CC BY
94
ВЫСОКОДИСПЕРСНЫЕ И НАНОСТРУКТУРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ПОКРЫТИЯ
УДК 678.5.046: 546.26
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ АРОМАТИЧЕСКОГО ПОЛИАМИДА И ФУЛЛЕРЕНОВОЙ ЧЕРНИ
А.И. Буря, профессор, к.т.н., О.Ю. Кузнецова, аспирант, Днепропетровский государственный аграрный университет
Аннотация. Рассматриваются характеристики нанокомпозитов на основе фенилона С-2, наполненного наноструктурированным углеродом. Показано влияние концентрации наполнителя на свойства разработанных композиционных материалов.
Ключевые слова: фенилон, фуллереновая чернь, нанокомпозит, прочность, износостойкость.
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ НАНОКОМПОЗИТ1В НА ОСНОВ1 АРОМАТИЧНОГО ПОЛ1АМ1ДУ I ФУЛЕРЕНОВО1 ЧЕРН1
О.1. Буря, професор, к.т.н., О.Ю. Кузнецова, асшрант, Дншропетровський державний аграрний ушверситет
Анотаця. Розглянуто характеристики нанокомпозит1в на основi фентону С-2, наповненого наноструктурованим вуглецем. Показано вплив концентрацИ' наповнювача на властивостi роз-роблених композицтних матерiалiв.
Ключев1 слова: фентон, фулеренова чернь, нанокомпозит, мщтсть, знососттюсть.
INVESTIGATION OF PROPERTIES OF NANOCOMPOSITES BASED ON AROMATIC POLYAMIDE AND FULLERENE BLACK
A. Burya, Professor, Candidate of Technical Science, O. Kuznetsova, graduate, Dnipropetrovsk State Agrarian University
Abstract. The work analyses the properties of nanocomposites based on phenilon С-2 filled with nanostructured carbon. The influence of the filler's concentration on the properties of the developed composite materials is shown.
Key words: phenilon, fullerene black, nanocomposite, stability, wear-resistance.
Введение
В отечественной машиностроительной отрасли актуальной остается задача поиска возможных путей получения полимерных композиционных материалов (ПКМ), сочетающих в себе определенный комплекс эксплуатационных характеристик.
Перспективным связующим при создании ПКМ являются термостойкие ароматические полиамиды [1]. Детали из ароматических по-
лиамидов отличаются высокой прочностью и теплостойкостью, причем наполнение фени-лона традиционными твердыми смазочными материалами (фторопластом, графитом и т.п.) намного улучшает его антифрикционные свойства [2].
С открытием в 1985 году новой молекулярной формы углерода - фуллеренов [3] значительно расширился диапазон используемых наполнителей, что позволяет разнообразить круг синтезируемых материалов. Представ-
ляется возможным создание обширного числа ПКМ с использованием углеродных на-нотрубок, фуллеренов, фуллереновой сажи, фуллереновой черни, а также другого нано-структурированного углерода.
Анализ публикаций
Проведенные исследования по влиянию на-норазмерных углеродных частиц (УНЧ) с различной морфологией (фуллероидные на-ночастицы, углеродное нановолокно, углеродные наноконусы) на термомеханические, реологические, электрические и триботехни-ческие свойства частично-кристаллического термопластичного полиимида показали, что УНЧ являются перспективным наполнителем для создания термостойких, прочных, электропроводящих и оптически прозрачных по-лиимидных термопластов. В полученных образцах наблюдается рост модуля Юнга, увеличивается электропроводность, повышается степень кристалличности (по сравнению с ненаполненными) [4].
В работе [5] проведено исследование четырех видов фуллереновых материалов: смеси фуллеренов С6о и С70, индивидуального фул-лерена С60 (чистотой 99,9 мас.%), фуллере-новой сажи, отмытой фуллереновой сажи (фуллереновой черни) на свойства капроло-нов. Установлено, что даже незначительная добавка фуллереновых материалов приводит к существенному увеличению прочности и эластичности ПКМ на основе капролонов, заметному снижению коэффициентов трения по металлу и истираемости, увеличению температур плавления и деструкции.
Используются УНЧ и как присадки к маслам и смазкам, резко повышающие износоустойчивость пар трения в машинах и механизмах [6, 7].
Цель и постановка задачи
Цель настоящей работы заключалась в разработке и исследовании свойств новых композиционных материалов на основе термостойкого ароматического полиамида фени-лон С-2 (ФС-2). Поставленная задача была решена путем наполнения исходной полимерной матрицы наноструктурированным углеродом.
Объекты, методы и результаты исследования
Исходная полимерная матрица ФС-2 - линейный гетероциклический сополимер, содержащий в основной цепи макромолекулы амидную группу -ИКСО-, соединенную с обеих сторон фенильными фрагментами, получена эмульсионной поликонденсацией метафенилендиамина с дихлорангидридами изофталефой и терефталевой кислот, взятых в соотношении 3:2.
В качестве наполнителя была выбрана фул-лереновая чернь (ФЧ) - фуллереновая сажа после извлечения смеси фуллеренов неполярными органическими растворителями и обработанная паром для удаления органического растворителя. Черный порошок, не растворим, насыпная плотность 0,5 г/смЗ, содержание фуллеренов не более 0,1 %. Содержание ФЧ в композициях составляло 0,5, 1,5, 3 мас.%.
Методика получения композитов заключалась в смешивании компонентов пресском-позиции во вращающемся электромагнитном поле с последующей переработкой в изделия методом компрессионного прессования при температуре 598 К и давлении 40 МПа.
Определение предела текучести, относительной деформации и модуля упругости при сжатии проводили согласно ГОСТ 4651-78 и ГОСТ 9550-81 на испытательной машине БР-100 (Германия). Микротвердость (Нц) измеряли на приборе ПМТ-3 (ГОСТ 9450-76). Испытание на абразивное изнашивание проводили на машине трения СМЦ-2 в соответствии с ГОСТ 23.208-79. Износ испытываемых и эталонных образцов определялся путем взвешивания до и после испытаний с погрешностью не более 0,2 мг.
Из анализа поведения материалов при сжатии (рис. 1) видно, что характер зависимости «напряжение-деформация» подобен таковому у исходной матрицы. А именно, на кривой имеется прямолинейный участок, соответствующий упругой деформации; участок, где наблюдается некоторое отклонение от закона Гука, связанное с проявлением сегментальной подвижности макромолекул, предел текучести, после которого развивается пластическая деформация; стадия деформационного упрочнения и разрушения.
Варьирование содержания ФЧ в исследованном диапазоне показало, что при степени наполнения 0,5 мас. % наблюдается некоторое снижение, а при дальнейшем увеличении концентрации наполнителя в композициях (1,5 и 3 мас. %), - рост таких показателей как модуль упругости и предел текучести при сжатии.
ст.М Па
Рис. 1. Типичная кривая с-е для нанокомпозитов, содержащих фуллереновую чернь
Концентрационная зависимость относительной деформации проходит через максимум при содержании ФЧ 1,5 мас. %, рис. 2.
Рис. 2. Влияние процентного содержания фуллереновой черни на значения модуля упругости (1), предела текучести при сжатии (2) и относительной деформации (3) образцов нанокомпозитов
Разрушение образцов нанокомпозитов несколько отличается от характера разрушения исходного полимера. ФС-2 и нанокомпозит, содержащий 0,5 мас. %, ФЧ разрушаются пластично, в то же время для остальных на-нокомпозитов можно отметить как пластичный, так и хрупкий характер разрушения (рис. 3). При содержании наполнителя 1,5 мас. % образцы разрушаются хрупко в
20 % случаев. Причем наклонные трещины направлены к оси образца под углом примерно 45 т.е. параллельно площадкам, в которых действуют наибольшие касательные напряжения отах=о/2 [8], из чего можно сделать вывод, что такие образцы будут наилучшим образом сопротивляться сдвигу. Дальнейшее увеличение содержания наполнителя до 3 мас. % увеличивает угол наклона трещин, ухудшая сопротивление сдвигу, и, кроме того, приводит к возрастанию хрупкости образцов (до 30 % случаев).
а б в
Рис. 3. Характер разрушения образцов наноком-позитов, содержащих в качестве наполнителя фуллереновую чернь: а - 0,5 (пластичный); б - 1,5 (хрупкий); в - 3 мас. % (хрупкий)
Значения микротвердости нанокомпозитов остаются в целом на уровне исходного фени-лона С-2 (табл. 1).
Таблица 1 Микротвердость полимерных композиций
Связующее фенилон С-2
Наполнитель фуллереновая чернь
Содержание наполнителя, мас. % 0 0,5 1,5 3
Микротвердость, МПа 320 333 312 290
Анализируя результаты исследований трибо-логических свойств нанокомпозитов на основе фенилона С-2, следует отметить, что наилучший эффект для ПКМ, наполненных фуллереновой чернью, отмечается при содержании наполнителя 1,5 мас. %. В данном случае наблюдаются наиболее высокие значения относительной абразивной износостойкости (Ки), рис. 4.
Рис. 4. Относительная износостойкость нанокомпозитов, наполненных фуллереновой чернью со степенью наполнения: 1 - 0,5; 2 -1,5; 3 - 3 мас.% и углеродными нанотруб-ками - 4
При этом содержании наполнителя материал, имея достаточно высокий модуль упругости (3012 МПа), превосходит по относительной износостойкости базовый полимер, наполненный углеродными нанотрубками в 1,8 раза.
Достигнутый позитивный эффект, по-видимому, обеспечивается активным влиянием наполнителя на структуру полимерной матрицы.
Выводы
Разработаны новые композиционные материалы на основе ароматического полиамида фенилон С-2 и наноструктурированного углерода - фуллереновой черни.
Установлено, что нанокомпозиты, обладая высокой прочностью, превосходят по относительной износостойкости ФС-2, наполненный углеродными нанотрубками, в 1,4-1,8 раза.
Полученные результаты указывают на перспективность проведения дальнейших исследований в данном направлении и дают основание рекомендовать ПКМ для изготовления деталей узлов трения машин и механизмов, работающих в экстремальных условиях эксплуатации.
Литература
1. Соколов Л.Б. Термостойкие ароматиче-
ские полиамиды / Л.Б. Соколов, В. Д. Герасимов, В.М. Савинов, В.К. Беляков. -М. : Химия, 1975. - 256 с.
2. Буря А.И. Влияние твердых слоистых сма-
зок на триботехнические свойства композитов на основе ароматического полиамида / А.И. Буря, О.Г. Приходько,
О.В. Холодилов, А.А. Буря // Трение и износ. - 1996. - Т.17, № 1. - С. 105-112.
3. Kroto H. C60 : Buckminsterfullerene /
H. Kroto, J. Heath, S. O'Brien et al. // Nature. - 1985. - Vol. 318. - P. 162 - 163.
4. Шумакова А.Н. Влияние углеродных нано-
частиц с различной морфологией на свойства полиимидных нанокомпозитов /
A.Н. Шумакова, А.Н. Диденко, В.Е. Юдин и др. // 4-я Всероссийская Каргинская конференция, посвященная 100-летию со дня рождения академика В.А. Карги-на, «Наука о полимерах - 21-му веку», Москва, 29 янв. - 2 февр., 2007 : тезисы устных стендовых докладов. - М. : МГУ, 2007. - Т. 3. - 266 с.
5. Поталицин М.Г. Капролоны, модифициро-
ванные фуллеренами и фуллероидными материалами / М.Г. Поталицин, А.А. Ба-бенко, О.С. Алехин и др. // Журнал прикладной химии. - 2006. - Т.79, № 2. -С.308-311.
6. Huzko A. Tribological characteristics of
fUllerene-containing lubricants / A. Huzko, H. Lange, J. Drabik et al. // AIP Conf. Proc. - November 7, 2001. - Vol. 591. -P.558-561.
7. Ginzburg B. Effect of C60 fullerene, fullerene-
containing soot, and other carbon materials on the sliding edge friction of metals /
B.Ginzburg, M. Baidakova, O. Kireenko et al. // Russian journal of applied physics. -2000. - Vol. 45, № 12. - P. 1595-1603.
8. Ларков А.В. Сопротивление материалов /
А.В. Ларков. - М. : Высшая школа, 1963. - 762 с.
Рецензент: С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 26 августа 2010 г.
