Изменение структуры композита на основе ПТФЭ в процессе фрикционного взаимодействия

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК620.178.16

Омский государственный технический университет, г. Омск

¹Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет, г. Омск

²Государственное научное учреждение «Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого Национальной академии наук Беларуси», г. Гомель

Изменение структуры композита на основе ПТФЭ в процессе фрикционного взаимодействия

Ю.К. Машков, А.С. Рубан¹,С.В. Шилько²

Аннотация

композиционный графит фазовый фрикционный

В работе исследованы свойства полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), наполненного частицами скрытокристаллического графита и наноразмерной двуокиси кремния, и закономерностей структурно-фазовых превращений в указанном ПКМ в условиях фрикционного взаимодействия. Для исследования структуры указанного композита использованы методы электронной микроскопии и проведен анализ элементного состава поверхности до и после фрикционного взаимодействия. Методом атомно-силовой микроскопии исследована топография поверхности трения. На основе полученных данных сделаны выводы о преобразовании надмолекулярной структуры исследуемых образцов вследствие развития сложных физико-химических процессов в условиях фрикционного взаимодействия.

Ключевые слова: нанокомпозиты, политетрафторэтилен, надмолекулярная структура, наполнители - модификаторы.

Создание полимерного композиционного материала (ПКМ) является сложной научно-технической задачей. Свойства ПКМ существенно зависят от вида, содержания и физико-механических свойств наполнителя. Правильный выбор наполнителя позволяет существенно расширить область применения ПКМ и повысить технический уровень, надежность и срок службы приборов или оборудования.

Анализ разработок и результатов экспериментальных исследований металлополимерных пар трения показывает, что проблема прогнозирования триботехнических свойств полимерных композиционных материалов не утрачивает своей актуальности [1-5]. Дальнейшее развитие исследований в этом направлении ставит задачу оптимизации состава композитов не только исходя из наилучших триботехнических характеристик, но и по критерию обеспечения их стабильности при эксплуатации узла трения.

Целью работы являлось исследование свойств полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), наполненного частицами скрытокристаллического графита (СКГ) и наноразмерной двуокиси кремния, и закономерностей структурно-фазовых превращений в указанном ПКМ в условиях фрикционного взаимодействия.

Исследуемые образцы содержали в качестве наполнителей СКГ марки ГЛС-3 (ГОСТ 5420-74) в виде ультрадисперсных частиц неупорядоченной ориентации с удельной поверхностью 55-70 м²/г в и структурно активный наноразмерный порошок двуокиси кремния SiO₂ марки БС-120 (ГОСТ 18307-78). Средний размер частиц БС-120 составлял 19-27 нм, удельная адсорбционная поверхность 300 м²/г. На основе данных [6], полученных при изучении влияния нанопорошка двуокиси кремния БС-120 [6,7], для дальнейших исследований были выбраны образцы следующего состава: 89 масс% ПТФЭ, 8 масс% СКГ, 3 масс% SiO₂.

Влияние наномодификаторов на структуру полимерных композитов и полимерной матрицы ПТФЭ изучали при помощи сканирующего электронного микроскопа JEOL JСM-5700, оснащенного рентгеновским микроанализатором для изучения элементного состава.

Рентгенограммы образцов композитов одинакового состава, изготовленные по одной технологии, иногда количественно отличаются друг от друга. Это указывает на то, что процесс формирования надмолекулярной структуры композита сложного состава начинается уже в процессе изготовления под влиянием различных технологических факторов.

Для создания условий, способствующих повышению структурной активности наномодификатора, на основе литературных данных и проведенных предварительных исследований был выбран режим спекания в специализированных приспособлениях в виде металлических зажимов, ограничивающих тепловое расширение спекаемого материала в направлении прессования [8]. Возникающее при нагреве одноосное давление сжатия оказывает значительное влияние на структурообразование в материале.

С целью изучения физико-химических процессов, развивающихся в поверхностном слое ПКМ в условиях фрикционного взаимодействия, и их влияния на износостойкость ПКМ, исследовали элементный состав поверхности до и после фрикционного взаимодействия.

Таблица 1. Элементный состав ПКМ, %масс.

Результаты исследования (табл. 1) показали, что при введении в ПТФЭ комплексных полидисперсных и наноразмерных модификаторов, включающих наряду с СКГ порошок SiO₂ марки БС-120, происходит значительное изменение морфологии полимерной матрицы [6,9,10]. Содержание элементов в поверхностном слое образцов определяется сложными физико-химическими процессами, возникающими при трении. В процессе фрикционного взаимодействия наблюдается значительное изменение концентрации элементов F, C; уменьшение содержания фтора в 3 раза, увеличение содержания углерода почти в два раза и появление значительного количества кислорода.

На рис. 1 представлены микрофотографии поверхностей трения образца указанного выше состава.

Рис. 1. Микрофотографии поверхности трения ПКМ, содержащего 89 масс% ПТФЭ, 8 масс% СКГ, 3 масс% SiO₂.

Как видно из рис. 1, имеет место преобразование надмолекулярной структуры полимера и увеличение его пористости. Вследствие неравномерности распределения частиц модификатора в матрице в композиционном материале появляются области дефектности, представленные на микрофотографиях неплотноупакованными неструктурированными участками.

Сравнение полученных данных с результатами работы [10] показывает, что увеличение концентрации наполнителя проявляется в виде разрыхляющего воздействия на матрицу.

На рис. 2 приведены микрофотографии поверхности трения исследуемых образцов, а на рис. 3 показан микрорельеф поверхности, полученный с использованием программы Gwyddion.

Анализ рельефа поверхностей трения и элементного состава позволяет сделать вывод о развитии на поверхности трения химических и диффузионных процессов, обусловленных температурным градиентом, возникающим при трении.

Рис. 2. Микрофотография поверхности трения ПКМ, содержащего 89 масс% ПТФЭ, 8 масс% СКГ, 3 масс% SiO₂.

Рис. 3. Микрорельеф поверхности трения ПКМ, содержащего 89 масс% ПТФЭ, 8 масс% СКГ, 3 масс% SiO₂.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Надмолекулярная структура ПКМ, полученная с использованием комплексных наномодификаторов, характеризуется наличием дефектных областей, неплотноупакованных и неструктурированные участков, главным образом в области межфазных границ.

2. Изменение химического состава и анализ микрорельефа поверхности образцов ПКМ свидетельствует о развитии сложных физико-химических процессов, происходящих в процессе фрикционного взаимодействия.

Работа выполнена в рамках проекта   РФФИ № 16-58-0037/16 / Т16Р-202 БРФФИ

Библиографический список

1. Песецкий С.С. Триботехнические свойства нанокомпозитов, получаемых диспергированием наполнителей в расплавах полимеров / Песецкий С.С., Богданович С.П., Мышкин Н.К. // Трение и износ. - 2007. - Т. 28, № 5. - С. 500-524.

2. Охлопкова А.А. Фторполимерные композиты триботехнического назначения / А.А. Охлопкова, П.Н. Петрова, О.В. Гоголева, А.Л. Федоров // Трение и износ. - 2007. - Т. 28, № 6. - С. 627-634.

3. Суворова Ю.В. Анализ некоторых свойств композиционных наноматериалов / Ю.В. Суворова, М.А. Фроня // Проблемы машиностроения и автоматизации. - 2009. - № 2 - С. 62-69.

4. Воропаев В.В. Технология высокопрочных композиционных материалов на основе модифицированного политетрафторэтилена / В.В. Воропаев, В.А. Струк, Г.Н. Горбацевич, И.Л. Лавринюк // Весцi Нацыянальнай акадэмii навук Беларусi. - 2012. - № 3. - С. 31-38.

5. Антонов А.С. Формирование высокопрочных триботехнических материалов на основе политетрафторэтилена / А.С. Антонов, А.С. Воронцов, С.В. Авдейчик, В.В. Гаврилова // Материалы Междунар. н/т конференции INTERMATIC - 2015, Москва, 1-5 декабря 2015 г. - Часть 2. - МИРЭА. - С. 153-156.

6. Машков Ю.К. Разработка и исследование полимерного нанокомпозита для металлополимерных узлов трения / Ю.К. Машков, О.В. Кропотин, О.В. Чемисенко // Омский научный вестник. - 2014. - Т. 133, № 3. - С. 64-66.

7. Машков Ю.К., Кропотин О.В., Чемисенко О.В., Шилько С.В. Износостойкие ПТФЭ-нанокомпозиты, содержащие двуокись кремния, для металлополимерных узлов трения // Трение и износ. - 2015. - № 6.- С. 524-529.

8. Кропотин О.В. Оптимизация условий спекания композиционного материала методом моделирования контактного взаимодействия с учетом вязкоупругих свойств полимера / Кропотин О.В., Егорова В.А. // Омский научный вестник. - 2011. - Т. 103, № 3. - С. 60-64.

9. Машков Ю.К. Влияние скрытокристаллического графита на физические свойства политетрафторэтилена/ Ю.К. Машков, Кропотин О.В., Егорова В.А. // Вестник Омского гос. ун-та. - 2014. - № 4. - С. 65-69.

10. Машков Ю.К. Разработка и исследование полимерного нанокомпозита для металлополимерных узлов трения / Машков Ю.К., Косаренко Р.И., Чемисенко О.В., Макиенко В.А. // Сб. Россия молодая: передовые технологии в промышленность. - 2015. - № 2. - С. 114-118.

Размещено на Allbest.ru