Использование технологии совместной Механоактивации компонентов для разработки триботехнических материалов на основе политетрафторэтилена

 

Петрова П.Н. (ИПНГ СО РАН, СВФУ им. М.К. Аммосова, г. Якутск, РФ)

Рассохина И.В. (СВФУ им. М.К. Аммосова, г. Якутск, РФ)

Парникова А.Г. (ИПНГ СО РАН, СВФУ им. М.К. Аммосова, г. Якутск, РФ)

 

Рассмотрено влияние совместной механоактивации минерального и полимерного наполнителей с целью получения цеолитсодержащих «прекурсоров» для создания материалов с новыми свойствами.

 

Consider the influence of mechanical activation of the joint mineral fillers and polymer to produce zeolite "preskurov" for the creation of materials with new properties.

 

Ключевые слова: механоактивация, износостойкость, цеолит, политетрафторэтилен, полимерный композит

Key words: mechanical activation, wear resistance, zeolite, polytetrafluoroethylene polymer composite

 

Одним из основных направлений работ по обеспечению высокой надежности и долговечности транспортных средств на основе использования трибологии является применение новых материалов и технологий для повышения износостойкости и несущей способности пар трения. Применение самосмазывающихся полимерных материалов в узлах трения позволяет в большинстве случаев решать многие задачи, связанные с повышением их надежности и долговечности, снижая энергозатраты и улучшая экологическую обстановку при их эксплуатации. Среди полимерных материалов политетрафторэтилен (ПТФЭ) занимает особое место, но наряду с целым рядом достоинств, такими как уникальная тепло- и морозостойкость, низкий коэффициент трения, особенности ПТФЭ приносят и множество проблем при создании полимерных композиционных материалов (ПКМ) на его основе. Главные из них – недостаточное адгезионное взаимодействие инертного ПТФЭ с поверхностью наполнителя любой природы. Известно, что межфазное взаимодействие компонентов композита определяет конечные свойства ПКМ, поэтому управление процессом межфазного взаимодействия является важным фактором в формировании свойств композита [1]. В связи с этим, возникает задача разработки таких способов модификации наполнителей, которые были бы совместимы и обеспечили прочную связь с ПТФЭ. 

В данной работе приводятся результаты исследований по разработке технологии совместной активации фторполимерных соединений с природными цеолитами с целью получения цеолитсодержащих «прекурсоров» для повышения совместимости ПТФЭ с поверхностью цеолитов и создания полимерных композиционных материалов (ПКМ) с новыми свойствами. 

В качестве полимерного модификатора поверхности минерального наполнителя использованы фторполимеры марки Ф-4МБ и УПТФЭ (ультрадисперсный политетрафторэтилен). Использование в составе комбинированного наполнителя с использованием фторполимеров должно привести к улучшению процесса совместимости наполнителя с ПТФЭ. В качестве модифицируемого наполнителя выбран предварительно активированный в планетарной мельнице АГО-2 цеолит. Выбор цеолитов в качестве модифицируемого наполнителя обусловлено их каркасно-пористой структурой, благодаря чему они могут являться объемными носителями полимерных макромолекул.

Для адсорбирования макромолекул Ф-4МБ и УПТФЭ на поверхности активированных цеолитов разработана технология совместной активации на планетарной мельнице «Pulverizette 5» фирмы FRITCH. При совместной активации частиц наполнителя совместно с полимерной добавкой на планетарной мельнице под действием ударных и сдвиговых нагрузок происходит не только разрушение частиц и их диспергирование, но и их стабилизация по размерам, вследствие наличия полимерного компонента с большей вязкостью [2]. Это приводит к формированию системы с равномерным распределением частиц наполнителя в полимерной матрице (рис.1).

 

 

 

 

 

 

                          

                      а                                                     б

Рисунок 1- Элементное распределение наполнителя в объеме полимера: а) цеолита; б) модифицированного цеолита

При совместной активации частиц наполнителя совместно полимерной добавкой на планетарной мельнице получаются так называемые механокомпозиты, которые можно рассматривать как морфологически метастабильные структуры с высокой плотностью межфазных границ между исходными компонентами, обеспечивающий необычайно высокую контактную поверхность и очень большую концентрацию дефектов вследствие большого числа атомов на поверхностях и в приповерхностных слоях.  В таких механокомпозитах за очень короткое время создается система  с чрезвычайно большой поверхностью контакта между исходными компонентами и система вследствие этого обладает большой запасенной энергией [2,3]. Все эти факторы создают идеальные стартовые условия для получения композитов с улучшенным комплексов свойств.

Технология получения прекурсоров на основе минерального и полимерного наполнителей с последующим введением такого комбинированного модификатора в полимерную матрицу позволяет снизить скорость массового изнашивания в 900 раз при улучшении деформационно-прочностных характеристик ПКМ на 20-30% (рис.2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1- Зависимость прочности при растяжении и износостойкости ПКМ на основе ПТФЭ от концентрации модифицированного наполнителя при различных массовых соотношениях цеолит:полимерный наполнитель

 

По критерию повышения деформационно-прочностных характеристик ПКМ выявлена оптимальная концентрация модифицированного фторполимерами цеолита, соответствующая 1-2 мас.%. Однако повышение его содержания в ПТФЭ до 5 мас.% хотя и приводит к снижению относительного удлинения при разрыве и прочности при растяжении, но только до уровня исходного полимера, но при этом повышаются модуль упругости на 30 %, а износостойкость ПКМ повышается до 900 раз. При этом показано, что оптимальными свойствами обладают ПКМ с содержанием комбинированного наполнителя, полученного совместной активацией компонентов при массовом соотношении цеолит : полимерный наполнитель= 2:1 не зависимо от марки используемого фторполимера. Установлено, что оптимальным временем совместной активации компонентов комбинированного наполнителя составляет 2 мин.

Установлено, что наибольшее повышение износостойкости ПКМ происходит при модифицировании цеолита УПТФЭ. Скорость массового изнашивания снижается в 900 раз по сравнению с исходным полимером. Это обусловлено, по-видимому, тем, что УПТФЭ по химической природе идентичен ПТФЭ, что повышает совместимость комбинированного наполнителя с полимерной матрицей.

 Термодинамическими исследованиями показано, что пик плавления, соответствующий Ф-4МБ и УПТФЭ, у которых начало процесса плавление начинается соответственно уже  с 230 и 270ºС, не наблюдается  при плавлении уже готового композита. Это свидетельствует о повышении совместимости компонентов в процессе формирования композита вследствие  либо истинного взаиморастворения полимеров, либо их взаиморастворения на границе раздела в результате образования совместных структур комбинированного наполнителя с ПТФЭ за счет частичного подавления сегментарной подвижности частиц Ф-4МБ и УПТФЭ и повышения межмолекулярного взаимодействия компонентов композита [4]. Зарегистрировано повышение энтальпии плавления по сравнению с исходным полимером, что свидетельствует о формировании плотноупакованной структуры композита, чему способствуют наличие в этой многокомпонентной системе совместимых с полимерной матрицей легкоплавких компонентов (Ф-4МБ и УПТФЭ). В процессе спекания такого полимерного материала появляется жидкая фаза, образованная за счет расплавления более легкоплавкого компонента, что приводит к увеличению скорости диффузии компонентов и появлению облегченных частиц твердой фазы относительно друг друга, способствуя формированию плотноупакованной кристаллической структуры ПКМ.

Таким образом, совместная активация и использование при этом разных по природе наполнителей, обладающих различным механизмом модифицирующего действия, позволяет реализовать синергетический эффект повышения показателей служебных характеристик ПКМ (прочности, износостойкости, эластичности и модуля упругости). Это дает возможность использования таких материалов в производстве опор и подшипников скольжения, подвижных уплотнений (поршневые кольца, манжеты), предназначенных для эксплуатации в условиях ограниченной смазки или сухого трения в узлах трения машин различного назначения, что значительно повысит надёжность узлов трения и увеличит срок его эксплуатации благодаря повышению прочности и износостойкости.

 

Список использованных источников

1. Баженов С.Л., Берлин А.А., Кульков А.А., Ошмян В.Г. Полимерно-композиционные материалы: научное издание/ Баженов С.Л. – Долгопрудный: изд. дом «Интеллект», 2010. – 352 с.

2. Шпак А.П., Куницкий Ю.А., Карбовский В.Л. Кластерные и наноструктурные материалы.-Т.1. Киев: Академпериодика, 2001.-588 с.

3. Механокомпозиты-прекурсоры для создания материалов с новыми свойствами/[А.И.Анчаров и др.]; отв. Ред. О.И. Ломовский. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010.-424 с.

4.   Кулезнев В.Н. Смеси полимеров. – М.: Химия, 1980. – 304 с.