РАЗРАБОТКА АКТИВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НОВЫХ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА

Исакова Татьяна Александровна

аспирант Института Проблем Нефти и Газа СО РАН, г. Якутск

E-mail: tanchik1985@mail.ru

Петрова Павлина Николаевна

канд. техн. наук, доцент, вед. науч. сотр. Института Проблем Нефти и Газа СО РАН, г. Якутск

E-mail: ppavlina@yandex.ru

WORKING OUT OF ACTIVATED TECHNOLOGIES FOR CREATION NEW TRIBOTECHNICAL MATERIALS ON THE BASIS OF POLYTETRAFLYOROETHYLENE

Tatyana Isakova

post-graduate student of Institute of Problems of Oil and Gas of the Siberian of the Russian Academy of Science

Pavlina Petrova

Candidate of Technical Sciences, Leading scientific employee, Associate Professor of Institute of Problems of Oil and Gas of the Siberian of the Russian Academy of Science

АННОТАЦИЯ

Разработана технология совместной механохимической актива­ции минерального и полимерного наполнителей с целью получения цеолитсодержащих механокомпозитов для создания материалов на основе политетрафторэтилена с улучшенными деформационно-прочностными и триботехническими свойствами.

ABSTRACT

New technology was developed on the basis of high-energy on the stage snap tip utilizes a composite components using surfactants and polymeric fillers for modifying the surface activated mineral fillers, leading to the advancement mechanical and tribotechnical properties of polymer composite materials .

Ключевые слова: активационные технологии; триботехнические материалы; полимерные композиционные материалы; модифициро­ванные наполнители.

Keywords: activated techonogies; tribotechnical materials; polymer composite materials; modificated fillers.

Во всех подвижных узлах и деталях проявляется проблема уменьшения трения, повышения износостойкости и ресурса устройств, а также уменьшения энергозатрат. Особенно остро эта проблема проявляется в регионах, где важна надежность работы техники в холодных условиях. В этом случае эффективными являются использование фторполимерных композитов, которые отличаются повышенной надежностью в эксплуатации, пожаробезопасностью и достаточно долгим сроком службы [4]. Кроме того, фторполимерные трубы, уплотнители, втулки и вкладыши используются для обеспе­чения эффективного функционирования устройств в агрессивной и влажной средах.

Наряду с целым рядом достоинств особенности политетрафтор­этилена (ПТФЭ) приносят и множество проблем при создании полимерных композиционных материалов (ПКМ) на их основе. Главные из них — недостаточное адгезионное взаимодействие инертного ПТФЭ с поверхностью наполнителя любой природы. Отсутствие интенсивного взаимодействия приводит еще к тому, что дисперсность частиц наполнителя в полимере становится меньше дисперсности исходного наполнителя вследствие агрегации частиц, и активность наполнителя снижается или вообще не проявляется [2]. Известно, что определяющим модифицирующим фактором в ПКМ являются взаимодействие макромолекул связующего с поверхностью частичек наполнителя, предварительное модифицирующее воздейст­вие на саму поверхность частичек может кардинально изменить общую картину эффектов наполнения. В связи с этим, в данной работе приводятся результаты исследований по разработке технологии поверхностной модификации природных цеолитов полимерными соединениями c использованием механической активации и влияние модифицированных наполнителей на деформационно-прочностные и триботехнические свойства полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе ПТФЭ.

В качестве полимерных модификаторов поверхности наполни­теля использованы фторполимер марки Ф-4МБ и ультрадисперсный ПТФЭ (УПТФЭ). Использование этих полимеров в качестве модификаторов цеолитов обусловлена с тем, что они хорошо совместимы с полимерной матрицей. Выбор цеолитов в качестве модифицируемого наполнителя обусловлено их каркасно-пористой структурой, благодаря чему они могут являться объемными носителями полимерных макромолекул.

Для модифицирования активированных цеолитов полимерами Ф-4МБ и УПТФЭ разработана технология совместной активации на планетарной мельнице «Pulverizette 5» фирмы FRITCH. При совместной активации частиц наполнителя совместно с полимер­ной добавкой на планетарной мельнице получаются так называемые механокомпозиты, которые можно рассматривать как морфологически метастабильные структуры с высокой плотностью межфазных границ между исходными компонентами, обеспечивающие необычайно высокую контактную поверхность и очень большую концентрацию дефектов на поверхностях и в приповерхностных слоях [1, 5]. Все эти факторы создают идеальные стартовые условия для получения композитов с улучшенным комплексов свойств.

Влияние модифицированного Ф-4МБ цеолита на деформа­ционно-прочностные и триботехнические характеристики ПКМ на основе ПТФЭ представлены на рис .1, 2. Показано, что введение модифицированного цеолита в количестве до 2 мас. % приводит к повышению деформационно-прочностных характеристик на 20—40 %, что косвенно свидетельствует о повышении адгезионного взаимодействия полимер-наполнитель.

а                                                                  б

Рисунок 1. Зависимость прочности при растяжении (а) и относительного удлинения при разрыве (б) ПКМ от концентрации модифицированного наполнителя при различном соотношении цеолита и Ф-4МБ

Рисунок 2. Зависимость скорости массового изнашивания от концентрации модифицированного цеолита при различном соотношении цеолита и Ф-4МБ

Известно [3], что при использовании в качестве матрицы термопластичных полимеров исследователи зачастую сталкиваются с проблемой охрупчивания дисперсно-наполненных композитов. Таким образом, изделия из разработанных материалов благодаря своей эластичности и отсутствия хрупкости получаются технологичными в изготовлении и удобными в эксплуатации. Комплексное улучшение свойств ПКМ связано с тем, что в процессе совместной механоактивации с полимерными добавками под действием ударных и сдвиговых нагрузок происходит не только дальнейшее дисперги­рование минеральных наполнителей, но и снижается степень их агрегации в объеме полимерной матрицы. Это приводит к формиро­ванию композиционной системы с равномерным распределением частиц наполнителя в полимерной матрице, что подтверждено структурными исследованиями (рис. 3.)

а                                                                  б

Рисунок 3. Микрофотографии (*500) структуры полимерного композиционного материала с модифицированным Ф-4МБ цеолитом 2 мас.% 1:1 (а) и чистого ПТФЭ (б)

Результаты исследований деформационно-прочностных характе­ристик ПКМ на основе ПТФЭ и модифицированного УПТФЭ цеолита приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Триботехнические характеристики ПКМ на основе ПТФЭ и модифицированного УПТФЭ цеолита

Примечание: σ — прочность при растяжении;

ε — относительное удлинение при разрыве;

I — скорость массового изнашивания;

τ — время активации.

Как видно из приведенных данных в табл. 1 добавление модифицированного наполнителя приводит к повышению прочности и относительного удлинения при разрыве материалов. По сравнению с композитами, содержащими немодифицированный цеолит в коли­честве 2 мас. %, разработанные композиты с модифицированным УПТФЭ цеолитов в той же концентрации превосходят по деформа­ционно-прочностным характеристикам. При повышении концентрации модифицированного цеолита до 5 мас. % наблюдается снижение относительного удлинения при разрыве при сохранении значений прочности при растяжении на уровне композита с таким же содержанием только активированного цеолита. Это, видимо, связано с повышением модуля упругости композита при повышении концентрации модифицированного наполнителя, что приводит к уменьшению скорости массового изнашивания полимерных композитов в 900 раз. Установлено, что наиболее износостойким является композит состава ПТФЭ — 5 мас. % модифицированный цеолит, полученный при массовом соотношении цеолит: УПТФЭ равном 2:1.

Таким образом, разработанную технологию модифицирования поверхности природных цеолитов фторполимерными соединениями с использованием совместной механической активации компонентов перед введением в ПТФЭ можно рассматривать как эффективный метод получения ПКМ с улучшенным комплексом свойств.

Список литературы:

1.Анчаров А.И. и др. Механокомпозиты-прекурсоры для создания материалов с новыми свойствами / отв. Ред. О.И. Ломовский. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010. — 424 с.

2.Баженов С.Л., Берлин А.А., Кульков А.А., Ошмян В.Г. Полимерно-композиционные материалы: научное издание/ Баженов С.Л. — Долгопрудный: изд. дом «Интеллект», 2010. — 352 с.

3.Липатов Ю.С. и др. «Физико-химические свойства и структура полимеров». — Киев: «Наука Думка», 1977. — 148 с.

4.Охлопкова А.А., Адрианова О.А., Попов С.Н. Модификация полимеров ультрадисперсными соединениями. — Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН. — 2003. — 224 с.

5.Шпак А.П., Куницкий Ю.А., Карбовский В.Л. Кластерные и нанострук­турные материалы. — Т.1. Киев: Академпериодика, 2001. — 588 с.