CC BY
57
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ФТОРПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ
Аргунова Анастасия Гавриловна
канд. техн. наук, научный сотрудник ФГБУНИнститута проблем нефти и
газа СО РАН, г. Якутск Охлопкова Айталина Алексеевна д-р техн. наук, зав. каф. ВМСиОХФГАОУ ВПО Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, г. Якутск
Петрова Павлина Николаевна
канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ФГБУН Института проблем
нефти и газа СО РАН, г. Якутск E-mail: ag_argunova@mail. ru
RESEARCH OF STRUCTURE OF FLUOROPOLYMERIC NANOCOMPOSITES FRICTION
Argunova Anastasiia
Candidate of Science, researcher of Institute of Petrolium and Gas Problems,
Yakutsk Okhlopkova Aitalina
Doctor of Science, Chief of chair Of North-Easten Federal University named after
M.K. Ammosov, Yakutsk Petrova Pavlina
Candidate of Science, leading researcher of Institute of Petrolium and Gas Problems,
Yakutsk
АННОТАЦИЯ
Изучены процессы формирования поверхностей трения в нанокомпозитах на основе политетрафторэтилена. Показано, что частицы нанонаполнителя концентрируются на поверхности трения и формируют с молекулами ПТФЭ ориентированную структуру. Вследствие этого затрудняется пластическое деформирование поверхностных слоев, что приводит к снижению скорости массового изнашивания.
ABSTRACT
Processes of formation of friction surfaces in nanocomposites based on polytetrafluoroethylene are studied. It is shown that nanofiller particles concentrate on friction surfaces and form with PTFE molecules the focused structure. Thereof plastic deformation of blankets is at a loss. It leads to decrease in speed of mass wear.
Ключевые слова: политетрафторэтилен; нанокомпозит; износостойкость; поверхность трения; сферолит; надмолекулярная структура.
Keywords: polytetrafluoroethylene; nanocomposite; wear resistance; friction surface; spherulite; supramolecular structure.
Известно [2, 3], что направленное изменение структуры полимерных композитов позволяет повысить служебные характеристики материалов. Взаимосвязь механических свойств полимеров с характером их надмолекулярных структур, определяемых микроскопическими методами, нашла свое отражение и в процессах трения.
Молекулярная и надмолекулярная структура в поверхностных слоях весьма существенно отличается от строения в объеме материалов на основе полимеров. Проблема эта очень сложна и трудна, поэтому составить достаточно полную картину о наборе структурных состояний поверхностных слоев не представляется возможным.
В работе были исследованы нанокомпозиты на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ). В качестве наполнителей использованы наноструктурные оксиды алюминия с размерами частиц 9—11 нм.
Ранее проведенными исследованиями показано [4, 5], что при введении нанонаполнителей улучшаются деформационно-прочностные и триботехнические характеристики материала. Так, снижается и стабилизируется на минимальном уровне износ материала (в 300 раз), коэффициент трения, уменьшается длительность приработочного периода, что. является нетипичным для наполненных полимеров.
На триботехнические свойства полимерных композитов влияет множество факторов, существенными среди которых являются: влияние нагрузки, скорости скольжения, ориентационные эффекты, структура поверхностных слоев материалов. В связи с эти, поверхность композитов была исследована методом атомно -силовой микроскопии (АСМ). На рис. 1. показано, что рельеф поверхности нанокомпозитов более сложный, характеризуется
микронеровностями по высоте, обеспечивающими снижение площади контакта поверхности композита с контртелом. В то время как рельеф поверхности исходного ПТФЭ гладкий. На изображении фазового контраста ПТФЭ, модифицированного нанонаполнителем, зарегистрированы контрастные упорядоченные структуры, отсутствующие в исходном полимере. Упорядоченная структура свидетельствует о повышении контактной адгезии между наполнителем и полимером.
Рисунок 1. АСМизображения ПТФЭ (сверху) и композита (снизу): а) рельеф поверхности; б) локальная жесткость; в) фазовый контраст
При модификации дисперсными наполнителями ленточная структура ПТФЭ трансформируется в сферолитную. Известно, что диаметр сферолитов на поверхности образцов обычно меньше, чем в объеме. Изменение характера сферолитных образований вызывает изменение коэффициента трения. Более равномерной структуре соответствует меньший коэффициент трения.
В процессе фрикционного взаимодействия исходная структура поверхностных слоев претерпевает весьма существенные изменения. В процессе изнашивания материала частицы наполнителя ориентируются по направлению скольжения. При трении композита зарегистрирована миграция частиц наполнителя в поверхностный слой (рис. 2) вследствие протекания трибохимических реакций при трении.
а) б) в)
Рисунок 2. Микрофотографии поверхностей ПКМ (сверху) и растровая картина распределения оксида алюминия в объеме ПКМ в рентгеновских лучах по алюминию (снизу): а) ПТФЭ+0,5 % А1203, до трения; б) ПТФЭ+0,5 % А1203 после трения в) ПТФЭ+5,0 % А1203 после трения,
Увеличение х100
Формирование такой структуры нанокомпозита обусловлено адсорбционным взаимодействием кластерных частиц НП с макромолекулами ПТФЭ при трении. Зарегистрировано образование вторичной сетчатой структуры из фрагментов трибораспада ПТФЭ. Вследствие этого затрудняется пластическое деформирование поверхностных слоев в процессе трения. Зарегистрировано сглаживание рельефа поверхности трения с увеличением содержания наполнителя за счет формирования тонких пленок, приводящая к пластификации поверхностных слоев материала, и, соответственно, к снижению коэффициента трения нанокомпозита.
Установлено, что поверхности нанокомпозитов обогащаются частицами оксидов при трении. Частицы наполнителя, сконцентрированные на поверхности трения формируют с макромолекулами ПТФЭ ориентированную структуру, которая выполняет роль защитного экрана, локализующего в своем объеме деформации сдвига и предохраняющие поверхностный слой полимерного нанокомпозита от разрушения.
Топография поверхностей трения полимерного нанокомпозита была
исследована также методом АСМ (рис. 3).
Рисунок3. Рельеф поверхности трения: а) ПТФЭ б) ПТФЭ+ у-Л1203 5,0 %.
Поле сканирования 100х100 нм
Показано возрастание микрогеометрической развитости поверхности нанокомпозита с увеличением конусообразных фрагментов на поверхности трения. Подобные изменения в топографии поверхности материалов связаны с увеличением кристаллических образований в связующем. Механизм и характер разрушения полимерного материала при трении зависят от соотношений энергий главных химических валентных связей и межмолекулярных связей между цепями, при этом разрыв главных цепей сопровождается образованием химически активных радикалов [1]. Разрыв химических связей, очевидно, происходит в наиболее дефектных пограничных областях сферолитов.
Существенную информацию о трибологических процессах на поверхности ПКМ дают ИК-Фурье спектрометрические исследования. На основании анализа групповых частот и фактор-группы проведена интерпретация полос поглощения ИК-спектров исследуемых нанокомпозитов. На рис. 4 приведено сопоставление ИК-спектров нанокомпозитов до и после трения.
О 85 0.80 О 75 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 | 0.45 | 0.40
I
0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 -0.05
3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 10ОО 800 бОС
Волновое число, см -1
Рисунок 4. ИК-спектры поглощения поверхностей нанокомпозитов: а) до
трения; б) после трения
ИК-спектры по характеристическим пикам идентичны. Зарегистрировано появление полос интенсивности при 1657 см-1 и 1432 см-1, относящиеся к валентным и маятниковым колебаниям С = С групп, интенсивной широкой полосы при 3248 см-1, отвечающей колебаниям ОН групп. Это свидетельствует об окислении фрагментов трибораспада ПТФЭ вследствие разрушения структуры материала, разрыва цепей и «аморфизации» поверхностного слоя.
Кроме того, резко меняется соотношение полос в области 400—700 см-1, характеризующих кристаллические, упорядоченные фазы ПТФЭ. Увеличение интенсивности полос кристалличности в нанокомпозитах свидетельствует о повышении кристалличности в тончайших слоях полимеров при трении и изнашивании. Известно, что наносоединения оксидов металлов являются катализаторами трибохимических реакций в ПТФЭ, инициирующими не только разрывы С-Б и С-С связей, но и в дальнейшем процессы «сшивки» фрагментов трибораспада полимера с формированием новых структур в поверхностных слоях. С этими данными согласуются и наши исследования.
Появление на поверхности трения композитов пиков, соответствующих окисленным группам является экспериментальным подтверждением участия кислорода в радикальных трибохимических превращениях макромолекул. Также при трении происходит протекание процессов дегидрирования, что,
возможно, приводит к усилению образования в поверхностных слоях полимера сшитых структур — более износостойких, термически и механически устойчивых.
Таким образом установлены факторы, определяющие механизм изнашивания нанокомпозита на основе ПТФЭ, заключающиеся в обогащении поверхности трения частицами нанонаполнителя, которые участвуют в формировании высокоориентированных «сшитых» структур, защищающих поверхностный слой композита от износа.
Список литературы:
1. Гольдаде В.А., Струк В.А. Песецкий С.С. Ингибиторы изнашивания металлополимерных систем. — М.: Химия, 1993. — 240 с.
2. Козлов Г.В., Яновский Ю.Г., Липатов Ю.С. Фрактальный анализ структуры и свойств межфазных слоев в дисперсно -наполненных полимерных композитах // Механика композиционных материалов и конструкций, 2002. — Т. 8, № 1. — С. 111—149.
3. Маламатов А.Х., Буря А.И., Козлов Г.В. Формирование структуры дисперсно-наполненных полимерных нанокомпозитов // Современные наукоемкие технологии, 2005. — № 11. — С. 16—18.
4. Охлопкова А.А., Парникова А.Г. Изучение свойств нанокомпозитных материалов на основе ПТФЭ // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. — Самара, 2011. Т. 13, № 1(2). — С. 394—396.
5. Охлопкова А.А., Петрова П.Н., Парникова А.Г. Влияние структуры нанокомпозитов на основе политетрафторэтилена на триботехнические характеристики // Трение и износ. — Республика Беларусь, Гомель, 2009, Т. 30, № 6. — С. 580—586.
