Створення модифікованих полімеркомпозиційних матеріалів з комплексом керованих властивостей для трибосистем ковзання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Сумський державний університет (СумДУ)

ЗВІТ

ПРО НАУКОВО-ДОСЛІДНУ РОБОТУ

Створення модифікованих полімеркомпозиційних матеріалів з комплексом керованих властивостей для трибосистем ковзання

Начальник НДЧ

кандидат фіз.-мат. наук, с.н.с

Д.І. Курбатов

Керівник НДР

кандидат техн. наук, доц.

А.Ф. Будник

2016

СПИСОК АВТОРІВ

Провідний науковий співробітник, канд. техн. наук, доцент	(2016.01.11)	А.Ф. Будник (розділ 3-4, висновки)
Провідний науковий співробітник, доктор техн. наук, проф.	(2016.01.11)	К.О. Дядюра (розділ 1, 4, висновки)
Молодший науковий співробітник, аспірант	(2016.01.11)	Х.В. Берладір (розділ 1-4, висновки)
Молодший науковий співробітник, асистент	(2016.01.11)	П.В. Руденко (розділ 2-4)
Лаборант, студент	(2016.01.11)	М.С. Устименко (розділ 1, 3)

РЕФЕРАТ

Звіт про НДР: 33 с., 6 рис., 8 табл., 28 літературних джерел.

Об'єкти дослідження - керований технологічний процес одержання полімерних композиційних систем, у тому числі нанокомпозитних, з комплексом прогнозованих властивостей.

Мета роботи - встановлення основних закономірностей, створення моделей та вдосконалення технологічних процесів формування складу, структури та функціональних властивостей одно- і багатокомпонентних полімерних речовин, у тому числі удосконалення способів виробництва, обробки та підбору технологічних параметрів процесу одержання інгредієнтів полімерної композиції, що забезпечувала б оптимізацію режимів переробки і відтворення заданого технічними умовами рівня фізико-механічних властивостей.

Методи дослідження - стандартні методи визначення фізико-механічних і триботехнічних властивостей композиту, оптично-електронна мікроскопія для дослідження структури розроблених композитів.

В роботі досліджено вплив технологічних методів формування композиції з метою підвищення конструкційної стійкості майбутнього композиту. В якості показників конструкційної стійкості для вуглекомпозитів на основі ПТФЕ з наповнювачем у вигляді ВВ, прийняті міцність при розриві, відносне подовження при розриві та інтенсивність зношування. Ці показники властивостей займають провідне місце в забезпеченні працездатності вузлів тертя насосів і компресорів.

політетрафторетиленовий матриця композит наповнювач

ПОЛІТЕТРАФТОРЕТИЛЕН, МЕХАНОХІМІЧНА АКТИВАЦІЯ, СТРУКТУРНА МОДИФІКАЦІЯ, МАТРИЦЯ, вуглецеві волокна, КОМПОЗИЦІЙНИЙ МАТЕРІАЛ, МІЦНІСТЬ, ЗНОСОСТІЙКІСТЬ

ЗМІСТ

ВСТУП

1. АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ ПРОБЛЕМИ СУМІЩЕННЯ ПОЛІТЕТРАФТОРЕТИЛЕНОВОЇ МАТРИЦІ З НАПОВНЮВАЧАМИ РІЗНОГО СКЛАДУ, МОРФОЛОГІЇ ТА ФРАКЦІЙ

2. ОБ'ЄКТИ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

2.1 Матриця політетрафторетилену (ПТФЕ)

2.2 Вуглецеве волокно як наповнювач ПТФЕ

2.3 Методика досліджень

3. ВИБІР ЕФЕКТИВНИХ РЕЖИМІВ РОБОТИ ОБЛАДНАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНОЇ ЛІНІЇ З ВИРОБНИЦТВА КОМПОЗИТУ

3.1 Розробка та створення експериментального стенду

3.2 Обґрунтування і вибір технологічних режимів змішування компонентів композиції

4. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДНІ ВИПРОБУВАННЯ ТА ЇХ НАУКОВО-ПРАКТИЧНИЙ АНАЛІЗ

4.1 Дослідження ефективності механічної модифікації матриці та наповнювачів

4.2 Розробка політетрафторетиленових композитів з волокнистим наповнювачем для вузлів тертя

ВИСНОВКИ

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

ВСТУП

Широке застосування політетрафторетиленових композитів у вузлах тертя та ущільнення різного роду машин та обладнання зумовлене особливостями молекулярної будови і надмолекулярної структури політетрафторетилену (ПТФЕ), які забезпечують реалізацію унікального поєднання показників деформаційно-міцнісних, триботехнічних, антикорозійних, теплофізичних і інших службових характеристик і які визначають галузі ефективного використання виробів з них [1].

Специфічні особливості молекулярної і надмолекулярної будови структури ПТФЕ обумовлюють характерні механізми формування межових шарів, які визначають параметри деформаційно-міцнісних і триботехнічних характеристик ПТФЕ композитів при термобаричній монолітизації дисперсних часток матричного полімеру і композиційного матеріалу, що містить функціональні модифікатори різної природи, елементного складу, морфології і дисперсності, які дозволяють позбутися недоліків базової матриці [2].

Практична реалізація цього напрямку технології полягає в забезпеченні оптимальної структури межового шару на основі всебічного аналізу особливостей морфології поверхневих шарів часток модифікаторів, їх енергетичних параметрів впливу на процеси адсорбційної та хемосорбційної взаємодії. Це обумовлює необхідність застосування спеціальних методів активуючого впливу на композицію, перш за все - механохімічного та енергетичного.

Особливості експлуатації виробів з ПТФЕ композитів, зазвичай, приводять до трансформації первинної структури протягом нетривалого часу, а сформована під дією зовнішніх чинників нова структура суттєво відрізняється від первинної і визначає ресурс виробу в реальних умовах експлуатації. Вплив первинної структури ПТФЕ композиту на кінетику утворення розподіляючого шару зі структурою, яка найбільш ефективно чинить опір діючим на трибосистему енергетичним параметрам, потребує більш детального вивчення та врахування взаємодії компонентів при визначенні складу ПТФЕ композиту.

Аналіз літературних джерел [1-5] показав, що потенційні можливості традиційних технологій ПТФЕ композитів реалізовані не в повній мірі внаслідок недооцінювання суттєвих факторів під час одержання композиту та переробці його у вироби.

Тому оптимізація технологічних режимів виготовлення та переробки ПТФЕ композитів із застосуванням доступного обладнання дозволяє досягнути економічно значимих результатів і підвищити їх конкурентоздатність серед аналогів.

1. Аналіз сучасного стану проблеми суміщення політетрафторетиленової матриці з наповнювачами різного складу, морфології та фракцій

Застосування різних технологічних режимів виготовлення композитних матеріалів на основі ПТФЕ може у декілька разів змінити показники їх механічних властивостей і зносостійкості [6]. При цьому велике значення мають як марка і властивості початкового порошку політетрафторетилену, ступінь кристалічності полімеру, так і дисперсність, форма і орієнтація частинок наповнювача. У ряді випадків все це може перекривати зміни, одержані за рахунок варіювання складу композитного матеріалу.

Технологія одержання наповнених полімерів, в першу чергу, процес змішування вихідних компонентів, визначає кінцеву макро- та мікроструктуру композитних матеріалів, їх фізико-механічні та триботехнічні характеристики. Фізико-механічні та триботехнічні характеристики наповнених полімерів обумовлені не тільки взаємодією між компонентами, але й зміною структури та властивостей полімеру, пов'язаних з наявністю межі розділу фаз та дією поверхневих сил на цій межі.

У композитах на основі ПТФЕ питання застосування оптимальної технології стоїть особливо гостро, оскільки перелік альтернатив традиційній технології в даний час обмежений [7]. Тому актуальною є також проблема розробки і впровадження в технологію виробництва ПТФЕ композитів методів, що забезпечують ефективність введення в полімерну матрицю нових видів модифікаторів, а також їх комбінацій при обґрунтованих методах фізико-хімічного впливу на них.

В даний час [8] промисловий процес одержання композиту на основі ПТФЕ, в основному, складається з таких ланок технологічного ланцюжка операцій:

I Приймання, відбракування, складування сировини.

II Підготовка політетрафторетилену і наповнювачів до змішення (поєднання).

Ця ланка вимагає таких операцій:

1. Сушіння компонентів композиції.

2. Попередня обробка матриці і наповнювачів: хімічна, термічна, хіміко-термічна, механічна, радіаційна, комбінована та інші види обробки.

Кожний з цих видів обробки з тією або іншою повнотою описаний у відповідній літературі [9, 10] і має практичне застосування. Не зайве відзначити, що будь-який з видів попередньої обробки, а тим більше їх комбінації, пов'язані з додатковими енерговитратами, що в сучасних економічних умовах може бути істотною перешкодою до їх реалізації.

3. Подрібнення і диспергування матриці (ПТФЕ) і наповнювачів. Процес дуже важливий і особливо його важливість стає значущою якщо врахувати, що цим процесам піддаються не тільки компоненти композицій при їх підготовці до поєднання, але і композиція матеріалу після змішення рецептурної кількості компонентів композиції перед переробкою у вироби. Проте доводиться констатувати, враховуючи думки авторів [11], що «до теперішнього часу не розроблені теоретичні основи цих процесів, внаслідок чого поки немає можливості дати їх математичний опис». Особливо актуальний цей вислів для полімерних композиційних матеріалів на основі ПТФЕ і вуглецевоволокнистих наповнювачів для них.

4. Остаточна (завершальна) обробка матриці і наповнювачів.

Вона може повторювати технологічні операції п. 2, бути їх комбінацією або мати свою специфіку.

III Змішення (поєднання) рецептурної кількості матриці (ПТФЕ) і наповнювача для отримання композиції заданого складу.

Існує значна кількість типів і різновидів змішувальних пристроїв, але у разі отримання композицій на основі ПТФЕ найбільш виправданим виявився технологічний процес сухого змішення наповнювачів з матрицею на відповідному змішувальному устаткуванні.

Очевидно, що обґрунтовано вибрати технологічний процес змішення можливо лише у тому випадку, коли буде одержано його математичний опис і обґрунтований вибір типу устаткування та режимів технологічного процесу, що дозволяє керувати експлуатаційними характеристиками створюваного композиту на стадії проектування складу і формування структури.

IV Диспергування композиції після змішення.

Цей технологічний процес може виконуватися на тому самому технологічному устаткуванні, що і в п. 3, але має свою специфіку у тому, що в ході процесу, як правило, відбувається додрібнення наповнювачів (у т.ч. до розмірів навіть менших, ніж ті, що закладаються при проектуванні композиту), що шкідливо і, зрештою, приводить до зміни очікуваних фізико-механічних властивостей композитного матеріалу. Таким чином, очевидною стає необхідність створення моделі технологічного процесу диспергування композиції на цьому етапі технологічного ланцюжка отримання композиту на основі ПТФЕ, що дозволяє встановити зв'язок ступеня диспергування з параметрами технологічного процесу.

V Пресування (формування) заготовок і виробів з композиційного матеріалу з ПТФЕ матрицею.

Компресійне пресування - один з перших і найпоширеніших методів отримання заготовок композиту з порошку композиції [6].

Всебічна реалізація цього технологічного процесу можлива лише при створенні математичної моделі процесу з урахуванням можливих термодинамічних процесів у ході пресування (подрібнення наповнювачів, тертя, нагрівання, пересування прес-композиції в прес-формі, термодинамічне пресування і т.д. і т.п.).

VI Термічна обробка заготовок і деталей композитного матеріалу на основі ПТФЕ.

У процесі спікання відпресованого матеріалу на стадії сплавлення часток фторопласту і наповнювачів закладаються хімічні, фізико-механічні і експлуатаційні властивості майбутнього виробу, тому спікання і подальша термічна обробка є важливим етапом технологічного процесу виготовлення виробів з композиту.

VII Калібрування, правка і механічна обробка заготовок з композитного матеріалу на основі ПТФЕ.

Ці операції технологічного процесу здійснюються на устаткуванні і за технологією обробки металів. Специфіка обробки полімерних композитів достатньо широко описується в спеціальній літературі [12].

Таким чином, весь технологічний процес отримання виробу з фторопластового композиту складається з цілого технологічного ланцюжка (I-VII) наведеного вище. Відмітимо, що структурні ланки цього ланцюжка можуть доповнюватися новими елементами (процесами) [10] або навпаки, деякі складові ланок можуть виключатися з технологічного процесу за непотрібністю. Але, якою б не була структура складових ланок технологічного ланцюжка, математична модель кожної значущої ланки дозволяє керувати властивостями композиції на кожному з етапів технологічного процесу, а об'єднаний математичний апарат всього технологічного ланцюга - створити керовану технологію отримання конкурентоспроможного композитного матеріалу на основі політетрафторетилену.

При практичному застосуванні досягти оптимальних режимів роботи технологічного обладнання при отриманні ПТФЕ композитів не завжди надається можливим. Вихід із цього становища представляється в максимальній інтенсифікації кожного з етапів технологічного процесу.

2. Об'єкти і методи досліджень

2.1 Матриця політетрафторетилену (ПТФЕ)

Для виготовлення композицій використовували ПТФЕ марки ПН, який промислово виготовляється на ВО «Уральський хімічний завод» (ВО «Галоген», м. Перм, Російська Федерація) згідно з ГОСТ 10007. Основні показники матеріалу наведено у табл. 2.1 [6].

Таблиця 2.1 - Основні показники ПТФЕ марки ПН (ГОСТ 10007-80)
Середні розміри частинок порошку, мкм 50-500 Коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м* К) 0,25 Молекулярна маса, тис 100-150 Міцність при стиску, МПа 18 Ступінь кристалічності до спікання, % 95-98 Модуль пружності при стиску, МПа 686,5 Ступінь кристалічності після спікання, % 50-70 Модуль пружності при розтягу, МПа 410 Щільність, кг/м 3 2150-2260 Міцність при розтягу, МПа 25 Температура плавлення кристалітів, К 600±10 Відносне подовження при розтягу, % 50 Темпераура склування аморфних ділянок, К 150±10 Вологопоглинання за 24 год, % 0,00

Матеріал має аномально низький коефіцієнт тертя (0,01-0,04), але схильний до холодноплинності, яка може бути знижена введенням наповнювачів.

2.2 Вуглецеве волокно як наповнювач ПТФЕ

Як волокнистий наповнювач використовували виготовлене з гідратцелюлозної тканини вуглецеве волокно УТМ-8-1с (ТУ 48-20-17-77), одержуване методом хімічної обробки у водному розчині антипіренів Na₂B₄O₇·10H₂O+(NH₄)₂HPO₄ і відпалі за температури 723±20 К в середовищі природного газу СН_4. Матеріал виготовлений на АТЗТ «Московський електродний завод», м. Москва, Росія. Його хімічний склад і властивості наведено в табл. 2.2 і 2.3.

Таблиця 2.2 - Хімічний склад вуглетканини УТМ-8-1с
С,% Н,% О,% В,% Р,% Зола,% 60-65 1,1-4,5 3,5-4,5 3,0-3,6 3,0-3,6 21-26
Таблиця 2.3 - Механічні властивості вуглетканини УТМ-8-1с
Щільність, кг /м3 Розривна міцність по основі, Н/см Розривна міцність по утку,Н/см Міцність при розтягу, ГПа Модуль пружності, ГПа Коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м·К) 1510 70-235 20-100 0,52-0,60 27-47 0,08-0,12 Примітка - Діаметр волокон 10-12 мкм.

2.3 Методика досліджень

Методика дослідження властивостей композиту включала визначення густини с (кг/м³), міцності при розриві у_р (МПа), відносного подовження д (%) та інтенсивності зношування I·10^-6 (мм³/Н·м), як основних, необхідних даних про матеріал для конструкторів, технологів і експлуатаційників.

Випробування на міцність і відносне подовження при розриві проводили на кільцевих зразках діаметрами ш50хш40 і висотою 10 мм за допомогою жорстких напівдисків (ГОСТ 11262) на розривній установці Р-1 (ГОСТ 4651) при швидкості руху повзуна 0,25 см/хв.

Щільність с (кг/м³) зразків визначали методом гідростатичного зважування (ГОСТ 15139).

Дослідження інтенсивності зношування проводили на серійній машині тертя СМТ-1 за схемою «часткова вставка-вал» і на машині тертя УТМ-1 за схемою «диск-палець» для контрольного порівняння.

Комплект зразків випробовували в режимі тертя без зовнішнього мастила при швидкості ковзання V = 1 м/с і тиску Р = 1 МПа. Контртіло являло собою ролик ш48 мм із сталі 45 (HRC 25, Ra - 0,38 мкм). Часткова вставка виготовлялася з ПТФЕ і являла собою сектор шириною 16 мм з кільця ш80 на ш60 мм і висотою 9 мм.

Швидкість масового зношування оцінювали за втратою маси зразків в одиницю часу. Величину зносу зразків визначали гравіметрично на аналітичних вагах з точністю до 10^-5 грам і перераховували на інтенсивність зношування за відомими методиками. Момент тертя реєстрували за допомогою приладу Термодат 17Е3.

Дослідження структури композитів до і після тертя проводили на скануючому електронному мікроскопі високого дозволу TESCAN MIRA 3 LMU.

Вивчення надмолекулярної структури активованого порошку ПТФЕ проводили за допомогою скануючого електронного мікроскопа високого дозволу TESCAN MIRA 3 LMU.

Планування та обробку експериментальних даних здійснювали методами математичного планування експерименту і математичної статистики [13].

3. вибір ефективних режимів роботи обладнання технологічної лінії з виробництва композиту

3.1 Розробка та створення експериментального стенду

На основі попередньої оцінки роботи технологічного обладнання в технологічному ланцюзі одержання ПКМ на основі ПТФЕ виявлено, що впливати на фізико-механічні та експлуатаційні властивості композиту найбільш доцільно зміною частоти роботи подрібнюючого та змішуючого обладнання під час одержання та підготовки композиції ПТФЕ з наповнювачами різної природи та фракції [14].

Тому в технологічній схемі отримання ПКМ на основі ПТФЕ передбачається варіантові робота подрібнювача МРП-1М та формуючого обладнання (преса) при переробці композиції ПТФЕ в заготовку чи готовий виріб.

Приведена оцінка економічної доцільності таких операцій показала, що вказані зміни режимів роботи доцільні, так як збільшують строки експлуатації готового виробу з розроблюваного композитного матеріалу.

У зв'язку з цим було модернізовано млин для підготовки наповнювачів та змішування інгредієнтів композиції ПТФЕ.

Експериментальний змішувач виготовлений на базі млина для розмелювання сухих рослинних проб МРП-2. Модернізація змішувача полягала в заміні штатного асинхронного двигуна змінного струму на колекторний двигун постійного струму з електронним управлінням, що дозволило плавно змінювати частоту обертання робочого органу змішувача від 500 до 9500 хв^-1. Блок управління двигуна змішувача оснащений вольтметром і амперметром для визначення показників споживаної потужності електродвигуна в процесі змішування композиції. Конструкція експериментального стенду дозволяє швидко робити заміну змішувальної камери різної конструкції.

Двигун змонтовано у складі експериментального стенда з наступними характеристиками:

1) регульоване число обертів;

2) електронний лічильник обертів (частоти 1/с) щ = рn/30, стробоскоп, відеозйомка;

3) вимірювальний блок потужності;

4) можливість швидкої заміни робочих органів (штифтів);

5) регулювання продуктивності.

3.2 Обґрунтування і вибір технологічних режимів змішування компонентів композиції

На цьому етапі експериментальних досліджень у відповідності з технічним завданням вивчено вплив зміни швидкості і часу змішування на властивості композиції та виготовлених з неї зразків ПКМ.

Дослідження проводилися на експериментальній установці зі стандартною змішувальною камерою млина МРП-2.

Підготовку інгредієнтів композиції (для всіх експериментів) проводили за такою технологією.

Вуглеволокнистий наповнювач готували для змішування. Попередньо, перед змішуванням ВВ, наповнювач - вуглецеву тканину у вигляді полотна розрізали на шматки розміром 1Ч1 см і подрібнювали наважку (100 г) на млині МРП-2 (час подрібнення ф =15 хв., число обертів робочих органів млина = 7000 об/хв.). Такий режим підготовки ВВ наповнювача зберігався у всіх проведених експериментах. Значення насипної щільності і гранулометричних характеристик різних ВВ наповнювачів після подрібнення наведено в табл. 3.1. Отримані характеристики дискретних часток ВВ найкращим чином поєднуються з ПТФЕ матрицею, забезпечуючи необхідні фізико-механічні властивості ПТФЕ ПКМ [15].

Таблиця 3.1 - Насипна щільність та гранулометричні характеристики ВВ наповнювача після подрібнення

Вуглецеве волокно	Насипна густина сн, г/смі	Гранулометричні характеристики ВВ наповнювача
		Діаметр волокна d, мкм	Мінімальна довжина Lmin, мкм	Середня довжина Lср, мкм	Максимальна довжина Lмax,мкм
УТМ-8	0,16	10	90	120	150

В результаті проведених досліджень рекомендований двохстадійний режим: на першій стадії in situ здійснюється змішування компонентів композиції ПТФЕ + ВВ при співвідношенні 1:1 (за масою), а на другій стадії додатково вводять необхідну рецептурну кількість ПТФЕ (оптимально 1:4).

З метою з'ясування впливу процесу змішування інгредієнтів композиції на властивості композитного матеріалу, зміну властивостей при цьому визначали в залежності від зміни часу змішування (ф ? var) і числа обертів робочих органів млина (n ? var).

Після отримання композицій при різних режимах і часу змішування були визначені:

- індекс змішування;

- насипна щільність композиції;

- гранулометричні характеристики виділеного з композиції ВВ наповнювача.

Мікрофотографії (рис. 3.1) обробляли за допомогою комп'ютерної спеціалізованої програми «Image Pro PluS». Для кожної проби проводився аналіз не менше 300 частинок ВВ наповнювача.



Рисунок 3.1 - Мікрофотографії (Ч120) виділених фрагментів ВВ з УТМ-8 з приготовленої при різних змішування композиції:

а) число обертів робочих органів млина n = 500 хв, час змішування ф = 10 хв.; б) число обертів робочих органів млина n = 500 хв, час змішування ф = 20 хв.; в) число обертів робочих органів млина n = 500 хв, час змішування ф = 30 хв.

З мікрофотографій, наведених на рис. 3.1, видно, що найбільш ефективним є технологічний режим змішування при числі оборотів робочих органів млина n = 500 хв. і часу змішування ф = 30 хв.

Отримані результати насипної щільності композиції, індексу змішування і гранулометричних характеристик ВВ наповнювача залежно від технологічних режимів змішування наведені в табл. 3.2.

Таблиця 3.2 - Вплив режимів змішування композиції (ПТФЕ + ВВ) на насипну щільність і гранулометричні характеристики волокна в композиції

Вуглецеве волокно	Число обертів n, хв-№	Час змішування ф, хв.	Насипна густина сн, г/смі	Індекс змішування, G	Гранулометричні характеристики ВВ наповнювача
					Мінімальна довжина Lмin, мкм	Середня довжина Lср, мкм	Максимальна довжина Lмax, мкм
УТМ-8	250	10	0,237	0,56	85	115	145
		20	0,240	0,66	92	117	142
		30	0,242	0,74	86	112	138
	500	10	0,244	0,72	90	112	134
		20	0,244	0,86	93	110	127
		30	0,247	0,92	95	107	119
	1000	10	0,250	0,78	65	89	113
		20	0,251	0,89	50	76	102
		30	0,259	0,95	14	44	74

Значення показників властивостей і результати випробувань розроблених композитів наведено в табл. 3.3.

Таблиця 3.3 - Фізико-механічні характеристики композитів

Вуглецеве волокно	Число обертів n, хв-№	Час змішування ф, хв.	Густина матеріалу с, г/смі	Міцність при розриві ур, МПа	Відносне подовження д, %	Інтенсивність зношування I•10-6, мм3/Н•м
УТМ-8	250	10	1,91	11,6	9,8	56,8
		20	1,93	13,6	13,1	54,7
		30	1,90	13,1	12,8	45,9
	500	10	1,93	15,9	12,1	20,8
		20	1,91	18,0	14,9	7,6
		30	1,92	22,9	13,7	2,8
	1000	10	1,93	11,1	9,8	52,9
		20	1,93	8,9	9,5	54,8
		30	1,92	9,9	12,9	46,4

Найкращі показники фізико-механічних і триботехнічних властивостей має композиція, отримана при наступному технологічному режимі змішування інгредієнтів: число обертів робочих органів змішувача n = 500 хв-№, час змішування ф = 30 хв. Ці режими прийняті при виготовлення зразків для подальших випробувань.

Вивчення структури поверхні зразків, отриманих за допомогою методів оптичної мікроскопії, дозволило виявити ряд особливостей при різних технологічних режимах змішування.

При першому режимі змішування (швидкість обертання подовой змішувальної лопаті V <5 м/с) ПТФЕ, ВВ та РЕЕК в зразках виявлені області скупчення, агломерації нерозподіленого в композитної матриці вуглеволокнистого наповнювача (рис. 3.2). Характерним є наявність таких макрообластей довжиною 3-4 мм і шириною близько 1 мм при використанні в якості наповнювача ВВ, причому зміна часу змішування композиції (ф = 10, 20, 30 хв.) не призводить до руйнування агломератів ВВ.

Рисунок 3.2 - Зона агломерату частинок ВВ наповнювача у виробі (Ч200)

Наявність агломератів ВВ наповнювача (рис. 3.2) в композиції вуглепластика при такому технологічному режимі змішування може бути пов'язана з недостатньою напругою зсуву, необхідною для руйнування агломератів ВВ при змішуванні ПТФЕ і ВВ. Наявність в такому матеріалі агломератів-концентраторів напружень призводить до зниження міцності матеріалу в цілому, що підтверджується невисокими значеннями межі міцності зразків при розтягуванні (у_р = 10-12 МПа). Агломерати фрагментів ВВ в ПКМ, з точки зору міцності матеріалу, є дефектами структури композиту і, в разі деформації зразка під дією навантаження, призводять до утворення магістральних тріщин і крихкому руйнуванню зразка.

Безсумнівно, наявність агломератів ВВ призводить до зниження і триботехнічних властивостей ПКМ. В процесі тертя, при дії навантаження на матеріал, відбуватиметься винос незмішаної з матричним матеріалом ВВ наповнювача, а значить, буде зменшуватися площа тертя, що призведе до збільшення навантаження на матеріал і зростанню його зносу, що підтверджується результатами випробувань (знос збільшується на 12 -15 %) порівняно з контрольними зразками.

У зразках ПКМ, отриманих при більш високих швидкостях обертання подовой змішувальної лопаті, макрообластей агломерації ВВ наповнювача вже не спостерігається (рис. 3.3).

Рисунок 3.3 - Макроструктура поверхні зразків, отриманих при технологічних режимах змішування V> 5м/с (Ч200)

Результати проведених експериментальних досліджень показують, що зміна властивості зразків ПКМ, отриманих при більш високих швидкісних режимах і різному часі змішування, пов'язано з впливом на мікроструктурні характеристики матеріалу: якість суміші композиції, середню довжину волокна в композиції після змішування і її фізико-механічні властивості.

4. експериментальні дослідні випробування та їх науково-практичний аналіз

4.1 Дослідження ефективності механічної модифікації матриці та наповнювачів

Попередню механічну активацію ПТФЕ матриці проводили на експериментальному змішувачі, виготовленому на базі млина МРП-2 з частотою обертання робочих органів, яка варіювалася в межах від 5000 до 9000 хв^-1. Загальний час активації становив 3, 5 і 8 хв. (з позмінним режимом роботи млина через 1 хвилину) [16, 17].

Визначено, що оптимальним за результатом, що досягається, є режим механічної активації матриці ПТФЕ з числом обертів робочих органів подрібнювача n = 9000 хв^-1 протягом 5 хвилин [18].

У структурі зразків ПТФЕ після механічної активації спостерігаються сочевицеподобні утворення у вигляді гранул з мікронними розмірами по площі і по товщині (рис. 4.1, б), ниткоподібні пасма волокон довжиною від 10 до 50 мкм і діаметром від 10 до 100 нм (рис. 4.1, в) та інші утворення («павутина», «морозні візерунки», «мереживні» і «гілкові» структури та ін.) (рис. 4.1, г - е), які відсутні в структурі неактивованого ПТФЕ (рис. 4.1, а) [16, 17, 19].

Рисунок 4.1 - Структура ПТФЕ до (а) та після (б-е) механічної активації

Полімер з такою структурою має більш високу зносостійкість, що підтверджено експериментально (табл. 4.1) [14-20].

Таблиця 4.1 - Вплив технології отримання на механічні та триботехнічні властивості ПТФЕ

№ зразка	Технологія отримання	Густина с, г/смі	Міцність при розриві ур, МПа	Відносне подовження д, %	Інтенсивність зношування I•10-6, ммі/Н·м
1	неактивований	2,269	9,5	96	1133
2	ф=5 хв., n=5000 хв-1	2,211	21,6	416	930
3	ф=8 хв., n=5000 хв-1	2,175	17,3	280	800
4	ф=5 хв., n=7000 хв-1	2,205	23,5	423	820
5	ф=8 хв., n=7000 хв-1	2,211	18,2	358	717
6	ф=3 хв., n=9000 хв-1	2,203	19,6	290	890
7	ф=5 хв., n=9000 хв-1	2,214	24,8	415	610
8	ф=8 хв., n=9000 хв-1	2,213	18,0	340	720

В ході процесу активації енергія, яка передається змішувальним органом матеріалу при ударній дії, витрачається не тільки на перерозподіл часток в об'ємі полімеру, але і на збільшення питомої поверхні (диспергування матеріалу), а, більшою мірою, на збільшення внутрішньої енергії полімеру-матриці.

Залежно від часу впливу і імпульсу в процесі активації за рахунок енергії пружного деформування в поверхневих шарах матеріалу виникають активні нерівноважні стани, обумовлені коливанням атомів, електронним збудженням та іонізацією, деформуванням зв'язків і валентних кутів, а також процесами міграції структурних елементів і масопереносу.

При попередній активації проходить механохімічне руйнування макромолекул політетрафторетилену з утворенням радикальних осколків. Наявність, з одного боку, активної поверхні частинки наповнювача, а з іншого - вільного радикала макромолекули ПТФЕ, може ініціювати реакцію щеплення полімеру до наповнювача. Хоча такі реакції з утворенням хімічних зв'язків між полімером і поверхнею наповнювача протікають тільки по активних центрах і носять імовірнісний характер, проте їх внесок у зміцнення композиційного матеріалу дуже суттєвий.

Це призводить також до збереження речовиною полімеру надлишкової енергії, зміни термодинамічних характеристик, підвищенню його реакційної здатності.

Крім того, механічне навантаження в результаті зіткнення частинок призводить до виникнення метастабільних станів поверхневих шарів частинок полімеру. Такі зіткнення частинок відбуваються протягом декількох секунд і супроводжуються в точках дотику поверхонь локальним підвищенням температури і зростанням тисків. Всі ці явища ведуть до утворення на поверхні частинок нескомпенсованих валентностей, сприяють взаємодії частинок наповнювача в композиті, ініціювання реакції полімеризації мономерів або утворення хімічного зв'язку з полімерними радикалами.

Вплив зовнішніх сил на ненаповнений ПТФЕ призводить до підвищення параметрів його деформаційно-міцнісних характеристик (міцності при розриві в 2,6 рази, відносного подовження при розриві в 4,3 рази) при збереженні високих триботехнічних показників. Це, очевидно, пов'язано з утворенням нових реакційних центрів і збільшенням поверхневої енергії окремих фрагментів макромолекул в результаті дії пружних і пластичних деформацій.

Найкращі показники має активований ПТФЕ при n = 9000 хв^-1 протягом 5 хвилин: міцність при розриві у_р = 24,8 МПа, відносне подовження д = 415 %, інтенсивність зношування I = 610•10^-6 мм³/Н•м. У неактивованого ПТФЕ у_р = 9,5 МПа, д = 96 %, I = 1133?10^-6 мм³/Н•м [14-20].

Підвищення зносостійкості ПТФЕ в ході механоактивації пов'язано із зменшенням ступеня кристалічності і збільшенням середньої міжшарової відстані в процесі фрикційної взаємодії та структурної пристосованості модифікованого ПТФЕ в умовах тертя і прояви синергетичних ефектів самоорганізації трибоструктур, що володіють підвищеною зносостійкістю.

Проведені дослідження відкривають можливість використання активованого ПТФЕ як матриці фторполімерних композитів для отримання композитного матеріалу з високими фізико-механічними властивостями для вузлів тертя машин і устаткування різного призначення.

4.2 Розробка політетрафторетиленових композитів з волокнистим наповнювачем для вузлів тертя

За результатами науково-дослідної роботи була розроблена технологічна схема одержання композитного матеріалу з оптимальними фізико-механічними та експлуатаційними властивостями, яка включала:

1) підготовку матриці ПТФЕ:

– сушіння при t = 105 °С протягом 2 год.;

– механічна активація за обґрунтованим режимом.

2) одержання наповнювача з вуглецевого волокна (ВВ) на млині МРП-1М при швидкості n=7000 об/хв.

3) змішування матриці та інгредієнтів композиції.

4) формування заготовок (деталей) з одержаної композиції (пресування) за відпрацьованим режимом.

5) термічну обробка (спікання) відпресованих композитних матеріалів за розробленим режимом термоциклічної обробки (ТЦО).

6) калібрування одержаних виробів.

Механічноактивований ПТФЕ більш активно адгезує з поверхнею ВВ (рис. 4.2, а-в), ніж неактивований (рис. 4.2, г) при отриманні ПКМ.

Рисунок 4.2 ? Мікрофотографії структур ПТФЕ композиту з ВВ з активованою (а-в) і неактивованої (г) матрицею

Композити, створені на основі такої активованої матриці та ВВ мають значно вищі триботехнічні показники (табл. 4.2), ніж з неактивованою матрицею [21-27].

Таблиця 4.2 ? Властивості ПТФЕ композитів в залежності від механічної активації матриці

Композит	Властивості
	Щільність с, г/смі	Міцність при розриві ув, МПа	Відносне подовження д, %	Інтенсивність зношування I, 10-6 ммі/Н·м
	неактив.	актив.	неактив.	актив.	неактив.	актив.	неактив.	актив.
Ф4ВВ10	2,01	2,02	17,5	17,9	90	98	25-60	21-51
Ф4ВВ15	1,98	1,99	18,3	19,1	105	115	20-50	17-42
Ф4ВВ20	1,96	1,98	20,4	22,1	120	145	19-45	16-38
Ф4ВВ25	1,95	1,96	16,9	18,4	115	125	18-40	15-34

Примітка. Цифри після ВВ в матриці композиту вказують на його масовий вміст (10, 15, 20, 25 мас.% відповідно)

Мікрофотографії поверхні тертя композитів (рис. 4.3) підтверджують, що в результаті збільшення адгезійного зв'язку «активована матриця ПТФЕ - наповнювач» процес зношування менш активний, ніж у композиту з неактивованою матрицею.

Рисунок 4.3 - Мікроструктури поверхні тертя ПТФЕ композитів з неактивованою (а) та активованою (б) матрицею

На мікрофотографіях ясно видно, що у разі зношування композиту з неактивованим ПТФЕ (рис. 4.3, а) сліди зношування більш глибокі, спостерігаються борозни знеміцнення матеріалу і таке інше, чого не спостерігається при зношуванні композиту з активованим ПТФЕ (рис. 4.3, б), що сприяє зростанню зносостійкості до 50 %.

Одержаний за розробленою технологією композитний матеріал [28] за рівнем показників властивостей на 15-45 % вищий, ніж у аналога (Флубон), що серійно випускається за ТУ 6-05-041-937-86.

Виготовлені з розробленого композиту на основі ПТФЕ ущільнюючі елементи насосу ЦНВ-200/50 забезпечили підвищення міжремонтного ресурсу в 1,5 - 2,0 разів.

ВИСНОВКИ

За результатами науково-дослідної роботи у 2015 році був розроблений експериментальний стенд дослідних випробувань створюваних композитів, а також виготовлені експериментальні зразки ПТФЕ композитів за вдосконаленою технологією.

Проведено порівняльну оцінку композитних матеріалів, одержаних за існуючою та розробленою технологією та виявлено вплив технологічних режимів роботи обладнання на структуроутворення та властивості композиту.

Обґрунтовано оптимальні технологічні режими роботи складових технологічної ланки одержання композиту.

В результаті виконаних робіт визначені оптимальні режими роботи технологічного обладнання, після обробки на яких активований ПТФЕ може бути використаний для отримання композитів на його основі з найбільшою ефективністю.

В результаті проведених досліджень встановлено, що технологічні режими підготовки композиції та технологія одержання заготовок з композитів суттєво впливають на експлуатаційні характеристики композиту і можуть поліпшуватися варіацією режимів роботи складових технологічної ланки його одержання. Це:

- підготовка матриці ПТФЕ до суміщення з наповнювачами;

- одержання наповнювачів композиту з необхідним розподілом за фракціями та високим ступенем активації;

- вибір раціональних режимів технології формування заготовки композиту з розробленої композиції;

- обґрунтований вибір термомеханічного впливу на структуру композиту при її формуванні (ТЦО).

Практична значимість полягає у розробленні та оптимізації технології підготовки та модифікації матриці ПТФЕ та наповнювачів, ефективного змішування інгредієнтів композиції та створенні нових композитів триботехнічного призначення, захищених патентами України (№ 101976, 102877).

Одержаний за розробленою технологією композитний матеріал за рівнем показників властивостей на 15-45 % вищий, ніж у аналога (Флубон), що серійно випускається за ТУ 6-05-041-937-86.

Отримані наукові результати впроваджені у виробництво «ТРІЗ» ЛТД ТОВ у вигляді ущільнюючих елементів насосу ЦНВ-200/50 з розробленого політетрафторетиленового композиту, виготовленого за авторською технологією, які пропрацювали у вузлі насосу 1080 годин, при зменшенні інтенсивності зношування на 50 %. Досліджуваний вузол з розробленого матеріалу повторно встановлено на насос для проведення ресурсних випробувань.

На основі результатів НДР у навчальному процесі оновлені курси лекцій та лабораторні роботи з дисциплін: «Неметалеві матеріали у сучасному суспільстві», «Порошкові та композиційні матеріали», «Фізика і механіка тертя та зношування», «Наукові основи вибору матеріалу і прогресивних зміцнюючих технологій», «Основи матеріалознавчої експертизи».

Результати НДР опубліковано в статтях [16, 20, 22, 23], тезах конференцій [14, 17, 19, 24-27] та патентах [18, 28]. Окрім того, за звітний період підготовлено три статті, які направлено до розгляду в «Chemistry & Chemical Technology» (м. Харків, Україна), «Химическое и нефтегазовое машиностроение» (м. Москва, Російська Федерація) та у «Журнал інженерних наук» (м. Суми, Україна). Всі вказані роботи знаходяться на етапі проходження рецензування.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб, пособие / М.Л. Кербер, В.М. Виноградов, Г.С. Головкин и др. ; под ред. А.А. Берлина. - СПб. : Профессия, 2008. - 560 с., ил. - ISBN 978-5-93913-130-8.

2. Адаменко Н.А. Конструкционные полимерные материалы: учеб. пособие / Н.А. Адаменко, А.В. Фетисов, Г.В. Агафонова. - Волгоград : ВолгГТУ, 2010. - 104 с.

3. Машков, Ю.К. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная модификация [Текст] / Ю.К. Машков, З.Н. Овчар, В.И. Суриков, Л.Ф. Калистратова. - М. : Машиностроение, 2005. - 240 с. : ил. - ISBN 5-217-03288-Х.

4. Сиренко, Г.А. Антифрикционные карбопластики [Текст] / Г.А. Сиренко. - Киев : Техника, 1985. - 195 с.

5. Briscoe, B.J. The review of tribology of polymer composites [Текст] / B.J. Briscoe, P.J. Treedale // Tribol. compos. mater. : Proc. [ASM Ind] conf., Oak Ridge, Tehn. 1-3 May, 1990. - Materials Park (Ohio), 1990. - P. 15-23.

6. Пугачев, А.К. Переработка фторопластов в изделия / А.К. Пугачев, О.А. Росляков. - Л. : Химия, 1987. - 168 с.

7. Носонова Л.В. Влияние наполнителей-модификаторов на структуру и свойства композиционных материалов на основе политетрафторэтилена (обзор) / Л.В. Носонова, А.Ф. Будник // Вісник СумДУ. Технічні науки. - 2011. - № 1. - С. 134-138.

8. Технические условия ТУ 301-05-16-89. Заготовки из фторопластовой композиции. - Пермь, 1989.

9. Новикова, О.А. Модификация поверхности армирующих волокон в композиционных материалах / О.А. Новикова, В.Л. Сергеев. - Киев : Наукова думка, 1989. - 215 с.

10. Шелестова, В.А. Влияние модифицирования углеволокон на структуру и теплофизические свойства наполненного политетрафторэтилена / В.А. Шелестова, О.Р. Юркевич, П.Н. Гракович // Высокомолекулярные соединения. Серия А. - 2002. - Т. 44, № 4. - С. 1-6.

11. Ким, В.С. Диспергирование и смешение в процессах производства и переработки пластмасс / В.С. Ким, В.В. Скачков. - М. : Химия, 1988. - 240 с.

12. Степанов, А.А. Обработка резанием высокопрочных композиционных материалов / А.А. Степанов. - М. : Машиностроение, 1987. - 175 с.

13. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента / Ю.П. Адлер. - М. : Изд-во «Металлургия», 1965. - 155 с.

14. Основи формування структури політетрафторетиленового композиту технологією підготовки його інгредієнтів / Х.В. Берладір, А.Ф. Будник, М.Є. Вишегородцева, М.С. Устименко // V Міжнародна наукова конференція «Матеріали для роботи в екстремальних умовах -5», 03-05 грудня 2015 р. - Київ, 2015. С. 94-96.

15. Будник, О.А. Вуглепластики триботехнічного призначення на основі фторопласту-4 та модифікованого вуглецевоволокнистого наповнювача: дис. … канд. техн. наук / О.А. Будник. - Д., 2011. - 160 с.

16. Influence of mechanical activation polytetrafluoroethylene matrix of tribotechnical composites at its structural and phase transformations and properties / O.A. Budnik, A.F. Budnik, P.V. Rudenko, V.A. Sviderskiy, K.V. Berladir // Functional Materials. - 2015. - 22, No.4. - p. 499-506.

17. Effect of mechanical activation of matrix polytetrafluoroethylene on its structure and properties / K.V. Berladir, A.F. Budnik, P.V. Rudenko, O.A. Budnik // Тезисы Международной научно_технической конференции «Полимерные композиты и трибология» (Поликомтриб_2015), 23_26 июня 2015 г. - Гомель, Беларусь. - С. 245.

18. Пат. № 101976 U Україна, МПК C08J5/04. Спосіб приготування порошку політетрафторетилену методом механічної активації / А. Ф. Будник, Х. В. Берладір, П. В. Руденко, В. А. Свідерський. - № u201503443 ; заявл. 14.04.2015 ; опубл. 12.10.2015, Бюл. № 19.

19. Хіміко-фізична активація матричного політетрафторетилену / Х.В. Берладір, А.Ф. Будник, П.В. Руденко, В.А. Свідерський // Шістнадцята Міжнародна конференція студентів та аспірантів «Сучасні проблеми хімії», 20-22 травня, 2015 р. - Київ, 2015. - С. 148.

20. Структурные изменения матрицы ПТФЭ - композитов / О.А. Будник, К.В. Берладир, А.Ф. Будник, П.В. Руденко // Научно-теоретический журнал «Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова». - 2015. - № 4. - С. 104-112.

21. Пат. № 102877 U Україна, МПК C08L77/00. Полімерний композиційний матеріал на основі політетрафторетилену / А. Ф. Будник, Х. В. Берладір, П. В. Руденко, В. А. Свідерський. - № u201504758 ; заявл. 18.05.2015 ; опубл. 25.11.2015, Бюл. № 22.

22. Структурированные нанообъекты политетрафторэтиленовых композитов / А.Ф. Будник, П.В. Руденко, К.В. Берладир, О.А. Будник // Журнал нано- та електронної фізики. - 2015. - Т. 7, № 2. - С. 02022-1 -02022-9.

23. Берладір Х.В. Антифрикційний композит на основі активованого матричного політетрафторетилену / Х.В. Берладір, А.Ф. Будник, К.О. Дядюра // Міжвузівський збірник «Наукові нотатки» (за галузями знань «Технічні науки»). - 2015. - Вип. 50. - С. 18-20.

24. Вуглецевоволокнистий композит на основі модифікованого матричного політетрафторетилену / Х.В. Берладір, А.Ф. Будник, П.В. Руденко, О.А. Будник // Матеріали II Міжнародної науково-практичної інтернет-конференції «Сучасне матеріалознавство та товарознавство: теорія, практика, освіта», 25-26 березня 2015 р. - Полтава, 2015 - С. 36-39.

25. Антифрикционный политетрафторэтиленовый композит на основе модифицированной матрицы / К.В. Берладир, А.Ф. Будник, П.В. Руденко, О.А. Будник // Тезисы Международной научно_технической конференции «Полимерные композиты и трибология» (Поликомтриб_2015), 23_26 июня 2015 г. - Гомель, Беларусь. - С. 247.

26. Композитный материал на основе механически активированного политетрафторэтилена и геомодификатора / К.В. Берладир, А.Ф. Будник, П.В. Руденко, О.А. Будник // Материалы XI Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании», 05-12 июня 2015 г. - Варна, Болгария, 2015. - Т. 1. - С. 36-39.

27. Берладір Х.В. Композитні матеріали триботехнічного призначення на основі ПТФЕ, отримані методом механічної активації / Х.В. Берладір, К.О. Чугай, А.Ф. Будник // Сучасні технології у промисловому виробництві : матеріали науково-технічної конференції викладачів, співробітників, аспірантів і студентів факультету технічних систем та енергоефективних технологій (м. Суми, 14-17 квітня 2015 р.) 6 у двох частинах / редкол.: О.Г. Гусак, В.Г. Євтухов. - Суми : Сумський державний університет, 2015. - Ч. 1. - С. 74-75.

28. Пат. № 102877 U Україна, МПК C08L77/00. Полімерний композиційний матеріал на основі політетрафторетилену / А. Ф. Будник, Х. В. Берладір, П. В. Руденко, В. А. Свідерський. - № u201504758 ; заявл. 18.05.2015 ; опубл. 25.11.2015, Бюл. № 22.

Размещено на Allbest.ru

...