CC BY
139УДК 678.073
А.А. Охлопкова1, С.В. Васильев2, О.В. Гоголева3
1Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, профессор
677000 Россия, г. Якутск, ул. Белинского, 58
okhlopkova@yandex.ru
2Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, младший научный сотрудник
677000 Россия, г. Якутск, ул. Белинского, 58 spira_ira_vas@mail.ru
3 Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук, научный сотрудник
677891 Россия, г. Якутск, ул. Октябрьская, 1 oli-gogoleva@yandex.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ БАЗАЛЬТОВОГО ВОЛОКНА НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА
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.
Ключевые слова: политетрафторэтилен (ПТФЭ), полимерный композиционный материал (ПКМ), трение, базальтовое волокно, полимер, износостойкость.
A. A. Okhlopkova1, S. V. Vasiliev2, O. V. Gogoleva3
1M. K. AmmosovNorth-Eastern Federal University, Professor 677000 Russia, Republic of Sakha (Yakutia), Yakutsk, Belinskiy str, 58 okhlopkova@yandex.ru
2M. K. Ammosov North-Eastern Federal University, junior researcher 677000 Russia, Republic of Sakha (Yakutia), Yakutsk, Belinskiy str, 58 spira_ira_vas@mail.ru
3 Institute of oil and gas problems of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, research associate
677007, Yakutsk, Oktjabr'skaja, 1 oli-gogoleva@yandex.ru
RESEARCH OF BASALT FIBER ON PHYSICAL-MECHANICAL AND TRIBOLOGICAL CHARACTERISTICS OF COMPOSITES BASED ON POLYTETRAFLUOROETHYLENE
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.
Keywords: polytetraflouroetylene (PTFE), polymer composite materials (PCM), friction, basalt fiber, polymer, wear resistance, load bearing capacity, activation, filler, supramolecular structure.
Введение
Применение деталей из ПКМ и чистых полимеров позволяет значительно снизить трудоемкость их изготовления за счет современных высокопроизводительных и ресурсосберегающих технологических процессов, что определяет постоянное расширение области применения полимерных материалов, по достоинству занявших положения самостоятельных конструкционных материалов. В этой связи существенно возрастает роль материаловедческих разработок и исследований, поскольку конструкторов и технологов интересуют, прежде всего, эксплуатационные характеристики (прочность, износостойкость, долговечность) и технологические свойства полимерных материалов и методы их повышения.[1]
В настоящее время наибольший интерес представляют волокнистые термостойкие теплозвукоизоляционные материалы, называемые базальтоволоконными, на основе магматических горных пород (базальты, диабазы габбро и др.). Технология их получения заключается в плавлении горной породы (чаще всего базальта) и последующей переработке расплава в волокно. Достоинством базальтовых волокон является доступность и низкая стоимость сырья, высокая термостойкость, низкая теплопроводность, высокая химическая устойчивость к агрессивным средам, хорошие звукоизоляционные показатели, а также экологическая безопасность как производства, так и последующей эксплуатации готового материала.
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 [4]. 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 нескомпенсированных связей, что обусловливает направленное формирование надмолекулярной структуры композита, при этом наблюдается изменение свойств: увеличивается износостойкость и эластичность композита [5].
Объекты и методы исследований
Объектами исследования являлись политетрафторэтилен (ПТФЭ) (ГОСТ 10007 -80), и полимерные композиционные материалы (ПКМ), армированные базальтовыми волокнами (БВ) производства РС(Я) завода «Сахабазальт». БВ представляют собой непрерывную базальтовую нить. Базальтовое непрерывное волокно - материал, полученный из нерудных горных пород магматического происхождения, является экологически чистым продуктом, имеет по сравнению со стеклянными волокнами на 10 - 20% больший модуль, повышенную прочность после воздействия высоких температур, превосходят их по щелоче- и, особенно, по кислотостойкости. Имея термостойкость, примерно равную термостойкости асбестовых волокон, БВ не расщепляются под воздействием высоких контактных напряжений в условиях повышенных температур (характерных для эксплуатации изделий триботехнического назначения) на тонкодисперсные (менее 0,4 мкм), микроволокнистые структуры, обладающие канцерогенными свойствами [2].
Перед использованием в качестве наполнителя ПТФЭ, волокна подвергали измельчению с применением режущей мельницы РгкзсЬ РШуег^еИе 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 (I) и диаметра волокон (с1) больше единицы (1/с1>1), что приводит к появлению фактора анизотропии [3], определяющего эффективность применения рубленых и активированных БВ в качестве армирующего компонента ПТФЭ.
Композиты получали сухим смешением навесок компонентов в высокоскоростном лопастном смесителе с последующим формованием из смеси образцов, необходимых для испытаний, методом холодного прессования. Полученные образцы спекали в муфельной печи при температуре 380°С, после чего производили калибровку, для корректировки формы образцов, устранения последствий термической усадки при спекании.
Относительное удлинение и прочность при разрыве определяли по ГОСТ 1126280 на испытательной машине «АЫТОСКАР» фирмы «БЫтас^МЯпония) при комнатной температуре и скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин на лопатках (количество образцов на одно испытание - 5). В качестве образцов использовали лопатки типа II.
ИК-спектры образцов в области частот 400 - 4000 см-1 получали с применением ИК-Фурье спектрометра Уапап ГШ 7000 с приставкой нарушенного полного внутреннего отражения, позволяющего получать спектры образцов практически любой формы. Изучение надмолекулярной структуры наполненных систем проводили на растровом электронном микроскопе ^М-6480 [.V <ОЕОЬ>.
Обсуждение результатов исследований
Физико-механические и триботехнические характеристики базальтофторопла-стовых композитов приведены табл. 1.
Таблица 1
Физико-механические и триботехнические характеристики базальтофторопластовых композитов
Композиция Время активации БВ, мин о , Мпа £ %
ПТФЭ 20 300
ПТФЭ+0,1% БВ 2 22 356
0 18 327
ПТФЭ+0,5% БВ 2 24 370
0 18 310
ПТФЭ+1,0% БВ 2 22 327
0 21 320
ПТФЭ+2,0% БВ 2 24 371
0 20,5 318
ПТФЭ+5,0% БВ 2 18 343
0 21 294
ПТФЭ+5 мас.% УВ+НН* (аналог) 2 13,0 100
- УВ+НН - Углеродное волокно + нанонаполнитель
Как видно из табл. 1, оптимальный комплекс свойств, необходимый для герметизирующих материалов, достигается при содержании 2 мас. % активированного БВ. Установлено, что модификация ПТФЭ активированными БВ приводит к повышению деформационно-прочностных по сравнению с ПКМ, содержащими неактивированные БВ. Прочность при растяжении увеличилась на 10 - 25 %, относительное удлинение при разрыве увеличилось в среднем в 1,2 раза, по сравнению с результатами исследования физико - механических свойств композитов с неактивированным базальтовым волокном.
Повышение упруго-прочностных характеристик ПКМ свидетельствует об усилении адгезионного взаимодействия на границе полимер - активированное БВ. Существенное повышение значений относительного удлинения при разрыве ПКМ при модифицировании активированными БВ свидетельствует о росте анизотропии по относительному удлинению, а при наполнении только рублеными волокнами подобной анизотропии не наблюдается, и в этом случае композиционная система утрачивает преимущества, которые создаются в присутствии волокон наполнителя. Повышение комплекса свойств ПКМ при использовании активированных волокон объясняется тем, что технологический прием механоактивации приводит к повы-
шению объемной степени армирования полимера. При активации получается смесь из волокон различных размеров, что способствует более плотному заполнению ими объема полимера.
Также проводилась механоактивация базальтового волокна на планетарной мельнице «РикепБеИе 5» при различных степенях диспергирования. Далее изготавливались образцы по ранее использованной методике.
Таблица 2
Относительного удлинения ПКМ при различных оборотах
Композиция 100 об. 200 об. 300 об. 400 об.
ПТФЭ + 0,1% БВ 190 310 302 302
ПТФЭ + 0,5% БВ 155 328 327 372
ПТФЭ + 1% БВ 199 321 380 341
ПТФЭ + 2% БВ 177 354 367 328
ПТФЭ + 5% БВ 235 362 331 387
Таблица 3
Прочность при разрыве ПКМ при различных оборотах
Композиция 100 об. 200 об. 300 об. 400 об.
ПТФЭ + 0,1% БВ 17 17 17 18
ПТФЭ + 0,5% БВ 14 19 18 18
ПТФЭ + 1% БВ 17 18 17 17
ПТФЭ + 2% БВ 15 17 17 18
ПТФЭ + 5% БВ 16 15 14 15
Показано, что при увеличении степени диспергирования базальтового волокна улучшаются показатели относительного удлинения в среднем в 1,5 раза. При этом прочность при разрыве остается на уровне чистого ПТФЭ и даже в некоторых случаях становится меньше. Это связано с плохой адгезией базальтового волокна к ПТФЭ.
Были проведены исследования рубленного и активированного базальтового волокон методом ИК-спектроскопии.
7500 7000 6500 6000 5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
Wav&пumbeг
а)
Рис. 1. ИК-спектры поверхностей базальтового волокна (базальтовое волокно производства завода «Сахабазальт»): а) активированное; б) рубленное
Судя по изображениям ИК - спектров базальтового волокна активированного и рубленного, заметных изменений не наблюдается. На ИК-спектрах базальтового волокна зарегистрированы пики в области 2926 см-1, 2850 см-1 и 1460 см-1, относящиеся к валентным и деформационным колебаниям СН2-группы, а также пики средней интенсивности при 1650 см-1, относящиеся к скелетным колебаниям С=С связи. Это объясняется тем, что при производстве базальтоволокна используется замаслива-тель, одним из компонентов которого является терпеновое масло, который является продуктом полимеризации терпеновых углеводородов.
Исследование надмолекулярной структуры проводили с помощью растрового электронного микроскопа. Распределения базальтового волокна в объеме ПТФЭ показало (рис. 2), что наполнитель в объеме полимерной матрицы распределяется хаотично как в случае простого смешения компонентов, так и при совместной меха-ноактивации.
г д
Рис.2. Надмолекулярная структура ПКМ на основе базальтового волокна и ПТФЭ ( х100): а)ПТФЭ +0,1% БВ; б) ПТФЭ +0,5% БВ; в)ПТФЭ +1% БВ; г) ПТФЭ +2% БВ; ПТФЭ +5% БВ
Для ПКМ с активированным БВ надмолекулярная структура ПТФЭ коренным образом отличается от структуры исходного полимера. Четко видны структурные образования, в которых хаотично локализованы БВ. Причиной нетипичной для ПТФЭ кристаллизации, вероятнее всего, является влияние поверхности волокон на процессы кристаллизации полимера, активированной в процессе переработки в планетарной мельнице. Известно, что в ходе операции активирования компонентов ПКМ происходит их переход в метастабильное состояние, характеризуемое повышением поверхностной энергии частиц.
Также проводились исследования надмолекулярной структуры базальтового волокна, рубленного и активированного.
а) б)
Рис. 3. Надмолекулярная структура базальтового волокна: а) активированный; б) рубленный
Методом электронной микроскопии установлено, что измельченная базальтовое волокно имеет игольчатую форму частиц, полидисперсна, в то время, как частицы дисперсного базальта имеют неправильную форму с меньшим разбросом по размерам.
Можно сказать, что центробежно-ударное дробление является не просто процессом изменения размера частиц материала, а, как минимум, процессом увеличения потенциальной энергии вещества и повышения его активности вследствие увеличения поверхностной энергии.
Основными методами определения величин адсорбции являются объемный, весовой методы и метод тепловой десорбции. Сравнивая данные методы и оборудование для них, можно сделать вывод, что наиболее удобным методом для изучения адсорбционных свойств катализаторов и адсорбентов является метод тепловой десорбции. Он обладают рядом преимуществ по сравнению со статическими методами: не требует вакуумной аппаратуры, прост в монтаже, позволяет избавиться от ртути - используемой в стандартных методах и, что наиболее важно, легко поддается автоматизации, что в значительной степени определяет его высокую производительность.
Не смотря на то, что задачи сорбтометрии весьма однообразны - это исследование пористости образца, именно сорбционные характеристики лучше всего показывают внутреннюю структуру материала.
Таблица 4
Результаты исследования удельной поверхности базальтового волокна в зависимости
от степени диспергирования
Обороты Рубленный 100 об. 200 об. 300об. 400об. Аго-2
Удельная поверхность, кВ.м/г 0,04 0,165 0,176 0,188 0,224 0,939
Показано, что с повышением степени диспергирования базальтового волокна увеличивается удельная поверхность, что приводит к улучшению физико-химических свойств полимерных композитов на основе ПТФЭ и базальтового волокна.
Данные позволяют сделать вывод, что измельченный базальт имеет большую удельную поверхность, объема пор и площадь их поверхности, что обеспечивает лучшее взаимодействие между полимером и базальтовым наполнителем и приводит к повышению показателей физико-механических свойств композитов на их основе.
Заключение
Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что активированное базальтовое волокно имеет большую удельную поверхность, объема пор и площадь их поверхности, что обеспечивает лучшее взаимодействие между полимером и базальтовым наполнителем и приводит к повышению показателей физико-механических свойств композитов на их основе.
Литература
1. Зеленский, Э.С., Куперман, А.М., Горбаткина, Ю.А. Армированные пластики - современные конструкционные материалы / Э.С. Зеленский, А.М. Куперман, Ю.А. Горбаткина и др. // Росс.хим.журнал. - 2001. - T.XLV, №2. - С.56-74.
2. Михайлин, Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. -СПб, 2008. - 648 с.
3. Охлопкова, А.А., Стручкова, Т.С. Триботехнические материалы на политетрафторэтилена, модифицированного углеродными волокнами и шпинелями магния // Поликомтриб-2009: Тезисы докладов междунар. научно-технической конференции - Гомель, 2009. - 220 с.
4. Перепелкин, К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты. - СПб: 2009. - 118 с.
5. Стручкова Т.С. Разработка и исследование полимерных композиционных материалов на основе активации политетрафторэтилена и углеродных наполнителей. Дис. ... к-та техн.наук: 05.02.01.- Комсомольск-на-Амуре, 2008. - 124 с.
References
1. Zelenskij, Je.S., Kuperman, A.M., Gorbatkina, Ju.A. The reinforced plasticity - modern constructional materials / Je.S. Zelenskij, A.M. Kuperman and ect. // Ross.him.zhurnal. -2001. - T. XLV, No 2. - P. 56-74.
2. Mihajlin, Ju.A. Constructional polymeric composite materials. - Saint-Petersburg: 2008. - 648 p.
3. Ohlopkova, A.A., Struchkova, T.S.Tribotechnical materials on polytetrafluoroethylene, modified by carbon fibers and magnesium spinels // Polikomtrib-2009: Tezisy dokladov mezhdunar. nauchno-tehnicheskoj konferencii - Gomel', 2009. - 220 p.
4. Perepelkin, K.E. Reinforcing fibers and fibrous polymeric composites. - Saint-Petersburg, 2009. - 118 p.
5. Struchkova T.S. Development and research of polymeric composite materials on the basis of activation polytetrafluoroethylene and carbon fillers. Dis. ... k-ta tehn.nauk: 05.02.01.- Komsomol'sk-na-Amure, 2008. - 124 p.
