МОДИФИКАЦИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ УЗЛОВ ТРЕНИЯ
Машков Ю.К., Мамаев О.А., Липина Н.А. (ОмГТУ, ОТИИ, г. Омск, РФ)
Presented the results of the researches of the physico-mechanical and trybolistic characteristics of the compositional materials on the basis of politetrafluorineethylene together with the structural modification with fillers and technolody.
Полимерные материалы (пластмассы) нашли широкое применение в узлах трения оборудования и машин, в том числе в производстве транспортной, дорожно-строительной и другой специальной техники. Детали узлов трения названных машин работают в жестких условиях высоких удельных нагрузок, плохой смазки и сильной запыленности окружающей среды. Для работы в таких условиях наилучшим комплексом физико-механических и триботехнических свойств обладают композиционные материалы на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), получаемые методом модификации структуры и свойств полимера.
Перспективными методами структурной модификации являются методы, основанные на введении в полимерную матрицу наполнителей-модификаторов различного типа, а также модификация надмолекулярной структуры в процессе термической обработки (спекания) полимерного композиционного материала. Комплексное исследование процессов модифицирования ПТФЭ [1-4] позволило выявить основные закономерности влияния отдельных (измельченное углеродное волокно, скрытокристаллический графит) и комплексных (молотый кокс, дисульфид молибдена и др.) наполнителей на его надмолекулярную структуру и эксплуатационные свойства. Представляет интерес изучение механизма структурной модификации и твердофазного синтеза ПКМ на основе ПТФЭ.
С этой целью исследовали образцы чистого ПТФЭ и ПКМ на его основе. В качестве наполнителей-модификаторов использовали измельченное углеродное волокно (УВ) марки «Урал Т-10» с длиной волокон 50-350 мкм, ультрадисперсный скрытокристаллический графит (УГС) с удельной поверхностью 55-70 м2/г и дисперсный дисульфид молибдена. Структурные исследования выполняли методом рентгеноструктурного анализа на установке ДРОН-3М, механические свойства при одноосном растяжении и сжатии стандартных образцов – на разрывных машинах. Триботехнические свойства исследовали на установке в условиях сухого трения образцов ПКМ по стальному контртелу.
На основании результатов выполненных исследований определены основные процессы механизма структурной модификации ПТФЭ и ее влияние на механические и триботехнические свойства ПКМ.
1. Введение ультрадисперсного скрытокристаллического графита в условиях значительного сближения частиц с макромолекулами ПТФЭ при прессовании композиции и активации процесса адсорбции сегментов макромолекул на активных центрах наполнителя, приводящей к уменьшению их подвижности, изменяет условия кристаллизации ПТФЭ при термообработке, затрудняя образование упорядоченной кристаллической структуры и снижая степень кристалличности полимерной матрицы при увеличении содержания наполнителя до 8-10 масс. %.
2. При модификации ПТФЭ волокнистым наполнителем в виде измельченного углеродного волокна развивается иной механизм формирования надмолекулярной структуры. Относительно большие по длине частицы УВ не могут прямо выступать в роли зародышей структурообразования, но, благодаря механоактивации поверхности волокон при его измельчении в среде ПТФЭ, при дальнейшем прессовании и термообработке сегменты макромолекул адсорбируют на активных центрах наполнителя. Это вызывает определенную ориентацию и упорядочение части макромолекул аморфной фазы и приводит к повышению степени кристалличности полимерной матрицы при увеличении содержания УВ до 10 масс. %.
3. При введении комбинированного модификатора – углеродное волокно + ультрадисперсный скрытокристаллический графит действия рассмотренных различных механизмов структурной модификации не подчиняются закону аддитивности. Результаты рентгеноструктурного анализа позволяют высказать гипотезу о развитии процесса структурной самоорганизации многокомпонентной системы в условиях механоактивации и термообработки спрессованной композиции с нагревом выше температуры плавления кристаллитов. В результате кооперированного развития адсорбционно-ориентационных процессов упорядочения макромолекул формируется аморфно-кристаллическая надмолекулярная структура с уменьшением размеров кристаллитов.
4. Механические свойства: условный предел упругости, предел текучести и модуль упругости повышаются при увеличении содержания наполнителей, наиболее существенное влияние оказывает концентрация УВ. Увеличение содержания углеродного волокна и УГС вызывает уменьшение скорости изнашивания ПКМ, при этом влияние УВ почти вдвое эффективнее.
Наибольшее влияние на износостойкость и модуль упругости оказывает изменение скорости охлаждения заготовок, увеличение скорости охлаждения в 4 раза приводит к увеличению скорости изнашивания на 80 %, что связано с увеличением степени кристалличности.
5. Режимы технологического процесса существенно влияют на фазовый состав и параметры надмолекулярной структуры ПКМ на основе ПТФЭ; при этом изменение скорости охлаждения заготовок при их спекании, продолжительности измельчения, вводимого в ПКМ углеродного волокна и величины нагрузки при спекании приводит к изменению механических и триботехнических свойств ПКМ.
Целенаправленное одновременное изменение режимов технологического процесса позволяет изменить износостойкость и модуль упругости ПКМ до 100 %, при этом предел прочности изменяется на 15-20 %.
6. Рентгенографическим исследованием структуры поверхностного слоя образцов, прошедших испытание на трение и износ, установлено, что в процессе трения изменяются степень кристалличности и среднее межслоевое расстояние в аморфной фазе.
В результате фрикционного взаимодействия на рентгенограммах появляется второе аморфное гало, что свидетельствует о локальном упорядочении в аморфной фазе по связям С – F, при этом возможно упорядочение и основных цепей макромолекул, поскольку среднее межслоевое расстояние сам приобретает значения, близкие к значению параметра «с» кристаллической решетки.
7. Наибольшее изменение (уменьшение) степени кристалличности при трении (до 45,2 %) наблюдается у образцов, полученных при максимальной скорости охлаждения, что можно объяснить высокой степенью неравновесности надмолекулярной структуры ПТФЭ, формирующейся в условиях высокой скорости охлаждения.
8. Уменьшение степени кристалличности и увеличение среднего межслоевого расстояния в процессе фрикционного взаимодействия можно отнести к эффекту структурной приспосабливаемости модифицированного ПТФЭ в условиях трения и проявления синергетических эффектов самоорганизации трибоструктур, обладающих повышенной износостойкостью.
Литература
1. Машков Ю.К. Трибофизика и свойства наполненного фторопласта: Научное издание.- Омск: Изд-во ОмГТУ, 1997.-192 с.
2. Машков Ю.К., Калистратова Л.Ф., Овчар З.Н. Структура и износостойкость модифицированного политетрафторэтилена: Научное издание.- Омск: ОмГТУ, 1998.-144 с.
3. Машков Ю.К. Влияние температуры на структуру и триботехнические свойства наполненного политетрафторэтилена//Трение и износ, 18 (1997), № 1, С. 108-113.
4. Гладенко А.А., Зябликов В.С., Калистратова Л.Ф., Овчар З.Н. Структурная модификация материалов металлополимерных трибосистем//Трение и износ, 19 (1998), № 4, С. 523-528.