75 |
70 |
65 |
60 |
55 |
50 |
45 |
|
|
93 |
93 |
93 |
93 |
94 |
94 |
94 |
94 |
|
Полученные экспериментальные данные необходимо аппроксимировать функцией. Степень близости аппроксимации экспериментальных данных выбранной функцией оценивается коэффициентом детерминации R2. Чем ближе значение коэффициента детерминации R2 к 1, тем функция лучше описывает экспериментальную кривую.
Твердость образца (85 Шор А) при изменении температуры представлена в виде графика на рис.1.
Рис.1. Изменение твердости образца (85 ШорА)
Экспериментальная кривая аппроксимируется полиномом третьей степени с коэффициентом детерминации R2 = 0,929:
(1)
Твердость образца (91 Шор А) при изменении температуры представлена в виде графика на рис. 2.
Рис. 2. Изменение твердости образца (91 ШорА)
Экспериментальная кривая аппроксимируется линейной функцией с коэффициентом детерминации R2 = 0,816:
(2)
Твердость образца (97 Шор А) при изменении температуры представлена в виде графика на рис. 3.
Рис. 3. Изменение твердости образца (97 ШорА)
Экспериментальная кривая аппроксимируется линейной функцией с коэффициентом детерминации R2 = 0,878:
(3)
Твердость образца (74 Шор D) при изменении температуры представлена в виде графика на рис. 4.
Рис. 4. Изменение твердости образца (74 Шор D)
Экспериментальная кривая аппроксимируется линейной функцией с коэффициентом детерминации R2 = 0,94:
(4)
Таким образом, в ходе эксперимента были получены данные изменения твердости полиуретанов, используемых в качестве покрытий валов БМ, при повышении температуры материала. Эксперименты показали, что в пределах рабочей температуры прессов 60–90 0С образцы с твердостью 85 ШорА, 91 ШорА, 97 ШорА показывают стабильную твердость, но эта твердость существенно меньше заявленной твердости, измеренной по ГОСТ [2]. Разность между заявленной твердостью (по ГОСТ) и твердостью, полученной для диапазона рабочих температур прессов для материала с твердостью 85 ШорА – 3 единицы по ШорА, для материала с твердостью 91 ШорА – 9 единиц по ШорА, для материала с твердостью 97 ШорА – 4 единицы по ШорА.
Образец с твердостью 74 ШорD показал не стабильную в диапазоне температур работы прессов твердость, которая снижается с 70 ШорD при температуре 60 0С до 64 ШорD при температуре 90 0С.
Эксперименты показали, что при выборе материала покрытия необходимо учитывать изменение твердости. Это позволит повысить эффективность работы полиуретановых покрытий и увеличить срок их службы.
Рецензенты:
Вураско Алеся Валерьевна, доктор технических наук, профессор кафедры химии древесины и технологии ЦБП, УГЛТУ, г. Екатеринбург.
Старжинский Валентин Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры охраны труда, УГЛТУ, г. Екатеринбург.