CC BY
19
УДК 691.175.2
Родникова И.С., Теплов А.А., Белоусов С.И., Новокшонова Л.А., Заболотнов А.С.
КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА И КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО НАПОЛНИТЕЛЯ (Al-Fe-Cu)
Родникова Ирина Сергеевна, студент 1 курса магистратуры факультета цифровых технологий и химического инжиниринга;e-mail: moorre5157@mail.ru
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия. Теплов Алексей Аркадьевич, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник. Белоусов Сергей Иванович, к.х.н., ведущий научный сотрудник. *НИЦ «Курчатовский институт», Москва, Россия.
Новокшонова Людмила Александровна, д.х.н., зав. лаборатории каталитической полимеризации на твердых поверхностях.
Заболотнов Александр Сергеевич, к.х.н., младший научный сотрудник. **ФИЦ ХФ РАН им. Н.Н. Семенова, Москва, Россия.
Приготовлены композиты, в которых в качестве матрицы использовался сверхвысокомолекулярный полиэтилен, а в качестве наполнителя - порошок квазикристалла Al-Fe-Cu с концентрацией 5 масс. %. Методом инфракрасной спектроскопии проведен структурный анализ полученного композита. Проведены механические испытания на растяжение.
Ключевые слова: композит, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, квазикристалл, инситу.
COMPOSITE MATERIAL BASED ON ULTRA-HIGH MOLECULAR WEIGHT POLYETHYLENE AND QUASICRYSTALLINE FILLER (AL-FE-CU)
RodnikovaI.S, Teplov A.A.*, Belousov S. I.*, Zabolotnov A.S.** D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *National Research Center «Kurchatov Institute», Moscow, Russia. **Semenov Institute of Chemical Physics of RAS, Moscow, Russia.
Composites were prepared in which ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) was used as a matrix, and Al-Fe-Cu quasicrystal powder with a concentration of 5 wt. % was used as a filler. The structural analysis of the resulting composite was performed by infrared spectroscopy. Mechanical tensile tests were performed. Keywords: composite, ultra-high molecular weight polyethylene, quasicrystal, uhmwpe, composites, in-situ.
Композиты, в которых в качестве матрицы используются полимеры, привлекательны благодаря высокой химической стойкости, хорошим прочностным характеристикам, легкости, низкому коэффициенту трения и высокой износостойкости, свойственным полимерам.
Актуальной является задача получения антифрикционных композитов с высокими прочностью, модулем упругости, износостойкостью и технологичностью на основе полимерных матриц, которые могут найти свое применение при изготовлении деталей, используемых в узлах трения. Перспективным материалом в качестве матрицы полимерных композитов являются
сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) благодаря своим уникальным сочетанием высоких физико-химических и механических характеристик.
Твердые наполнители, такие как мел, асбест, повышают стойкость полимера к абразивному износу, однако большинство высокодисперсных
наполнителей повышают коэффициент трения полимера. Поэтому для антифрикционных применений целесообразно использовать дисперсные наполнители с низким коэффициентом трения. К ним относятся порошки графита, дисульфида молибдена, бронзы, некоторых селенидов и йодидов металлов [1]. Кроме вышеперечисленных наполнителей полимеров в последнее время особый интерес вызывают
порошки квазикристаллических сплавов на основе алюминия. Группа квазикристаллических сплавов на основе алюминия является перспективной для возможных практических применений, так как данные материалы недорогие, нетоксичные и биосовместимы, а также обладают уникальным набором свойств.
Среди свойств, которыми обладают квазикристаллы, с практической точки зрения можно выделить следующие: высокая твердость и износостойкость, низкая поверхностная энергия, низкий коэффициент трения, значительная радиационная и коррозионная стойкость, низкая электрическая проводимость и теплопроводность, необычные оптические свойства. Так, квазикристаллы весьма перспективны для использования в композитах в качестве упрочняющей фазы.
В области разработки, исследования и промышленного применения полимерных
композитных материалов триботехнического назначения российскими и зарубежными специалистами проведено большое количество исследований [2-4].
Полученные в результате вышеперечисленных исследованиях экспериментальные данные, а также разнообразие наполнителей полимерных матриц и способов модификации полимеров не позволяют на сегодняшний день опередить общую технологию изготовления полимерных композитов с заданными
свойствами. Во многих случаях непреодолённым недостатком является недостаточно сильная адгезия между наполнителем и матрицей. Это снижает механические и трибологические характеристики композитов в силу зарождения трещин в местах непрочного контакта наполнителя с матрицей или даже выкрашивания частиц наполнителя при трении, что приводит к сильному абразивному износу композита. Другое явление, не позволяющее реализовать потенциально возможные преимущества композитов на основе полимеров, заключается в агломерации частиц наполнителей, снижающей число активных центров. Отсюда следует необходимость продолжения исследований в области разработки технологии получения полимерматричных композитных материалов. Целью представленной работы является разработка технологии изготовления антифрикционных композитных материалов на основе полимеров (СВМПЭ) и квазикристаллического наполнителя и изучения их свойств с целью исследования целесообразности применения полученных материалов для триботехнических назначений.
Равномерное распределение наполнителя в матрице СВМПЭ достаточно сложная задача (полимер плавится, но не течет), поэтому обычными методами смешения достичь равномерно распределения наполнителя в матрице СВМПЭ практически невозможно. Альтернативным методом получения композитов на основе СВМПЭ является метод полимеризационного наполнения
(полимеризация т^Ьи). Суть метода заключается в том, что на порошок предварительного прогретого наполнителя наносятся компоненты
металлорганического катализатора на основе тетрахлорида ванадия (УСЬ4) в газовой фазе и при последующей полимеризации этилена получаемый сверхвысокомолекулярный полиэтилен образуется непосредственно на частицах наполнителя в виде равномерного полимерного покрытия, что в конечном итоге способствует равномерному распределению любого количества наполнителя в матрице СВМПЭ [5-7]. При этом методе зарождение и формирование полимерного слоя на поверхности твердых частиц наполнителя и наличие химической связи между наполнителем и полимерной матрицей создают условия для улучшения прочностных и трибологических свойств композиционных материалов [8].
Порошок композиционного материала со содержанием 5 масс. % Ос был получен вышеописанным методом в ФИЦХФ РАН им. Н.Н. Семенова. Катализатор хемосорбировался на поверхности наполнителя в количестве 0,9 масс. %, что было дополнительно исследовано на установке под название «весы макбена». Излишки физически сорбированного катализатора с поверхности наполнителя удалялись путем вакуумирования с дополнительным прогревом до 160 °С. Синтез композиционного материала проводили в среде промышленного углеводородного растворителя
Нефраса П-1. Давление этилена составляло 4 атм., температура синтеза 40 °С. Порошок композиционного материала дважды промывался водно-спиртовой смесью и сушился при температуре 70 °С.
Процесс получения прессованных образцов композитов состоял в следующем: порошок композита СВМПЭ+5масс. % Qc подвергался прессованию на гидравлическом прессе при температуре выше температуры плавления полимера, затем пресс-форму было необходимо охладить до 100 °С без снятия давления (условия прессования: температура -180 °С, давление - 200-220 кгс/см2, время охлаждения пластин под давлением 20 мин.). Образцы были изготовлены в форме дисков диаметром 50 мм и толщиной 2 мм и квадратных пластин 80х80 мм такой же толщины. Образец в форме диска представлен на рисунке 1.
Рисунок 1. Приготовленный образец СВМП + 5 масс. % Qc
После получения образцов были произведены механические испытания на разрыв, а также исследование образцов методом ИК-спектроскопии. Механические испытания были проведены с помощью разрывной машины Instron 5965. Для испытаний из пластин были вырублены образцы в форме двухсторонних лопаток с длиной рабочей части 10 мм. Испытания были проведены в режиме постоянной скорости движения зажимов (1 мм/мин) при непрерывной фиксации деформации и нагрузки на образце вплоть до разрыва. Испытания проводились при различной температуре: 24, 50, 80, 110, 125 °C. Результаты испытаний представлены на рисунке 2.
-24°С
-50°С
-НО"
-12S'
_____--—j ^
— __„ "л
□ 200 400 600 sao 1000 1200
.'1-г I'|¡:\||.II. 11 %
Рисунок 2. Нагрузочная кривая для образца композита СВМПЭ с 5 масс. % Qc при различной температуре
Наклон первоначального линейного участка характеризуется модулем упругости Е. Начало области текучести можно охарактеризовать точкой, в которой о(е) достигает максимального значения - верхнего предела текучести, имеющего место при относительной деформции eS. При дальнейшем растяжении образца обычно наблюдается протяженный участок пластической деформации, связанный с перестройкой структуры полимера. В конце этого участка, как правило, происходит возрастание нагрузки (до величины предела прочности при растяжении оБ, соответствующему относительному удлинению еБ), которое предшествует разрыву образца при относительном удлинении еR [2].
В таблице 1 приведены данные механических испытаний (при комнатной температуре) на разрыв образцов на основе СВМПЭ и различным содержанием квазикристаллического наполнителя. Данные о СВМПЭ и СВМПЭ+1 об. % Ос были взяты для сравнения из работы [2], где образцы композитов были приготовлены смешением компонентов с последующим горячим прессованием.
Таблица 1. Механические свойства образцов
Образец Е, МПа ов, МПа ек, %
СВМПЭ 404 19 235 ± 68
СВМПЭ+1 об.% (4.5 мас.%) Ос [2] 412 21 215 ±31
СВМПЭ + 5 масс.% Ос 417 35 427
Из таблицы 1 видно, что модуль упругости Юнга Е практически не изменился, относительное удлинение ек образца увеличилось практически в 2 раза, предел прочности ов увеличился практически в 2 раза по сравнению с ненаполненным СВМПЭ и в 1.5 раза по сравнению с СВМПЭ+ 1 об. % Ос [2].
Структурный анализ полученного композита был проведен методом ИК-спектроскопии. Исследование было проведено на аппарате «Спектрометр ИК-Фурье №соМ 155». Во время исследования были сняты следующие спектры, полученные методом отражения: чистый СВМП и СВМП+ 5 масс. % Qc. Полученные спектры представлены на рисунке 3.
1=1 СВМПЭ
СВМПЭ + 6%С|с
4000 3000 2000 1000
УУауепитЬегэ (ст~1)
Рисунок 3. ИК-спектры образцов Анализ спектров, представленных на рисунке 3, показал, что в процессе получения композитов не
образуется новых соединений, а наклон кривой (от 1500 до 500 см-1) характеризует присутствие квазикристаллов.
Заключение
1. СВМПЭ является перспективным материалом в качестве матрицы полимерных композитов, так как обладает комплексом физико-механических и технологических свойств, обеспечивающих получение полимерных композиционных материалов с высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения.
2. Введение в полимерную матрицу такого наполнителя как квазикристаллический порошок обеспечивает значительное повышение механических свойств полимерных композитных материалов (ПКМ).
3. Получение композитов на основе СВМПЭ с добавлением квазикристаллического наполнителя методом полимеризационного наполнения позволяет добиться более равномерного распределения квазикристаллического порошка в объёме полимера, что приводит к улучшению механических свойств ПКМ.
Список литературы
1. Полимерные композиции с антифрикционными свойствами [Электронный ресурс].
- Режим http://p-km.ru/polimernye-kompozicii-s-antifrikcionnymi-svojstvami.html (дата обращения: 18.05.20).
2. Влияние квазикристаллитического наполнителя на трибологические свойства композита на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена. / Цетлин М. Б., Теплов А. А., Белоусов С. И., Чвалун С. Н., Головкова Е. А., // Поверхность. Рентген., синхротр, и нейтрон. исслед. - 2015. - № 10. - С.77.
3. Медведева Е. В., Чердынцев В. В. Структура содержащих неравноосные неорганические включения полимерных композиционных материалов //Современные проблемы науки и образования. - 2013.
- №. 5. - С. 116-116.
4. Машков Ю.К.Трибофизика металлов и полимеров: монография. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013.
- 240 с.
5. Новокшонова Л.А. Каталитическая полимеризация на твердых поверхностях как метод введения наполнителей в полиолефины. / Новокшонова Л.А., Мешкова И.Н. // Высокомолекулярные соединения. - 1994. - № 4 (36). с. 629-639.
6. Заболотнов А.С. Износостойкость композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с наполнителями разного типа. / Заболотнов А.С., Бревнов П.Н., Акульшин В.В., Новокшонова Л.А., Доронин Ф.А., Евдокимов А.Г., Назаров В.Г. // Все материалы. энциклопедический справочник. - 2017. -№ 12. - с. 13-19.
7. Дьячковский Ф.С. Синтез и свойства полимеризационно-наполненных полиолефинов / Дьячковский Ф.С., Новокшонова Л.А. // Успехи химии.
- 1984. - №2 (53). - С. 200-207.
8. Бондалетова Л. И.Полимерные композиционные материалы / Л. ИБондалетова., В. Г.Бондалетов. - Томск: Изд-во ТПУ, 2013. - 118с.
