Композиционные материалы и покрытия на полимерной основе

При проведении технологических испытаний на морозостойкость или для определения температуры хрупкости полимерных материалов применяют образцы двух типов:

В форме пластинок 25x6x2 мм, закрепленных консольно.

В виде полосок 40x6x0,5 мм, изогнутых в форме петли; образец подвергается деформации консольного изгиба или сжатия.

Приборы для оценки морозостойкости позволяют одновременно охлаждать группу образцов в криокамере. На каждом уровне температуры изгибают или сжимают часть образцов из группы. После деформирования подсчитывают количество разрушенных образцов. Морозостойкостью считается температура, при которой разрушается половина испытываемой группы образцов.

Таблица 6. Температурные характеристики полимерных материалов

Материал	Пределы рабочих температур, °С	Теплостойкость по Вика, по Мартенсу, °С	Температура плавления, °С
	Верхн.	Нижн.	В	М
ПЭНП	60-70	-120	80-90	-	100-108
ПЭВП	70-80	-150	125-128	47-60	120-135
ПП	95-110	-50	140-155	-	160-168
ПВХ	60-85	-20	70-85	65-70	-
ПТФЭ	250-260	-269	100-160	110	-
ПС	65-70	-40	82-105	76-82	160-175
АБС	75-85	-60	99-100	90-104	165-180
ПВБ	48-75	-	115-120	90-95	160-165
ПВС	120-140	-	150-170	135-145	220-240
ПА 6	60	-60	190-200	52-80	221-223
ПА 66	80-120	-30	220-240	60-90	254-262
ПА 12	70-80	-60	170	55	178-180
ПФ	90-100	-40	160-165	80-110	167-172
ПК	115-135	-120	148-153	120-145	220-240
ПЭТФ	150-160	-60	160-180	85-110	250-265
Фенопласты	66-120	-60	-	125-250	-
Аминоплас-ты	80-130	-180	-	95-200	-
Стеклотекс-толит	130-250	-60	-	160-240	-
Полиакри-лат	160	-	-	208-210	360-400
Полиэфиркетон	250-300	-	-	185-200	360-380
Полиуре-тан	90-120	-60	-	-	-

1.4 Электрические свойства

Под электрическими свойствами понимают совокупность параметров, характеризующих поведение полимерных материалов в электромагнитном поле. В прикладном значении наиболее часто используются следующие параметры: диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери, электрическая проводимость и электрическая прочность, а также трекингостойкость.

Электрическое поле, действующее на полимерный материал, вызывает его поляризацию (электрическую, дипольно-релаксационную, ионную), связанную с химическим и физическим строением. О величине поляризации судят по диэлектрической проницаемости ', и тангенсу угла диэлектрических потерь tg. Прохождение тока по поверхности или через объем полимерного тела оценивают по удельному поверхностному _s и удельному объемному _v электрическим сопротивлениям, являющимися обратными величинами по отношению к удельной поверхностной и объемной проводимости.

Значения ', tg, _s, _v определяют граничные условия, в которых полимерные материалы можно эффективно применять. Если параметры внешнего электромагнитного поля превышают предельные для конкретной пластмассы значения, то наступает полная потеря электрических свойств. Поэтому для полимеров также определяют величину электрической прочности Е.

1.4.1 Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость является параметром, равным отношению емкости электрического конденсатора, между обкладками которого находится полимерный материал, к емкости того же конденсатора, между обкладками которого вакуум. С достаточной для практических целей точностью допускается определение ' в воздушном объеме.

По величине ' все полимерные материалы условно подразделяются на группы:

-неполярные

-малополярные

-полярные

-сильнополярные.

Условность разделения заключается в том, что электрические свойства пластмасс сильно зависят от внешних условий - температуры, влажности, степени ионизации окружающей среды, напряженности электрического поля, силы тока и других. При стандартизованных измерениях частота электромагнитного поля - 10³ Гц, температура - 20°С, относительная влажность воздуха - 60%. Образец имеет форму диска диаметром 100мм. Допускается применение квадратных образцов со стороной, равной указанным выше диаметрам.

Диэлектрическая проницаемость полимеров определяется дипольной электронной и резонансной поляризациями и зависит от значения полярности. При изменении температуры диэлектрическая проницаемость у полимеров изменяется неодинаково. У частично кристаллизующихся полимеров и слабополярных полимеров с увеличением Т значение ' убывает (рис. 34, кривые ПЭВП и ПП) почти равномерно. У слабополярных термопластов с ростом Т величина ' также снижается, при температурах перехода в новое физическое состояние кривая '=f(T) приобретает ступенчатую форму (рис. 34, кривая ПС).

С увеличением частоты электрического поля диэлектрическая проницаемость ' большинства полимерных материалов незначительно снижается (табл. 7).

Таблица 7. Диэлектрическая проницаемость полимерных материалов

Материал	' при , Гц
	50	103	106
ПЭТФ	3,3	3,2	3
ПБТФ	3,91	3,86	3,74
ПК	3,05	2,9	2,8
ПММА	3,5	2,3	2,6
ПЭНП	2,28	2,28	2,2
ПЭВП	2,3	2,3	2,3
ПА-6	4	3,8	3,6
ПС	2,65	2,6	2,6

1.4.2 Диэлектрические потери

Диэлектрические потери " - это энергия, которая рассеивается в полимерном диэлектрике при прохождении через него электрического тока. Диссипация внешней энергии сопровождается нагревом физического тела. Величина диэлектрических потерь определяется значением тангенса угла диэлектрических потерь tg, который составляет от 0,3 для аминопластов до 110^-4 для полистирола ПС. Чем меньше величина tg, тем выше возможности полимера как диэлектрика.

Диэлектрические потери полимеров определяются двумя физическими причинами: электрической проводимостью (сквозной ток) и дипольно-релаксационной поляризацией (ток замедленной поляризации). Диэлектрические потери зависят от химического строения, физической структуры, фазового и агрегатного состояния материала.

Поскольку в полимерах отдельные кинетические фрагменты макроцепей, их ответвления, боковые группы и отдельные группы атомов совершают независимые колебательные движения, то и возникающие диэлектрические потери могут носить различный характер в зависимости от размера кинетических фрагментов и собственной частоты их колебательных движений. Возникают дипольно-сегментальные потери (ДСП), обусловленные колебательными движениями фрагментов макроцепей и дипольно-групповые потери (ДГП), вызванные изменением ориентации полярных групп.

1.4.3 Электрическая проводимость

Абсолютное большинство пластмасс обычно обладает очень высокими электрическими сопротивлениями, и поэтому являются диэлектриками. Тем не менее, у всех пластмасс в меньшей или большей степени отмечается и электрическая проводимость, которая описывается тремя механизмами - электронным, ионным и биполярным. Электропроводимость диэлектриков в большинстве случаев носит ионный характер.

Количественно электропроводимость характеризуется удельной объемной проводимостью куба размером 1х1х1 м, причем постоянный ток проходит через куб между двумя противоположными гранями. Размерность удельной объемной проводимости - См/м.

В прикладных целях электропроводимость или электропроводность полимерных материалов характеризуют величиной, обратной проводимости по физическому смыслу, а именно удельным объемным электрическим сопротивлением _v. Также используют величину _s - удельное поверхностное электрическое сопротивление.

Удельное объемное электрическое сопротивление - это сопротивление между электродами, приложенными к противоположным граням единичного куба с размером стороны 1м - выражается в Омм. Значение _v для пластмасс изменяется в очень широких пределах от 10^-3 до 10¹⁸ Омм.

Удельное поверхностное электрическое сопротивление - сопротивление между противоположными сторонами единичного квадрата со стороной 1 м на поверхности полимерного образца - выражается в Ом. Значения _s в значительной мере зависят от условий испытания. При 20°С и относительной влажности воздуха 60% значения _s для полимеров составляет от 10^-1 до 10¹⁶ Ом.

В сухой атмосфере и в отсутствие загрязнений величина _s может значительно превышать _v.

Необходимо помнить, что поскольку вода является сильнополярной жидкостью (' = 81; _v = 10-10² Омм), то ее сорбция полимерами даже в весьма малых количествах приводит к резкому увеличению электропроводности.

По величине удельного объемного электрического сопротивления все твердые тела подразделяются на три группы, _v, Омм:

-диэлектрики (изоляторы) >10⁸;

-полупроводники 10²-10⁸;

-проводники:

проводящие 10^-2-10²;

высокопроводящие 10^-6-10^-2.

С учетом шкалы, приведенной на рис. 35, среди полимерных материалов можно обнаружить не только традиционные изоляторы (ПЭ, ПС, ПА, ФП, АП), но и проводящие материалы, у которых проводимость достигается использованием высокопроводящих наполнителей (серебро, раскисленная медь, никель). Измерения удельных объемного и поверхностного сопротивлений проводят методом измерения токов, проходящих через образец (_v) или по поверхности образца (_s) при приложении к нему постоянного по напряжению электрического поля.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Измерительные электроды должны обеспечивать предельно равномерное распределение электрического тока в образце. Обычно используют электроды в виде деков и колец, размеры которых соответствуют диаметру образца. Для обеспечения равномерности электрического контакта используют свинцово-оловянную фолыу на вазелиновом или трансформаторном масле, которую прижимают к образцу через резину твердостью не более 0,4-0,5 МПа под давлением 10⁴ Па.

Образцы представляют собой диски диаметром 50±1 мм или 100+1 мм и толщиной 1,5-4 мм. Они не должны иметь видимых невооруженным глазом трещин, вмятин, сколов, заусенцев, загрязнений, царапин. Плоскости образцов должны быть параллельными.

Измерительная ячейка (рис. 36) состоит из трех электродов, которые подсоединяются к измерительному прибору в зависимости от вида измерения. Для определения _v схему собирают по рис. 36. Для измерения _s нижний измерительный электрод подключают к клемме “минус”, а охранный электрод подключают к клемме “плюс”. Поверхностное сопротивление измеряется по падению напряжения тока, проходящего по кольцевой поверхности образца.

Охранный электрод применяется для компенсации концевого эффекта и выравнивания силового поля по площади электрода. Измерив объемное сопротивление и поверхностное сопротивление, рассчитывают соответственно удельные сопротивления:

, (20)

где D_ср=(d₂-d₁)/2.

Электропроводность промышленным пластмассам придается введением в них определенных количеств металлосодержащих наполнителей: порошков металлов, металлических волокон и тканей (табл. 8).

Введение дисперсных наполнителей в полимеры позволяет повысить их электропроводность на 13-16 порядков.

Таблица 8. Удельное объемное электрическое сопротивление пленок на основе каучука СКИ-3 с различными металлическими порошками

Металл	v, Омм	Металл	v, Омм
Алюминий	1012	Олово	310-1
Свинец	4107-6108	Сурьма	510-3-210-2
Висмут	2107-8107	Молибден	410-3-210-2
Железо	3104-6105	Вольфрам	310-3-810-3
Хром	1	Никель	210-3-810-3
Цинк	1-8	Медь	410-5-910-5
Серебро	810-6-910-6

Морфология наполнителя имеет большое влияние на электропроводность композитов. Содержание порошковых наполнителей должно достигать по массе 60-80%, в то время как содержание металлического волокна, позволяющее получить такой же эффект, составляет 2-10%.

Органическими проводниками являются полимеры с сопряженными связями, наличие которых определяет образование токопроводящих путей. К таким полимерам относится полиацетилен, полидиацетилен, полифенилен, поливинилфенилен и другие. Их легирование электронодонорными или электроноакцепторными веществами может увеличить электропроводность на 10-12 порядков. Расчеты показали, что полимеры, состоящие из длинных цепей с полностью сопряженными двойными связями, могут обладать почти такой же электропроводностью, как металлы.

Такие полимеры (табл. 9) способны образовывать порошки, хрупкие пленки и волокна, они характеризуются термостойкостью, фотопроводимостью при освещении, возрастанием электропроводности с увеличением температуры.

Наиболее изучены и оценены практические свойства полиацетилена. Установлено, что его производные могут быть использованы в фотографии вместо серебра, в ксерографии вместо селена, в солнечных батареях они могут быть заменителями кремния, а в аккумуляторах - свинца.

Таблица 9. Электропроводность полимеров с сопряженными связями

Полимер	v, Омм	Добавка
	до легирования	после
Поливинилфенилен	3-10	0,003	AsF5
ПС:
Неориентированный	1,0	0,01-0,1	С104
Ориентированный	3,6		AsF5
Полианилин	0,29	0,02	С104
Поливиниленсульфид	0,2	0,001	AsF5

Из полимеров на основе ацетилена возможно получение термостойких углеродных соединений с цепочечной структурой:

-полиины - ОС-С=С-;

-кумулены =С=С=С=С=.

К электропроводящим композициям относятся и некоторые материалы на основе ПЭНП. Так, при введении во время полимеризации этилена технического углерода марки ПМЭ-100В в количестве 15-43 мас. % получают материал, имеющий _v = 3-510^-3 Омм. Такой же наполнитель, но введенный в расплав ПЭНП, придает композиту _v = 10⁴ Омм, а _s = 210⁵ Ом.

1.4.4 Электрическая прочность

Если напряженность электрического поля, в котором находится полимерный диэлектрик, превысит некоторое критическое значение, характерное для каждого вида пластмассы, то она утрачивает свои электроизоляционные свойства. Это явление называется пробоем диэлектрика, а вызвавшее его значение напряженности - электрической прочностью диэлектрика.

Различают несколько видов пробоя: электрический, электромеханический, тепловой и электрохимический.

Зависимость пробивного напряжения от толщины диэлектрика свидетельствует о влиянии, как его толщины, так и неоднородности диэлектрического поля, учет которой весьма важен для оценки возможности использования полимеров в качестве изоляции.

Электромеханический пробой возникает под электродами или на участке деформирования пластмассовой детали (крепеж, контактор и другие). С учетом возможного нагрева пластмассы под электродом и усилия его прижатия, возрастающего за счет кулоновского притяжения, разрушение образца может произойти еще до его электронного пробоя.

В целом при оценке электрической прочности полимерных материалов необходимо учитывать их сложный состав, включающий наполнители, пластификаторы и другие добавки. Если они имеют повышенные диэлектрические характеристики, то при эксплуатации такие пластмассы сохраняют высокую электрическую прочность. Понятно, что в других случаях полимер с хорошими диэлектрическими свойствами, находясь в составе композиционной пластмассы, потеряет их. Известно, например, что введение в ПЭВП диоксида титана приводит к снижению электрической прочности материала на 30-50%, то есть почти вдвое. Это вызвано формированием в полиэтиленовой матрице большого количества пор, микротрещин, микрозон внутренних напряжений. Отсюда практическая рекомендация - при использовании дисперсных наполнителей для материалов электрического назначения необходимо стремиться к минимальному размеру частиц наполнителя и обеспечивать его равномерное распределение массе композита.

Применение пластификаторов существенно уменьшает электрическую прочность материала. Пористость полимеров также снижает их диэлектрические свойства. Причина состоит в сорбции пластмассой влаги из воздуха и скоплении ее в имеющихся порах. Поглощенная влага резко изменяет все электрические характеристики.

Трекингостойкостъ является разновидностью показателя сопротивления электрическому разрушению. Трекинг представляет собой перемещение по поверхности диэлектрика “плавающих” разрядов, вызывающих образование искр. Искрение на поверхности сопровождается разрывом покрывающей ее пленки (влага, загрязнения) и разрушением полимера. Искрение тяготеет к одному из электродов, вследствие чего на полимерной поверхности развиваются токопроводящие пути (треки), по которым и разрушается изоляция.

Существуют методы, позволяющие оценить трекингостойкость. Предварительные рекомендаций по выбору трекингостойкой пластмассы основаны на термостойкости, твердости и монолитности, гидрофобности поверхности, величине минимальных диэлектрических потерь.

1.5 Специальные свойства

1.5.1 Коэффициент трения и износостойкость

Под внешним трением понимают процессы, происходящие в подвижных сопряжениях технических устройств при относительном движении их кинематических звеньев. Силы трения возникают и действуют на поверхности физических объектов, совершающих относительное перемещение. Вектор силы трения противоположен вектору относительной скорости. В зависимости от назначения технического устройства сила трения может быть либо вредной, либо полезной. В устройствах, предназначенных для поддержания движения (подшипники скольжения, качения, направляющие, винтовые и зубчатые передачи и пр.), сила трения является вредной. Соответственно, материалы, применяемые в этих узлах, должны способствовать снижению потерь на трение. Такие материалы называются антифрикционными.

В устройствах, предназначенных для прекращения движения (тормозные системы), для передачи движения трением (муфты сцепления, ременные и фрикционные передачи) или для создания разъемных соединений (резьбовые детали), сила трения является полезной. Материалы для таких устройств должны способствовать увеличению трения в сопряжении - их называют фрикционными. Сила трения F oпpeдeляeтcя известным уравнением:

F=мN, (21)

где N - нормальное усилие, Н, м - коэффициент трения (м = arctg б, б - угол трения).

Трение всегда сопровождается нарушением состояния соприкасающихся поверхностей. Если продукты разрушения необратимо выносятся из зоны трения, то такой процесс называется износом. Темп изнашивания оценивается интенсивностью износа, а сопротивление этому явлению называется износостойкостью.

Полимерные материалы, предназначенные для узлов трения, называются трибопластами.

Процессы трения и сопровождающего его износа характеризуются следующими параметрами:

Коэффициент трения скольжения м_тр. По его величине все трибопласты подразделяются на фрикционные (м_тр > 0,3) и антифрикционные (м_тр < 0,2).

2. Интенсивность износа, I , равна отношению изменения размера, массы изнашиваемого изделия или затрат энергии на этот процесс к пути трения, называемого также пробегом. Соответственно различают интенсивность линейного, массового и энергетического износа.

Износостойкость J - величина, обратная интенсивности износа. Соответственно различают износостойкость линейную (безразмерная величина), массовую (м/мг) или энергетическую (м/Дж).

Параметры режима трения: давление Р = N/S, Па, скорость скольжения v, м/с. Произведение Pv имеет весьма важное значение при оценке практической применимости материала в подшипниках скольжения, работающих в определенных энергетических условиях нагрузки и скорости скольжения. Размерность Pv - Вт/м². Каждый трибопласт характеризуется своим допускаемым параметром режима, обозначаемым Pv.

Вид трения определяется наличием смазочного слоя на поверхности трения. По этому параметру различают:

-сухое трение - смазочный слой полностью отсутствует (такое трение реализуется в вакууме);

-граничное трение - на поверхности скольжения присутствует молекулярной толщины слой влаги, конденсированной из воздуха или иного смазочного вещества;

-полусухое трение - контрповерхности частично разделены слоем жидкой смазки;

-жидкостное трение - контрповерхности полностью разделены слоем смазки, толщина которого превышает высоту микровыступов шероховатостей сопрягаемых поверхностей.

Условия трения существенно влияют на величину коэффициента трения. Наличие в зоне трения даже граничного смазочного слоя может значительно снижать коэффициент трения.

В качестве полимерных матриц для антифрикционных полимерных материалов (АПМ) нередко используют термопласты, характеризующиеся повышенными физико-механическими свойствами и теплостойкостью. Чаще других применяют ПА, ПФ, ФП, полиимиды, полиакрилаты, а также фторопласты. В отдельных случаях используется антифрикционный ПП и ПЭВП.

Термопластичные АПМ перерабатываются в изделия высокопроизводительными способами литья под давлением и экструзии, что важно для массового и крупносерийного производства.

В качестве антифрикционных наполнителей используют дисперсные порошки неорганических веществ, имеющих слоистую кристаллографическую решетку. К ним относятся графит, дисульфид молибдена (природный), диселениды и дихалькогениды металлов, а также нитрид бора, йодистый кадмий и другие. Из органических продуктов используют фторопласт Ф-4, полиэтиленовые воска, а также жидкие антифрикционные добавки. Нередко один АПМ содержит несколько разновидностей антифрикционных наполнителей. Содержание наполнителей и добавок составляет от 1 до 15%. Дальнейшее увеличение количества наполнителей приводит к быстрому снижению физико-механических свойств и износостойкости.

Термодеформационные и теплофизические свойства дисперсно-наполненных АПМ близки свойствам ненаполненных полимеров и поэтому в них отмечаются характерные недостатки пластмасс - низкая теплопроводность, высокий и нестабильный коэффициент линейного теплового расширения, в большинстве случаев недостаточная теплостойкость. Для улучшения свойств АПМ армируют жесткими и прочными наполнителями - углеродными или металлическими волокнами, тканями, лентами, шнурами, коксом. Содержание наполнителей в этих случаях может возрастать до 20-50% для литьевых марок и 60-90% для прессовочных. У таких материалов повышается теплопроводность, стабилизируются свойства в функции температуры. Из термореактивных связующих в АПМ используются практически все известные полимеры.

Наиболее популярны эпоксидные смолы, фенолоформальдегидные олигомеры, ненасыщенные полиэфиры, эпоксидноноволачные сополимеры. Основные разновидности АПМ и примеры их использования приведены в табл. 10. При лабораторных испытаниях на трение и износ имитируются условия реальных узлов скольжения и, прежде всего номинальное давление и скорость скольжения. Результаты трибометрических испытаний антифрикционных пластиков приведены в табл. 11. Температура узла трения оказывает существенное влияние на работоспособность АПМ. В целом, чем выше температура размягчения полимерной матрицы, тем в более жестких тепловых условиях может эксплуатироваться металлополимерный узел трения.

Таблица 10. Разновидности антифрикционных самосмазывающихся пластмасс

Марка материала	Основные компоненты	Способ переработ-ки	Применение
Термопласты
ВП610-1-109	ПА-6-10, дисуль-фид молибдена, стекловолокно (30%)	Литье под давлением	Подшипники, зубчатые колеса
ВПА-12-21-3	ПА-12, дисульфид молибдена	Экструзия	Профильные изделия, трубки
	ПА-6, стеклона-полненный, мед-ный порошок	Литье под давлением	Подшипники карданных шарниров
ВАТМ-1	Вторичный по-лиамид, графит, термоантрацит	То же	Втулки, шестерни, уплотнения
КСПЭ	Полиамид стек-лонаполненный, ПЭ, медный порошок	То же	Тяжелонагруженные втулки при ударных нагрузках
П15Н	ПА-6, никель	Литье под давлением в магнит-ном поле	Подшипники сухого трения при повышенной запыленности
ПА 66 ПЭ	ПА-66, полиэти-лен	Литье под давлением	Подшипники скольжения, шарниры
Фенилон	Фенилон, поли-имидное волокно	Прессова-ние	Подшипники для абразивных сред при Т > 150 °С
СФД-ДМ	Полиформальдегид с дисуль-фидом молибдена	Литье под давлением	Подшипники уплотнения для вакуум-систем
Эстеран	Поликарбонат, наполнители	Прессова-ние	Детали скольжения и качения
ПАМ-15-67	Полиимид ПМ-67, графит	Тоже	Тела качения и скольжения для Т> 150°С
Тесан	Поликарбонат, дисульфид молибдена	Тоже	То же
ПАМ-50-67	Полиимид ПМ-67, графит, нит-рид бора	Прессова-ние, меха-ническая обработка	То же
Материалы на основе фторопластов
АФГ-80 ВС	Ф-4, графит, кокс	Прессова-ние	Подшипники, уплотнительные кольца
Ф-4К20	Ф-4, кокс	То же	Подшипники уплотнения для вакуум-систем
Ф-4С15В5	Ф-4, измельчен-ное стекловолок-но, нитрид бора	То же	Подшипники при повышенных температурах и агрессивных средах
Реактопласты
АТМ-1	Новолачная ФФС, электродный гра-фит, добавки	Прессова-ние, карбо-низация	Детали токосъем-ников, насосов
Реолар 9	Резольная смола, графит, добавки	Прессова-ние	Подшипники для высоких температур
АФ-3Т-УГЭТ	Резольная ФФС, нефтяной кокс, ЭС, углеволокна, тетраглицидил, амин, наполнители	Прессова-ние, на-мотка, го-рячее пресссо-вание	Подшипники для работы в агрессивных средах
СТЭН-АФ	Эпоксиднофенольная смола, добавки	Горячее прессова-ние	Подшипники для экстремальных условий
АГЭН	Эпоксидно-новолачный соолигомер, углеволокно, добавки	Горячее прессова-ние	Подшипники стиральных машин
ФАФФ-31Г	Резольная смола, графит, отходы ДСП	Прессова-ние	Подшипники для экстремальных условий, скользуны
ЭНГ-25	Эпоксидно-новолачная смола, дисульфид молибдена, добавки	Трансфер-ное прес-сование	Кулачки приборных механизмов
ЭДМА-5	ЭС, наполнители	Холодное отвержде-ние	Антискачковые скользуны
АМС-1	Эпоксикрем-нийорганическая смола, нитрид бора	Прессова-ние	Подшипники сухого трения
АМС-3	Эпоксикрем-нийорганическая смола, графит	Прессова-ние	Подшипники, работающие в керосине

Таблица 11. Параметры трения и изнашивания

Марка материала	Р, МПа	v,м/с	Pv	тр
АМС-1	1,0	0,5	0,01	0,20
АМС-З	1,0	0,5	0,02	0,25
Реолар-9	0,2	2,0	0,1	0,08
Тесан	0,2	2,0	0,07	0,07
АТМ-2	2,0	0,27	0,54	-
Ф-4С15	1,5	0,25	0,18	-
Ф-4К20	1,5	0,25	0,06	-
ПА-66 ПЭ	0,8	0,3	0,57	-
ЭНГ-25	1,0	0,5	0,83	0,23
КСПЭ	1,0	0,5	0,44	-
ЭДМА-5	2,0	0,06

Инженерное совершенство узла трения определяет оптимальность сочетания режимов работы, то есть давления на поверхности трения и скорости скольжения с условиями теплоотвода из зоны трения через металлический вал и специальные охлаждающие системы.

Режимный фактор Pv имеет большое значение при работе подшипников скольжения, так как характеризует удельную мощность трения и определяет конструкцию охлаждающих устройств.

Коэффициент теплоотвода определяется с учетом параметров теплопередачи между элементами пары трения и активности охлаждения. Допускаемая избыточная температура равна разности между допускаемой температурой эксплуатации полимера и температурой окружающего пространства.

Состав фрикционных полимерных материалов ФПМ определяется условиями их эксплуатации. Основные условия следующие: трение происходит в нестационарном тепловом режиме, причем перепад температур между началом и окончанием фрикционного взаимодействия может измеряться сотнями градусов; фрикционные узлы работают в периодическом режиме, частота и нагрузочные особенности которого могут изменяться в весьма широких предела. К фрикционным узлам предъявляются повышенные требования надежности, поскольку их выход из строя может привести к аварийным ситуациям.

По температурным условиям работы различают пять видов эксплуатационных режимов: весьма легкий - до 100°С, легкий - до 250°С, средний - до 600°С, тяжелый - до 1000°С и сверхтяжелый - более 1000°С.

Средний режим характерен для тормозных устройств автомобильного и железнодорожного транспорта, тяжелый - для самолетов. В весьма легком и легком режимах работают фрикционные и тормозные устройства стационарного оборудования (накладки ленточных, колодочных тормозных устройств с двигателями мощностыо до 5-10 кВт, тормозные и фрикционные устройства приборов и др.).

Основные требования к фрикционным материалам:

-стабильность коэффициента трения в заданных пределах;

-высокая износостойкость;

-быстрая прирабатываемость.

Для повышения коэффициента трения ФПМ используют различные по свойствам и морфологии наполнители: асбест, кварц, стекло, тетрагональный графит, аэросил, сульфат бария, оксиды металлов и др. Повышение теплофизических характеристик достигается применением порошка, стружки или проволоки металлов и сплавов.

Содержание наполнителей в ФПМ составляет 60-90%, поскольку именно в этом интервале достигаются наиболее высокий и стабильный коэффициент трения и наибольшая износостойкость при средних и тяжелых режимах работы.

Из жестких связующих в ФПМ применяются резольные ФФС, МФС, крезолоформальдегидные, фурфурольные и новолачнокрезольные олигомеры. Они используются для получения ФПМ с волокнистым или тканевым наполнителем. Повышенная твердость является одной из причин сравнительно невысокого коэффициента трения (0,3-0,4) таких ФПМ.

Таблица 12. Свойства асбестосодержащих фрикционных полимерных материалов на олигомерном и эластомерном связующих

Свойство	Олигомерное связующее	Эластомерное связующее
	НФС-5	НФС-7	Рети-накс Б	НСФ-1	6КХ-16	6КХ-58
Плотность, кг/м3	2000	2000	2300	2200	2300	2200
Разрушающее напряжение, МПа:
при срезе	84	90	38	34	62	69
сжатии	104	95	78	89	88	89
изгибе	107	64	42	51	61	78
растяжении	55	19	22	34	32	44
Модуль упругости при изгибе, Гпа	5,6	4,7	6,9	3,2	4,3	4,8
НВ, МПа	320	370	390	190	260	220
Удельная тепло-емкость, кДж/кгК	1,05	1,21	1,05	1,01	0,96	1,05
Теплопровод-ность, Вт/мК	0,35	0,45	0,75	0,44	0,52	0,42
Износ за 2ч, мм	0,12	0,11	0,13	0,13	0,16	0,14
Коэффициент тре-ния при Р=0,27МПа, v=7,5 м/с	0,34	0,41	0,37	0,47	0,45	0,44
Ударная вязкость, кДж/м2	12,3	6,9	-	3,5	8,1	10,2

Для увеличения коэффициента трения до 0,45-0,6 применяют эластомерное связующее. Из-за низких физико-механических свойств нагрузочная способность и теплостойкость такиx материалов ниже, чем у ФПМ на олигомерном связующем.

Определенным выходом из положения является применение комбинированных эласто-олигомерных связующих. На олигомерном связующем выпускается около 25% всех фрикционных изделий, порядка 35% - на комбинированном, остальное - на каучуковом. Большинство ФПМ на каучуковом связующем сохраняет износостойкость до 30-250°С. Для сравнения физико-механические и теплофизические свойства серийных ФПМ на олигомерном и эластомерном связующем приведены в табл. 12.

Композиционные ФПМ отличаются от асбестосодержащих материалов несколько меньшей износостойкостью, но превосходят их по технологичности, поскольку позволяют получать детали не только компрессионным, но и трансферным прессованием без дополнительной механической обработки. В качестве связующего таких ФПМ используются резольные и новолачные смолы с добавками каучука. Состав наполнителей, как правило, сложный, он включает рубленые стеклянные, высокомодульные углеродные волокна, оксиды металлов, сульфат бария, глинозем, порошковый или коротковолокнистый асбест. Для улучшения технологичности вводят стеараты бария и лития.

1.5.2 Виброакустические свойства

Акустические свойства характеризуют способность полимерного материала переносить и поглощать энергию звуковых колебаний, которые в зависимости от частоты подразделяются на инфразвуковые (до 20 Гц), звуковые (от 20 Гц до 20 кГц) и ультразвуковые (более 20 кГц). Основная особенность акустического воздействия состоит в малой амплитуде звуковых колебаний при широком диапазоне частот.

Среди акустических характеристик основными являются следующие:

1. Звукопоглощение - способность полимерного материала поглощать звуковую энергию. В численном относительном виде данная характеристика оценивается коэффициентами звукопоглощения и звукоотражения. Коэффициент звукопоглощения является основной физической характеристикой полимерного материала, поскольку его значение зависит не только от структурно-релаксационных и пластических свойств собственно материала, но и от конструктивных особенностей изделий.

Коэффициент затухания является качественной характеристикой процесса звукопоглощения в материале на длине (толщине). По существу, коэффициент затухания определяется логарифмическим декрементом и характеризует диссипацию акустической энергии, вызванную внутренним трением. В связи с этим для оценки диссипирующей способности материала используют тангенс угла механических потерь tg , где - угол сдвига фазы, на который напряжение , возникающее при акустическом воздействии, опережает деформацию . Для идеально упругого материала =0 и tg=0. Тангенс угла потерь, таким образом, является характеристикой демпфирующих свойств материала. Он связан с физико-механическими, физико-химическими свойствами, составом, структурой и текстурой полимерного материала.

2. Скорость распространения предельных звуковых колебаний. Зависит как от свойства полимерных материалов, как от условий энергетического воздействия на них, поэтому значение скорости распространения звуковых колебаний не постоянно и ее дисперсия может быть существенной.

Под акустическими принято понимать материалы, предназначенные для поглощения акустической энергии в спектре частот от инфразвуковых до ультразвуковых колебаний. В этом диапазоне оказываются и вибрационные колебания, отличающиеся от звуковых главным образом амплитудой. В связи с этим акустические материалы нередко называют виброзвукопоглощающими (ВПМ).

Виброшумовое воздействие на человеческий организм приводит к разнообразным негативным явлениям, в конечном счете, проявляющимся в ухудшении комфортности условий, в снижении производительности труда и сокращении продолжительности жизни. Допустимый уровень шума в жилых помещениях ночью составляет 30 дБ. В то же время уровень виброшумового воздействия на человека может изменяться в очень широких пределах, как это следует из приводимого ниже перечисления эквивалентного уровня шума (дБ):

турбореактивный самолет 155-158

метрополитен………………………….100

у железной дороги………………… ..72-73

производственный шум……………… ...75

автобусы………………………………. ...75

уличный шум…………………………до 50

шелест листьев …………………………….10

Нулевой уровень громкости звука соответствует звуковому давлению 20 мкПа и интенсивности звука 10 Вт/м. Болевой порог шума - 125-140 дБ, смертельный уровень шума -190 дБ.

Применение полимеров в ВПМ вызвано особенностью их свойств, а именно совмещением в одном материале вязких (пластических) и упругих характеристик. В создании ВПМ сложился эмпирический подход: чем больше вязкость полимера, тем выше его звукодемпфирующая способность. В связи с этим наибольшее распространение получили полимерные мастики или слоистые конструкции в виде листов металлической фольги, между которыми располагается вязкий виброгасящий слой. Для создания у подобных ВПМ большей прочности виброгасящему изделию придается сотовая конструкция, ячейки которой заполнены вязким полимером.

В качестве полимерной составляющей в ВПМ наиболее часто используются поливинилацетат, полиалкилметакрилаты, полисилоксаны, каучуки, полиуретаны, олигоэфиракрилаты и ПВХ. Для повышения вибропоглощающих характеристик в них вводят различные наполнители, лучшими из которых являются диспергированная слюда, технический углерод и чешуйчатый графит. Очень неплохое вибропоглощение демонстрирует дисперсный диатомит (табл. 14.).

Высокие значения коэффициента механических потерь обеспечивают понижение звукового воздействия на 20-25 дБ. Применение различных наполнителей позволяет регулировать теплопроводность, электропроводность, диэлектрические свойства. Общей особенностью полимерных ВПМ на перечисленных составляющих (табл. 13.) являются их низкие физико-механические свойства, вследствие чего они используются как заполнители, прокладки, покрытия.

Таблица 13. Виброакустические характеристики полимеров, используемых для получения ВПМ

Полимер	tg	Тmax, °С
Поливинилацетат	2,4	66
Поливинилбутират	2,1	15
Полибутилметакрилат	1,4	85
Бутилакрилатный каучук (БАК- 12)	1,4	-
Бутадиеннитрильный каучук (СКН-40)	1,4	-3
ПВХ	0,8	106
ПС	1,1	120
Бутадиенвинилиденхлоридный каучук (ДВХ6-70)	0,8	8
Резина 1074	0,96	10
ПЭНП	0,5	50

Таблица 14. Виброакустические характеристики наполненных композиций

Состав композиции	Наполнитель	Виброакустические харак-теристики (tg, температурный интервал демпфирования, °С, ЛДК*)
Сополимер этилена и винилацетата	Слюда	tg > 0,2, (0-80)
Сополимер стирола и изопрена	Слюда	ЛДК = 0,67
Сополимер винилаце-тата и синтетического каучука	Слюда	tg = 0,22-0,36
Синтетический латекс	Карбонат кальция	tg = 0,88-0,89
Смесь синтетических каучуков	Сажа	tg = 0,21
Полибутадиеновый хлорированный бутил-каучук	Оксид цинка	tg = l,4
ПА-6	Стекловолок-но	ЛДК = 0,117, (25-55)
Сополимер этилена и глицидилметакрилата	Стекловолок-но	ЛДК = 1,9
Олефиновый олигомер	Диатомит	tg > 0,3, (от -10 до +20)
Сложный полимер	Электропроводящий наполнитель	ЛДК = 0,05-5,50, (10-80)
Фторкаучук	Технический углерод	tg >0,45

*ЛДК -- логарифмический декремент колебаний (ГОСТ 24347-80).

Вибропоглощающие пасты наносятся на шероховатую металлическую поверхность напылением или шприцеванием, листовые ВПМ - приклеиванием. Температура последующей термообработки определяется свойствами органического связующего. Например, для графитсодержащих паст “Антивибрит” она составляет 120°С. При толщине покрытия в 2-2,5 раза превышающей толщину металлического листа, акустическое воздействие снижается в 2,5-4 раза. Пасты “Антивибрит” стойки к действию воды и горюче-смазочных материалов. Практический интерес представляют ВПМ на поливинилацетальной основе, содержащие полимерное связующее между слоями алюминиевой фольги. Материалы ВПМ мастичного типа негорючи и водоразбавляемы.

При создании конструкционных ВПМ, то есть таких материалов, которые пригодны для получения корпусных, каркасных, коробчатых изделий, являющихся несущими, нагруженными фрагментами конструкций (кабины и кузова, кровля, днища и пр.), приходится согласовывать два взаимоисключающих качества - жесткость, и, следовательно, высокую звукопроводимость, и вибропоглощение, для чего материал должен быть пластичным, то есть низкопрочным. В конструкционных ВПМ вибропоглощение достигается максимизацией релаксационно-резонансного механизма. Введение в жесткую сетчатую термореактивную матрицу гибких эластомерных фрагментов (СКН) и создание структурной микрогетерофазности (СКИ) позволяет расширить как спектр, так и увеличить амплитуду механических потерь внутреннего трения олигомероэластомерных матриц при сохранении ими высоких физико-механических характеристик.

В качестве вибро- и звукопоглощающих материалов широко используются различные вспененные пластмассы. Пенопласты получают вспениванием термо- и реактопластов, эластомеров и полимерных композиций. Структурная гетерофазность пенопластов является основой их способности к вибропоглощению. При этом вспененные материалы приобретают и пониженную теплопроводность, что делает их еще и теплоизолирующими. Вспененные материалы характеризуются пористой структурой, газонаполнение которой осуществляется химическим или физическим способом. Химический вариант реализуется в результате термического разложения газообразователей, введенных в состав композиции при ее подготовке. При физическом способе расплав олигомера, полимера или эластомера насыщается газом под избыточным высоким давлением в смесителях различной конструкции.

Акустические свойства пенопластов зависят от свойств матрицы, вида и морфологии наполнителя, условной плотности материала и параметров внешнего энергетического поля.

Сотопласты более удачно сочетают тепло- и звукоизоляционные свойства с прочностными характеристиками конструкционных материалов. Строение сотопластов имитирует пчелиные соты с сечением ячеек в виде правильного шестиугольника или квадратов, кругов, эллипсов. Стенки ячеек выполняются из изоляционно-пропитанной или крафт-бумаги, стеклоткани, алюминиевой фольги и др. По физическим особенностям сотопласты принадлежат к анизотропным пластикам с резко выраженной разницей свойств в продольном к оси сот и в поперечном ему направлениях.

1.5.3 Огнестойкость

Основными показателями, определяющими горючесть пластмасс, являются:

-показатель возгораемости К,

-температура воспламенения Т_в,

-температура самовоспламенения Т_св,

-кислородный индекс КИ.

Кроме того, с позиций пожароопасности важны параметры процессов дымообразования и газовыделения при горении пластмассы.

Поскольку все органические вещества горючи, то для снижения пожароопасности полимерных материалов их модифицируют и вводят различные добавки, антипирены, влияющие на механизм горения полимеров или тормозящие этот процесс.

Показатель возгораемости (К) - безразмерная величина, выражающая отношение количества тепла, выделенного при горении к количеству тепла, затраченному на поджигание образца материала. Материалы с К > 0,5 являются горючими.

Температуры воспламенения Т_в и самовоспламенения Т_св характеризуют поведение нагреваемого полимерного материала при подводе огня и без такового. Горение пластмасс сопровождается значительным дымовыделением. Дымообразующая способность материалов определяется удельной оптической плотностью Д_т, показывающей ослабление освещенности на расстоянии 1 м от источника света в дыму, выделяемого при сгорании 1 кг материала в объеме 1 м³ помещения.

Дымообразование полимеров изменяется в ряду: ПТФЭ < ПММА < ПЭ < ПВХ < ПУ < ПА < ПК < ПЭТФ < НПЭФ < СОПОЛИМЕРЫ СТИРОЛА (АБС и др.) < ПП < УПС < ПС.

Кислородный индекс пластмасс (КИ) широко используется для оценки их воспламеняемости. Он показывает, при каком минимальном количестве кислорода в смеси O₂-N₂ загорается вертикально расположенный образец при его поджигании. КИ выражается в процентах и зависит от химического строения полимера и его содержания в пластмассе.

Пластмассы и полимеры с КИ < 27 считаются легкогорючими, причем если КИ < 20, то горение протекает быстро, а при КИ = 20-26 - медленно. Материалы с КИ > 27 относятся к самозатухающим при выносе их из огня и считаются трудногорючими. Горючесть полимеров характеризуется также и их коксовым числом, то есть процентом остатка полимера после его сгорания. Чем выше коксовое число, тем менее горючим является полимер.

Таблица 15. Особенности горения некоторых промышленных полимеров

Вид полимера	Поведе-ние в пламени	Окраска пламени	Характер горения	Запах продуктов горения
ПЭВД, ПЭНП	Горит в пламени и при уда-лении	Голуб...

Подобные документы

• Композиционные материалы на основе полибутилентерефталата и его сополимеров

  Значение использования прогрессивных видов композиционных материалов, формовочные композиционные материалы с определенными свойствами. Физико-механические свойства полибутилентерефталата, модифицированного высокодисперсной смесью железа и его оксидом.
  
  статья [35,6 K], добавлен 03.03.2010
  

• Современные направления развития композитов на основе полимеров

  Общая характеристика современных направлений развития композитов на основе полимеров. Сущность и значение армирования полимеров. Особенности получения и свойства полимерных композиционных материалов. Анализ физико-химических аспектов упрочнения полимеров.
  
  реферат [28,1 K], добавлен 27.05.2010
  

• Физико-химические закономерности получения полиамидов (полиамид-6, полиамид-6,6, полиамид-10)

  Общая характеристика алифатических полиамидов, их технические характеристики. Физико-химические закономерности получения полиамидов. Особенности поликонденсации дикарбоновых кислот и диаминов. Изменение структуры и свойств наполненного полиамида ПА-6.
  
  курсовая работа [981,2 K], добавлен 04.01.2010
  

• Свойства гетинакса

  Физико-механические свойства гетинакса. Фенолоформальдегидные и крезолоформальдегидные связующие для производства данного вида слоистого пластика. Применение эпоксидных и меламиноформальдегидных смол в качестве связующих. Виды применяемых наполнителей.
  
  реферат [334,1 K], добавлен 18.12.2012
  

• Технология производства эпоксидных смол

  Технологический процесс изготовления эпоксидной смолы, ее взаимодействие с различными отвердителями. Характеристика различных эпоксидных компаундов. Пенопласты из эпоксидных смол. Технология герметизации погружного насоса эпоксидным компаундом.
  
  курсовая работа [1,2 M], добавлен 14.06.2011
  

• Физика и химия волокон

  Классификация углеводородов, их функциональные производные. Реакции полимеризации, особые механические и химические свойства полимеров. Общие принципы производства искусственных волокон. Ацетатное волокно, химическое строение, получение, свойства.
  
  контрольная работа [184,0 K], добавлен 29.03.2013
  

• Физико-химические основы формования волокон из растворов полимеров

  Формование волокон из раствора полимеров. Образование жидкой нити и фиксация ее в процессе формования. Сведения об отвердении нити. Фиксация нити при испарении растворителя. Диффузионный процесс при формовании волокон. Ориентационное вытягивание волокон.
  
  курсовая работа [323,7 K], добавлен 04.01.2010
  

• Синтетические волокна

  Физико-механические и физико-химические свойства синтетических волокон. Первое полимерное соединение. Получение синтетических волокон и их классификация. Карбоцепные и гетероцепные, полиакрилонитрильные, поливинилхлоридные, полиамидные волокна.
  
  презентация [2,4 M], добавлен 20.04.2015
  

• Перспективные композиты XXI века на основе органических и неорганических полимеров и новые металлические сплавы, приоритетные технологии, структура, свойства

  Базальтопластики - полимерные композиционные материалы XXI века. Химический состав базальтовых и стеклянных нитей. Синтез полимерного антиоксиданта различного функционального назначения. Термочувствительные сополимеры. Получение композиционных покрытий.
  
  краткое изложение [157,7 K], добавлен 05.04.2009
  

• Пластмассы армированные углеродными волокнами

  Полимерные композиционные материалы из полимерного связующего и волоконного наполнителя. Технологический процесс армирования пластмасс. Сравнительная характеристика углепластиков, область применения. Производство углеродных волокон. Основные типы сырья.
  
  презентация [5,3 M], добавлен 19.02.2016
  

• Композиционные хемосорбционные волокнистые материалы "Поликон К", наполненные углеродными волокнами

  Типы, свойства, структура и характеристика углеродных волокон, их получение на основе ПАН волокон. Основные закономерности процессов графитации и карбонизации. Влияние условий модифицирования поверхности УВ на ее активность и пористую структуру.
  
  курсовая работа [1,8 M], добавлен 17.02.2009
  

• Поликарбонаты – получение, свойства, применение

  Структура поликарбонатов и особенности их кристаллизации. Физико-механические, теплофизические, оптические и электрические свойства поликарбонатов. Применение их во многих отраслях промышленности. Поликонденсация в растворе и межфазная поликонденсация.
  
  курсовая работа [753,7 K], добавлен 30.12.2015
  

• Получение методом гель-формирования волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, модифицированного углеродными нанотрубками

  Проведение исследования исходных реакторных порошков сверхвысокомолекулярного полиэтилена различных марок. Изучение основ влияния растворителя на тепловые свойства полимера. Исследование физико-механических свойств волокон, их сравнительный анализ.
  
  дипломная работа [4,1 M], добавлен 11.04.2015
  

• Исследование реологических свойств эпоксидных композиций

  Выбор компонентов разрабатываемых композиций с пониженной горючестью. Кинетика отверждения модифицированных композиций. Физико-механические свойства модифицированных эпоксидных композиций. Влияние замедлителей горения на горение эпоксидных композиций.
  
  статья [60,2 K], добавлен 05.04.2009
  

• Эпоксидные смолы: получение и применение

  История развития производства и потребления эпоксидных связующих. Получение смол путем полимеризации и отверждения. Применение эпоксидных смол в качестве эпоксидного клея, для ремонта бетона, железобетонных конструкций, фундаментов и для их усиления.
  
  презентация [497,1 K], добавлен 15.09.2012
  

• Новые сложные гребнеобразные полиэфиры и полиамиды: синтез, структура и свойства

  Осуществление синтеза жесткоцепных ароматических гребнеобразных сложных полиэфиров и полиамидов, содержащих сложноэфирные мезогенные боковые заместители. Исследование зависимости свойств полимеров, имеющих то же строение полимерной цепи от природы.
  
  статья [967,5 K], добавлен 22.02.2010
  

• Аллотропные модификации

  Переход аллотропной модификации. Электрические, магнитные, оптические, физико-механические, термические свойства алмаза. Изучение структуры графита, его антифрикционные и химические свойства. Образование, применение озона и кислорода. Аллотропия углерода.
  
  реферат [26,0 K], добавлен 17.12.2014
  

• Разработка наноразмерных кобальтовых катализаторов гидрирования

  Значение и области применения катализаторов. Физико-химические и каталитические свойства и реакционная способность наноструктур. Методы синтеза наноструктурированных каталитических систем на основе полимеров. Кобальтовые катализаторы гидрирования.
  
  курсовая работа [2,2 M], добавлен 29.05.2014
  

• Деятельность ОАО "Ангарский завод полимеров"

  История создания первого завода полимерной химии Восточной Сибири и стратегия развития предприятия. Сущность технологии производства и характеристика товарной продукции, ее основные качественные показатели. Особенности процесса утилизации смол пиролиза.
  
  отчет по практике [36,7 K], добавлен 25.11.2012
  

• Физико-химические свойства ионообменных смол и мембран в амфолит-содержащих растворах

  Исследование эволюции физико-химических характеристик ионообменных смол и изготовленных из них мембран в процессах переработки амфолит-содержащих модельных растворов и виноматериалов. Электропроводность ионитов, её связь с другими свойствами ионитов.
  
  дипломная работа [4,6 M], добавлен 18.07.2014
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам