ارزیابی تاثیر دما بر خواص مکانیکی و مقاومت سایشی الاستومرهای پلی یورتان
پلی یورتان از مقاومت سایشی عالی برخوردار است و یک پوشش و آستر محافظ موثر در برابر فرسایش ناشی از تاثیر ذرات جامد محسوب می شود. با این حال، مقاومت سایشی پلی یورتان به دلیل تاثیر گرما بر خواص مکانیکی آن، تابعی از دمای اجرا شده است. در این مطالعه، یک مجموعه آزمایشات فرسایشی به منظور ارزیابی مقاومت سایشی الاستومرهای پلی یورتان ها در دماهای کنترل شده طراحی و توسعه داده شدند. برای انجام این آزمایشات فرسایشی از یک سیستم اسپری دینامیک گاز سرد استفاده شد. دمای سطح جلویی در معرض مواد مورد نظر با تنظیم دمای گاز سیستم سیستم اسپری سرد کنترل شد و دمای سطح نمونه های بدون مواجهه را با استفاده از یک کنترل کننده دما، ترموکوپل و هیترهای کارتریج در یک نقطه تنظیم مطلوب ثابت نگه داشت. توزیع دمای انتقال در نمونه ها با توسعه یک مدل عنصر محدود سه بعدی تعیین شد. سرعت ذرات موثر با مدل مبتنی بر اصول جریان سیال مافوق صوت ازطریق یک نازل واگرا-همگرا تعیین شد. چهار الاستومر پلی یورتان با مقادیر سختی Shore A بین 85-55 مورد بررسی قرار گرفتند. رفتار تنش-کرنش الاستومرهای پلی یورتان در دمای محیط و دمای بالا با انجام آزمایشات کششی و بارگذاری های چرخه ای مشخص شد. نتایج به دست آمده از این مطالعه نشان دهنده تاثیر قابل ملاحظه دمای آزمایش بر مقاومت سایشی الاستومرهای PU است. مقایسه رفتار تنش-کرنش پلی یورتان های مطالعه شده با مقاومت فرسایشی آنها در دماهای کنترل شده نشان داد که کرنش پسماند ناشی از تغییر شکل پلاستیک و کشیدگی نهایی در حین شکست، پارامترهای کلیدی موثر بر مقاومت سایشی الاستومرهای پلی یورتان هستند. ارزیابی مورفولوژی سطح نمونه های فرسوده تاثیر کرنش پسماند بر مقاومت فرسایشی الاستومرهای پلی یورتان را تایید کرد.
فرسایش ذرات جامد فرایندی است که در آن مواد با تاثیر جریان ذرات از سطح هدف حذف می شوند. این نوع فرسایش یک حالت سایش معمولی است که بر میزان عمر مفید قطعات مورد استفاده در صنایع مختلف من جمله هوافضا، دریایی، معدن، انرژی بادی، نفت و گاز در مواجهه با آسیب های محیطی تاثیر منفی می گذارد. برای افزایش طول عمر تجهیزات در مواجهه با محیط های فرسایشی می توان از عایق های محافظ استفاده کرد. از بین انواع عایق های محافظ، آسترهای الاستومری نرم به دلیل مقاومت عالی در برابر فرسایش و هزینه نسبتا کم برای مصارف صنعتی مناسب هستند. مقاومت فرسایشی عالی الاستومرها نتیجه انعطاف پذیری بالا و تمایل آنها به تغییر شکل الاستیک است که امکان جذب انرژی ضربه را با حداقل تغییر شکل پلاستیک فراهم می کند. از میان انواع مواد الاستومری، الاستومرهای پلی یورتان (PU) به خوبی مورد توجه قرار گرفته اند زیرا می توان آنها را با روش هایی پردازش کرد که معمولا برای پلیمرها استفاده می شوند، در حالی که هنوز از خواص مکانیکی برتر لاستیک ولکانیزه مانند الاستیسیته بالا، ظرفیت بارگذاری بالا و مقاومت سایشی برخوردار هستند. با وجود هزینه نسبتا پایین الاستومرهای PU و این واقعیت که مقاومت سایشی آنها بیشتر از بسیاری از پلیمرها، لاستیک ها، فولادهای ضد زنگ و حتی پوشش های سخت کاربید تنگستن-کبالت (WC-Co) است؛ PU را به گزینه ای مناسب در تولید پوشش محافظ و آستر برای کاربردهای بزرگ مانند خطوط لوله تبدیل کرده است. اگرچه رابطه بین مقاومت سایشی الاستومرها و خواص مکانیکی آنها موضوع مطالعات قبلی بوده است، روند سایشی آنها فرایند پیچیده ای است که شامل پارامترهای زیادی می شود که عملکرد سایش نهایی را تحت تاثیر قرار می دهند. پینگ و همکارانش نشان دادند که دو نمونه PU با استحکام کششی و سایشی مشابه نرخ فرسایشی متفاوتی داشتند که احتمالا به دلیل تفاوت ازدیاد طول در حین شکست دو نمونه بود. همچنین بک و همکارانش اثبات کردند که نمونه های PU با سختی مشابه نرخ فرسایش متفاوتی داشتند. فرض بر این بود که تغییر هیسترزیس نمونه ها عامل موثر بر نرخ فرسایش PU باشد. هیسترزیس یک پلیمر نشان دهنده انرژی کسری از دست رفته در یک چرخه تغییر شکل است. نمونه ها با هیسترزیس بالا نرخ فرسایش بالاتری داشتند. افزایش دما ناشی از هیسترزیس نمونه های پلی یورتان برای تاثیر بر نرخ فرسایش PU پیشنهاد شد که نشان می دهد تغییر دما به دلیل ایجاد گرمای بیشتر می تواند تاثیر منفی بر نرخ سایش الاستومرهای PU داشته باشد.
در این مطالعه، یک سری آزمایشات فرسایشی با هدف بررسی مقاومت سایشی نمونه های پلی یورتان در دماهای کنترل شده طراحی و توسعه یافته اند. از یک سیستم اسپری دینامیک گاز سرد هم برای فعال کردن آزمایشات فرسایش استفاده شد. سرعت محیط پراکندگی با استفاده از یک مدل تحلیلی براساس جریان یک گاز تراکم پذیر ازطریق نازل اسپری سرد تعیین شد. توزیع دما در نمونه های پلی یورتان در حین آزمایشات فرسایشی با استفاده از مدل انتقال حرارت مبنی بر تحلیل محدود محاسبه شد. اعتبار مدل هم با مقایسه دمای محاسبه شده با داده های تجربی که توسط ترموکوپل اندازه گیری شده بود، تایید شد. توزیع دمایی محاسبه شده نشان داد که دمای نقطه فرسایش در آزمایشات انجام شده در دماهای بالا به طور یکنواخت نزدیک به 60 و 100 درجه سانتیگراد بود. ارزیابی مقاومت سایشی الاستومرهای پلی یورتان در دماهای کنترل شده نشان داد که این الاستومرها رفتار مشابهی از خود نشان نمی دهند. دو مورد از الاستومرهای پلی یورتان آزمایش شده بهبود نرخ فرسایش در دمای 60 درجه سانتیگراد را نشان دادند در حالی که دیگر الاستومرها افزایش نرخ فرسایش را نشان دادند. در دمای 100 درجه، افزایش نرخ فرسایش برای تمام الاستومرهای پلی یورتان مورد مطالعه مشاهده شد. ارزیابی خواص مکانیکی این الاستومرها نشان داد که بهبود نرخ فرسایش در دمای 60 درجه ناشی از بهبود توانایی ماده در بازیابی حالت اولیه خود پس از تغییر شکل است. این رفتار با محاسبه مجموعه ای الاستومرهای پلی یورتان مطالعه شده برای بارگذاری چرخه ای مورد بررسی قرار گرفت. همچنین مشخص شد که اگرچه رابطه ساده ای بین ازدیاد طول در هنگام شکست و سرعت فرسایش وجود ندارد، اما مشخص است که ازدیاد طول در حین شکست یکی از پارامترهای موثر بر مقاومت سایشی نهایی و مورفولوژی سطوح فرسوده است. علاوه بر مطالعه تاثیر دمای فعالیت بر عملکرد فرسایش الاستومرهای پلی یورتان، این مطالعه امکان بررسی دقیق تر مکانیسم های فرسایش این الاستومرها را فراهم کرده و کرنش پسماند و ازدیاد طول در حین شکست را بعنوان پارامترهای کلیدی موثر بر مقاومت سایشی الاستومرهای پلی یورتان معرفی کرد.
