Создание и исследование свойств новых полимерматричных композитов
Охлопкова А.А., Петрова П.Н., Гоголева О.В., Парникова П.Н.
(ИПНГ СО РАН, СВФУ им. М.К. Аммосова г. Якутск, РФ)
В данной статье приведены результаты исследований по разработке полимерных композиционных материалов триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ)и сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), модифицированных нанонаполнителем.
This article presents the results of research on the development of polymer composites materials tribological destinations based on polytetrafluoroethylene (PTFE) and ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) modified nanofillers.
Ключевые слова: полимерный композиционный материал, коэффициент трения, надмолекулярная структура, поверхность трения, нанонаполнитель
Key words: polymer composite material, friction coefficient, molecular structure, surface friction, nanofiller.
Разнообразие требований, предъявляемых к конструкционным материалам, приводит к необходимости создания многофункциональных композиционных материалов с заданным комплексом свойств. Изучение особенностей формирования композитов, прогнозирование их свойств, создание новых композиционных материалов с применением нетрадиционных способов получения является одной из важнейших практических и научных задач полимерного материаловедения [1]. Развитие исследований по разработке перспективных полимерных материалов с максимально улучшенным комплексом свойств, обеспечивающих необходимый ресурс и работоспособность в экстремальных климатических условиях, является гарантией успешного экономического развития северных регионов Российской Федерации.
В связи с этим, в данной работе приводятся результаты исследований по разработке новых полимерных композиционных материалов триботехнического назначения для изготовления узлов трения технических средств, эксплуатируемых в условиях холодного климата. В качестве полимерных матриц выбраны политетрафторэтилен (ПТФЭ) и сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), так как они обладают наиболее предпочтительным комплексом физико-механических и триботехнических свойств, характеризуются уникальной морозостойкостью и используются в узлах трения наиболее ответственных технических систем.
В качестве модифицирующих агентов полимерной матрицы были использованы частицы нанометрового размера (НН), обеспечивающие максимальное структурирование полимерной матрицы на различных уровнях структурной организации, со средним размером частиц 10-100 нм: оксиды алюминия, шпинели кобальта, магния. Концентрация наполнителя варьировалась от 0,1 до 5 мас.%. Наномодификаторы получали по технологиям плазмо- и механохимического синтеза, также термическим окислением солесодержащих продуктов при повышенных температурах
Важным условием при разработке триботехнических материалов с адаптивными свойствами является оптимизация структуры полимерного связующего. Варьированием концентрации и химической природы нанонаполнителей (НН) можно обеспечить формирование надмолекулярной структуры связующего, приводящей к наилучшим деформационно-прочностным характеристиками. Установлено, что высокие значения прочности и относительного удлинения при разрыве ПТФЭ, наполненного НН, наблюдаются, если размеры сферолитов не превышают 70 мкм, а их структура характеризуется максимальной плотностью упаковки макромолекул. Максимальная износостойкость характерна для композитов с мелкосферолитной структурой, в которой частицы НН координированы друг с другом и образуют по границам сферолитов собственную сетчатую структуру. Последняя препятствует пластическим деформациям, сопровождающим трение и изнашивание полимерного нанокомпозита. Концентрационный интервал содержания НН в полимерной матрице, необходимый для образования координационной сетки из частиц наполнителя, соответствует 2-5 мас. %. Его превышение приводит к падению уровня всех показателей вследствие агломерации частиц наполнителя и увеличения концентрации дефектных областей в структуре композита [3].
Наполнение НН обусловливает глубокую структурную перестройку полимерных материалов, приводя к изменению, прежде всего, триботехнических характеристик нанокомпозитов. В связи с этим в работе были исследованы изменения степени кристалличности поверхностного слоя образцов при трении (табл.1), закономерности его формирования и элементный состав [4].
Таблица 1 - Изменение степени кристалличности поверхностного слоя нанокомпозиционного материала на основе ПТФЭ
|
Степень кристалличности, % |
Материал |
|||||
|
ПТФЭ |
Содержание НН, мас. % |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||
|
До трения |
63 |
68 |
70 |
63 |
58 |
56 |
|
После трения |
62 |
75 |
88 |
80 |
78 |
78 |
Установлено, что степень кристалличности поверхностных слоев нанокомпозитов в процессе трения увеличивается в 1,3 раза, что объясняется образованием высокоориентированных надмолекулярных структурных элементов на поверхности трения.
Зарегистрировано обогащение поверхностей трения частицами НН (рис.1). Начиная с 5 мас.% содержание НН на поверхности трения увеличивается. В случае 5 мас.% наполнения частицы НН концентрируются на поверхности трения и играют роль защитного экрана, локализующего в своем объеме деформации сдвига и предохраняющего поверхностный слой материалов от разрушения. Установлено, что структурно-активный НН способствует возрастанию порядка и ориентации макромолекул путем участия НН в трибохимических процессах трибодеструкции полимера и последующего структурирования.
Структурные особенности поверхностей трения отражают структуру поверхностного слоя, которая, в свою очередь, определяется спецификой протекания физико-химических процессов, сопровождающих фрикционное взаимодействие. Установлено, что введение активированных наноразмерных частиц наполнителя приводит к формированию с материалом ПТФЭ кластерных структур на поверхности трения, разрушение которой требует больших энергетических затрат.
а б в
Рисунок 1- Структура и элементное распределение наполнителя на поверхности трения ПКМ: а) ПТФЭ; б) ПТФЭ+НН; в) элементное распределение НН
Таким образом, износостойкость нанокомпозита возросла до 370 раз, а коэффициент трения уменьшился до 0,03 с увеличением концентрации наномодификатора, что свидетельствует о пластифицирующем действии наномодификатора при трении и изнашивании композита.
Среди полимерных материалов, создаваемых на основе полиолефинов, выделяется сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), обладающий ценными техническими свойствами, что позволяет использовать его в различных отраслях промышленности для изделий специального назначения.
Установлено, что модификация СВМПЭ НН приводит к повышению деформационно-прочностных и триботехнических характеристик. Во всех случаях оптимальный комплекс свойств достигается при 2-х минутном активировании наполнителей. Прочность повышается на 20-25%, эластичность - на 30-35 %, износостойкость - в 3,5-6 раз.
Структурные исследования показали, что происходит трансформация фибриллярной структуры исходного СВМПЭ в кристаллические образования в виде симметричных многогранников, идентифицированных как несовершенные сферолиты (рис.2).
Размеры сферолитов и их геометрическая форма зависят как от химического состава, так и от времени активации наполнителя. Наиболее упорядоченная структура, характеризуемая мелкими сферолитами одинаковых размеров и форм, зарегистрирована для композита, содержащего активированную в течение 2 мин шпинель меди, что подтверждает результаты ИК-спектроскопических исследований. Именно для этого композита получены более высокие противоизносные и прочностные свойства.
 |
а б в
Рисунок 2- Надмолекулярная структура СВПМЭ:
а) исходного; б) наполненного неактивированной шпинелью меди; в) наполненного активированной в течение 2 мин шпинелью меди. Увеличение х300.
На основании проведенных исследований показано, что нанодисперсные наполнители (НН) изменяют механизм кристаллизации полимеров благодаря наличию на частицах поляризационного заряда, в поле которого происходит поляризация и структурирование связующего. Кинетика кристаллизации и преобразование надмолекулярной структуры обусловлены формированием межфазных слоев на границе полимер - НН. Установлено, что НН в процессе трения полимерного нанокомпозита локализуются на поверхности трения и способствует возрастанию порядка и ориентации макромолекул полимера, что приводит к уменьшению площади контакта с металлической поверхностью и сглаживанию микрорельефа нанокомпозита в процессе трения. Эти факторы способствует повышению износостойкости и снижению коэффициента трения нанокомпозита.
Таким образом, разработаны перспективные полимерные нанокомпозиты триботехнического назначения для повышения надежности и безопасности транспортной техники, эксплуатируемой в условиях холодного климата Севера.
Список использованных источников
1. Данилов В.Д. Механические и трибологические свойства композиционного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена // Вестник научно-технического развития.- 2008.-№ 12 (16).
2. Охлопкова А.А., Петрова П.Н., Слепцова С.А., Гоголева О.В. Полиолефиновые композиты триботехнического назначения для узлов трения автомобилей // Химия в интересах устойчивого развития, 2005.-Т.13.-С. 797-803.
3. Охлопкова А.А., Адрианова О.А., Попов С.Н. Модификация полимеров ультрадисперсными соединениями.- Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН.- 2003.
4. Липатов Ю.С. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров.- М.: Химия, 1991.-260 с.