聚天冬氨酸酯聚脲弹性体在抗空蚀领域的应用研究

1、聚天冬氨酸酯聚脲弹性体在抗空蚀领域的应用研究第49卷第11期2011年11月上海涂料SHANGHAIC0ATINGSVo1.49No.11NOV.2011聚天冬氨酸酯聚脲弹性体在抗空蚀领域的应用研究李宁刘兰轩张迎平.苗毅史锋刘秀生(1.海军驻葫芦岛431厂军事代表室,辽宁葫芦岛125004;2.武汉材料保护研究所,430030)摘要:空蚀是水力机械和水工建筑的主要破坏形式之一.研制了一种聚天冬氨酸酯聚脲弹性体材料,制成涂层后,在空蚀模拟试验机上进行抗加速空蚀性能研究.结果表明:研制的聚天冬氨酸酯聚脲弹性体材料与改性环氧树脂材料和刚性聚天冬氨酸酯聚脲材料相比,具有更优异的抗空蚀性能,在水工领域具

2、有广阔的应用前景.关键词:聚天冬氨酸酯聚脲;弹性体材料;抗空蚀性能中图分类号:TQ630.7文献标识码:A文章编号:10091696(2011)11-0017一O30引言聚脲是在聚氨酯基础上发展形成的一种新型环保材料,聚天冬氨酸酯聚脲是其发展的最新阶段.与传统聚脲相比,聚天冬氨酸酯由于空间位阻的原因,与异氰酸酯组分反应速度缓慢,由其制备的涂层对底材有更好的浸润性,且涂层缺陷少,其凝胶时间可调.空蚀是水力机械和水工建筑的主要破坏形式之一.它是由水流内部尚未溶解的空气或蒸汽气核在低压区失稳后形成气泡,再由高速水流的高度紊动,被随流带走.当带到下游高压区时,由于内外压差迫使气泡突然溃灭,气泡溃灭过程

3、时间极短,只有几百分之一秒,致使周围水流质点的动量在几乎无穷小的时间内发生较大变化,从而产生了巨大的冲击力,最高可达上万个大气压I23o这种巨大的冲击力不停地冲击着固体边界,给固体表面造成严重的剥蚀.本文合成了一种聚天冬氨酸酯聚脲弹性体,制备成涂层后,进行空蚀实验,与另外两种聚合物涂层的抗空蚀性能进行比较.目前,实验室条件下研究空蚀的设备主要有文丘里管,旋转圆盘,压电陶瓷超声波振动空蚀设备以【收稿日期】2011-0919及磁致伸缩仪.其中,磁致伸缩仪使静止的水流产生振荡型空化从而使试样表面产生破坏,空蚀速率快,效率高.本文采用磁致伸缩仪进行空蚀实验.1抗空蚀材料的制备1.1试样A增韧环氧树脂改

4、性的128环氧树脂,固化剂为T31和650的混合物;固化时间24h,室温下养护7d.1.2试样B刚性聚脲涂层Desmophen聚天冬氨酸酯,Desmodur异氰酸酯;固化时问15min,室温下养护7d.1.3试样C自制聚天冬氨酸酯聚脲弹性体涂层1.3.1聚天冬氨酸酯的合成在5560qC的温度范围内,将等摩尔的马来酸二乙酯缓慢滴加到端氨基聚醚中,滴加完毕后,在6570C范围内继续反应24h,制得淡黄色透明液体.1.3.2异氰酸酯预聚体的合成在7075的温度范围内,将0.1mol聚四氢呋喃醚滴加到0.4toolDesmodur异氰酸酯中,滴加完毕后,在7580的温度范围内继续反应4h,制得无l8上

5、海涂料第49卷色透明的黏性液体.1.3.3聚脲弹性体涂层的制备混合次甲基双邻氯苯胺(MOCA)与合成的聚天冬氨酸酯,固化剂为合成的异氰酸酯预聚体,固化时间20min,室温下养护7d.2空蚀实验实验设备主要由2部分构成,分别是超声波发生器与超声波振动系统.其中,超声波振动系统主要包括换能器,变幅杆,声波发射端.实验采用的磁致伸缩仪振动频率为20kHz.本实验中,将3种材料分别涂覆在实验头表面,待固化养护后,作为声波发射端进行实验.实验头直径为25mm,不计固定螺纹部分高为8mm,为安装方便,在对称边缘处分别切去2mm,如图1所示.;I一Il+ol图1实验头尺寸Figure1Thesizeofte

6、stpart实验前试样的表面形貌如图2所示.其中,试样A为改性环氧涂层,表观为透明状;试样B为刚性聚脲涂层,表观为透明状,与试样A相似;试样c为自制聚脲弹性体涂层,表观为淡黄色不透明状.试样A(改性环氧)试样B(刚性聚脲)试样C(自制聚脲弹性体)图2实验前试样Figure2Thesimplestatusbeforetest实验中,端面浸没水深在4mm左右,容器为500mL烧杯,实验介质为蒸馏水.超声波发生器的电压设定在200V,工作电流在0.70.9A.3个试样均在此功率下进行空蚀实验.实验中,由于声波的衰减损失转化为热能,导致烧杯中的水温升高,而且从试样表面空蚀脱落的材料微粒,会随着烧杯中水

7、的循环,对试样表面造成冲蚀破坏l4.为降低温度及脱落材料微粒对空蚀本身的影响,保证烧杯中的水温在2040之间,烧杯中的水0.5h更换1次.实验中,试样端面气泡的分布如图3所示.图3空蚀实验中试样端面气泡分布Figure3ThebubbledistributiononSuraeeduringthecavitationtest3结果与讨论本文选取的3种材料中,改性环氧制备的试样A在进行0.5h的空蚀实验后,表面出现雪花状破坏.由刚性聚脲制备的试样B在进行1h的空蚀实验后,表面完全碎裂,呈碎玻璃状破坏.自制的聚脲弹性体涂层试样c在经过20h的空蚀实验后,表面仅出现呈规律分布的中间深,周围浅的空蚀坑,

8、整体完好,抗空蚀能力远远优于前2种材料.试样进行空蚀实验后的破坏状况如图4所示.试样A(改性环氧)试样B(刚性聚脲)试样c(自制聚脲弹性体)图4实验后试样表面破坏状况Figure4Thefailurestatusofsimplesurfaceaftertest3种材料的力学性能如表1所示.由表1可见:试样c的拉伸强度远优于试样A和试样B,其抗空蚀性能也远远优于试样A和B.试样A表面涂层为改性环氧树脂,具有一定的弹性,但材料强度相对不高,故在较短的实验时间后,表面即产生雪花状破坏,有第1l期李宁,等:聚天冬氨酸酯聚脲弹性体在抗空蚀领域的应用研究19若干呈环状分布的空蚀坑,表面的破坏形状与实验时的

9、气泡分布基本一致.试样B表面涂层为刚性聚脲材料,此材料硬度较大,但是材料强度相对不高,在外力作用下,涂层完全碎裂,如同玻璃被打碎一样,表面破坏情况与实验时的气泡分布不一致.试样c表面涂层为自制聚脲弹性体材料,其力学性能远优于前2种材料,表现出较好的抗空蚀能力,其破坏状况为中间有2处明显的空蚀坑,外围的空蚀坑呈发散状分布,而且越靠近试样边缘,空蚀坑越浅,其破坏状态与45钢的空蚀破坏状况类似胡.表13种试样的力学性能Table1Themechanicalpropertiesofthreesimples实验结果表明:刚性聚合物材料,在空蚀作用下,产生脆性破坏,涂层体系会在某个临界点崩溃,材料的力学性

10、能越差,这个临界点需要的能量越小;有一定韧性的聚合物材料,更适合用作抗空蚀材料,在空蚀作用下,材料表面发生弹性变形,吸收冲击功,缓冲空蚀作用力,从而减轻其在空蚀部位产生的对应破坏,材料的力学强度越好,这个破坏越缓慢.4结语本实验对几种高分子材料进行了抗空蚀实验,结果表明:柔性高分子材料比刚性高分子材料的抗空蚀性能要高出许多倍,且材料的抗拉强度越高,其抗空蚀能力越强.聚天冬氨酸酯聚脲弹性体作为一种性能优良的聚合物材料,在抗空蚀领域有一定的应用前景.参考文献1李伟,梁川.水利水电工程抗空蚀材料研究新进展J.四川水力发电,2000,19(2):79812EvertKlaseboera,CaryK.T

11、urangana,BooCheongKhoob.DynamicBehaviorofaBubbleNearanElasticInfiniteInterfaceJ.InternationalJournalofMultiphaseFlow,2006,32(9):111011223黄继汤.空化与空蚀的原理及应用M.北京:清华大学出版社,199l4LuoJing,LiJian,DongGuang-neng.Two-DimensionalSimulationoftheCollapseofVaporBubblesNearaWallJ.JournalofFluidsEngineering,2008,8(6):

12、211-2155罗经.气蚀破坏行为与超声空化的特征研究D.机械科学研究总院.20086宋玉苏,姚树人,郑淑贞.高分子涂料的防穴蚀性能J.腐蚀与防护,2000,21(4):1761787梁川,李伟.浑水空化流场对复合材料(FRT)的蚀损J.水利水电技术,2003.34(5):17198柳伟,郑玉贵,姚治铭,等.金属材料的空蚀研究进展J.中国腐蚀与防护学报,2001,21(4):250255ApplicationResearchofPolyaspartatePolyureaElastomerintheAnticaVitatiOnFieldLINing,LIULan-xuan,ZHANGYing-p

13、ing,MIAOYi,SHIFeng,LIUXiu-sheng(1.JpNavyRepresentativeOfficein431thFactory,LiaoningHuludao,125004,China;2.WuhanResearchInstituteofMaterialsProtection,430030,China)Abstract:Thecavitationerosionisoneofthemainerosionmannersonthehydraulicmachinesandbuildings.Apolyaspartatepolyureaelastomermaterialwasdeveloped,whichwasappliedinanticavitationtest.Theresultsshowedthatcomparedwiththemodifiedepoxymaterialsandrigidpolyaspartatepolyureamaterials,the