CC BY
274
УДК 691.213.2:678.742.2(571.56)
С. Н. Данилова, А. А. Охлопкова, А. А. Гаврильева, Т. А. Охлопкова, Р. В. Борисова, А. А. Дьяконов
ИЗНОСОСТОЙКИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С УЛУЧШЕННЫМ МЕЖФАЗОВЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ В СИСТЕМЕ «ПОЛИМЕР - ВОЛОКНО»
В настоящее время все шире используются высокопрочные композиционные материалы благодаря высокой прочности и жесткости полимерных материалов. При этом широко применяемые полиолефи-ны имеют плохую адгезию с поверхностью волокнистого наполнителя. Это обусловлено трудностью совмещения гидрофильной поверхности наполнителя с неполярной или слабополярной полимерной матрицей. Как правило, адгезионные характеристики являются одними из важнейших показателей для получения высокопрочных композиционных материалов. Таким образом, актуальной задачей полимерной технологии являются улучшение уровня адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз «полимер - волокно» и определение способов ее регулирования. Для увеличения адгезионной прочности в работе исследован ряд оригинальных технологий получения композитов, включающих модификацию поверхности базальтового волокна. Представлены результаты исследования полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и базальтового волокна (БВ). Исследованы структурные, физико-механические и триботехнические свойства композиционных материалов. Проведено соотношение элементного состава базальтового волокна и минерала
ДАНИЛОВА Сахаяна Николаевна - аспирант ИЕН СВФУ им. М. К. Аммосова.
E-mail: dbsksnsdjyj@mail.ru
DANILOVA Sakhayana Nikolaevna - PhD Student, Institute of Natural Sciences, M. K. Ammosov NorthEastern Federal University.
ОХЛОПКОВА Айталина Алексеевна - д. т. н., проф., г. н. с. лаборатории технологии полимерных композитов, зав. каф. высокомолекулярных соединений и органической химии ИЕН СВФУ им. М. К. Аммосова.
E-mail: okhlopkova@yandex.ru
OKHLOPKOVA Aitalina Alekseevna - Chief Research Scientist of the Laboratory «Technologies of Polymer Nanocomposites», Head of the Macromolecular Compounds and Organic Chemistry Department, Professor, Institute of Natural Sciences, M. K. Ammosov North-Eastern Federal University.
ГАВРИЛЬЕВА Алина Алексеевна - аспирант ИЕН СВФУ им. М. К. Аммосова.
E-mail: enslaver_alina@mail. ru
GAVRILIEVA Alina Alekseevna - PhD Student, Institute of Natural Sciences, M. K. Ammosov NorthEastern Federal University.
ОХЛОПКОВА Татьяна Андреевна - зав. лабораторией полимерных композитов ИЕН СВФУ им. М. К. Аммосова.
E-mail: botanya05@mail.ru
OKHLOPLOVA Tatyana Andreevna - Head of the Laboratory «Polymer Nanocomposites», Institute of Natural Sciences, M. K. Ammosov North-Eastern Federal University.
БОРИСОВА Раиса Васильевна - аспирант ИЕН СВФУ им. М. К. Аммосова.
E-mail: brv0901@yandex.ru
BORISOVA Raisa Vasilievna - PhD Student, Institute of Natural Sciences, M. K. Ammosov North-Eastern Federal University.
ДЬЯКОНОВ Афанасий Алексеевич - ведущий инженер каф. высокомолекулярных соединений и органической химии ИЕН СВФУ им. М. К. Аммосова.
E-mail: afonya711185@mail.ru
DYAKONOV AfanasiyAlekseevich - Engineer of the Macromolecular Compounds and Organic Chemistry Department, Institute of Natural Sciences, M. K. Ammosov North-Eastern Federal University.
базальта. Показано, что модифицирование СВМПЭ базальтовым волокном способствует повышению эксплуатационных характеристик материала. Изменения физико-механических и триботехнических свойств ПКМ согласуются с результатами структурных исследований. Разработаны новые материалы триботехнического назначения и способы их получения. Полученные материалы можно использовать в узлах трения техники (подшипники, подшипники скольжения, опоры скольжения, поршневые кольца) и в качестве уплотнительных устройств (уплотнительные кольца, манжеты, сальники).
Ключевые слова: полимерный композиционный материал, композит, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, базальтовое волокно, адгезия, модификация, износостойкость, коэффициент трения, сканирующая электронная микроскопия, ИК-спектроскопия, механическая активация, физико-механические свойства, рентгеноспектральный анализ.
S. N. Danilova, A. A. Okhlopkova, A. A. Gavrilieva, T. A. Okhlopkova, R. V. Borisova, A. A. Dyakonov
Wear Resistant Polymer Composite Materials with Improved Interfacial Interaction in the System "Polymer - Fiber"
At the present time in various areas polymer composite materials with high strength and rigidity are used. But widely used polyolefins have poor adhesion with surface of the fibrous filler. This is due to the difficulty of combining with hydrophilic surface of filler with nonpolar and low polar polymer matrix. As a rule, adhesive characteristics are one of the most important performances to obtain high-strength polymer composite materials. Thus, an issue of the day of polymer technology is improvement of adhesion interaction on the phase boundary "polymer-fiber" and ways of its regulation. Therefore on this work has explored number of original technologies obtaining of composites for increasing adhesion strength. This method includes modification of the surface basalt fibers. Results of the study of polymer composites based on ultrahigh molecular weight polyethylene and basalt fibers are presented. Structure and mechanical, tribological, and thermodynamic properties of composite materials are investigated. And also install the elemental composition of basalt fiber and basalt mineral. Modification of UHMWPE by basalt fiber increases operational characteristics of the material. Changes of physical-mechanical and tribological properties of the PCM are consistent with the structural studies. New tribotechnical materials and methods for their preparation are developed. The resulting materials may be used in friction equipment (bearings, plain bearings, sliding bearings, piston rings) and sealing means (O-rings, cuffs, glands).
Keywords: polymer composite material, composite, ultrahigh-molecular-weight polyethylene, basalt fiber, adhesion, modification, wear resistance, friction coefficient, scanning electron microscopy, infrared spectroscopy, mechanical activation, mechanical properties, X-ray diffraction.
Введение
Проблема целенаправленного повышения износостойкости и понижения коэффициента трения ПКМ в паре трения со сталью остается на сегодняшний день актуальной задачей в полимерной трибологии. Одним из основных перспективных способов создания триботехнических материалов является армирование полимерных материалов волокнистыми наполнителями. ПКМ с содержанием углеродных, борных, базальтовых, металлических волокон обладают высокой работоспособностью в узлах трения без смазки благодаря прочности, жесткости и химической стойкости волокон. При этом использование полимерных композиционных материалов обеспечивает надежность и долговечность узлов, удешевление эксплуатации и ремонта транспортных средств [1, 2].
СВМПЭ обладает низким коэффициентом трения, повышенной прочностью, химической стойкостью и стойкостью к растрескиванию, что предполагает его использование в качестве матрицы для изготовления высокопрочностных технических изделий [3, 4].
ПКМ на основе СВМПЭ и волокнистых наполнителей представляет собой сложную систему, в которой волокна принимают на себя основные напряжения при воздействии
внешних механических нагрузок, обеспечивая при этом прочность и жесткость композиции вдоль ориентации волокон. Прочность таких материалов существенно зависит от адгезии между компонентами [5]. Процесс механического деформирования на примере материала с одиночным волокном в объеме представлен на рис. 1. Предположим, что внешняя сила приложена вдоль волокна, при растяжении вместе с матрицей будет деформироваться и волокно. Вследствие разности значений модулей упругости твердых частиц наполнителя и полимера деформация ПКМ идет неравномерно, в результате чего возникают области перенапряжения вблизи концевых участков волокон [6]. При этом происходит передача нагрузки от матрицы к волокну и фиксируется упрочнение системы, такой эффект называется «армированием».
БВ обладают такими же положительными свойствами, как и стеклянные, но отличаются еще и рядом преимуществ. Например, высокой термостойкостью от -260 до +700 °С, стойко -стью к агрессивным средам и хорошими электроизоляционными свойствами. Базальтовые волокна не токсичны, не вступают в реакцию с водой и с воздухом, не взрывоопасны. При взаимодействии с другими химическими реагентами не выделяют вещества, вредные для здоровья человека и окружающей среды [7, 8].
Перед изготовлением волокнистых ПКМ для улучшения прочности сцепления на межфазной границе «волокно-полимер» и ее стабильности при эксплуатации волокна, как правило, предварительно модифицируют механической и химической обработкой [9].
Целью данной работы является разработка способов повышения адгезии между СВМПЭ и БВ производства ООО «Завода базальтовых материалов» (г. Покровск, Республика Саха (Якутия)).
Методика и объекты исследований
В качестве объекта исследования был выбран СВМПЭ марки Celanes (GUR-4130) с молекулярной массой 6 800000 г/моль, плотностью 0,93 г/см3и степенью кристалличности 61 %.
В роли усиливающего агента ПКМ использовали БВ, изготавливаемые по ГОСТу ISO 1889-2013, со средним диаметром волокон 13-20 мкм, линейной плотностью 68-4800 текс и истинной плотностью р =2,71 г/см3. ПКМ получали по стандартной технологии горячего прессования при температуре 175 °С и давлении 10 МПа, при выдержке в течение 20 мин, с последующим охлаждением.
Были исследованы различные способы модификации БВ: механоактивация в планетарной мельнице АГО-2, обработка поверхности аппретом и поверхностно активным веществом (ПАВ). В качестве аппрета использован у-аминопропилтриэтоксисилан (марки А1100, CAS REG NO 919-30-2), а в качестве ПАВ - цетилтриметиламмоний бромид (ЦТАБ) с добавлением мочевины. В работе [10] при изучении влияния рН, добавок мочевины и бромида калия в растворы ЦТАБ было установлено, что добавление мочевины способствует усилению адсорбционной способности ЦТАБ. Кроме этого, исследовано влияние совместной механоактивации компонентов ПКМ в планетарной мельнице «PULVERIZETTE-5» (FRITSCH, Германия) в течение 2 мин. Также на основании работ Панина [11] было принято решение увеличить время механоактивации до 20 мин.
Матрица
Нагрузка отсутствует
Нагрузка
Рис. 1. Деформация низкомодульной матрицы вокруг волокна
Физико-механические свойства ПКМ исследованы на разрывной машине AGS-J (Shimadzu, Япония) по ГОСТу 11262-80 при скорости движения подвижных захватов 50 мм/мин (количество образцов на испытании 7). Триботехнические характеристики определены на трибометре UMT-3 (CETR, США) согласно ГОСТу 11629-75 по схеме трения «палец-диск», при нагрузке 150 Н и скорости скольжения 1 м/с. Структурные исследования проведены на ИК-Фурье спектрометре FT-IR 7000 (Varían, США) и растровом электронном микроскопе JSM-7800FX (JEOL, Япония) с приставкой «X-max 20» (Oxford Instruments, США).
Обсуждение результатов исследований
Воздействие базальтовых волокон на полимерную матрицу СВМПЭ направлено на улучшение физико-механических и триботехнических характеристик ПКМ, что связано с возможностью волокон армировать связующее, ограничивая подвижность молекулярных цепей или их сегментов, проявлять когезионные и адгезионные взаимодействия [12]. В связи этим в данной работе представлены результаты физико-механических характеристик композитов на основе СВМПЭ и БВ (рис. 2).
Анализ результатов физико-механических исследований показал, что наиболее жесткие материалы получаются при обработке базальтового волокна раствором ЦТАБ с мочевиной, но при этом наблюдается ухудшение эластичности ПКМ, что, возможно, связано с усилением межфазного сцепления между компонентами ПКМ.
Наиболее оптимальный вариант по критериям физико-механических характеристик наблюдается при использовании механоактивированного базальтового волокна: эластичность материала остается на уровне исходного СВМПЭ, а прочность композита повышается на 3942 %. На основании оптических исследований активированных БВ установлено, что размеры измельченных волокон варьируются от 1 до 10 мкм, в результате чего активированные БВ действуют как дисперсный наполнитель, повышая прочность композита. Не измельченные волокна проявляют армирующее действие на полимерную матрицу, в связи с чем эластичность композита остается на уровне ненаполненного СВМПЭ.
Для оценки антифрикционных свойств полученных материалов, а также влияния различных способов модификации БВ на структуру СВМПЭ были исследованы триботехни-ческие характеристики композитов (рис. 3).
А) £р, % 400
0,5% 1,0% 2,0%
0% 0,5% 1,0% 2,0%
В) Ер, МПа 800
■ неакг. БВ
■ акт. БВ
■ совм. акт с БВ в теч. 20 мин
■ БВ модиф. ЦГАБ БВ модиф. силаном
i совм. акт. с БВ в теч. 2 мин
0,5% 1,0% 2,0%
Рис. 2. Зависимость физико-механических характеристик ПКМ от концентрации БВ: А) ер -относительное удлинение, (%); Б) 5р - предел прочности, (МПа); В) Ер - модуль упругости, (МПа)
А) Тх10-3, мм/ч 250
200 150
100
20%
Б) Г
0,48
20%
-акт. БВ -
- неакг. БВ
совм. акт. с БВ в теч. 20 мин
- БВ модиф. ЦТАБ
- БВ модиф. силаном
Рис. 3. Результаты исследования триботехнических свойств ПКМ в зависимости от содержания БВ: А) - скорость линейного изнашивания, (*10-3 мм/ч); Б) f - коэффициент трения
По триботехническим свойствам и поведению материала во время процесса трения ПКМ, содержащий 10 % БВ, модифицированного раствором силана, показал лучшие результаты: скорость линейного изнашивания уменьшается в 20 раз относительно ненаполненного СВМПЭ, хотя коэффициент трения незначительно повышается. При 5%-м содержании активированного БВ скорость линейного изнашивания уменьшается в 4,6 раза и коэффициент трения остается на уровне исходного СВМПЭ. Улучшение износостойкости у таких волокнистых композиционных материалов можно объяснить факторами, найденными в работе [13], а именно уменьшением площади контакта с металлической поверхностью контртела и проявлением ориентационных эффектов, с расположением поверхностных слоев композита по направлению скольжения.
Основным фактором изменения физико-механических и триботехнических параметров ПКМ является модифицирование структуры полимерной матрицы. Структурная организация полимера меняется при введении различных наполнителей, характер изменения зависит от формы, размера, состава и состояния поверхности вводимых частиц.
Для установления влияния базальтового волокна на процессы структурообразования СВМПЭ исследовали структуру ПКМ методом электронной микроскопии [14].
На микрофотографиях (рис. 4) показано, что при механоактивации базальтовое волокно измельчается до ~0,40 мкм, а у неактивированного волокна диаметр достигает до 16,4 мкм, длина до 200 мкм. Также зафиксировано, что в результате активации измельченные волокна равномерно распределяются в полимерной матрице, что способствует более плотному заполнению ими объема полимера.
Для уточнения состава используемого наполнителя был проведен элементный анализ волокон и минерала базальта.
Как видно из табл. 1, состав базальтовых волокон соответствует элементному составу минерала базальт, но отличается процентным содержанием некоторых элементов (С, О, А1, Si, К, Fe). Увеличение содержания углерода в базальтовых волокнах можно объяснить тем, что при производстве поверхности волокон их обрабатывают замасливателем на основе эпоксидных смол. В работах [15, 16] выявлено, что одна часть оксида железа (II) взаимодействует с плати-нородиевым сплавом, из которого изготавливают стенки фильеры, а другая - окисляется при плавлении минерала. На основании этой теории можно объяснить уменьшение содержания железа в базальтовом волокне. Кроме того, оксиды щелочных металлов слабо закреплены в структуре базальта, поэтому легко удаляются при производстве.
Механоактивация приводит к существенному измельчению волокон (рис. 5Б и 5В). Такие короткие волокна проявляют характер дисперсного наполнителя при кристаллизации, являясь центрами кристаллизации СВМПЭ, способствуют формированию мелкоферолит-ной структуры. При сравнении надмолекулярной структуры ПКМ, полученных разными методами модификации поверхности БВ, установлено, что обработка раствором ПАВ способствует формированию фибриллярной структуры (рис. 5Д). Увеличение показателя модуля упругости при растяжении ПКМ, модифицированного ПАВ, объясняется увеличением межфибриллярного связывания макромолекул СВМПЭ.
Рис. 4. Микрофотографии БВ: А - активированных; Б - неактивированных; В - распределение акт. БВ в полимерной матрице
Таблица 1
Элементный анализ минерала базальта и базальтового волокна
Элемент С О № Mg А1 Si К Са Fe
Минерал базальт 5,87 48,42 2,61 0,82 8,41 26,55 3,45 4,47 20,81
Базальтовое волокно 16,28 40,82 2,14 1,65 4,52 8,89 1,69 4,35 12,01
Рис. 5. Надмолекулярная структура ПКМ на основе СВМПЭ (*300): А - ненаполненный; Б - неакт. БВ; В - акт. БВ; Г - 2 % БВ, модиф. силаном; Д - 2 % БВ, модиф. ЦТАБ с мочевиной; Е - 2 % совм. акт. с БВ в теч. 2 мин; Ж - 2 % совм. акт. с БВ в теч. 20 мин
Выявлено, что увеличение продолжительности совместной механоактивации СВМПЭ и БВ ведет к уменьшению размеров сферолита (рис. 5Е и 5Ж). Таким образом, результаты исследований с использованием электронной микроскопии согласуются с физико-механическими исследованиями ПКМ.
Для оценки влияния способа модификации на адгезионное взаимодействие СВМПЭ и БВ исследованы места разрыва ПКМ на границе раздела фаз.
На рис. 6Б и 6В видно, что при использовании механической обработки на волокнах образуются микротрещины, полимерная матрица, заполняя эти трещины, связывается при помощи «нитей», сформированных из макромолекул. При химической модификации СВМПЭ «прилипает» к наполнителю (рис. 6Г и 6Д), т. е. смачивает поверхность БВ.
Для объяснения повышения триботехнических характеристик ПКМ, а также для изучения механизма изнашивания были проведены структурные исследования поверхностей трения материалов.
На рис. 7А представлена микрофотография поверхности трения ненаполненного СВМПЭ, в котором видны бороздки, ориентированные вдоль направления скольжения. Эти бороздки образуются в результате пластического оттеснения материала твердыми частицами стального
Рис. 6. Микрофотография мест разрыва ПКМ на основе СВМПЭ, наполненных 2 % БВ: А - неакт. БВ (х1000); Б - совм. акт. в теч. 2мин (х10000); В - совм. акт. в теч. 20 мин (х10000); Г - БВ, модиф. ЦТАБ с мочевиной (х10000); Д - 2 % БВ, модиф. силаном (х10000)
контртела. На микрофотографиях поверхности трения ПКМ с неактивированным волокном (рис. 7Б) показано, что полимерная матрица слабо связана с волокном, при трении идет отслаивание волокон вместе с примыкающим полимером, приводя к резкому снижению износостойкости композита. В случае СВМПЭ с модифицированным волокном процесс трения протекает на поверхности волокон, локализованных по пути трения, в результате усиления адгезионного взаимодействия между БВ и полимером практически не зарегистрировано частиц износа (рис. 7В и 7Г).
Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что химическая модификация поверхности волокон растворами ЦТАБ с мочевиной и сила-ном способствует увеличению адгезионного сцепления на межфазной поверхности между компонентами ПКМ.
С помощью рентгеноспектрального анализа композитов в объеме и поверхности трения выявлены изменения химического состава исследуемых образцов после трибологических испытаний (табл. 2).
Анализ результатов выявил наличие у ПКМ до трения таких элементов, как С, О, Mg, А1, Са и Fe, которые входят в состав СВМПЭ и базальтового волокна. После трения количество элементов увеличивается, появляются № и Сг, также процентное содержание Fe возрастает. Наличие данных элементов свидетельствует об участии контртела в процессах трения и изнашивания. Предполагается, что БВ участвуют в процессах изнашивания поверхности стального контртела, при этом частицы стали из-за микроскопических локальных нагревов при трении окисляются кислородом воздуха. Этим объясняется повышение содержания кислорода после трибологических испытаний, кроме того, параллельно с этим идут процессы окисления СВМПЭ [17].
У ПКМ с активированным БВ, а также у композитов, полученных методом совместной активации, после трения наблюдается снижение элементного содержания кислорода.
На основании анализа ИК-спектров получена информация о трибохимических процессах, протекающих на поверхности ПКМ, а также зависимость изменения эксплуатационных характеристик композитов в зависимости от модификации полимерной связующей [18].
Рис. 7. Микрофотографии поверхности трения ПКМ на основе СВМПЭ, наполненного 2 % БВ (х300): А - ненаполненный; Б - неакт. БВ; В - модиф. силаном; Г - совм. акт. в теч. 20 мин
Таблица 2
Результаты рентгено-спектрального анализа поверхности ПКМ до и после трения на основе СВМПЭ, содержащего 2 % БВ
Элемент С О № Mg А1 Si Сг Са Fe
Чистый До трения 96,35 3,65
После трения 78,75 11,61 9,64
+неакт. БВ До тр. 63,49 21,63 — 0,79 1,56 5,56 — 1,13 —
После тр. 24,12 28,13 5,42 — 1,16 2,67 14,26 1,14 33,58
+акт. БВ До тр. 35,73 51,41 — 0,46 1,03 5,96 — — 5,19
После тр. 79,68 11,43 8,52
+БВ (ЦТАБ) До тр. 97,62 2,13 — — — 0,22 — — —
После тр. 80,71 6,67 — — — 0,72 5,89 — 6,41
+БВ (силан) До тр. 96,26 3,53 — — — 0,21 — — —
После тр. 42,20 21,41 2,51 — — 0,44 10,42 — 23,01
+совм. акт. БВ 20 мин До тр. 93,42 5,12 — — — 0,53 — 0,18 0,97
После тр. 94,76 3,51 — — — 0,19 — — 1,55
На рис. 8 и 9 представлены ИК-спектры композитов на основе СВМПЭ до и после трения: На ИК-спектрах ПКМ до и после трения зарегистрированы пики в области 2912 см-1, 2848 см-1 и 1463 см-1, которые соответствуют валентным и деформационным колебаниям -СН2 группы, пик кристалличности при 720 см-1. В исходном СВМПЭ после трения обнаружены новые пики в области 1725 см-1 и 1562 см-1, относящиеся к валентным колебаниям -С=О карбонильной группы, образующиеся в результате трибоокисления СВМПЭ [19, 20].
На ИК-спектрах ПКМ, наполненных 2%-м неактивированным БВ, обнаружены новые пики: 3296 см-1 и 1033 см-1. В работе [21] приведена идентификация гидроксилсодержащих соединений с характерными полосами в областях 3600-3000 см-1 (валентные колебания О-Н группы) и 1400-1000 см-1 (колебания, связанные с присутствием группы С-О-Н). Эти соединения содержатся в замасливателе (табл. 3), которым обработаны базальтовые волокна в процессе изготовления.
' ' ' ' 3800 ' ' 3600' ' 3400 ' ' 3200 ' ' 3000' ' 2800 ' ' 2600 ' ' 2400' ' 2200 ' ' 2000 ' ' 1300 ' ' 1600 ' ' 1400 ' ' 1200 ' ' 1000 ' ' ' 800 ' ' ' 600
Рис. 8. ИК-спектры поверхностей ПКМ до (А) и после (Б) трения: 1 - ненаполненный; 2 - 2 % акт. БВ; 3 - 2 % неакт. БВ
3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600
УУауепитЬег
3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600
УУауепитЬег
Рис. 9. ИК-спектры поверхностей ПКМ до (А) и после (Б) трения: 1 - совм. акт. с БВ в теч. 20 мин; 2 - модиф. ЦТАБ с мочевиной; 3 - модиф. силаном
После трения СВМПЭ с 2%-ми неактивированными БВ происходит рост пиковой интенсивности и расширение линий -ОН и -С=О колебаний. Зарегистрировано появление нового пика в пределах 828-1046 см-1, соответствующего валентным колебаниям С-О-С, которые входят в состав эпоксидных смол.
На ИК-спектрах СВМПЭ с активированным БВ не обнаружено продуктов окисления, а именно -С=О группы.
Из рис. 9 видно, что у поверхности ПКМ, модифицированного силаном, после трения появляются пики, соответствующие кислородсодержащим группам, образующиеся из-за процесса трибоокисления гидроксильных групп, содержащихся в силановой пленке. Сила-новая пленка образуется в результате реакции конденсации на поверхности БВ и состоит из двух стадий. На первой стадии силаны быстро гидролизуются до мономерных силантри-олов, на второй стадии мономеры медленно конденсируются в полимерные органические силоксаны [22].
Таблица 3
Состав замасливателя, используемого в заводе ООО «ЗБМ» г. Покровск
№ Наименование компонентов Содержание компонентов в 100 кг замасливателя, кг (масс доля, %)
1 Дисперсия ЭДСВ-95 - эмульсия эпоксидной смолы в воде с добавлением системы неионогенных эмульгаторов 5,5
2 Замиидин А-имидазолиновоепроизводное синтетических жирных кислот фракции С - С22 и ПЭПА 0,1
3 ДЦУ - продукт конденсации дицианамида с формальдегидом 0,7
4 АГМ-9 - у-аминопропилтриэтоксисилан 0,5
5 Уксусная кислота 0,13
6 Вода дистиллированная До 100,0
RSi(OCH3)3 бИ°0 > RSi(OH)3 + 3CH3OH,
RSi(OH)3-—> HO -
3
v
R
-Si - O-OH
R
-Si - OH.
' n
OH
У композитов, полученных методами совместной активации, активациий БВ и обработкой поверхности БВ раствором ЦТАБ, наблюдается снижение интенсивности пиков, относящихся к карбоксильным группам, что свидетельствует об ингибировании окислительных процессов.
Заключение
Установлено, что все использованные в работе методы увеличения сцепления на межфазной поверхности, т. е. модификация поверхности БВ, приводят к повышению деформационно-прочностных и триботехнических показателей материала. Структурными исследованиями показано существенное изменение надмолекулярной структуры СВМПЭ при введении модифицированного БВ как в объеме материала, так и на поверхности трения разработанных материалов. Методами ИК-спектроскопии и рентгеноспектрального анализа выявлено, что химическая обработка поверхности БВ замедляет окислительные процессы при трении. Структурные исследования мест разрыва ПКМ, проведенные с использованием электронной микроскопии, свидетельствуют о том, что предварительная обработка поверхности БВ способствует смачиванию поверхности наполнителя полимерной матрицей.
Разработаны новые способы модификации БВ, способствующие повышению адгезии базальтовых волокон с СВМПЭ на границе раздела фаз, а также новые рецептуры материалов триботехнического назначения.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ по Государственным заданиям № 11.512.2014/К и № 1426 «Организация НИР».
Л и т е р а т у р а
1. Охлопкова А. А., Васильев С. В., Панова Е. В. Полимерные композиты на основе ПТФЭ и волокнистого наполнителя // Химия: образование, наука, технология. Сборник трудов всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы. - 2014. - С. 237-241.
2. Гоголева О. В. Влияние природных наполнителей на свойства сверхвысокомолекулярного полиэтилена // Химия: образование, наука, технология. Сборник трудов всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы. - 2014. - С. 250-255.
3. Кербер М. Л., Виноградов В. М., Головкин Г. С. и др. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие / Под ред. А. А. Берлина - СПб.: Профессия, 2008. - С. 54-55.
4. Нгуен Суан Тьук, Корниенко Л. А. Исследование свойств микро- и нанокомпозитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена // Ресурсоэффективным технологиям - энергию и энтузиазм молодых: сборник научных трудов VI Всероссийской конференции, г. Томск, 22-24 апреля 2015 г. - Т.: ТПУ, 2015. - С. 233-236.
5. Богданова Ю. Г. Адгезия и ее роль в обеспечении прочности полимерных композитов: учеб. пособие для студентов по специальности «Композиционные наноматериалы» - М.: МГУ, 2010. - 68 с.
6. Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы: механика и технология. - М.: Техносфера, 2004. - 408 с.
7. Kunal Singha. A short review on Basalt Fiber // International Journal of Textile Science. - 2012. - Vol. 1, № 4. - P. 19-28.
8. Наполнители для полимерных композиционных материалов / Под ред. Г. С. Кац, Д. В. Микевски, пер. с англ. - М.: Химия, 1981. - 736 с.
9. Баженов С. Л. Механика и технология композиционных материалов: научное издание. - Долгопрудный: «Интеллект», 2014. - 328 с.
10. Соболева О. А. Влияние рН, добавок карбамида и бромида натрия на гистерезис смачивания в системе водный раствор - цетилтриметиламмоний бромид-стекло / Вестник Московского университета. Сер. 2. Химия. - 1999. - Т. 40, № 4. - С. 267-269.
11. Панин В. Е., Панин С. В., Корниенко Л. А., Иванова Л. Р., Ваннасри С. Влияние механической активации сверхвысокомолекулярного полиэтилена на его механические и триботехнические свойства // Трение и износ - 2010 (31). - № 2. - С. 13-19.
12. Васильев С. В., Охлопкова А. А., Панова Е. В. Исследование влияния базальтового волокна на свойства ПТФЭ // Химия: образование, наука, технология: Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы, г. Якутск, 25-27 ноября 2013 г. - Киров: МЦНИП, 2014. - 572 с.
13. Охлопкова А. А., Васильев С. В. Гоголева О. В. Разработка полимерных композитов на основе политетрафторэтилена и базальтового волокна // Нефтегазовое дело. - 2011. - № 6. - С. 404-410.
14. Охлопкова Т. А., Борисова Р. В., Охлопкова А. А., Дьяконов А. А., Васильев А. П., Миронова С. Н. Микроскопические исследования деформации растяжения сферолитных структур в полимерных композиционных материалах // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова. - 2015. - Т. 12, № 3. - С. 75-87.
15. Зимин Д. Е., Татаринцева О. С. Влияние химического состава стекла на стойкость базальтовых волокон к агрессивным средам // Ползуновский вестник. - 2010. - № 4-1. - С. 241-251.
16. Ходакова Н. Н., Зимин Д. Е., Татаринцева О. С. Исследование возможности получения непрерывных волокон из синтетических базальтовых стекол // Ползуновский вестник. - 2010. - № 4-1. - С. 251-255.
17. Кириллина Ю. В., Слепцова С. А., Джин Хо-Чо. Влияние способа смешения компонентов на свойства полимер-силикатного композиционного материала / Арктика XXI век. Технические науки.
- 2013. - № 1. - С. 13-26.
18. Аверко-Антонович И. Ю., Бикмуллин Р. Т. Методы исследования структуры и свойств полимеров: учеб. пособие. - Казань, 2002 г. - 604 с.
19. Охлопкова А. А., Васильев С. В., Петрова П. Н., Федоров А. Л., Туисов А. Г. Базальтофто-ропластовые композиты антифрикционного назначения / Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова. - 2013. - Т. 10, № 5. - С. 30-36.
20. Белый В. А., Егоренков Н. И., Плескачевский Ю. М. Термо- и трибоокислительные процессы.
- М.: Химия, 1987. - 342 с.
21. Казицына Л. А., Куплетская Н. Б. Применение УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии в органической химии: учеб. пособие. - М.: «Высшая школа», 1971. - 264 с.
22. Браутман Л., Крок Р. Композиционные материалы. Том 6: Поверхности раздела в полимерных композитах / Под ред. Г. М. Гуняева - М.: Мир, 1978. - 294 с.
R e f e r e n c e s
1. Okhlopkova A. A., Vasil'ev S. V., Panova E. V. Polimernye kompozity na osnove PTFE i voloknistogo napolnitelia // Khimiia: obrazovanie, nauka, tekhnologiia. Sbornik trudov vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii s elementami nauchnoi shkoly. - 2014. - S. 237-241.
2. Gogoleva O. V. Vliianie prirodnykh napolnitelei na svoistva sverkhvysokomolekuliarnogo polietilena // Khimiia: obrazovanie, nauka, tekhnologiia. Sbornik trudov vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii s elementami nauchnoi shkoly. - 2014. - S. 250-255.
3. Kerber M. L., Vinogradov V. M., Golovkin G. S. i dr. Polimernye kompozitsionnye materialy: struktura, svoistva, tekhnologiia: ucheb. posobie / Pod red. A. A. Berlina - SPb.: Professiia, 2008. - S. 54-55.
4. Nguen Suan T'uk, Kornienko L. A. Issledovanie svoistv mikro- i nanokompozitov na osnove sverkhvysokomolekuliarnogo polietilena // Resursoeffektivnym tekhnologiiam - energiiu i entuziazm molodykh: sbornik nauchnykh trudov VI Vserossiiskoi konferentsii, g. Tomsk, 22-24 aprelia 2015 g. - T.: TPU, 2015. - S. 233-236.
5. Bogdanova Iu. G. Adgeziia i ee rol' v obespechenii prochnosti polimernykh kompozitov: ucheb. posobie dlia studentov po spetsial'nosti «Kompozitsionnye nanomaterialy» - M.: MGU, 2010. - 68 s.
6. Mett'iuz F., Rolings R. Kompozitnye materialy: mekhanika i tekhnologiia. - M.: Tekhnosfera, 2004.
- 408 s.
7. Kunal Singha. A short review on Basalt Fiber // International Journal of Textile Science. - 2012. - Vol. 1, № 4. - P. 19-28.
8. Napolniteli dlia polimernykh kompozitsionnykh materialov / Pod red. G. S. Kats, D. V. Mikevski, per. s angl. - M.: Khimiia, 1981. - 736 s.
9. Bazhenov S. L. Mekhanika i tekhnologiia kompozitsionnykh materialov: nauchnoe izdanie. - Dolgo-prudnyi: «Intellekt», 2014. - 328 s.
10. Soboleva O. A. Vliianie rN, dobavok karbamida i bromida natriia na gisterezis smachivaniia v sisteme vodnyi rastvor - tsetiltrimetilammonii bromid-steklo / Vestnik Moskovskogo universiteta. Ser. 2. Khimiia.
- 1999. - T. 40, № 4. - S. 267-269.
11. Panin V. E., Panin S. V., Kornienko L. A., Ivanova L. R., Vannasri S. Vliianie mekhanicheskoi akti-vatsii sverkhvysokomolekuliarnogo polietilena na ego mekhanicheskie i tribotekhnicheskie svoistva // Trenie i iznos - 2010 (31). - № 2. - S. 13-19.
12. Vasil'ev S. V., Okhlopkova A. A., Panova E. V. Issledovanie vliianiia bazal'tovogo volokna na svoistva PTFE // Khimiia: obrazovanie, nauka, tekhnologiia: Sbornik trudov Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii s elementami nauchnoi shkoly, g. Iakutsk, 25-27 noiabria 2013 g. - Kirov: MTsNIP, 2014. - 572 s.
13. Okhlopkova A. A., Vasil'ev S. V. Gogoleva O. V. Razrabotka polimernykh kompozitov na osnove politetraftoretilena i bazal'tovogo volokna // Neftegazovoe delo. - 2011. - № 6. - S. 404-410.
14. Okhlopkova T. A., Borisova R. V., Okhlopkova A. A., D'iakonov A. A., Vasil'ev A. P., Mironova S. N. Mikroskopicheskie issledovaniia deformatsii rastiazheniia sferolitnykh struktur v polimernykh kompozitsion-nykh materialakh // Vestnik Severo-Vostochnogo federal'nogo universiteta im. M. K. Ammosova. - 2015.
- T. 12, № 3. - S. 75-87.
15. Zimin D. E., Tatarintseva O. S. Vliianie khimicheskogo sostava stekla na stoikost' bazal'tovykh volokon k agressivnym sredam // Polzunovskii vestnik. - 2010. - № 4-1. - S. 241-251.
16. Khodakova N. N., Zimin D. E., Tatarintseva O. S. Issledovanie vozmozhnosti polucheniia nepreryvnykh volokon iz sinteticheskikh bazal'tovykh stekol // Polzunovskii vestnik. - 2010. - № 4-1. - S. 251-255.
17. Kirillina Iu. V., Sleptsova S. A., Dzhin Kho-Cho. Vliianie sposoba smesheniia komponentov na svoistva polimer-silikatnogo kompozitsionnogo materiala / Arktika XXI vek. Tekhnicheskie nauki. - 2013. - № 1.
- S. 13-26.
18. Averko-Antonovich I. Iu., Bikmullin R. T. Metody issledovaniia struktury i svoistv polimerov: ucheb. posobie. - Kazan', 2002 g. - 604 s.
19. Okhlopkova A. A., Vasil'ev S. V., Petrova P. N., Fedorov A. L., Tuisov A. G. Bazal'toftoroplas-tovye kompozity antifriktsionnogo naznacheniia / Vestnik Severo-Vostochnogo federal'nogo universiteta im. M. K. Ammosova. - 2013. - T. 10, № 5. - S. 30-36.
20. Belyi V. A., Egorenkov N. I., Pleskachevskii Iu. M. Termo- i tribookislitel'nye protsessy. - M.: Khi-miia, 1987. - 342 s.
21. Kazitsyna L. A., Kupletskaia N. B. Primenenie UF-, IK- i IaMR-spektroskopii v organicheskoi khimii: ucheb. posobie. - M.: «Vysshaia shkola», 1971. - 264 s.
22. Brautman L., Krok R. Kompozitsionnye materialy. Tom 6: Poverkhnosti razdela v polimernykh kom-pozitakh / Pod red. G. M. Guniaeva - M.: Mir, 1978. - 294 s.
