CC BY
16ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
Т 55 (7) ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2012
УДК 661.73:661.651(075)
Д.В. Корабельников, М.А. Ленский, А.В. Ожогин
ПОВЫШЕНИЕ ТЕРМО- И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ ФРИКЦИОННЫХ КОМПОЗИЦИЙ ДОБАВКОЙ ПОЛИМЕТИЛЕН-п-ТРИФЕНИЛОВОГО ЭФИРА БОРНОЙ КИСЛОТЫ
(Бийский технологический институт (филиал) Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова») e-mail: korabelnikovdv@mail.ru, lenskiy@bk.ru, andreiozh@rambler.ru
Показана возможность регулирования физико-механических характеристик и износостойкости полимерных фрикционных материалов на основе каучуков добавкой поли-метилен-п-трифенилового эфира борной кислоты. Установлено значительное увеличение устойчивости к действию температур модифицированной безасбестовой композиции.
Ключевые слова: полимерная фрикционная композиция, тормозные накладки, полиметилен-и-трифениловый эфир борной кислоты, прочность, износостойкость, термостойкость
Повышение средних скоростей всех видов транспорта влечет за собой увеличение количества циклов торможения и возрастания нагрузок передаваемых тормозным устройствам, в частности тормозным накладкам или колодкам. В связи с этим к фрикционным композиционным материалам, работающим в высоко нагруженных узлах трения, предъявляются все более жесткие требования: высокое значение коэффициента трения и малое его изменение при повышении температуры, высокая прочность, хорошая теплопроводность, устойчивость к истиранию и малая токсичность компонентов [1].
В состав современных тормозных накладок (колодок), входит большое количество различных компонентов: связующие (каучуки, фе-нольные смолы), наполнители (асбест, волласто-нит, барит, минеральная вата, металлы и др.), технологические добавки (углерод, графит) и система отверждения [2].
Недостатками используемых композиционных материалов, применяемых для изготовления тормозных накладок (колодок), являются низкие прочностные характеристики при повышенных температурах, что вызвано малой термостойкостью связующего; использование асбеста в качестве наполнителя (признанного канцерогенным и запрещенным к использованию в большинстве развитых стран); значительное изменение коэффициента трения в зависимости от температуры, что зачастую приводит к снижению эффективности работы или вовсе к отказу тормозной системы.
Отмеченные недостатки можно устранить модификацией фрикционных композиционных
материалов добавкой полиметилен-и-трифенило-вого эфира борной кислоты.
Для увеличения прочностных характеристик и термостойкости фрикционных композиций применяли борорганические полимерные смолы [3]. Однако, их использование не нашло широкого применения из-за их низкого качества (широкое молекулярно-массовое распределение, высокое содержание токсичных низкомолекулярных примесей), что приводило к значительному изменению прочности композиционных материалов в зависимости от партии смолы.
Данная проблема была решена в работах [4, 5] за счет синтеза полиметилен-и-трифенило-вого эфира борной кислоты удовлетворительного качества (узкое молекулярно-массовое распределение, содержание основного вещества более 99 %).
Цель работы - изучение модифицирующего влияния добавок полиметилен-и-трифенилово-го эфира борной кислоты на физико-механические характеристики и термостойкость фрикционных композитов на основе каучуков.
Модификацию фрикционной композиции проводили путем введения полидисперсного порошка полиметилен-и-трифенилового эфира борной кислоты сверх 100 % массовых (масс.) к базовой композиции (на стадии смешения компонентов), состав которой представлен в табл. 1.
Полимерный композиционный материал готовили на лабораторных вальцах ВК-6. Полученную массу запрессовывали в форму и отверждали при различных температурах в течение 30 мин. Исследования физико-механических характеристик проводили по ГОСТ 4648-71 и ГОСТ 4651-82.
Таблица 1
Состав базового композиционного материала
№ Наименование компонента Содержание, % масс.
1 Волластонит «Воксил 100», ТУ 5729-001 -443 313 99-96 53,9
2 Барит, ГОСТ 4682-84 22,6
3 Каучук СКД, ГОСТ 14924-75 5,5
4 Каучук СКИ-3, ГОСТ 14925-79 5,5
5 Сера, ГОСТ 127.1-93 3,5
6 Графит, ГОСТ 5279-74 3,0
7 Масло индустриальное И-20, ГОСТ 17479.4-87 2,0
8 Углерод технический, ГОСТ 7885-86 1,7
9 Тиурам Д, ГОСТ 740-76 1,5
10 Оксид цинка, ГОСТ 202-84 0,5
11 Каптакс, ГОСТ 739-74 0,3
12 Полиметилен-и-трифениловый эфир борной кислоты 1,0...7,5 сверх 100 %
25,0 20,0 15,0 10,0 5,0
A IJ Ii Ii
wr v j г г г г г г
I I I I I I I I I I I
0 1 2 3 4 4,5 5 5,5 6 7 Содержание полимера, % масс-Рис.1. Влияние содержания полиметилен-и-трифенилового эфира борной кислоты на изгибающее напряжение в момент разрушения, Of
Fig. 1. Effect of the content of polymethylene-p-threephenyl ester of boric acid on the bending stress at the time of destruction, of
На рис. 1 и 2 показано, что максимальное увеличение прочности достигается при введении в композицию 5 % масс. полиметилен-и-трифенилового эфира борной кислоты.
При этом прочность при изгибе в момент разрушения увеличивается при температуре отверждения 230°С с 17,9 МПа до 31,5 МПа (на 70 %), при 220°С - с 16,7 МПа до 26,7 МПа (на 60 %), а при 210°С - с 16,4 МПа до 22,9 МПа (на 40 %). При температурах отверждения 190°С и 200°С максимальное значение изгибающего напряжения в момент разрушения достигается при содержании модификатора 2 и 3 %, и составляет 21,0 и 22,0 МПа соответственно.
При сжатии максимальное увеличение прочности составляет для композиции отверженной при 230°С - 33 % (с 43,80 до 58,32 МПа), при 220°С - 24,5 % (с 42,18 до 52,54 МПа), а при 210°С - 25 % (с 40,00 до 50,22 МПа), относительно немо-дифицированной. При температурах 190 и 200 °С, как и при испытаниях на изгиб, повышение значения прочности наблюдается в области 2 -3 % масс.
На наш взгляд, полученные данные свидетельствуют о том, что при температурах отверждения 190 - 200°С полиметилен-и-трифениловый эфир борной кислоты взаимодействует с серой в незначительной степени, следовательно, его влияние как связующего не достигается, и он выступает в роли наполнителя [6].
1 2 3 4 4,5 5 5,5 Содержание полимера, % масс.
Рис. 2. Влияние содержания полиметилен-и-трифенилового эфира борной кислоты на разрушающее напряжение при сжатии, аСр
Fig. 2. Effect of the content of polymethylene-p-threephenyl ester of boric acid on the breaking stress at compression, zsr
С целью изучения термодеструкции, образцы базовой и модифицированной (5 % масс.) композиций, отвержденные при 230 °С в течение 30 минут, выдерживали при различной температуре (от 300 до 450 °С) и времени (от 7 до 60 минут) в муфельной печи, после чего охлаждали до комнатной температуры и определяли изгибающее напряжение в момент разрушения. Результаты испытаний базовой и модифицированной композиций представлены в табл. 2.
Температурная обработка базовой композиции при 300 °С с увеличением времени с 7 до 60 мин. воздействия, приводит к снижению значения изгибающего напряжения в момент разрушения с 14,4 до 11,1 МПа, для модифицированной композиции прочность остается неизменной и составляет приблизительно 30,0 МПа.
С увеличением температуры до 350 °С наблюдается значительное снижение изгибной прочности при обработке в течение 7 - 30 минут, для базовой композиции с 12,0 до 2,2 МПа, в то время как для модифицированной - с 27,5 до 9,3 МПа. При 15 минутах температурного воздействия прочность модифицированной композиции в 5 раз выше базовой (табл. 2).
Таблица 2 Термические испытания композиции Table 2. Thermal tests of composition_
Т, °С t, мин Значение разрушающего напряжения при изгибе zf, МПа Увеличение прочности по сравнению с базовой композицией, %
базовая композиция Модифицированная композиция
- 0 17,9 31,5 176,0
300 7 14,4 30,5 211,8
15 13,0 29,7 228,5
30 12,2 29,6 242,6
45 10,7 30,0 280,4
60 11,1 28,6 257,7
350 7 12,0 27,5 229,2
15 4,1 22,6 551,2
30 2,2 9,3 422,7
400 7 4,9 19,3 393,9
15 0,5 2,1 420,0
450 7 0,6 3,0 500,0
Дальнейшее увеличение температуры обработки приводит к значительному снижению прочности даже при минимальном времени воздействия. Вместе с тем, как при 400 °С, так и при 450 °С прочность при изгибе модифицированной композиции значительно (приблизительно в 4-5 раз) выше, чем базовой.
Базовая и модифицированная (5 % масс.) композиции (отвержденные при 230 °С в течение 30 минут) были выбраны для испытания на линейный износ на машине 2070 СМТ 1, пара трения стальной ролик (СТ 45) и пластина испытываемого полимерного композиционного материала. Оценку износостойкости производили по площади лунки износа модифицированной и базовой композиции. Для базовых образцов средняя площадь лунки износа Sср составила 5,395 мм2, а для модифицированных образцов Sср составила 3,946 мм2. Таким образом, износостойкость модифицированной композиции на 25 % выше базовой.
Таким образом, результаты исследования показывают, что при добавке 5 % масс. полимети-лен-и-трифенилового эфира борной кислоты увеличиваются физико-механические характеристики полимерных фрикционных композиций на основе каучуков. Для композиции, отверждаемой при 230 °С, максимальное увеличение прочности при изгибе составило 70 %. Значительное увеличение прочности, на наш взгляд, происходит с одной стороны, за счет взаимодействия полимера с серой с образованием отвержденной трехмерной
Кафедра ТГВ ПАХТ
сетки, а с другой стороны, наличие в составе модификатора атома бора предполагает увеличение взаимодействия на границе раздела полимер - наполнитель за счет возможного взаимодействия неорганического элемента с наполнителем [7]. Кроме того, различие в кинетике вулканизации каучуков и полиметилен-и-трифенилового эфира борной кислоты позволяет предположить образование взаимопроникающих трехмерных сеток.
Показано, что при введении в состав полимерных композиционных материалов на основе каучуков СКИ-3 и СКД добавки полиметилен-и-трифенилового эфира борной кислоты, значительно повышается термостойкость всей композиции.
Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г. Москва), Федеральная программа «У.М.Н.И.К.» (государственный контракт 7097р/9607).
ЛИТЕРАТУРА
1. Браутман Л., Крок Р. Современные композиционные материалы. М.: Мир. 1970. 672 с.;
Brautman L., Krok R. Modern composite materials. M.: Mir. 1970. 672 P. (in Russian).
2. Андреева А.В. Основы физикохимии и технологии композитов М.: ИПРЖР. 2001. 192 с.;
Andreeva A.V. Bases of physical chemistry and technology of composites M.: IPRZhR. 2001. 192 P. (in Russian).
3. Барышева Н.А., Соловьева О.Ю., Ножнин Н.А., Герасимова Н.П. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2006. Т. 49. Вып. 4. С 108-112;
Barusheva N.A., Solovyova O.Yu., Nozhnin N.A., Gera-simova N.P. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2006. V. 49. N 4. P. 108-112 (in Russian).
4. Hoefel H.B., Kiessling H.J., Lampert F., Schoenrogge B.
Germany Patent . 2436358 (1974). С.А. 1975. 83. 80240e.
5. Ленский М.А., Шульц Э.Э., Андрощук А.А., Толсти-ков Г.А. // ЖОХ. 2009. Т. 45. Вып. 12. С. 1780 - 1783; Lenskiy M.A., Shulz E.E., Androshchuk A.A., Tolstikov G.A. // J. Obshcheiy Khimii. 2009. V. 45. N 12. P. 1780 -1783 (in Russian).
6. Ленский М.А. Полиэфиры и полиметиленэфиры борной кислоты - синтез, структура, свойства, применение: Автореф. дис.... к.х.н. Барнаул. АлтГТУ. 2007. 20 с; Lenskiy M.A. Poleesters and polymethylenesters of boric acid-synthesis, structure, properties, application.. Extended abstract of candidate dissertation for chemical science. Barnaul. Altai State Technical University. 2007. 20 p. (in Russian).
7. Корабельников Д.В., Ленский М.А., Андрощук А.А.
// Сборник научных трудов Междунар. научно-технич. конф. Брянск: БГИТА. 2010. Вып. 11. С. 62 - 65; Korabel'nikov D.V., Lenskiy M.A., Androshchuk A.A. // Proceedings of Int. Scientific-Practical Conf. Bryansk: BGITA. 2010. N 11. P. 62 - 65 (in Russian).
8. Коршак В.В., Замятина В.А., Бекасова Н.И. Борорганические полимеры. М.: Наука. 1975. 255 с.; Korshak V.V., Zamyatina V.A., Bekasova N.I. Boron organic polymers. M.: Nauka. 1975. 255 p. (in Russian).
