ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ЦЕОЛИТА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА

Гоголева Ольга Владимировна

канд. техн. наук, науч. сотр.,

 Институт проблем нефти и газа СО РАН,

 г. Якутск

Петрова Павлина Николаевна

канд. техн. наук, вед. науч. сотр.,

 Институт проблем нефти и газа СО РАН,

 г. Якутск

Е-mail: oli-gogoleva@yandex.ru

STUDY OF THE INFLUENCE OF ZEOLITE ON STRUCTURE AND PROPERTIES OF COMPOSITES BASED ON POLYTETRAFLUOROETHYLENE

Olga Gogoleva

Ph.D., research associate,Institute of petroleum and gas problems SB RAS, Yakutsk

Pavlina Petrova

Ph.D., Leading Researcher,Institute of petroleum and gas problems SB RAS, Yakutsk

Аннотация

В данной статье приведены результаты исследований по разра­ботке самосмазывающихся триботехнических полимерных компози­ционных материалов на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) с использованием технологии комплексной модификации.

Abstract

This article presents the results of research on the development of self-lubricating polymer tribological composites based on polytetrafluoroethylene (PTFE) using the technology of complex modifications.

Ключевые слова: полимерный композиционный материал; коэффициент трения; надмолекулярная структура; поверхность трения.

Keywords: polymer composite material; friction coefficient; molecular structure; surface friction.

Проблема целенаправленного улучшения триботехнических свойств политетрафторэтилена, сочетающего превосходные термо- и химически- стойкие свойства с низким коэффициентом трения остается на сегодняшний день актуальной. Эффективное управление его свойствами достигается при введение в политетрафторэтилен (ПТФЭ) соединений микро- и нано- метрового размера [2, с. 67, 3, с. 6, 4, с. 213]. Однако дорогостоящие методы синтеза нанодисперсных соединений ограничивают их практическое применение в производстве полимерных композиционных материалов (ПКМ). В связи с этим, для создания рентабельного производства изделий из ПКМ на основе ПТФЭ необходим поиск эффективных наполнителей на основе природного сырья и новых технологий, позволяющих перевести природные соединения в высокоактивное состояние доступными методами. Из числа существующих технологий по созданию новых ПКМ перспективным методом воздействия на минеральные наполнители для усиления их реакционной способности является механическая активация [5, с. 18, 6, с. 4]. Также наиболее доступным и приемлемым методом является модификация, в частности, использование возможности введения в полимеры жидких и твердых компонентов, совместное действие которых может изменять первоначальные свойства полимеров и тем самым получать материалы с заданными свойствами [7, с. 52].

Целью данной работы является разработка самосмазывающихся триботехнических полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) с использованием технологии комплексной модификации.

Для обеспечения введения жидкой смазки в полимерный образец разработан технологический прием пропитки наполнителя моторным маслом. Для повышения структурной активности наполнитель подвергали предварительной механической активации в планетарной мельнице АГО-2 в течение 2 мин, после чего пропитывали моторным маслом в течение 24 ч при комнатной температуре. Композиции получали сухим смешением навесок компонентов в высокоскоростном лопастном смесителе. Образцы композитов для физико-механических, трибологических и структурных исследований получали по техно­логии холодного прессования при удельном давлении 50 МПа с последующим свободным спеканием при температуре 380°С.

Установлено, что содержание моторного масла в цеолите после пропитки составляет 28,3 мас. %. Содержание масла в композитах с 2 и 5 мас. % содержанием цеолита составляла 0,6 и 1,6 мас. %, соответственно.

В табл. 1 приведены сравнительные характеристики физико-механических и триботехнических характеристик композитов на основе ПТФЭ. Показано, что модифицирование ПТФЭ нанодис­персным шпинелем магния (средний размер частиц от 10 до 30 нм) приводит к снижению скорости массового изнашивания до 130 раз при некотором уменьшении деформационно-прочностных свойств. Модифицирование ПТФЭ активированным в течение 2 и 5 мин природным цеолитом также приводит к снижению скорости массового изнашивания до 130  раз при сохранении деформационно-прочностных свойств по сравнению со свойствами ненаполненного ПТФЭ. Таким образом, показана конкурентоспособность наполнителя природного происхождения с нанонаполнителем полученным методом механохимического синтеза. Также преимущество выбора цеолита состоит в том, что природный наполнитель в 1000 раз дешевле нанодисперсных наполнителей.

Таблица 1.

Физико-механические и триботехнические характеристики композитов на основе ПТФЭ и природного цеолита

Примечание: e_р — относительное удлинение при разрыве, %;

s_р — предел прочности при растяжении,

МПа; I — скорость массового изнашивании при нагрузке 0,45 МПа, мг/ч;

f — коэффициент трения;

Т — температура в зоне трения, ºС.

Установлено, что при наполнении ПТФЭ активированным в течение 2 мин природным цеолитом физико-механические характеристики увеличиваются на 10—20 %, скорость массового изнашивания снижается до 40—130 раз. При наполнении ПТФЭ, цеолитом, предварительно пропитанным моторным маслом М-8В, установлено снижение скорости массового изнашивания до 615 раз при нагрузке 0,45 МПа, также зарегистрировано увеличение относительного удлинения при разрыве на 10 % и снижение предела прочности при растяжении на 20 % по сравнению с ненаполненным ПТФЭ. Это, вероятно, связано с тем, что смазывание пары трения осуществляется за счет масла, находящегося в порах наполнителя. Из-за повышенной сорбционной способности природных цеолитов к углеводородам они способны удерживать оболочку из адсорби­рованных молекул компонентов смазки и доставлять их в зону трения, когда наступает истощение их в зоне трибоконтакта при повышении температуры. Таким образом, происходит предотвращение адгезион­ного изнашивания трущихся металлических поверхностей.

Для оценки работоспособности материалов триботехнического назначения принимается фактор PV, увеличение значения которого свидетельствует о повышении эксплуатационных возможностей материала — его использование в более нагруженных и скоростных узлах трения. В связи с этим исследованы нагрузочные способности разработанных ПКМ, на основании которых определены значения PV-фактора с целью определения их возможного применения в различных узлах трения транспортных систем. На рис. 1. приведена зависимость нагрузочной способности материала от прилагаемой нагрузки.

Рисунок 1. Зависимость нагрузочной способности материала от прилагаемой нагрузки

Установлено, что при модификации ПТФЭ повышается допустимые значения давления на материал до ~10 МПа. Вероятно, это объясняется тем, что частицы цеолита под действием температуры, нагрузки и скорости скольжения в процессе трения переносятся на поверхность трения с образованием с материалом связующего устойчивых кластерных структур, предохраняющих материал от дальнейшего изнашивания.

Установлено, что модификация ПТФЭ предварительно пропитанным в моторном масле цеолитом приводит к повышению значения PV фактора до 10 МПа*м/с при скорости скольжения 1 м/с, тогда как значения PV фактора для ненаполненного ПТФЭ соответствует 7,5 МПа*м/с.

Проведены структурные исследования композитов, полученных комплексной модификацией ПТФЭ (рис. 2).

Рисунок 2. Надмолекулярная структура: а) исходного ПТФЭ (х500); б) ПТФЭ, наполненного 5 мас.% цеолита (х300); в) ПТФЭ, наполненного 5 мас.% цеолита, пропитанного моторным маслом (х300).

Структурные исследования подтверждают результаты исследо­вания физико-механических и триботехнических свойств композитов. Исходный ПТФЭ (рис. 2, а) кристаллизуется в виде сферолитов, носящих фибриллярный характер. В ПКМ, модифицированным 5 мас. % цеолита (рис. 2, б) наблюдается более четкое геометрическое оформление надмолекулярных элементов. Развитие и рост сферолитоподобных структурных элементов происходит от частиц цеолита, что характеризует поведение наполнителя как структурно-активное. В композите, полученном комплексной модификацией наблюдается существенное уменьшение размеров сферолитов до 10—15 мкм. Именно эти композиты отличаются оптимальным сочетанием триботехнических и деформационно-прочностных характеристик.

Микрорельеф и морфология поверхностей трения были изучены с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) (рис. 3). В табл. 2 приведены параметры шероховатости поверхности ПКМ.

Рисунок 3. Рельеф поверхности ПКМ: а) до трения; б) после трения

Установлено, что среднеквадратичная и средняя шероховатость поверхности ПКМ после трения уменьшается в 2 раза. Это, видимо, один из важных вкладов в общее снижение коэффициента трения, т. к. при уменьшении шероховатости удельные давления в областях контакта уменьшаются. Уменьшение шероховатости композита свидетельствует также о трении по пленке переноса.

Таблица 2.

Параметры шероховатости поверхности ПКМ

Примечание: скорость скольжения 0,39 м/с, путь трения — 7 км, нагрузка 2 МПа.

Заключение. Для обеспечения введения жидкой смазки в полимерный образец разработан технологический прием пропитки наполнителя моторным маслом. Установлено, что модификация твердым наполнителем, предварительно пропитанным моторным маслом, приводит к понижению скорости массового изнашивания до 600 раз, также приводит к снижению коэффициента трения и температуры в зоне контакта до 2 раз по сравнению с ненапол­ненным ПТФЭ.

Разработанные материалы характеризуются стабильными и низкими значениями коэффициента трения и интенсивности изнаши­вания, повышенными деформационно-прочностными показателями, обеспечивающими жесткость сопряжений и высокую несущую способность. Использование подобных материалов позволит много­кратно повысить ресурс узлов трения для повышения надежности, безопасности и эффективности эксплуатации транспортной техники и технологического оборудования.

Список литературы:

1. Машков Ю.К., Овчар З.Н., Суриков В.И., Калистратова Л.Ф. Компози­ционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная модификация. — М.: Машиностроение, 2005. — 240 с.

2. Охлопкова А.А., Виноградов А.В., Пинчук Л.С. Пластики, наполненные ультрадисперсными неорганическими соединениями. — Гомель: ИММС НАНБ, 1999. — 164 с.

3. Охлопкова А.А., Петрова П.Н., Гоголева О.В. Разработка полимерных нанокомпозитов триботехнического назначения // Перспективные материалы. — 2008. — № 6. — ч. 2. — С. 213—217.

4. Охлопкова А.А., Аммосов Н.Г., Брощева П.Н. Влияние активированного модификатора на деформационно-прочностные и триботехнические свойства ПТФЭ // Пластические массы. 1999. — № 8. — С. 17—21.

5. Петрова (Брощева) П.Н. Разработка машиностроительных триботехни­ческих материалов на основе политетрафторэтилена и природных цеолитов якутских месторождений// Автореферат. Якутск, 2002. — 24 с.

6. Петрова П.Н., Федоров А.Л. Повышение износостойкости композитов на основе политетрафторэтилена путем жидкофазного наполнения // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. — 2009. —№ 5. — С. 48—53.