ИССЛЕДОВАНИЕ  СВОЙСТВ  БАЗАЛЬТОФТОРОПЛАСТОВЫХ  КОМПОЗИТОВ

Охлопкова  Айталина  Алексеевна

д-р  техн.  наук,  зав.  кафедрой  высокомолекулярных  соединений  и  органической  химии,  профессор  Северо-Восточного  федерального  университета,  г.  Якутск

Васильев  Спиридон  Васильевич

младший  научный  сотрудник  ФГБУН  Института  проблем  нефти  и  газа  СО  РАН,  г.  Якутск

E-mail: 

INVESTIGATION  OF  COMPOSITE  BAZALTFLUOROPLAST

Okhlopkova  Aytalina

doctor  of  science,  department  chair  of  high-molecular  connections  and  organic  chemistry,  professor  of  North-Eastern  Federal  University,  Yakutsk

Vasiliev  Spiridon

junior  researcher  FGBUN  Institute  of  problem  of  oil  and  gas  SB  RAS,  Yakutsk

АННОТАЦИЯ

В  статье  представлены  результаты  исследований  по  разработке  износостойких  полимерных  композиционных  материалов  на  основе  политетрафторэтилена  и  активированных  базальтовых  волокон.  Показана  эффективность  использования  активированных  базальтовых  волокон  для  получения  материалов  с  повышенной  износостойкостью  без  ухудшения  физико-механических  характеристик.

ABSTRACT

In  given  paper  investigation  results  on  development  of  wear  resistant  polymeric  composite  materials  based  on  polytetrafluoroethylene  and  activated  basalt  fibers  are  presented.  Effectiveness  of  activated  basalt  fiber  using  to  create  materials  with  improved  wear  resistance  without  strength  reducing  is  shown.

Ключевые  слова:  политетрафторэтилен  (ПТФЭ);  полимерный  композиционный  материал  (ПКМ);  трение;  базальтовое  волокно;  полимер;  износостойкость. 

Keywords:  polytetraflouroetylene  (PTFE);  polymer  composite  materials  (PCM);  friction;  basalt  fiber;  polymer;  wear  resistance. 

Объемы  производства  и  сферы  применения  полимерных  композитов,  армированных  волокнами,  во  всем  мире  непрерывно  растут.  Для  ответственных  конструкций,  узлов  трения  машин  и  механизмов  перспективными  являются  полимеры,  армированные  стеклянными,  углеродными  и  базальтовыми  волокнами.  Применение  углеродных  волокон  в  качестве  армирующих  компонентов  полимеров  в  силу  дороговизны  затрудняет  их  массовое  применения  в  промышленности  и  строительстве,  а  производство  стекловолокнистых  наполнителей  сдерживается  из-за  дефицита  специальных  технологических  компонентов  (оксида  бора,  соды  и  др.).  В  связи  с  этим,  особенное  значение  приобретают  наполнители,  способные  заменить  стекло-  и  углеродные  волокна  в  композиционных  материалах.  Таковыми  могут  быть  базальтовые  волокна,  т.  к.  они,  являясь  разновидностью  стекловолокон,  имеют  практически  все  позитивные  свойства  стеклянных  и  углеродных  волокон,  а  также  ряд  существенных  преимуществ:  при  производстве  базальтовых  волокон  не  нужно  введение  специальных  компонентов,  сырье  общедоступно  и  дешево,  а  запасы  ее  неограниченны.  В  свете  проблем  получения  армированных  пластиков  на  основе  прочных,  термо-  и  химически  стойких  волокон  из  недефицитного  и  дешевого  сырья  в  настоящее  время  возрос  интерес  в  мире  к  использованию  базальтового  волокна  для  получения  различных  композиционных  и  конструкционных  материалов.  При  этом  наблюдается  устойчивый  рост  их  потребления.  По  мнению  ведущих  отечественных  и  зарубежных  специалистов  материалы  из  базальта  являются  материалами  CCI  века.  Базальтоармированные  пластики  по  основным  техническим  характеристикам  не  только  не  уступают  стеклопластикам  и  углепластикам,  но  и  превосходят  их  по  модулю  упругости,  ударной  вязкости  и  стойкости  к  агрессивным  средам  [2]. 

Одной  из  основных  проблем  создания  конструкционных  полимерных  композиционных  материалов  (ПКМ),  содержащих  армирующие  волокна,  является  обеспечение  условий  соединения  волокон  с  полимерной  матрицей  в  единое  целое  таким  образом,  чтобы  наиболее  полно  реализовать  свойства  наполнителя  как  армирующего  элемента  [1].  Существуют  различные  способы  повышения  адгезионного  взаимодействия  между  матрицей  и  наполнителями,  но  наиболее  часто  используемым  способом  является  активация  наполнителя.  Механическая  активация  наполнителя  повышает  активность  наполнителя  в  процессах  формирования  ПКМ.  Повышение  активности  наполнителя  по  отношению  к  полимеру  связано  с  уменьшением  размера  его  частиц  в  1,5—2,0  раза,  разрыхлением  и  повышением  реакционной  активности  поверхности  за  счет  образования  некомпенсированных  связей,  что  обусловливает  направленное  формирование  надмолекулярной  структуры  композита,  при  этом  наблюдается  изменение  свойств:  увеличивается  износостойкость  и  эластичность  композита.

Объекты  и  методы  исследований.  Объектами  исследования  являлись  политетрафторэтилен  (ПТФЭ)  (ГОСТ  10007-80),  и  полимерные  композиционные  материалы  (ПКМ),  армированные  активированными  базальтовыми  волокнами  (БВ)  производства  НПО  «Композит»  г.  Зеленоград.

Перед  использованием  в  качестве  наполнителя  ПТФЭ,  волокна  подвергали  измельчению  с  применением  режущей  мельницы  Fritsch  Pulverizette  15  с  установленным  ситом  размерностью  0,25  мм.  При  этом  средний  размер  длины  измельченных  волокон  составлял  30—90  мкм,  а  их  диаметр  8—10  мкм.  Использование  рубленых  волокон  позволяет  без  усложнения  технологических  операций  получать  ПКМ  на  основе  ПТФЭ.  Механическую  активацию  БВ  осуществляли  в  планетарной  мельнице  АГО-2  в  течение  2  мин.  После  механической  активации  длина  волокон  практически  не  меняется,  но  поверхность  волокон  вследствие  активации  становится  разрыхленной.  Отношение  длины  (l)  и  диаметра  волокон  (d)  больше  единицы  (  l/d>1),  что  приводит  к  появлению  фактора  анизотропии,  определяющего  эффективность  применения  рубленых  и  активированных  БВ  в  качестве  армирующего  компонента  ПТФЭ.

Физико-механические  свойства  –  предел  прочности  при  растяжении  (sр)  и  относительное  удлинение  при  разрыве  (eр)  определяли  на  разрывной  машине  “UTS”  при  скорости  движения  подвижных  захватов  100  мм/мин  (ГОСТ…).  Для  испытаний  использовали  образцы  в  форме  «лопаток».  Количество  испытательных  образцов  для  одной  композиции  —  5—10  единиц.  Скорость  изнашивания  полимерных  композитов  определяли  на  машине  трения  СМТ-1  (схема  трения  «вал-втулка»  при  контактном  давлении  0,45  МПа,  скорости  скольжения  0,39  м/с)  (ГОСТ26614-85).  Скорость  изнашивания  (I)  оценивали  по  потере  массы  образцов  в  единицу  времени.  Исследуемый  образец  втулка  с  внутренним  диаметром  26,  внешним  диаметром  34  и  высотой  21  мм;  контртело  —  стальной  вал  из  стали  45  с  твердостью  45—50  HRC  и  шероховатостью  Rа=0,50—0,63  мкм.

ИК-спектры  образцов  в  области  частот  400—4000  см^-1  получали  с  применением  ИК-Фурье  спектрометра  Varian  FTIR  7000  с  приставкой  нарушенного  полного  внутреннего  отражения,  позволяющего  получать  спектры  образцов  практически  любой  формы. 

Обсуждение  результатов  исследований.  Оптимальный  комплекс  свойств  достигается  при  содержании  2  мас.  %  активированного  базальтового  волокна.  Установлено,  что  модификация  ПТФЭ  активированными  базальтовыми  волокнами  приводит  к  повышению  деформационно-прочностных  и  триботехнических  характеристик  по  сравнению  с  ПКМ,  содержащими  неактивированные  БВ.  Прочность  при  растяжении  ПКМ  при  наполнении  активированными  БВ  повышается  на  15—38  %,  а  относительное  удлинение  при  разрыве  —  на  20—95  %  по  сравнению  с  композитами  с  содержанием  неактивированных  БВ.  Износостойкость  ПКМ  с  содержанием  активированных  волокон  повышается  в  475  раз  по  сравнению  с  ненаполненным  ПТФЭ  и  в  5  раз  по  сравнению  с  композитами,  содержащими  неактивированное  БВ.

С  целью  изучения  адгезионного  взаимодействия  в  базальтофторопластах  исследованы  термодинамические  параметры  ПКМ  методом  дифференциальной  калориметрии  (ДСК).  Зарегистрировано  увеличение  температуры  плавления,  энтальпии  плавления  и  степени  кристалличности  ПКМ  по  сравнению  с  ненаполненным  ПТФЭ.  Показано,  что  значения  степени  кристалличности  ПКМ  уменьшаются  с  ростом  содержания  наполнителя.  Это,  вероятно,  обусловлено  тем,  что  скорость  кристаллизации  полимера  определяется  ограничением  подвижности  макромолекул  в  слоях  полимера,  непосредственно  прилегающих  к  поверхности  наполнителя  [1].

ИК-спектры  ПКМ  до  и  после  трения  по  характеристическим  пикам  идентичны.  Наиболее  интенсивными  являются  полосы,  относящиеся  к  валентным  колебаниям  CF₂  групп  (1202  и  1146  см^-1).  Кроме  этого,  на  ИК-спектрах  ПКМ  до  и  после  трения  зарегистрированы  пики  в  области  2926  см^-1,  2850  см^-1  и  1460  см^-1,  относящиеся  к  валентным  и  деформационным  колебаниям  СН₂-группы  и  к  молекулам  кристаллизационной  воды.  Повышение  интенсивности  пиков,  относящихся  к  колебаниям  наполнителя,  после  трения  свидетельствует  об  активном  участии  БВ  в  процессах  трения.  Это  свидетельствует  о  протекании  сложных  трибохимических  реакций  на  поверхности  трения,  окислении  фрагментов  трибораспада  ПТФЭ  вследствие  разрушения  структуры  материала,  разрыва  цепей  и  «аморфизации»  поверхностного  слоя.

Заключение.  На  основании  проведенных  исследований  физико-механических  и  трибологических  свойств  ПТФЭ,  наполненного  базальтовыми  волокнами,  можно  сделать  заключение,  что  активированные  базальтовые  волокна  являются  эффективными  наполнителями  ПТФЭ.  Позволяющими  получить  материалы  триботехнического  назначения,  характеризующиеся  стабильными  и  низкими  значениями  интенсивности  изнашивания  при  сохранении  деформационно-прочностных  показателей.

Список  литературы:

1. Липатов  Ю.С.  Физико-химические  основы  наполнения  полимеров.  —  М.:  Химия,  1991.  —  260  с.
2. Старцев  О.В.//  Высокомолекулярные  соединения,  1983.  Т.  25,  №  11.  С.  2267—2270.