Влияние наноразмерных модификаторов на структуру и триботехнические свойства ПТФЭ-композитов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЛИЯНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ МОДИФИКАТОРОВ НА СТРУКТУРУ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПТФЭ-КОМПОЗИТОВ

Ю.К. Машков, Р.И. Косаренко,

О.В. Чемисенко, В.А. Макиенко

Омский государственный технический университет,

Омский автобронетанковый инженерный институт

Аннотация

Рассматриваются результаты исследования влияния наноразмерных модификаторов на структуру полимерной матрицы ПТФЭ методом электронной микроскопии. Распределение наночастиц наполнителя в полимерной матрице ПКМ на основе ПТФЭ, а также характер изменений надмолекулярной структуры и свойств полимерного материала при модификации структурно активными наполнителями, а также влияние концентрации и природы наполнителя на износостойкость нанокомпозитов. Анализируются данные, полученные методом элементного анализа, о содержании элементов в поверхностном слое образцов после фрикционного взаимодействия и в объеме образцов ПКМ.

Ключевые слова: Полимерные композиционные материалы, двуокись кремния, скрытокристаллический графит, политетрафторэтилен, скорость изнашивания, надмолекулярная структура.

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе ПТФЭ хорошо зарекомендовали себя при эксплуатации в металлополимерных узлах трения, в том числе, для оборудования нефте- и газодобывающей промышленности. ПКМ, работающие в условиях трения, испытывают различного вида напряжения и значительные деформации, приводящие к возникновению и накоплению дефектов, структурно-фазовым превращениям и изменению физико-механических свойств. Установлено, что в объеме образцов при одноосном и других видах нагружения и деформации, а также при фрикционном взаимодействии в поверхностных слоях твердых тел происходят однотипные структурно-фазовые изменения, приводящие к постепенному накоплению микродефектов и разрушению (изнашиванию) поверхностей [3,4]. Создание новых антифрикционных материалов на основе ПТФЭ является одной из важных задач современного машиностроения, которое в последнее время задает более высокие требования к механическим и триботехническим характеристикам ПКМ, работающим в экстремальных условиях.

Одним из перспективных направлений разработки ПКМ на основе ПТФЭ является метод структурной модификации полимерной матрицы наполнителями различного типа, особенно дисперсных и волокнистых, а в последние годы -- ультрадисперсных инаноразмерных.

Введение комплексных наполнителей, включающих полидисперсные и наноразмерные компоненты, для модификации полимеров на основе ПТФЭ позволяет обеспечить изменения в полимерной матрице на разных структурных уровнях, позволяющие получить композиционные материалы с высокими физико-механическими и триботехническими свойствами. Характер изменений надмолекулярной структуры и свойств полимерного материала при модификации структурно активными наполнителями зависят от природы наполнителя, формы и дисперсности его частиц[1,2].

В данной настоящей работе объектами исследования служили полимерные композиционные материалы на основе порошкообразного политетрафторэтилена с комплексным наполнителем-модификатором, в состав которого входят: полидисперсный порошок скрытокристаллического графита (СКГ) марки ГЛС-3, а также структурно активные наполнители различной природы: наноразмерная двуокись кремния SiO₂ марки БС-120 (ГОСТ 18307-78), средний размер частиц БС-120составляет 19-27 нм, удельная адсорбционная поверхность 120 м²/г; оксид кремния марки «Аэросил 300»,средний размер его частиц 7нм,удельная адсорбционная поверхность 300м²/г.

Все образцы изготавливались по технологии холодного прессования и свободного спекания при температуре 360⁰С.

Исследование концентрационных зависимостей скорости изнашивания проводили на универсальной машине трения марки « УМТ 2168 » при схеме трения «палец-диск», контактном давлении 2,66 МПа, скорость скольжения 1,2 м/с. На рис.1 приведены полученные концентрационные зависимости скорости изнашивания композитов, содержащих комплексные модификаторы (кривые 1,2) и мономодификаторы (кривые 3,4).

Рис.1. Концентрационные зависимости скорости изнашивания ПТФЭ композитов: 1 СКГ 8 % масс.+А-300; 2 СКГ 8 % масс.+БС; 3 мономодификатор А-300; 4мономодификатор БС-120.

наноразмерный модификатор полимер тетрафторэтилен

Полученные концентрационные зависимости скорости изнашивания показывают, что минимальная скорость изнашивания получена при испытании ПКМ с комплексным наполнителем-модификатором, в составе которого содержится СКГ 8% масс.и 3 % масс. БС-120. Следует также отметить, что при использовании мономодификаторов марок«БС-120» и «Аэросил 300», минимальное значение скорости изнашивания наблюдается при концентрации мономодификаторов 2 % масс.

С целью изучения характера изменения структуры ПКМ исследовали влияние наномодификаторов на структуру полимерных композитов и полимерной матрицы ПТФЭ методами электронной микроскопии. Результаты исследования показали, что при введении в ПТФЭ комплексных полидисперсных и наноразмерных модификаторов, включающих наряду с СКГ (8 % масс.) порошок SiO₂ марки БС-120 в пределах (1-3 % масс.) происходит значительное изменение морфологии полимерной матрицы. С увеличением концентрации SiO₂ в комплексном наполнителе происходит преобразование надмолекулярной структуры полимера, увеличивается пористость и содержание визуально рыхлоупакованных участков матрицы. Наличие на поверхностях скола исследуемых образцов частиц СКГ свидетельствует о том, что разрушение ПКМ происходит главным образом по межфазным границам (рис.2).

В результате проведенных исследований установлено, что комплексный наполнитель инициирует изменения морфологии надмолекулярной структуры ПТФЭ, проявляющиеся в следующем (рисунок 2а):

- измельчается на микроуровне исходная ленточная структура ПТФЭ;

- с увеличением в концентрации наполнителя SiO₂ (от 1 % масс. до 3 % масс.) увеличивается пористость матрицы и содержание визуально рыхлоупакованных участков матрицы (рисунок 2б).

Присутствие на поверхностях скола, изучаемых ПТФЭ-композитов частиц СКГ свидетельствует о том, что разрушение ПКМ происходит в объеме матрицы, и по межфазным границам (рисунок 2в).

Методом электронной микроскопии исследовали характер распределения наноразмерных частиц SiO₂ в зависимости от их концентрации в полимерной матрице ПКМ. При концентрации наночастиц SiO₂ 1% масс. наблюдается равномерное их распределение в полимерной матрице, при содержании 2% масс. наблюдается образование агломератов. Повышением концентрации наноразмерных частиц до 3 % масс. приводит к более плотному распределению частиц агломератов в полимерной матрице (рис.3).

Рис.3 Микрофотографии сколов ПКМ показывающее распределение наночастиц кремния в полимерной матрице в зависимости от концентрации: (а) 1 %масс. Si; (б) 2%масс. Si;(в) 3 %масс. Si.

Для изучения физико-химических процессов, развивающихся в поверхностном слое ПКМ в условиях фрикционного взаимодействия, и их влияния на износостойкость ПКМ исследовали элементный состав поверхностного слоя перед началом и после испытания. Образцы ПКМ-1, ПКМ-2 и ПКМ-3 соответствуют содержанию концентрации наноразмерного наполнителя БС-120 в количестве 1, 2, и 3 % масс. соответственно.

При исследовании поверхностей трения ПТФЭ-композитов с использованием методом элементного анализа установлено, что после испытаний на трение и износ концентрация элементов в поверхностном слое в зоне дорожки трения отличается от содержания этих элементов вне дорожки трения. Следовательно, в зоне контакта ПКМ с контртелом развиваются межфазные химические и диффузионные процессы, которые влияют на структуру полимерной матрицы в зоне фрикционного взаимодействия. Данные о содержании элементов в поверхностном слое образцов после фрикционного взаимодействия и в объеме образцов ПКМ представлено в таблице 1. Как видно из таблицы содержание всех элементов в поверхностном слое изменяется как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Кроме того после испытаний в одном образце присутствуют два новых элемента. Эти результаты свидетельствуют о том, что в условиях трения в ПКМ развиваются сложные физико-химические процессы, которые в конечном итоге вызывают изменение триботехнических свойств ПКМ.

Таблица 1.

В результате проведенного электронно-микроскопического исследования структуры ПТФЭ-композитов, содержащих комплексный наполнитель-модификатор, установлены некоторые закономерности в изменениях структуры матрицы и поверхности трения под воздействием концентрации наполнителей и сил трения (рис. 4).

Рис.4 Микрофотографии дорожки трения образцов ПТФЭ-композитов, содержащих 8 % масс. СКГ и 1 %масс. SiO_2.(а):1- направление скольжения по контртелу, 2- поры в матрице, 3- частицы СКГ, 4 - БС-120; 8% масс. СКГ и 2 %масс.SiO₂(б); 8% масс. СКГ и 3 %масс.SiO₂(в).

По результатам комплексного исследования установлено:

- количество наноразмерных частиц БС-120, находящиеся непосредственно на поверхности трения, взаимодействующих с поверхностью контртела, в процессе фрикционного взаимодействия увеличивается;

- глубина микротрещин на контактной поверхности в процессе трения уменьшается;

- увеличивается количество, образующихся в процессе трения микроборозд, проходящих не только по участкам поверхности матрицы, но и по поверхности частиц СКГ;

- отсутствуют поры в объеме матрицы, а структура поверхностного слоя после трения становится визуально более рыхлой и менее структурированной.

Выводы

1. Концентрационные зависимости скорости изнашивания нанокомпозитов имеют экстремальный характер с минимумом в области 2-3 % масс.

2. Синтез надмолекулярной структуры ПКМ с комплексными наномодификаторами по традиционной технологии холодного прессования и свободного спекания характеризуется формированием пористой структуры с распределением дефектов главным образом в области межфазных границ.

3. Увеличение концентрации наномодификаторов более 1% масс. способствует образованию агломератов наночастиц различных размеров при более высокой их плотности распределения.

4. В процессе фрикционного взаимодействия образуются новые химические элементы, что свидетельствует о развивающихся сложных физико-химических процессах, которые в конечном итоге вызывают изменение триботехнических свойств ПКМ.

Библиографический список

1. Машков, Ю.К. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена / Ю.К Машков, З.Н.Овчар, В.И. Суриков, Л.Ф. Калистратова. -М.: Машиностроение, -2005. - 240 с.

2. Кропотин, О.В. Исследование структуры и фазового состава ультрадисперсного скрытокристаллического графита. / О. В. Кропотин, Ю. К. Машков, В. А. Егорова, М. В. Тренихин, Н. Н. Войтенко // Омский научный вестник. - 2006. - № 9. - С. 19 - 23.

3. Машков, Ю. К. Полимерные композиционные материалы в триботехнике / Ю.К. Машков [ и д.р.] -М.:Недра,2004.-262 с.

4. Машков, Ю. К. Повышение эксплуатационных свойств композитов на основе ПТФЭ. Часть I Влияние состава и вида наполнителей на структуру и свойства композитов / Ю. К. Машков, Л. Ф Калистратова, А. Н Леонтьев // Трение и износ. - 2002. - т. 23. - №2. - С. 181-187.

Размещено на Allbest.ru