CC BY
60
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 ФГБУНИнститута проблем нефти и газа СО
РАН, г. Якутск E-mail: spira_ira_vas@mail. ru
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 ofproblem 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 XXI 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 (!) и диаметра волокон (<$) больше единицы ( 1М> 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 (ар) и относительное удлинение при разрыве (ер) 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 физикомеханических 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.
