Термостійкі матеріали триботехнічного призначення на основі фенілону та високодисперсних кремнеземів

Размещено на http://allbest.ru

ДВНЗ “УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ”

05.17.06. - Технологія полімерних та композиційних матеріалів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Термостійкі матеріали триботехнічного призначення на основі фенілону та високодисперсних кремнеземів

Кабат Олег Станіславович

Дніпропетровськ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в ДВНЗ “Український державний хіміко-технологічний університет” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент

Ситар Володимир Іванович,

ДВНЗ “Український державний хіміко-технологічний університет”, м. Дніпропетровськ, завідувач кафедри хімічного машинобудування

Офіційні опоненти

доктор технічних наук, професор

Євдокименко Наталія Михайлівна,

ДВНЗ “Український державний хіміко-технологічний університет”, м. Дніпропетровськ, професор кафедри хімії та технології переробки еластомерів;

кандидат технічних наук

Геращенко Євгеній Іванович,

державне підприємство “УНДКТІ”ДІНТЕМ”, м. Дніпропетровськ, заступник начальника лабораторії №

Захист відбудеться “_1_” лютого 2008 р. о _15__годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.078.03 у ДВНЗ “Український державний хіміко-технологічний університет” за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 8, кімн. ____.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ДВНЗ “Український державний хіміко-технологічний університет”: м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 8.

Автореферат розісланий “_27_” грудня 2007 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради К.В. Шевцова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний розвиток техніки неможливий без прогресу в галузі розробки якісно нових матеріалів триботехнічного призначення. Застосування полімерів для створення таких матеріалів забезпечує зменшення маси, підвищує надійність і довговічність підшипників ковзання і кочення, рухомих ущільнень, напрямних втулок, шестерень, а також знижує їх собівартість. Більшість відомих полімерних композитів, які працюють у вузлах тертя, мають відносно низьку міцність, теплостійкість, зносостійкість і відзначаються високими значеннями теплового розширення. У зв'язку з цим актуальним завданням є створення антифрикційного полімерного композиційного матеріалу з підвищеними значеннями фізико-механічних і теплофізичних властивостей.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є частиною досліджень, які виконані на кафедрі хімічного машинобудування ДВНЗ “Український державний хіміко-технологічний університет” згідно з планами Міністерства освіти і науки України за держбюджетною темою: “Розробка теоретичних засад створення багатокомпонентних систем на основі термотривких полімерів (10050290/08)”.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка антифрикційних полімерних композиційних матеріалів з високими значеннями фізико-механічних і теплофізичних властивостей для підвищення надійності й довговічності вузлів тертя машин і механізмів.

Для досягнення визначеної мети необхідно вирішити такі завдання:

- вибір полімерної основи та наповнювачів для отримання термостійких матеріалів триботехнічного призначення з підвищеним рівнем фізико-механічних властивостей;

- дослідження впливу природи, концентрації та рівня дисперсності наповнювачів на фізико-механічні, теплофізичні й триботехнічні властивості отриманих полімерних композицій;

- розробка методики введення дрібнодисперсного наповнювача в полімерну матрицю та отримання композиту з підвищеним рівнем фізико-механічних властивостей;

- розробка рекомендацій до впровадження композитів у промисловість.

Об'єкти дослідження. Термостійкі матеріали триботехнічного призначення на основі фенілону С2 та високодисперсних кремнеземів. Виявлення й узагальнення закономірностей щодо впливу природи, концентрації та дисперсності кремнеземів на властивості розроблених композитів. високодисперсний композиту триботехнічний термостійкий

Предмет дослідження. Ароматичний поліамід полі-м-п-феніленізофталамід (фенілон С2). Кремнеземи: біла сажа, аеросил, силікагель, бентоніт, перліт спучений.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше розроблено полімерні композити на основі ароматичного поліаміду фенілону C2 та високодисперсних кремнеземів з високою теплостійкістю;

Вивчено вплив природи, вмісту та ступеня дисперсності кремнеземів на фізнко-механічні, теплофізичні й триботехнічні властивості композитів на основі фенілону, що дозволяє цілеспрямовано регулювати властивості й склад розроблених матеріалів;

Вперше застосовано методику введення високодисперсного кремнезему в композит шляхом хімічного осадження на частинки фенілону С2, що дозволяє отримати композит з підвищеним рівнем фізико-механічних властивостей;

Вперше розроблено математичні моделі впливу величини навантаження та швидкості ковзання на коефіцієнт тертя і ступінь зношування композиту.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено композиційні матеріали на основі ароматичного поліаміду, які за своїми триботехнічними, фізико-механічними та теплофізичними властивостями перевищують більшість полімерів і композитів на їх основі. Розроблено методику отримання полімерного композиційного матеріалу з підвищеним рівнем фізико-механічних властивостей. Надано рекомендації щодо застосування композитів у вузлах тертя машин і механізмів.

Результати промислових досліджень підтверджують доцільність та ефективність використання розроблених матеріалів при виготовленні полімерних шестерень (на заміну сталевим) для обплітальних машин у виробництві кабелю на підприємстві ТОВ “Азовська кабельна компанія”. Використання полімерних шестерень дало можливість підвищити довговічність цього вузла та зменшити шум під час його роботи.

Особистий внесок здобувача полягає в виконанні аналізу патентної і науково-технічної літератури за темою дисертації, виконанні експериментальної частини роботи, формулюванні основних наукових положень і висновків. Постановку задач, інтерпретацію та аналіз отриманих результатів здійснено у співпраці з науковим керівником канд.техн.наук, доцентом Ситаром В.І.

Апробація роботи. Основні положення роботи доповідались на таких конференціях:

2-га Міжнародна науково-технічна конференція студентів і молодих учених. “Хімія і сучасні технології”, Дніпропетровськ, 2005 р.; 25-та Ювілейна міжнародна конференція й виставка “Композиційні матеріали в промисловості” (Славполіком), Ялта, 2005 р.; Міжнародна наукова конференція “Наука й освіта”, Днепропетровск, 2006 р.; Міжнародна наукова конференція “Сучасні наукові досягнення”, Дніпропетровськ, 2006 р.; 4-та Українсько-Польська конференція “Полімери спеціального призначення”, Дніпропетровськ, 2006 р.; Міжнародна конференція “Передові космічні технології на користь людства”, Дніпропетровськ, 2007 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 робіт, з них 4 статті, 6 тез доповідей та 1 патент України на винахід.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із загальної характеристики роботи, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатка. Матеріали дисертаційної роботи викладено на 172 сторінках і містять 16 таблиць, 57 рисунків та 2 додатки. У бібліографії наведено 200 літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі розкрито важливість обраної проблеми, обґрунтовано актуальність теми, мету й завдання дослідження, сформульовано наукову новизну отриманих результатів, наведено практичну цінність використання результатів дослідження, подано джерела апробації та опублікування основних положень дисертації.

У першому розділі виконано аналіз механізмів тертя і зношення полімерів. Розглянуто фізичні, хімічні та фізико-хімічні аспекти, які впливають на процес тертя і зношення полімерів. Описано вплив навколишніх факторів: навантаження, швидкості ковзання, температури та шорсткості поверхні на тертя і зношення матеріалів.

Розглянуто основні вимоги, що висуваються до теплостійких полімерних матеріалів, які працюють у вузлах тертя. Наведено найбільш відомі наповнювачі, які використовуються для підвищення антифрикційних властивостей полімерних композитів. Зроблено аналіз відомих теплостійких полімерів, які мають високі триботехнічні показники й використовуються у вузлах тертя машин і механізмів. Унаслідок цього встановлено, що найбільш придатними для вузлів тертя є ароматичні поліаміди. Найбільшого поширення серед них набув полі-м-п-феніленізофталамід (фенілон С2). Завдяки своїм високим фізико-механічним, теплофізичним і триботехнічним властивостям деталі з фенілону С2 здатні підвищити надійність і довговічність вузлів тертя машин і механізмів.

З недоліків фенілону С2 можна назвати високе значення коефіцієнта тертя за відсутності змащування. Цю проблему вирішують шляхом створення полімерних композиційних матеріалів на основі фенілону С2, які модифікують чи наповнюють матеріалами, здатними підвищити антифрикційні властивості полімеру.

Зроблено аналіз існуючих полімерних композитів на основі фенілону С2 для вузлів тертя. Встановлено, що основним недоліком відомих композицій є зменшення фізико-механічних і теплофізичних властивостей матеріалу при його модифікації чи наповненні. Також, у деяких випадках, спостерігається зношення металевого контртіла у процесі тертя з полімерним композитом.

Таким чином, основним завданням роботи є створення полімерного композиційного матеріалу на основі фенілону, який поряд з високими антифрикційними властивостями зберігає на високому рівні свої фізико-механічні та теплофізичні характеристики.

У другому розділі наведено об'єкти й методи досліджень. За об'єкти досліджень було взято композиції на основі ароматичного поліаміду (полі-м-п-феніленізофталаміду), торгової марки фенілон С2. Зовні цей матеріал являє собою високодисперсний порошок з розміром часток 20 - 40 мкм. Теплостійкість виробів з фенілону С2 дорівнює 290оС, межа пружності при стисканні - 240 МПа. За своїми міцнісними характеристиками фенілон С2 наближається до сталі. Але вихідний фенілон С2 має високі значення коєфіцієнта тертя за відсутності змащування. Для підвищення триботехнічних характеристик у фенілон С2 вводили матеріали на основі кремнеземів.

Було вивчено такі матеріали: біла сажа (БС-120), аеросил (А380), силікагель (КСКГ), бентоніт, спучений перліт (А75). Об'єднує ці матеріали те, що до складу кожного з них входить діоксид кремнію.

БС-120 і А380 часто використовують як наповнювачі для полімерів. На вигляд це високодисперсні порошки біло-блакитного кольору з питомою поверхнею 120 і 380 м2/г. БС-120 і А380 відрізняються один від одного як морфологією, так і хімічним складом. За хімічним складом А380 - це двоокис кремнію, а БС-120 - це двоокис кремнію, на поверхні якого є зв'язана Н2О (табл. 1).

Таблиця 1

Характеристика кремнеземів

Назва	Марка	Розмір часток, мкм	Склад, мас. %
			SiO2	Оксиди	Хлориди	Зв'язана вода	Залишок
Біла сажа	БС-120	19-27	87,00	2,00	0,80	6,50	3,70
Аеросил	А380	5-15	99,90	0,07	-	0,01	0,02

Вивчено, також, інші матеріали, наприклад, силікагель марки КСКГ, бентоніт і перліт спучений марки А75. Для використання силікагелю, бентоніту і спученого перліту з в композиціях на основі фенілону С2, їх подрібнювали до розміру часток 7 - 15 мкм. Характеристика кремнеземів наведена в табл. 2.

Таблиця 2

Характеристика кремнеземів

Назва	Марка	Середній діаметр часток d, мкм	Вміст компонентів наповнювача, мас. %
		початковий	після подрібнення	SiO2	Оксиди	Залишок
Силікагель	КСКГ	2000 - 5000	7 - 10	87	2	11
Бентоніт	-	40 - 60	10 - 12	58	29	13
Перліт спучений	А75	140 - 1250	10 - 15	76	21	3

Вивчені кремнеземи також відрізняються структурою, про що свідчать рентгеноструктурні дослідження. Встановлено, що біла сажа й аеросил - аморфні матеріали, а силікагель, бентоніт і перліт спучений мають частково кристалічну структуру.

Рівномірність розподілу кремнеземів в композиті оцінювали методами оптичної (МБР-1Е) та електронної (Superprobe-733) мікроскопії.

Щільність зразків () вимірювали згідно з ГОСТ 15139-69, (методом гідростатичного зважування) на аналітичних терезах ВЛР-200. Ударну в'язкість (аn) вимірювали згідно з ГОСТ 4647-80 на маятниковому копрі. Оцінювання напружень при згині (f) та прогин () зразків виконувалася згідно з ГОСТ 4648-71 на машині AS-102. Вимірювання межі пружності (СТ), модуля пружності (Е) при стисканні та межі міцності (В) при розтягуванні виконували відповідно до ГОСТ 4651-82 і ГОСТ 11262-80 на розривній машині 2167 Р-50. Вологопоглинання зразків визначали відповідно до ГОСТ 4650-80. Усадку визначали згідно з ГОСТ 18616-80. Термостійкість вивчали на дериватографі Q-1500D згідно з ГОСТ 9715-86. Вимірювання теплостійкості за Віка (ТВК) виконували відповідно до ГОСТ 15088-83 на приладі FWV-633/10. Лінійне теплове розширення () зразків оцінювали за допомогою дилатометра ДКВ-4 згідно з ГОСТ 15173-70.

Рентгеноструктурний аналіз виконували на рентгенівському дифрактометрі ДРОН-2 в мідному монохроматизованому випромінюванні з нікелевим фільтром. Інфрачервоні спектри матеріалів отримували на установці Specord 75-IR.

Триботехнічні властивості досліджували на машині тертя 2070 СМТ-1 за схемою диск-колодка, використовуючи контртіло із сталі 45 діаметром 50 мм, яке було термооброблено до твердості 45-50 HRC. Мікрогеометрію поверхні тертя визначали за допомогою профілометра-профілографа моделі 252 заводу “Калибр”. Дослідження топографії поверхні тертя виконували методом оптичної мікроскопії (МБС-9, Epicvant). Фотографії отримували за допомогою цифрової камери Nikon CoolPix L10.

У третьому розділі вивчено вплив розміру часток кремнезему на властивості композиції. Встановлено, що при подрібненні кремнезему (від 600 до 10 мкм) спостерігається підвищення рівня властивостей композитів. Збільшення щільності композиції при введенні подрібнених кремнеземів свідчить про зростання міжфазної взаємодії в системі полімер - наповнювач. Значення ударної в'язкості, також, корелює з величиною міжфазної поверхні. Оптимальним є розмір часток 10 мкм, подальше подрібнення кремнеземів неефективне внаслідок зростання затрат.

До недоліків фенілону С2 слід віднести низький рівень технологічних властивостей, а саме: вузький інтервал температур переробки при пресувані, обмежений температурами плинності й термодеструкції полімеру. З метою підвищення рівня технологічних властивостей вивчено вплив кремнеземів на термогравіметричні властивості розроблених композитів. Встановлено, що введення білої сажі БС-120 підвищує рівень технологічних властивостей. Спостерігається збільшення температури початку активної деструкції фенілону С2, при введенні в композицію 10% білої сажі БС-120 температура досягає 390оС, що свідчить про підвищення технологічних властивостей композицій фенілону С2. Температурний інтервал переробки полімеру підвищується на 35оС. Аналогічне підвищення температури активної деструкції композиту спостерігається при використанні всіх досліджених кремнеземів.

З метою встановлення оптимального складу композиції вивчено концентраційні залежності межі пружності при стисненні (СТ) та модуля (Е) пружності

Встановлено, що для всіх вивчених кремнеземів концентраційні залежності носять екстремальний характер. При цьому максимальний рівень властивостей досягається при вмісті кремнезему в композиції 3%. Межа пружності при стисненні для композиції фенілон С2 + кремнезем (3%) досягає 280 МПа. Слід відзначити різний характер концентраційних залежностей при використанні традиційних наповнювачів (біла сажа БС-120, аеросил-380) та подрібнених кремнеземів (силікагель, бентоніт, перліт спучений). При використанні традиційних наповнювачів спостерігаємо зниження рівня властивостей у порівнянні з фенілоном С2 вже при вмісті кремнеземів більше 3%. При введенні подрібнених кремнеземів рівень властивостей практично не знижується до 20% їх вмісту. І за своїми значеннями перевищує аналогічні показники для фенілону С2, що дозволяє прогнозувати значне зменшення ціни композиту.

Характер концентраційної залежності модуля пружності меншою мірою залежить від природи кремнезему. При цьому введення кремнеземів кристалічної структури значно підвищує модуль пружності з 3100 МПа (для фенілону С2) до 4200 МПа. Слід відзначити нелінійний характер зміни модуля пружності при підвищенні концентрації кремнезему.

Вивчені концентраційні залежності щільності композитів також мають нелінійний характер. Значне підвищення щільності композиту при малих концентраціях кремнезему свідчить про структурні перетворення в полімерній матриці. Значення щільності композиції фенілон С2 + кремнезем (3%) перевищує аналогічні показники адитивної щільності.

Досліджено концентраційні залежності теплостійкості й термічного розширення матеріалів на основі фенілону С2 та кремнезему. Встановлено, що введення кремнезему приводить до підвищення теплостійкості композиту на 10 - 15оС. При цьому збільшення концентрації кремнезему підвищує теплостійкість композиту. Введення кремнезему сприяє зменшенню коефіцієнта температурного розширення полімерного композиту до 2,9010-5 1/оС при концентрації наповнювача 20%. Збільшення теплостійкості й зменшення температурного розширення розроблених композитів пов'язано з фізичною та хімічною адсорбцією полімеру поверхнею наповнювача, внаслідок цього обмежується рухомість сегментів макромолекули фенілону С2.

Вивчено вплив структури кремнеземів на фізико-механичні властивості розроблених композитів.

Встановлено, що рівень міцності при згині матеріалів, що містять подрібнені кремнеземи кристалічної структури (силікагель, бентоніт, перліт спучений), вищий у порівнянні з аморфними кремнеземами (біла сажа БС-120, аеросил-380). Зразки, що містять подрібнений бентоніт, мають невисокі значення міцності при згині, внаслідок того, що бентоніт має шарувату будову. Порівняльний аналіз властивостей композитів з аморфними кремнеземами (білою сажею БС-120 та аеросилом-380), виявив, що біла сажа забезпечує більш високий рівень властивостей композиту, у порівнянні з аеросилом. Це пояснюється наявністю на поверхні білої сажі активних силанольних груп, які можуть взаємодіяти з молекулами полімеру.

Здійснено рентгеноструктурні дослідження композитів з оптимальними значеннями вмісту кремнеземів. Виявлено, що при вмісті кремнезему 3% структура композиту змінюється - спостерігається невисокий ступень кристалічності. Дифракційний максимум спостерігається при 2и = 24. Максимальний ступінь кристалічності виявляють композити, з бентонітом.

У четвертому розділі наведені результати триботехнічних досліджень розроблених композитів при терті без змащування та в мастилі. Досліджено вплив природи та вмісту кремнезему на коефіцієнт тертя й інтенсивність лінійного зношення композитів на основі фенілону при терті без змащування. Встановлено, що композити, з подрібненими кремнеземами (силікагелем, бентонітом і перлітом спученим) мають мінімальні значення коефіцієнта тертя й зношення при оптимальному вмісті кремнезему 2 - 5%.

Мінімальні значення коефіцієнта тертя й зношення композитів, з аморфними кремнеземами (біла сажа БС-120 та аеросил-380) спостерігається при вмісті кремнеземів 20%.

Так, коефіцієнт тертя розроблених композицій досягає 0,19, а інтенсивність лінійного зношення - 510-9 м/м при оптимальному вмісті кремнеземів. Причому зносостійкість композиційних матеріалів з подрібненими силікагелем, бентонітом, перлітом спученим, у 8 - 12 разів вища порівняно з фенілоном С2. При збільшенні концентрації кремнеземів до 20% зношення композиту підвищується, але це підвищення не є критичним.

Зменшення коефіцієнта тертя й зношення композиту з кремнеземом пояснюється утворенням плівки на поверхні сталевого контртіла внаслідок фрикційної взаємодії з композитом .

Утворення плівки сприяє зменшенню коефіцієнта тертя й підвищенню зносостійкості розроблених полімерних композитів.

Оптимальні значення коефіцієнта тертя і зносостійкості є наслідком здатності розроблених полімерних композиційних матеріалів створювати суцільну антифрикційну плівку, яка вкриває поверхню контртіла, про що свідчать наведені мікрофотографії .

Встановлено, що суцільна плівка вкриває більшу частину поверхні контртіла, коли вміст бентоніту досягає 2 - 5%. При вмісті бентоніту менше 2% плівка не суцільна і вкриває тільки окремі ділянки поверхні. Подібна картина, також, спостерігається при введенні в фенілон С2 подрібненого силікагелю і перліта спученого. Створення суцільної антифрикційної плівки при вмісті кремнезему 2 - 5% є основним фактором зменшення коефіцієнта тертя й зношення полімерного композиційного матеріалу.

Дослідження режиму й терміну притирки композиту з контртілом є дуже важливим для вузлів тертя. Відомо, що найбільша інтенсивність зношення елементів пари тертя, спостерігається у період притирки, коли матеріали з різними геометричними параметрами поверхні взаємодіють між собою. В період притирки спостерігаємо підвищені значення коефіцієнта тертя й зношення матеріалів. Розглянуто вплив природи та концентрації кремнеземів на зношення полімерного композиту у період притирки. Встановлено, що швидкість ковзання більшою мірою впливає на термін притирки, ніж навантаження. Вплив швидкості ковзання і навантаження на термін притирки є наслідком перебігу механохімічних процесів у зоні контакту між полімером і металом. Інтенсивність цих процесів залежить від зовнішніх факторів, які впливають на температуру в зоні контакту тіл, які труться.

Згідно зі здійсненими дослідженнями рекомендовано, при використанні розроблених композицій у вузлах тертя, здійснювати плавне підвищення швидкості ковзання та навантаження, тому що в період притирки спостерігається значне підвищення коефіцієнта тертя й температури на фрикційній поверхні, що може викликати перегрівання, заклинювання чи підплавлення полімерного підшипника.

Здійснено триботехнічні дослідження процесу тертя розроблених матеріалів, коли вони змащувались індустріальним мастилом. Встановлено, що найменший коефіцієнт тертя мають композиції, з білою сажею БС-120, при вмісті кремнезему 2 - 5% коефіцієнт тертя дорівнює 0,027 - 0,032. З підвищенням концентрації кремнезему спостерігаємо деяке підвищення коефіцієнта тертя для всіх композицій. Зносостійкість розроблених композитів у 3 - 7 разів вища порівняно з фенілоном С2.

Причому мінімальне значення зношення (0,610-9 м/м) спостерігаємо для композиту, що містить 2 - 5% кремнезему. Найменше зношення спостерігалось для композиту фенілону С2, що містить 3% білої сажи БС-120.

Подальші дослідження виконували для матеріалів, з найкращими триботехнічними показниками, а саме:

- при терті без змащування - композиція фенілон С2 + подрібнений бентоніт (3%);

- при терті зі змащуванням - композиція фенілон С2 + біла сажа БС-120 (3%).

Дослідження впливу режимів тертя на триботехнічні властивості композиції фенілон С2 + подрібнений бентоніт (3%), при терті без змащування, показало, що при підвищенні навантаження спостерігається зменшення коефіцієнта тертя. Це явище відрізняє антифрикційні полімерні матеріали від інших .

Встановлено, що досліджений композит працює при навантаженні до 1,5 МПа і швидкості ковзання до 1,25 м/с. При швидкості понад 1,25 м/с, внаслідок підвищення температури, на поверхні тертя спостерігається зростання зношення полімерного композиційного матеріалу. При навантаженні 1,5 МПа і швидкості ковзання 1,25 м/с зношення полімерного композиційного матеріалу не є критичним.

Вивчено вплив навантаження і швидкості ковзання на триботехнічні властивості композиту фенілон С2 + біла сажа БС-120 (3%), коли поверхня тертя змащувалась .

Встановлено, що зі збільшенням навантаження до 12,5 МПа спостерігається зменшення коефіцієнта тертя до 0,02 - 0,03.

При підвищенні швидкості ковзання спостерігається зменшення коефіцієнта тертя, що є наслідком скорочення терміну фрикційного контакту між композитом і сталлю. Збільшення навантаження та швидкості ковзання впливає на підвищення зношення композиту фенілон С2 + кремнезем, причому більше впливає навантаження.

За даними експерименту з використанням програмного пакета MathCad, отримали математичні моделі, які описують вплив навантаження та швидкості ковзання на коефіцієнт тертя й інтенсивність лінійного зношення композитів при їх контакті зі сталевим контртілом, а саме:

- для матеріалу фенілон С2 + подрібнений бентоніт (3%) при терті без змащування моделі мають такий вигляд:

,

;

- для матеріалу “фенілон С2 + біла сажа БС-120 (3%)” при терті із змащуванням моделі мають такий вигляд:

,

.

Отримані рівняння регресії доцільно застосовувати для обчислення значень коефіцієнтів тертя й інтенсивності лінійного зношення вивчених композитів у досліджених умовах експлуатації.

У п'ятому розділі досліджено рівномірність розподілу кремнезему в об'ємі полімеру. Ступінь рівномірності розподілу наповнювача у полімері оцінювали за мікрофотографіями поверхонь композитів після пресування. Оцінювання рівномірності розподілу кремнезему здійснювали шляхом знаходження коефіцієнта неоднорідності (Vc).

,

де ci - концентрація одного з компонентів;

Н - концентрація того ж компонента при ідеальному розподілі;

n -кількість дослідів.

При ідеальному перемішуванні коефіцієнт Vc прагне до нуля. Оцінювання цього параметра показує, що для матеріалів, наповнених подрібненим силікагелем, бентонітом і перлітом спученим, коефіцієнт неоднорідності відповідно має такі значення: , , . Коефіцієнти неоднорідності композитів, наповнених білою сажею БС-120 та аеросилом-380, мають відповідні значення: та . Виявлено, що ступінь розподілу подрібнених кремнеземів (силікагель, бентоніт і перліт спучений) вищий, ніж для білої сажі БС-120 і аеросилу-380. Відомо, що рівномірність розподілу компонентів суттєво впливає на комплекс властивостей композиції. Для отримання композиту з високим ступенем рівномірності розподілу кремнезему в композиті розроблено методику введення дисперсного наповнювача. За методикою аморфний кремнезем синтезували і створили умови осадження кремнезему на частинки фенілону С2.

Аморфний кремнезем одержували з розчину рідкого скла в лужному середовищі (NaOH). У цей розчин вводили порошок фенілону С2 і, перемішували, отримуючи завись. Реакцію синтезу кремнезему здійснювали шляхом додавання Н2SO4 (конц.) краплями до рН = 9. Далі збільшували швидкість додавання Н2SO4 (конц.) до рН = 3 і виконували синтез упродовж 90 хвилин. Отриману суміш фільтрували і відмивали. Порошок (суміш фенілону С2 і кремнезему) сушили при температурі 125оС протягом 6 годин (до постійної маси).

Аналіз мікрометричних знімків отриманих композитів, показує, що розміри частинок кремнезему зменшилися до 1 - 2 мкм . Визначення рівномірності розподілу кремнезему в полімері показує, що ступінь його розподілу у матеріалі отриманому за розробленою методикою, удвічі перевищує аналогічний показник для композитів, отриманих за традиційною методикою.

Зменшення розміру частинок кремнезему та підвищення ступеня рівномірності їх розподілу в композиті, отриманому за розробленою методикою, впливає на рівень фізико-механічних властивостей.

Дослідження концентраційних залежностей міцності при розтягуванні та згині, ударної в'язкості свідчать, що рівень показників для композитів, які були отримано за розробленою методикою, має більш високі значення, у порівнянні з композитами, отриманими за традиційною методикою (табл. 3).

При концентрації кремнезему 3 - 5% у комопзитах, отриманих за розробленою методикою, спостерігаються екстремальні значення міцності при розтязі та згині, які досягають відповідно 127 МПа і 286 МПа. Ударна в'язкість розроблених композитів зменшується з підвищенням концентрації кремнезему. Ударна в'язкість матеріалів, отриманих за розробленою методикою, у 2 - 4 рази більша, ніж у матеріалів, отриманих за традиційною методикою.

Таким чином встановлено, що запропонована методика введення кремнезему в склад композиту дозволяє отримати матеріал з рівномірно розподіленим кремнеземом в об'ємі полімеру і зменшити розміри частинок кремнезему до нанорівня. Ці фактори впливають на покращення комплексу властивостей отриманих композитів.

Таблиця 3

Властивості композиту фенілон С2 + кремнезем, отриманого за різними методиками

Методика отримання композиту	Вміст білої сажі, %	Міцність при розтязі, МПа	Міцність при згині, МПа	Ударна в'язкість, кДж/м2
Традиційна	0	120	250	65
	3	76	182	37
	5	67	170	33
	10	40	115	12
	20	27	90	6
Розроблена	0	120	250	65
	3	127	270	60
	5	123	286	56
	10	110	279	44
	20	103	200	39

У шостому розділі виконано порівняльний аналіз розроблених композитів з існуючими аналогами, які застосовуються у вузлах тертя. Встановлено, що розроблені матеріали мають більш високий рівень фізико-механічних та теплофізичних властивостей, у порівнянні з більшістю відомих полімерних композитів. Композити на основі фенілону С2 і кремнеземів мають низькі значення коефіцієнта тертя й зношення, не залежно від того, змащувались робочі фрикційні поверхні чи ні. На основі досліджень розроблено полімерні композиційні матеріали, які можна рекомендувати до використання у вузлах тертя машин і механізмів.

Виконано аналіз роботи вузлів тертя (підшипники ковзання та кочення, рухомі й нерухомі ущільнення, напрямні втулки, шестерні), в яких можуть бути використані розроблені матеріали. Здійснено промислові випробування розроблених композитів на базі ТОВ “Азовська кабельна компанія”. За результатами цих випробувань отримано відповідний акт. Встановлено, що при заміні металевої шестерні обплітальної машини на шестерню з розробленого полімерного композиту довговічність роботи деталі збільшилася в 2 рази (з 1000 до 2000 годин). До того ж, значно зменшився рівень шуму при роботі вузла тертя.

ВИСНОВКИ

1. Здійснено патентний пошук та аналіз літературних джерел з питань створення термостійких матеріалів триботехнічного призначення. З огляду на актуальність теми розробки, запропоновано використовувати як полімерну основу для отримання термостійких композитів триботехнічного призначення ароматичний поліамід (фенілон С2) і високодисперсні кремнеземи.

2. Досліджено вплив природи та концентрації кремнеземів на фізико-механічні й теплофізичні характеристики композицій на основі фенілону С2. Встановлено, що введення 3 мас.% кремнеземів підвищує межу пружності при стисканні на 10 - 15%. З підвищенням вмісту кремнеземів у композиції збільшується модуль пружності до 4200 МПа, теплостійкість зростає на 5 - 10оС, а також зменшується теплове розширення композитів. Спостерігається зсув температури початку активної деструкції у бік більших значень, що дає можливість збільшити інтервал температур, в яких можлива переробка композиту.

3. Розроблено методику отримання композиту, яка передбачає введення порошку полімеру в реакційне середовище, де синтезується кремнезем. Запропонована методика дозволяє отримати матеріал з високим ступенем розподілу кремнезему в об'ємі полімеру та зменшити розмір його часток до 1 - 2 мкм. За рахунок цього показники міцності при згині та ударна в'язкість розроблених композитів у 2 - 3 рази вищі, ніж у композитів, які отримані за стандартною методикою.

4. Досліджено вплив природи та концентрації кремнеземів на триботехнічні властивості композицій в процесі тертя без змащування та зі змащуванням. Встановлено, що найменші значення коефіцієнта тертя та зношення спостерігаються у композицій з вмістом кремнеземів 3мас.%. Це наслідок утворення антифрикційної плівки на поверхні сталевого контртіла.

5. Встановлено вплив режимів експлуатації на триботехничні властивості розроблених композицій, які беруть участь в процесі сухого тертя або тертя зі змащуванням. За результатами експериментів отримані математичні моделі, які описують вплив навантаження й швидкості ковзання на коефіцієнт тертя й інтенсивність лінійного зношення досліджених композиційних полімерних матеріалів

6. Виконано порівняльний аналіз розроблених композитів з існуючими аналогами, які працюють у вузлах тертя. Встановлено, що розроблені композиції за своїми триботехнічними властивостями відповідають найкращим аналогам, а за фізико-механічними та теплофізичними вимогами перевищують їх. Здійснено промислові випробування розроблених композитів на ТОВ “Азовська кабельна компанія”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ситар В.І., Кабат О.С. Дослідження впливу дрібнодисперсного силікагелю на властивості ароматичного поліаміду фенілону // Вопросы химии и химической технологии. - 2005. - № 1. - С. 199-203.

2. Сытар В.И., Кабат. О.С., Назаренко А.О. Повышение надежности и долговечности тяжелонагруженных узлов трения форматоров-вулканизаторов // Вопросы химии и химической технологии. - 2005. - №4. - С. 168-171.

3. Сытар В.И., Савченко М.О., Кабат. О.С., Мельников Б.И. Разработка методики получения полимерного композиционного материала на основе фенилона, наполненного нанодисперсным наполнителем // Вопросы химии и химической технологии. - 2007. - №3. - С. 108-113.

4. Ситар В.И., Кабат. О.С. Теплостойкие материалы триботехнического назначения на основе ароматического полиамида и дисперсных кремнеземов // Вопросы химии и химической технологии. - 2007. - №4. - С. 94-98.

5. Пат. 75986 Украина, МПК С08L77/00. Полімерна композиція / Ситар В.І., Кабат О.С., Данилін Д.С., Назаренко А.О.; УДХТУ. - Заявл. 25.05.2004; Опубл. 15.06.06. - 3 с.

6. Кабат О. С., Ситар В.І. Дослідження властивостей композиційних матеріалів на основі ароматичного поліаміду фенілону та дрібнодисперсного силікагелю // 2 Міжнародна науково-технічна конференція “Хімія і сучасні технології”. - Дніпропетровськ, 2005. - С. 133-134.

7. Ситар В.І., Кабат О.С. Дослідження впливу дрібнодисперсного силікагелю на фізико-механічні та теплофізичні властивості ароматичного поліаміду фенілон / 25 Юбилейная международная конференция и выставка “Композиционные материалы в промышленности (Славполиком)”. - Ялта, 2005. - C. 461-462.

8. Сытар В.И., Кабат О.С., Митрохин А.А. Композиционные материалы в узлах трения вулканизационного оборудования // 4 Міжнародна науково-технічна конференція “Наука та освіта”. - Дніпропетровськ, 2006. - С 37-38.

9. Кабат О.С., Сытар В.И., Фальчук С.А. Антифрикционные композиционные материалы, наполненные наночастицами // 2 Міжнародна науково-технічна конференція “Сучасні наукові дослідження - 2006 ”. - Дніпропетровськ, 2006. С. 14-16.

10. Sytar V.I. Kabat O.S. Development and investigation of the polymeric compositional materials based on aromatic polyamides and fine-dyspersated silica // 4-th Ukrainian-Polish Scientific Conference “The polymers of special application”. - Dnepropetrovsk, 2006. - P. 90.

11. Sytar V.I., Kabat O.S. Heat-resistant antifriction materials based on phenylone and dispersed fillers // International conference “Advance space technologies for humankind prosperity”. - Dnipropetrovsk, 2007. - P. 105.

АНОТАЦІЯ

Кабат О.С. Термостійкі матеріали триботехнічного призначення на основі фенілону та високодисперсних кремнеземів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.06 - технологія полімерних та композиційних матеріалів. - ДВНЗ “Український державний хіміко-технологічний університет”. Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація присвячена створенню теплостійких полімерних композиційних матеріалів на основі фенілону С2 та кремнеземів для вузлів тертя.

Досліджено дисперсний склад і якість розподілу наповнювачів в об'ємі полімеру. Вивчено вплив природи та концентрації кремнеземів на фізико-механічні й теплофізичні властивості розроблених композицій. Створено методику отримання полімерного композиційного матеріалу з підвищеними фізико-механічними властивостями. Здійснено дослідження впливу природи та концентрації кремнеземів на триботехнічні властивості композитів у процесі сухого тертя і тертя із змащуванням. Встановлено причину зменшення коефіцієнта тертя й зношення матеріалів на основі фенілону С2. Досліджено вплив режимів експлуатації на триботехнічні властивості розроблених композитів. За результатами експериментів розроблено математичні залежності, які описують вплив навантажень і швидкості ковзання на коефіцієнт тертя й інтенсивність лінійного зношення досліджених композиційних полімерних матеріалів. Виконано порівняльний аналіз розроблених композитів з існуючими аналогами, які працюють у вузлах тертя. Розроблено рекомендації до застосування композицій у вузлах тертя машин і механізмів. Виконано промислові випробування розроблених композитів на ТОВ “Азовська кабельна компанія”.

Ключові слова: фенілон С2, високодисперсні кремнеземи, концентрація кремнеземів, фізико-мехнанічні та теплофізичні характеристики, триботехнічні характеристики, вузол тертя.

АННОТАЦИЯ

Кабат О.С. Термостойкие материалы триботехнического назначения на основе фенилона и высокодисперсных кремнеземов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.06 - технология полимерных и композиционных материалов. - ГВУЗ “Украинский государственный химико-технологический университет”, Днепропетровск, 2007.

Диссертация посвящена созданию теплостойких полимерных композиционных материалов на основе фенилона и высокодисперсных кремнеземов для узлов трения.

Установлено, что из полимеров выпускаемых промышленностью, ароматический полиамид фенилон С2 наиболее подходит для использования в узлах трения машин и механизмов. Материалы из фенилона С2 обладают высокими физико-механическими и теплофизическими харрактеристиками и способны работать в узлах трения при повышенных нагрузках и скоростях скольжения. Для улучшения триботехнических характеристик фенилона С2 в его состав вводили высокодисперсные кремнеземы (аэросил-380, белая сажа БС-120, силикагель КСКГ, бентонит, перлит вспученный А75). Их предварительно измельчали до размеров частичек 7 - 12 мкм.

Исследовано влияние дисперсного состава кремнеземов на свойства разработанных композитов. Установлено, что увеличение плотности и ударной вязкости корелирует с величиной межфазной поверхности. При использовании кремнеземов с размером частичек 7 - 12 мкм плотность и ударная вязкость композитов достигает максимальных значений.

Исследовано влияние концентрации и природы кремнеземов на физико-механические и теплофизические свойства композиций. Установлено, что при содержании кремнезема 3мас.% композиты имеют максимальные значения предела упругости, достигающие 280 МПа. При этом обращает на себя внимание различный характер концентрационных кривых при использовании традиционных кремнеземов (аэросил-380 и белая сажа БС-120) и измельченных (силикагель, бентонит и перлит вспученный). Характер концентрационной зависимости модуля упругости в меньшей степени зависит от природы наполнителя. При этом введение измельченных кремнеземов в большей степени повышает модуль упругости от 3100 МПа (для фенилона С2) до 4200 МПа при 20% концентрации силикагеля в композиции. Изучены концентрационные зависимости теплостойкости и термического линейного расширения композитов. Установлено, что повышение концентрации кремнеземов приводит к увеличению теплостойкости композита на 5 - 10оС и к снижению линейного расширения композитов до 2,9Ч10-5 1/оС.

Исследовано влияние концентрации и природы кремнеземов на триботехнические характеристики композиций при трении без смазывания и со смазкой. Установлено, что наименьшими значениями коэффициента трения и износа обладают композиты с содержанием кремнеземов 3мас.%. Износостойкость разработанных композитов в 8 - 10 раз выше чем у фенилона С2. Понижение коэффициента трения и износа у композитов, наполненных кремнеземами можно объяснить образованием пленки на контртеле, которая способствует уменьшению сил трения в паре трения полимер-сталь. Эту пленку можно увидеть на микрофотографиях образцов. для всех исследуемых композитов.

Изучено влияние эксплуатационных факторов (удельная нагрузка и скорость скольжения) на коэффициент трения и износостойкость композитов. Установлено, что при повышении удельной нагрузки и скорости скольжения износ композитов увеличивается, но не достигает критического. По результатам экспериментов получены математические зависимости, описывающие влияние удельной нагрузки и скорости скольжения на коэффициент трения и износ композиций.

Исследовано степень распределения кремнезема в полимере. Установлено, что лучшее распределение кремнеземов в полимере имеют материалы, наполненные измельченными силикагелем, бентонитом и перлитом вспученным, в сравнении с композитами, наполненными традиционными наполнителями (белая сажа БС-120 и аеросил-380).

Для создания материала с высокой степенью распределения кремнезема в полимере была разработана методика осаждения кремнезема на поверхность частичек фенилона С2.

Исследование снимков композитов, полученных по предложенной методике, показало, что частички аморфного кремнезема в полимере уменьшились в размерах до 1 - 2 мкм. Степень распределения их в фенилоне С2 выше чем у композитов, полученных по известной методике. Физико-механические характеристики композитов, полученных по разработанной методике, в несколько раз превосходят аналогичные свойства композитов, полученных традиционно. Так ударная вязкость и предел прочности при растяжении материалов полученных по предложенной методике в 3 - 4 раза превосходит аналогичные значения для материалов, которые полученные по стандартной методике.

Проведен сравнительный анализ разработанных композиций с существующими аналогами, которые работают в узлах трения машин и механизмов. Даны рекомендации по применению разработанных композиций в узлах трения машин и механизмов. Произведены промышленные испытания разработанных композитов на ООО “Азовская кабельная компания”.

Ключевые слова: фенилон С2, высокодисперсные кремнеземы, концентрация кремнеземов, физико-механические и теплофизические характеристики, триботехнические характеристики, узел трения.

ABSTRACT

Kabat O.S. Heat-resistant antifriction materials based on phenylone and dispersed silica. - Manuscript.

Thesis applying for candidate of engineering science degree on speciality 05.17.06 - technology of polymeric and composition materials. - SHEE “Ukrainian State Chemical-Technological University”, Dnipropetrovsk, 2007.

The dissertation is devoted to creation of heat-resistant antifriction materials based on phenylone and dispersed silica.

It was studied quality of distribution of the dispersed fillers in the polymer. It was investigate influence of the concentration of the dispersed silica on physical and thermophysical properties of the polymeric materials. It was created new methods of the synthesis of the polymeric composite materials. It has high quality of distribution of the dispersed fillers. It was investigate influence of the concentration of the dispersed silica on tribotechnical characteristics of the polymeric materials. It was studied reason of the decreasing of the friction coefficient and wear in composites. It was investigate influence of the operating regime of the friction unit on tribotechnical characteristics of the polymeric materials. Based on results of experiment, it was developed mathematic formula. It describes influence of the operating regime on the of the friction unit on the polymeric materials. It was carried out comparative analysis of the development polymeric materials with analogue that had worked in friction unit. Developed polymeric material was tested the in friction unit of the braiding machine. Described elaborations were realized practically.

Key words: phenilon C2, dispersed silica, concentration of the dispersed silica, physical and thermophysical properties, tribotechnical characteristics, friction unit.

Размещено на Allbest.ru

...