Определение коэффициента термического линейного расширения композиционных полимерных материалов на основе терморасширенного графита

Нестеров Александр Александрович; Сиротенко Людмила Дмитриевна; Матыгуллина Елена Вячеславовна; Москалев Владимир Алексеевич

УДК 620.179.7: 661.666.232

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕРМИЧЕСКОГО ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Поступила в редакцию 07.11.2013

Определен температурный коэффициент линейного расширения полимерного композита. Показано влияние анизотропии экструдированного материала на его теплофизические характеристики.

Ключевые слова: экструзия, температурный коэффициент линейного расширения, полимерный композит, терморасширенный графит, анизотропия

Одним из основных требований к уплотнениям из терморасширенного графита является стабильность объема в течение всего срока эксплуатации, в том числе при высоких температурах до 500°С [1]. Изменение геометрических характеристик при изменении температуры зависит, в свою очередь, от температурного коэффициента линейного расширения композита (ТКЛР). Для определения ТКЛР полимерного композита были изготовлены образцы из порошков ТРГ, полученных измельчением отходов производства уплотнений из терморасширенного графита (дисперсность 63-315 мкм.) и модифицированной силиконовой смолы в соотношении 70: 30 (об.). Результаты физико-механических испытаний показали, что данные соотношения компонентов обеспечивает композиционному материалу прочностные свойства, соответствующие требованиям условий эксплуатации уплотнительных элементов [2]. В качестве метода формования была выбрана экструзия, заменившая традиционные методы изготовления

Нестеров Александр Александрович, старший преподаватель кафедры «Конструирование машин и технологии обработки материалов». E-mail: [email protected]

Сиротенко Людмила Дмитриевна, доктор технических наук, профессор кафедры «Конструирование машин и технологии обработки материалов». E-mail: sirotenko@pstu. ru

Матыгуллина Елена Вячеславовна, доктор технических наук, профессор кафедры «Конструирование машин и технологии обработки материалов». E-mail: matik68@rambler. ru

Москалев Владимир Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Конструирование машин и технологии обработки материалов». E-mail: [email protected]

уплотнений из ТРГ - прокатку и прессование [35]. Из сформированного экструдата в виде прутка были изготовлены образцы (рис. 1), при этом образец №1 был ориентирован в направлении, перпендикулярном направлению экструзии, а образец №2 - в направлении экструзии.

Рис. 1. Схема формирования испытуемых образцов

Исследование образцов, имеющих разную ориентацию, обусловлено тем, что в процессе экструзии, так же как и при прессовании, чешуйки графита перестраиваются в плоскостях, находящихся под определенным углом к направлению экструдирования [6]. При этом стоит учитывать, что, как правило, угол поворота плоскостей соответствует 1/2 конусного угла экструзионной головки [7]. ТКЛР композита для образцов №1 и №2 определялся на дилатометре, схема которого представлена на рис. 2.

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 15, №6(2), 2013

ТРГ и связующего 70: 30 (об.) от температуры при нагревании (в диапазоне «20-470°С).

Рис. 2. Дилатометр: 1 - корпус дилатометра; 2 - индикаторная головка; 3 -кварцевый переходный элемент; 4 - кварцевая пробирка; 5 - кварцевый толкатель

Перед началом испытания измеряли длину исследуемого образца с точностью до ±0,01 мм. Собрали измерительный узел на базе индикатора часового типа; испытуемый образец поместили в кварцевую пробирку 4. В кварцевую пробирку ввели кварцевый толкатель 5. Кварцевую пробирку 4 с образцом и кварцевым толкателем 5 вставили в переходный элемент 3. В переходный элемент 3 с другой стороны ввели неподвижную ось измерительного прибора 2. Закрепили винтами в переходнике 3 кварцевую пробирку 4 с образцом и кварцевым толкателем 5 и неподвижную ось индикатора 2. Ввели кварцевую пробирку 4 в боковое отверстие печи дилатометра до находящегося на переходном элементе 3 упора. Включили печь, задали требуемую температуру 500°С и мощность нагрева печи. Фиксировали показания через интервалы времени -5 мин. После достижения установленной температуры выключили печь и записали показания при последовательном медленном охлаждении образца (также с интервалом 5 минут). По результатам измерений, фиксируемых индикатором 2, построили дилатометрические кривые.

Расчет ТКЛР, °С, произвели по формуле:

а =

AL

Lo ■AT

+ 0,55 ■ 10-

(1)

где ДЬ - изменение длины образца в интересующем диапазоне температур, мм; Ь0 - начальная длина образца, мм; ДТ - разность температур образца, в диапазоне которых необходимо произвести расчет ТКЛР, °С; 0,55х10-6 - коэффициент линейного расширения кварцевого стекла, °С. Учитывает поправку от расширения кварцевой пробирки, которое на длине образца не компенсируется расширением кварцевого толкателя.

На рис. 3 и рис. 4 показаны характерные зависимости ТКЛР полимерного композиционного материала с соотношением компонентов

Рис. 3. График зависимости ТКЛР от температуры (в диапазоне 28-472°С) при нагревании образца №1.

Рис. 4. График зависимости ТКЛР от температуры (в диапазоне 26-464°С) при нагревании образца №2

Выводы: проведенные исследования подтверждают, что композиционный материал обладает выраженной анизотропией свойств. Величина температурного коэффициента линейного расширения в направлении, перпендикулярном направлению экструзии по результатам испытаний составляет ~3,89 • 10-6 °С, а в направлении экструзии —21,65 • 10-6 °С.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Белова, М.Ю. Модифицированные уплотнения из терморасширенного графита / М.Ю. Белова, ИА. Малкова, А.С. Колышкин и др. // Арматурострое-ние. 2006. № 3 (42). С. 69-73.

2. Караваев, Д.М. Механические свойства композиционного материала на основе терморасширенного графита / Д.М. Караваев, А.М. Ханов, А.И. Дегтярев и др. // Известия Самарского научного центра РАН. 2012. Т. 14, №1 (2). С. 562-564.

3. Нестеров, АА. Получение полимерных композиционных материалов с ТРГ-наполнителем методом экструзии / А.А. Нестеров, В.А. Москалев, Л.Е. Макарова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2012. Т. 14. № 2. С. 37-40.

4. Макарова, Л.Е. Предварительная подготовка к экс-трудированию композиций на основе терморасширенного графита и полимерной связки / Л.Е. Макарова, А.И. Дегтярев, ВА. Москалев и др. // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2011. Т. 13. № 3. С. 19-22.

5. Матыгуллина, Е.В. Особенности формирования и разрушения полимерных композиционных матери-

алов, содержащих ТРГ / Е.В. Матыгуллина, Л.Е. Макарова, А.А. Нестеров // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2013. Т. 15. № 1. С. 70-75.

6. Караваев, Д.М. Анизотропия механических свойств композиционного материала на основе терморасширенного графита / Д.М. Караваев, А.М. Ханов, А.И. Дегтярев и др. // Известия Самарского научного центра РАН. 2012. Т. 14, №4 (5). С. 1243-1245.

7. Нестеров, А.А. Исследование реологических свойств пластифицированных масс на основе карбидных систем / А.А. Нестеров, Л.Д. Сиротенко, Е.В. Матыгуллина и др. // Известия Самарского научного центра РАН. 2012. Т. 14, №4 (5). С. 14181422.

DETERMINATION THE COEFFICIENT OF THERMAL LINEAR DILATATION OF COMPOSITE POLYMERIC MATERIALS ON THE BASIS OF THERMOEXPANDED GRAPHITE

The coefficient of thermal linear dilatation of polymeric composite is defined. Influence of anisotropy of extruded material on its thermal characteristics is shown.

Key words: extrusion, coefficient of thermal linear dilatation, polymeric composite, thermoexpanded graphite, anisotropy

Alexander Nesterov, Senior Teacher at the Department "Machines Construction and Technologies of Materials Processing". E-mail: pstutmk- [email protected] Lyudmila Sirotenko, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department "Machines Construction and Technologies of Materials Processing". E-mail: [email protected] Elena Matygullina, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department "Machines Construction and Technologies of Materials Processing". E-mail: [email protected] Vladimir Moskalev, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department "Machines Construction and Technologies of Materials Processing". E-mail: [email protected]