CC BY
37
УДК 662.1
Д.Л. Русин, H.H. Синявский, М.П. Евланов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПТФЭ НА СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДЕЛЬНЫХ
КОМПОЗИТОВ
By methods of studying mechanical and rheological properties of the modified aluminous composites it is established, that modifying of samples with help PTFE leads simultaneously to improvement of its deformative-strength, rheological and technical characteristics and provides an opportunity of processing with a method of through passage pressing.
Методами изучения механических и реологических свойств модифицированных алюминизированных композитов установлено, что модифицирование образцов с помощью ПТФЭ приводит одновременно к улучшению их деформационно-прочностных, реологических и технологических характеристик и обеспечивает возможность переработки методом проходного прессования.
Модифицирование различных высоконаполненных полимерных материалов, топлив и пиротехнических композиций с помощью политетрафторэтилена (ф-4, ПТФЭ), как известно, обусловливает комплексное улучшение технологических и эксплуатационных характеристик материалов [1-3].
В настоящем сообщении рассматривается влияние ПТФЭ на структурно-механические характеристики модельных термопластичных композитов, изготовленных на основе пластифицированного дивинилстирольного сополимера ДСТ-30. Композиции содержали до 70 мас.% наполнителей -NH4CIO4 (ПХА) и алюминиевых порошков различной дисперсности (ПА-1, АСД-1, АС Д-4, АС Д-8). Доля алюминиевых порошков в составе варьировалась от 0 до 0,4.
С целью получения обобщенных результатов использовали условный параметр - величину поверхности А1 в композите (S), которая рассчитывалась как произведение удельной поверхности его частиц на долю этого наполнителя в составе. Все образцы изготавливались вальцеванием с последующим проходным прессованием. Количество модификатора ф-4 в образцах варьировалось от 0 до 5,0 мас.%.
Исследовали влияние рецептурных особенностей композитов на структурно-механические характеристики: прочность (<зр) и деформацию (бр) при одноосном растяжении двухсторонних лопаток, вырезанных из вальцованных полотен, прочность на срез (аср), являющуюся характеристикой внутреннего трения образцов, И удельное внешнее трение (Тц) композитов по стальной подложке. О технологически особенностях образцов судили также по величинам суммарного давления прессования Р, коэффициента технологичности Кт=аСр/Т|х и присадки бесканальных изделий диаметром 7 мм (7/0), появляющейся вследствие проявления Баррус-эффекта.
Полученные данные представлены на рис. 1-5. Из данных рис.1 следует, что увеличение поверхности алюминия в композите как за счет варьирования размера частиц, так и его количества приводит к снижению дефор-мационно-прочностных характеристик образцов, особенно резкое при увеличении S до 1500 см2/г композита (разрывная деформация при этом снижа-
ется в 6 раз).
а юна зава заоа
Поверхность А1, см’/г композита
Поверхность А1, см /г компопита
Рис. 1 Зависимость прочности при одноосном растяжении (А) и разрывной деформации (Б) модельных композитов от содержания модификатора, степени дисперсности и доли алюминиевого наполнителя в составе (20°С, 0,21 мм/с):
1 - образцы содержат 2% ф-4; 2 - образцы без модификатора
Эффективность модифицирования
Поверхность А1, см /г компот ита
Рис. 2. Зависимость эффективности модифицирования деформационно-прочностных характеристик модельных композитов от степени дисперсности и концентрации
алюминиевого наполнителя: I - ст.
2% ф-4
/о,
0% ф-4
II -6„
2% ф-4 I ^ 0% ф-4
Это может быть связано как со структурирующим действием наполнителя, так и с увеличением гетерогенности и дефектности наполненных образцов. Модифицирование композитов с помощью ф-4 обусловливает одновременное повышение и прочности (до 10 раз) и разрывной деформации (до 5 раз). Указанное явление связано с формированием в объеме модифицированного материала тонкодисперсной взаимопроникающей структурной сетки, сформированной из волокон ф-4 и связующего композита [1-3]. Степень совершенства такой сетки обусловливает различие величины эффекта модифицирования. Из данных рис.2 следует, что использование тонкодисперсного алюминиевого наполнителя при прочих равных условиях способствует повышению эффективности модифицирования деформационнопрочностных характеристик композитов. Это обусловлено, вероятно, формированием в таких образцах более совершенной структурной сетки взаи-
мопроникающих структур. Из данных рис.ЗА следует, что наполнение не-модифицированных композитов алюминием несущественно изменяет их внутреннее трение, при модифицировании композитов с помощью ф-4 прочность на срез возрастает до 5 раз. Более сложным образом при варьировании рецептурных особенностей изменяется внешнее трение образцов (рис.ЗБ).
Рис. 3. Зависимость характеристики внутреннего трения (А, 80°С, 10 МПа) и величины удельного внешнего трения модельных композитов по стальной подложке от содержания модификатора, степени дисперсности и доли алюминиевого наполнителя в составе (Б, 80°С, 10 МПа, 3,49 мм/с): 1 - образцы содержат 2% ф-4 ;
2 - образцы без модификатора
Известно, ЧТО Тц имеет двойственную природу [3] - с одной стороны осуществляется адгезионное взаимодействие функциональных групп полимерного связующего с активными центрами контртела-подложки, с другой -проявляется деформационная составляющая трения, обусловленная главным образом величиной макрошероховатости трущихся поверхностей. Известно, что использование алюминия значительно повышает деформационную составляющую и суммарную силу трения многих полимерных композитов из-за специфических свойств этого пластичного металла и покрывающего его частицы твердого, жесткого оксида, по твердости уступающего только алмазу. Наполнение композитов, как правило, приводит к снижению адгезионной составляющей и повышению ее деформационной составляющей, что обусловливает экстремальный характер суммарной силы трения. Из данных рис.ЗБ следует, что повышение Б до 1500 см2/г композита и в данном случае приводит к некоторому повышению суммарной силы трения за счет большего увеличения деформационной составляющей по сравнению с уменьшением адгезии, при дальнейшем повышении величины Б превалирует падение адгезии над возрастанием макрошероховатости, особенно для модифицированных образцов. В целом модифицирование композитов с помощью ф-4 обусловливает снижение суммарной силы внешнего трения до 3 раз.
Известно, что успешное формование методом проходного прессования возможно только в том случае, когда материал в формующем канале
преимущественно скользит, что достигается варьированием рецептурно-конструктивно-технологических параметров, обеспечивающим превышением внутреннего трения по сравнению с внешним (так называемый коэффициент технологичности Кт) в 2-15 раз. Из данных рис.4 следует, что немоди-фицированные композиты являются нетехнологичными, величина их Кт менее 1. Все модифицированные с помощью ф-4 композиты могут быть успешно переработаны в качественные изделия методом проходного прессования - величина их Кт возрастает по сравнению с образцами без ф-4 в 5-15 раз как за счет повышения внутреннего трения, так и за счет снижения .
Рис. 4 Зависимость величины коэффициента технологичности модельных композитов от содержания модификатора, степени дисперсности и доли алюминиевого наполнителя: 1 - образцы содержат 2% ф-4; 2 - образцы без модификатора
Известно, что суммарное давление проходного прессования складывается из потерь на преодоление сопротивления течению (Рл), скольжению (Ри) и упругой отдачи (Рп), связанной с высокоэластичностью материалов и нормальными напряжениями при их деформировании:
Р = Рт| + Рц+ Рп
Косвенной количественной характеристикой неотрелаксировавших за время пребывания в формующей втулке нормальных напряжений является величина постэктрузионного разбухания (присадки). Более значимым является этот параметр для модифицированных композитов. Из данных рис.5Б следует, что для образцов, не содержащих ф-4, наблюдается закономерное падение величины присадки при увеличении поверхности алюминиевого наполнителя в композите, что связано со структурирующим действием наполнителя. Модифицированные композиты отличаются существенно большими величинами присадки (в 2-12 раз), что обусловлено отмеченными выше структурными особенностями образцов. Величина суммарного давления прессования модифицированных образцов в 2,5-5,0 раз выше, чем для аналогичных композитов, не содержащих ф-4. Это обусловлено как большими
величинами Рп, так и Рл для модифицированных композитов, потери на преодоление внешнего трения для модифицированных образцов ниже (сравни кривые 1 и 2 на рис.З, 5).
Ир исадка, %
2
Поверхность А1, см /г композита
Р. МПа
2
Поверхность Л1, см /г композита
Рис. 5. Зависимость давления прессования (А) и величины присадки изделий 7/0 (Б) из модельных композитов от содержания модификатора, степени дисперсности и доли алюминиевого наполнителя в составе: 1 - образцы содержат 2% ф-4;
2 - образцы без модификатора
Таким образом, варьированием величиной степени наполнения и использованием модифицирования композитов с помощью ф-4 предоставляется возможность существенного регулирования структурно-механических характеристик образцов, перерабатываемых в готовые изделия методом проходного прессования.
Библиографические ссылки
1. Rusin D. L. Investigation of structural properties of PTFE modified propellants /D. L. Rusin, D. B. Mikhalev et al. //Proceedings of the 33rd International Annual Conference of ICT, Energetic Materials, Karlsruhe, Federal Republic of Germany. 2002. P. 79-1 - 79-14.
2. Rusin D. L. Investigation of the Structural - Mechanical And Ballistic Properties of the Pyrotechnic Composites, produced by the through passage pressing /D. L. Rusin, D. B. Mikhalev et al. //Proceedings of the 34th International Annual Conference of ICT, Energetic Materials, Karlsruhe, Federal Republic of Germany. 2003. P. 049-1 -049-14.
3. Русин Д.Л. Основы комплексного модифицирования полимерных композитов, перерабатываемых проходным прессованием: Учебное пособие/ Д.Л. Русин/РХТУ; М.: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2008. 222с.
