НОВЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЙ МАШИН И АГРЕГАТОВ
(ОмГТУ, ОТИИ, г.Омск, Россия)
The investigations of structure and physical-mechanical properties of polymer composite based on polyfluorethylene with different content of ultradisperse crystalline graphite are presented. Influence of supermolecular structure parameters of polymer matrix on tribotechnic and mechanical properties of modified polyfluorethylene is shown. The results of research into the influence of friction upon polymer matrix structure are given.
Эффективность эксплуатации и надежность транспортной, дорожно-строительной и другой техники в значительной степени зависят от работоспособности и срока службы герметизирующих устройств (уплотнений) машин и агрегатов. Совершенствование уплотнений идет по пути оптимизации их конструкции и повышения эксплуатационных свойств материалов уплотнительных элементов (колец, манжет, направляющих).
В настоящей работе разрабатывали и исследовали антифрикционные материалы для уплотнительных элементов на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) путем его модификации ультрадисперсным графитом скрытокристаллическим (УГС). Сравнительный анализ результатов исследования трибофизических и трибохимических процессов, инициируемых в чистом ПТФЭ и модифицированном волокнистыми, дисперсными и ультрадисперсными наполнителями показывает, что введение ультрадисперсного наполнителя приводит к более глубоким превращениям деструктивного характера, затрагивая основную цепь С-С и вызывая существенное изменение свойств.
В качестве ультрадисперсного наполнителя использовали природный графит скрытокристаллический с удельной поверхностью 55-70 м2/г. Исследовали образцы, полученные по технологии, включающей операции сухого смещения, холодного прессования и свободного спекания. Механические свойства исследовали на разрывной машине Р-5, триботехнические – на специальной установке по схеме торцового трения «цилиндр-диск». Установлено, что концентрационные зависимости скорости изнашивания и коэффициента трения (в интервале от 2 до 30 масс.%) имеют узкую область критической концентрации 8-10 масс.%, в которой исследуемые зависимости приобретают минимальное значение, которое сохраняется до 20 масс.% УГС.
Полученные концентрационные зависимости механических свойств (условный предел текучести, временное сопротивление) полимерного композиционного материала (ПКМ) имеют перегибы и максимальные значения в той же области концентраций УГС. Эти результаты указывают на прямую связь и зависимость триботехнических свойств ПКМ от их механических свойств. Исследование структуры ПКМ по методикам рентгеноструктурного анализа в больших и малых углах показали особенности сложного влияния ультрадисперсного наполнителя на структуру модифицируемого ПТФЭ. Установлено, что введение УГС не оказывает влияния на параметры кристаллической псеводогексагональной решетки ПТФЭ, но вызывает изменения в структурной организации аморфной фазы полимера. При концентрации УГС менее критической (10 масс.%) формируется двухфазная аморфно-кристаллическая структура, а при более высокой концентрации образуется трехфазная структура, в которой наряду с аморфной и кристаллической фазами присутствует кристаллическая фаза УГС и межфазный слой, покрывающий кристаллиты графита.
Изменение концентрации УГС от 2 до 7 масс.% вызывает уменьшение степени кристалличности с 65 до 55 процентов, которая не изменяется в пределах погрешности измерений при увеличении концентрации до 20%. Дальнейшее увеличение содержания УГС приводит к увеличению степени кристалличности до начального уровня. Основная характеристика надмолекулярной структуры аморфной фазы ПТФЭ – среднее межслоевое расстояние при увеличении концентрации УГС от 2 до 7 масс.% также снижается от 1,60 до 1,56 нм и остается практически постоянной до концентрации 25%. В процессе трения по металлическому контртелу происходит сильное текстурирование поверхностных слоев образцов модифицированного ПТФЭ, сопровождающееся повышением степени кристалличности и усреднением среднего межслоевого расстояния в аморфной фазе.
Таким образом установлены некоторые закономерности модификации структуры и свойств ПТФЭ при введении УГС. Существует область критических значений концентрации УГС, при которых изменяется характер зависимостей механических и триботехнических свойств и параметров надмолекулярной структуры модифицированного ПТФЭ. Внешнее энергетическое воздействие трением вызывает значительное изменение надмолекулярной структуры и формирование аморфной пленки фрикционного переноса с ультрадисперсным модификатором. Рассмотренные явления и процессы, вызванные введением структурно-активного модификатора, обеспечивают значительное повышение износостойкости уплотнительных элементов, изготавливаемых из разработанного ПКМ.