Исследование износостойкости полиуретановых подошвенных материалов различными методами

УДК 685.34.073.22                                      

Одним из важных показателей качества обуви является ее надежность (эксплуатационные свойства). Весомость этого показателя в группе потребительских свойств при оценке конкурентоспособности обуви достаточно высока.

Как известно, надежность обуви зависит от износостойкости деталей обуви и прочности их соединений. Так как в данной работе речь идет о полиуретановых подошвенных материалах как детали обуви, а не обувь в целом рассматривается, то основным показателем надежности будет являться сопротивление истиранию.

Необходимо также отметить, что сопротивление истиранию является одним из основных эксплуатационным показателем, регламентированным различными ТНПА, прописанными в характеристиках материалов в справочной литературе и проспектах большинства производителей полимерных материалов для низа обуви.

Целью работы является оценка сопротивления истиранию полимерных подошвенных материалов различными методами.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования являются подошвенные материалы на основе отходов пенополиуретана (ППУ), получение которых включает в себя следующие операции:

• -    подготовку отходов ППУ, пластификатора и стабилизатора и их взвешивание;

• -    измельчение отходов ППУ с помощью однороторной дробилки Alpine A 40/63-5-3;

• -    смешивание измельченных отходов в лопастной мешалке с другими ингредиентами;

• -   переработку материала с помощью шнекового

экструдера ЭШПО-75Н4;

• -   измельчение полуфабриката до размеров

гранул 2–4 мм;

• -    литье изделий при температурах 150–180 ºC с помощью литьевого агрегата SP 345-3 фирмы Main Group.

Данный объект исследования выбран исходя из того, что в работе [1] в результате исследования образцов на износостойкость установлено, что наивысшее значение сопротивления истиранию имеет монолитный образец на основе отходов ППУ.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Большинство методов и средств испытаний на износостойкость созданы давно (более 50 лет назад) и были адаптированы к имеющимся в то время материалам для подошв – натуральным кожам и резинам. Для определения показателя износостойкости подошвенных материалов применяются несколько ТНПА, которые описывают методику и средства испытания, среди них:

• -    ГОСТ 23509-79 (ИСО 4649–85). Резина. Метод определения сопротивления истиранию при скольжении по возобновляемой поверхности [2];

• -    ГОСТ 426-77. Резина. Метод определения сопротивления истиранию при скольжении [3];

• -    ГОСТ 11012-2017. Пластмассы. Метод испытания на абразивный износ [4];

• -    ГОСТ 12251-77. Резина. Метод определения сопротивления истиранию при качении с проскальзыванием [5];

• -    ГОСТ 11629-2017. Пластмассы. Метод определения коэффициента трения [6].

На сегодняшний день стандартами на материалы для низа обуви регламентируются значения, полученные по методике ГОСТ 426-77. Сущность метода заключается в истирании 2 образцов, прижатых к абразивной поверхности вращающегося с постоянной скоростью диска, при постоянной нормальной силе (26 Н) и определении показателей сопротивления истиранию или истираемости. Испытание проводится на приборе типа МИ-2 (Грассели).

В странах ближнего и дальнего зарубежья применяют метод Шоппера для определения сопротивления истиранию полимерных материалов для низа обуви, подобная методика приводится в ГОСТ 23509-79. Сущность метода заключается в истирании образца, прижатого к абразивной поверхности вращающегося барабана, при этом образец перемещается параллельно оси барабана и вращается вокруг своей оси.

В работе [7] проводился анализ возможности использования испытательного оборудования для научных целей на базе аккредитованной лаборатории ОАО «Витебскдрев». Так для определения сопротивления истиранию использовался ротационный абразиметр TABER.

В данной работе предлагается провести исследование сопротивление истиранию полимерных подошвенных материалов по различным методам.

Для достижения поставленной цели работы вначале определяли показатели физико-механических свойств подошвенных материалов на основе отходов ППУ.

ИССЛЕДОВАНИЕ

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ПОДОШВЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА

ОСНОВЕ ОТХОДОВ ППУ

В рамках работы определяли следующие показатели: толщина (ГОСТ 11358–89 «Толщиномеры и стенкомеры индикаторные с ценой деления 0,01 и 0,1 мм. Технические условия»), плотность (ГОСТ 267-73 «Резина. Методы определения плотности»), твердость (ГОСТ 263-75 «Резина. Метод определения твердости по Шору A»), прочностные характеристики – условная прочность, относительное удлинение при разрыве и остаточное удлинение после разрыва (ГОСТ 270–75 «Резина. Метод определения упругопрочностных свойств при растяжении»).

Средние значения свойств сведены в таблицу 1. Также в таблице представлены данные по свойствам монолитных резин, к которым близки физикомеханические свойства полученных пластин. Вывод сделан на основе анализа свойств различных материалов, применяемых в качестве подошвенных материалов.

Таблица 1 – Свойства пластин

	S , мм	ρ , г/см3	Н , усл. ед.	f р , МПа	ԑ р , %	Θ , %
Среднее	6,6	1,2	77,4	6,0	278	25
		входит в диапазон		>	>	>
Монолитные резины	–	1,1-1,3	75,0-85,0	4,5	170	20

S – толщина, ρ – плотность, H – твердость, f р – условная прочность при разрыве, ԑ р – относительное удлинение при разрыве, Θ – остаточное удлинение после разрыва

Как видно по данным таблицы 1 физикомеханические свойства подошвенных материалов на основе отходов ППУ имеют достаточно близкие значения к материалам, применяемым в обувном производстве, а именно монолитной резине. Поэтому полученные материалы могут быть использованы для изготовления материалов и деталей для низа обуви.

Статистическую обработку результатов испытания физико-механических свойств полученных материалов проводили по ГОСТ 269-66 «Резина. Общие требования к проведению физико- механических испытаний» [8]. Данные по статистической обработке результатов испытания твердости, условной прочности и относительного удлинения приведены в таблице 2.

ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИСТИРАНИЮ ПОЛИМЕРНЫХ ПОДОШВЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Исследование проводили в соответствии с методиками, приведенными в стандартах.

Сопротивление истиранию (β) в Дж/мм3 по методу Грассели вычисляют по формуле (1)

Β = A / ∆V * K,(1)

где А – работа трения в Дж (кгс·м), которую вычисляют по формуле (2)

A = F * l,(2)

где F – среднее значение силы трения за время испытания, Н (кгс); l – путь трения, м, вычисляемый по формуле (3)

l = πDn,(3)

где D – расстояние между центрами образцов, м; n – число оборотов диска за время испытания.

L = 3,14 × (13,6 × 0,01) × 202 = 86,2621 м

А = 26 × 86,26208 × 0,001 = 2,2428 кДж

Таблица 2 – Статистическая обработка результатов испытания

Показатель	— Х	S	v	ԑ	β	С Р = 95 % значения находятся
Твердость	77,4	0,5	0,7	0,4	0,5	77,4 ± 0,4
Условная прочность	6,0	0,4	6,8	3,8	63,4	6,0 ± 3,8
Относительное удлинение	278	21,1	7,6	4,2	1,5	278 ± 4,2

Х - среднее арифметическое результатов измерения; S - оценка среднего квадратического отклонения; v - коэффициент вариации результатов испытания; ԑ – значение, равное половине доверительного интервала; β – относительное отклонение

Убыль объема полиуретана (∆V) в мм3 двух испытуемых образцов вычисляют по формуле (4)

∆V = (m 1 - m 2 ) / ρ ,                (4)

где m 1 – масса двух образцов до испытания, г; m 2 – масса двух образцов после испытания, г; ρ – плотность полиуретана, г/см³.

Для определения плотности использовалась следующая аппаратура: весы лабораторные Pioneer (рис.1) и штангенциркуль цифровой тип ШЦЦ-I-300 (рис. 2). Плотность ( ρ ) в г/см³ определяют по формуле (5)

ρ = m / V ,                   (5)

где m – масса образца, г; V – объем образца, г/см³.

Рисунок 1 – Весы лабораторные Pioneer

р = 1,2 г/см³.

Рисунок 2 – Внешний вид штангенциркуля цифрового типа ШЦЦ-I-300В

Потери объема при истирании ( V ) в мм³ по методу

А (метод Шоппера) вычисляют по формуле (6)

V = m / ρ × 80 / m к ,            (6)

где m – потеря массы образца испытуемой резины на полном пути истирании, г; 80 – принятое среднее значение истираемой контрольной резины, мг; ρ – плотность испытуемой резины по ГОСТ 267, г/см³;

m к – потеря массы образца контрольной резины на полном пути истирания (0,276 г).

Потерю объема (сопротивление истиранию) ( V ) в мм³ по методу Б (метод Шоппера) вычисляют по формуле (7)

V = 1 / k ⋅ m / p,                     (7)

где k – коэффициент средней истирающей способности шлифовальной шкурки (0,64); m – потеря массы образца, г; p – плотность образца, определенная по ГОСТ 267, г/см³.

Потери объема при истирании ( V ) в мм³ по методу Табера вычисляют также по формуле (6)

Результаты определения сопротивления истиранию по различным методам представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Результаты определения сопротивления истиранию по различным методам

Образец	Метод Грассели	Метод Шоппера		Метод Табера
		А	Б
	β	V	V	V
1	6,0	115	0,62	100
2	6,1	118	0,63	104
3	6,3	120	0,64	106
4	6,4	123	0,68	109
5	6,5	119	0,65	105
6	6,8	126	0,71	110
7	7,0	129	0,73	117
8	7,1	125	0,70	110
9	7,3	131	0,72	115
10	7,5	130	0,74	115
11	7,6	134	0,74	118
12	7,8	135	0,76	120

Необходимо отметить, что ТНПА регламентируются только значения сопротивления истиранию по методу Грассели. Так, согласно ГОСТ 10124-76 «Пластины и детали резиновые непористые для низа обуви. Технические условия» [9] сопротивление истиранию должно быть не менее 2,5 Дж/мм3. Все значения, полученные по результатам испытания и представленные в таблице 1, превышают нормируемое значение на 140–212 %.

Согласно данным, основные значения V по методу А (метод Шоппера) и методу Табера должны быть 50–250 мм³. Все значения, полученные по результатам испытания и представленные в таблице 1, находятся в рамках указанных выше значений.

Необходимо отметить, что полученные результаты определения сопротивления истиранию по методу Грассели, Шоппера и Табера не представляется возможным сравнить между собой.

Несмотря на одинаковый расчет методов А (метод Шоппера) и Табера они отличаются давлением на абразив, скоростью движения во время абразивного износа и другими масштабными факторами, поэтому также не поддаются сравнению.

Полученные результаты исследования сопротивления истиранию подошвенных полимерных материалов по 3 методам можно лишь сопоставить с получением уравнения тренда в виде полиномиальной модели.

При проведении сравнительного анализа методов можно сказать, что испытания на приборе МИ-2, Шоппера и Табера не воспроизводят процесс истирания при эксплуатации обуви, так как не учитывают трение качения, механическую усталость и амортизационные свойства материалов. В связи с этим, актуальным становится вопрос о возможности создания прибора, который позволил бы приблизить условия испытания к реальному процессу носки обуви, а также позволил сочетать в себе представленные выше методы.