Научная статья на тему 'Разработка и исследование полимерных композитов на основе политетрафторэтилена и слоистых силикатов'

Разработка и исследование полимерных композитов на основе политетрафторэтилена и слоистых силикатов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
847
255
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕН / ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИТ / СЛОИСТЫЙ СИЛИКАТ / СЕРПЕНТИНИТ / ВЕРМИКУЛИТ / КАОЛИНИТ / НАНОШПИНЕЛЬ МАГНИЯ / АЛКИЛДИМЕТИЛБЕНЗИЛАММОНИЙ ХЛОРИД / МЕХАНИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ / ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Слепцова Сардана Афанасьевна, Кириллина Юлия Валерьевна, Лазарева Надежда Николаевна, Макаров Михаил Михайлович

Приведены результаты физико-механических, триботехнических и структурных исследований полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена и слоистых силикатов. В работе применены три метода улучшения совместимости полимерной матрицы со слоистыми силикатами: предварительная механическая активация наполнителей в планетарной мельнице, обработка наполнителей поверхностно-активными веществами, введение функциональной добавки. Использование данных методов способствует усилению взаимодействия полимерной матрицы и наполнителей, что приводит к значительному снижению коэффициента трения до одного порядка и повышению износостойкости материала до 2500 раз при сохранении прочностных характеристик композитов. Методом дифференциальной сканирующей калориметрии показано снижение степени кристалличности композитов при увеличении содержания слоистых силикатов. Введение наношпинели магния способствует ориентации и упорядочиванию макромолекул, что приводит к некоторому повышению степени кристалличности. При этом формируется более плотная упаковка, которая компенсирует понижение степени кристалличности, и материалы сохраняют прочностные характеристики. Сложность образований, меньшая подвижность в тепловом отношении определяют и большую инертность в реакции среды на внешние тепловые воздействия, чем при переносе импульса, что, вероятно, объясняет улучшение триботехнических характеристик композитов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Слепцова Сардана Афанасьевна, Кириллина Юлия Валерьевна, Лазарева Надежда Николаевна, Макаров Михаил Михайлович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Development and Research of Polymer Composites Based on Polytetrafluoroethylene and Layered Silicates

The results of physico-mechanical, tribotechnical and structural investigations of polymer composite materials based on PTFE and layered silicates are presented. Three methods of compatibility improving of polymer matrix and layered silicates were applied in this work: preliminary mechanical activation of fillers in planetary mill, surfactant treatment of fillers, introduction of functional additives. Using of these methods contributes to intensification interaction between polymer matrix and fillers. It leads to considerable decreasing of friction coefficient and increasing of wear resistance 2500 times at retaining the strength characteristics of the composites. Differential scanning calorimetry was indicated decreasing the degree of crystallinity composites with increasing content of the layered silicates. Introduction of magnesium nanospinel contributes to orientation and ordering of macromolecules, which leads to some increase in the degree of crystallinity. Herewith a dense packing formed, which compensates for lowering the degree of crystallinity and materials retain strength properties. The complexity of the formations, thermally fewer moving determines much inertia in the reaction medium to external thermal effects than the transfer pulse. That probably explains the improvement of tribological characteristics of composites.

Текст научной работы на тему «Разработка и исследование полимерных композитов на основе политетрафторэтилена и слоистых силикатов»

УДК 678.073:661.481

С. А. Слепцова, Ю. В. Кириллина, Н. Н. Лазарева, М. М. Макаров

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА И СЛОИСТЫХ СИЛИКАТОВ

Приведены результаты физико-механических, триботехнических и структурных исследований полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена и слоистых силикатов. В работе применены три метода улучшения совместимости полимерной матрицы со слоистыми силикатами: предварительная механическая активация наполнителей в планетарной мельнице, обработка наполнителей поверхностно-активными веществами, введение функциональной добавки. Использование данных методов способствует усилению взаимодействия полимерной матрицы и наполнителей, что приводит к значительному снижению коэффициента трения до одного порядка и повышению износостойкости материала до 2500 раз при сохранении прочностных характеристик композитов. Методом дифференциальной сканирующей калориметрии показано снижение степени кристалличности композитов при увеличении содержания слоистых силикатов. Введение наношпинели магния способствует ориентации и упорядочиванию макромолекул, что приводит к некоторому повышению степени кристалличности. При этом формируется более плотная упаковка, которая компенсирует понижение степени кристалличности, и материалы сохраняют прочностные

СЛЕПЦОВА Сардана Афанасьевна - к. т. н., доцент, заведующий учебной научно-технологической лабораторией «Технологии полимерных нанокомпозитов» Института естественных наук СВФУ им. М. К. Аммосова.

E-mail: ssard@yandex.ru

SLEPTSOVA Sardana Afanasyevna - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Educational, Scientific and Technological Laboratory «Technology of Polymer Nanocomposites» of the Institute of Natural Sciences, North-Eastern Federal University named after M. K. Ammosov.

E-mail: ssard@yandex.ru

КИРИЛЛИНА Юлия Валерьевна - м. н. с. учебной научно-технологической лаборатории «Технологии полимерных нанокомпозитов» Института естественных наук СВФУ им. М. К. Аммосова.

E-mail: kirillina_yv@mail.ru

KIRILLINA Yuliia Valerievna - Junior Research Scientist of the Educational, Scientific and Technological Laboratory «Technology of Polymer Nanocomposites» of the Institute of Natural Sciences, North-Eastern Federal University named after M. K. Ammosov.

E-mail: kirillina_yv@mail.ru

ЛАЗАРЕВА Надежда Николаевна - аспирант по специальности 05.17.06 «Технология и переработка полимеров и композитов» кафедры высокомолекулярных соединений и органической химии Института естественных наук СВФУ им. М. К. Аммосова.

E-mail: lazareva-nadia92@mail.ru

LAZAREVA Nadezhda Nikolaevna - Postgraduate Student of the Department of High Molecular Compounds and Organic Chemistry of the Institute of Natural Science, North-Eastern Federal University named after M. K. Ammosov.

E-mail: lazareva-nadia92@mail.ru

МАКАРОВ Михаил Михайлович - студент V курса Института естественных наук Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова.

E-mail: makarov.mikhail.97@mail.ru

MAKAROVMikhailMikhailovich - Student of the Department of High Molecular Compounds and Organic Chemistry of the Institute of Natural Science, North-Eastern Federal University named after M. K. Ammosov.

E-mail: makarov.mikhail.97@mail.ru

характеристики. Сложность образований, меньшая подвижность в тепловом отношении определяют и большую инертность в реакции среды на внешние тепловые воздействия, чем при переносе импульса, что, вероятно, объясняет улучшение триботехнических характеристик композитов.

Ключевые слова: политетрафторэтилен, полимерный композит, слоистый силикат, серпентинит, вермикулит, каолинит, наношпинель магния, алкилдиметилбензиламмоний хлорид, механическая активация, дифференциальная сканирующая калориметрия.

S. А. Sleptsova, Yu. V. Kirillina, N. N. Lazareva, М. М. Makarov

Development and Research of Polymer Composites Based on Polytetrafluoroethylene and Layered Silicates

The results of physico-mechanical, tribotechnical and structural investigations of polymer composite materials based on PTFE and layered silicates are presented. Three methods of compatibility improving of polymer matrix and layered silicates were applied in this work: preliminary mechanical activation of fillers in planetary mill, surfactant treatment of fillers, introduction of functional additives. Using of these methods contributes to intensification interaction between polymer matrix and fillers. It leads to considerable decreasing of friction coefficient and increasing of wear resistance 2500 times at retaining the strength characteristics of the composites. Differential scanning calorimetry was indicated decreasing the degree of crystallinity composites with increasing content of the layered silicates. Introduction of magnesium nanospinel contributes to orientation and ordering of macromolecules, which leads to some increase in the degree of crystallinity. Herewith a dense packing formed, which compensates for lowering the degree of crystallinity and materials retain strength properties. The complexity of the formations, thermally fewer moving determines much inertia in the reaction medium to external thermal effects than the transfer pulse. That probably explains the improvement of tribological characteristics of composites.

Keywords: polytetrafluoroethylene, polymer composite, layered silicate, serpentinite, vermiculite, muscovite, phlogopite, kaolinite, magnesium nanospinel, alkyldimethylbenzylammonium chloride, mechanical activation, differential scanning calorimetry.

Введение

Современное материаловедение предъявляет свои особые требования к полимерным композиционным материалам (ПКМ), которые обладают специфическими свойствами. Исходя из функционального назначения и условий эксплуатации, к материалам для деталей узлов трения предъявляются такие требования, как повышенная износостойкость при сохранении деформационно-прочностных свойств, высокая инертность и т. д. Такие свойства достигаются при введении в полимер различных наполнителей. Наполнители должны обладать высокой термической и химической стойкостью, доступностью, хорошей диспергируе-мостью и т. д. Этим и обусловлен повышенный интерес к природным слоистым силикатам в качестве перспективных наномодификаторов для создания полимер-силикатных композиционных материалов. Слоистые силикаты значительно улучшают физико-механические, термические, барьерные и другие свойства полимерных композиционных материалов.

Большинство природных слоистых силикатов, обычно используемых в композитах в качестве наноразмерных наполнителей, принадлежит к структурному семейству типа 2:1 (рис. 1). В слоистых силикатах с подобной структурой октаэдрическая сетка заключена между двумя сетками кремнекислородных тетраэдров. В тетраэдрах часть четырехвалентного кремния замещена трехвалентным алюминием. В результате на слое образуется отрицательный заряд, который компенсируется катионами гидратированных щелочных или щелочноземельных металлов, закрепленных между слоями [1]. Частичный положительный заряд, сформированный на каждом катионе внутри галереи, придает слоистым силикатам гидрофильность.

Из работ [3-4] известно, что силикаты со структурным типом 2:1 являются наиболее эффективными модификаторами полярных полимеров, таких как полиамид. До настоящего вре -мени полимер-слоистые нанокомпозиты с неполярными или слабополярными полимерами

Рис. 1. Схематическое строение кристаллической решётки слоистых силикатов структуры 2:1 (проекция перпендикулярна бесконечному слою); 1а - пирофиллит, 1б - тальк [2]

не обладали высокими эксплуатационными характеристиками, как материалы на основе полярных полимеров [5]. Прежде всего, это связано с гидрофильностью используемых силика -тов - основной проблемой несовместимости с органической полимерной матрицей. Для решения этой проблемы исследователи чаще всего модифицируют слоистые силикаты поверхностно-активными веществами (ПАВ) путем замещения неорганических катионов внутри прослоек силикатов органическими катионами. Замещение катионными ПАВ, такими как объёмные аммоний- и фосфоний-ионы увеличивает пространство между слоями, уменьшает поверхностную энергию глины и придает поверхности частиц гидрофобный характер [6-9].

Другим перспективным способом улучшения совместимости слоистых силикатов с полимерной матрицей для обеспечения интеркаляции макромолекул неполярных полимеров в пространство между силикатными пластинами является использование методов меха-нохимической активации. Существуют работы, подтверждающие эффективность данных методов [10-11]. Преимущество активации и диспергирования твердых тел в планетарной мельнице по сравнению с другими измельчительными аппаратами обусловлено воздействием центробежных сил, возникающих при вращении барабанов как вокруг собственной оси, так и вокруг общей оси мельницы. Это позволяет увеличить уровень энергии, подводимой к частицам обрабатываемого вещества, время контакта частиц, проведение механических процессов между несколькими реагентами непосредственно в аппарате. Центробежные силы в десятки раз превышают силу тяжести, что позволяет во столько же раз уменьшить размеры измельчаемых тел без снижения их кинетической энергии, это обуславливает пребывание частиц в активном состоянии в течение некоторого времени [12].

Ряд работ [13-15], в которых в качестве наполнителей политетрафторэтилена (ПТФЭ) использовались минералы подкласса слоистых силикатов (серпентинит, вермикулит, флогопит, мусковит), предварительно подвергнутые механической активации, подтверждает эффективность применения данного метода в качестве способа улучшения совместимости наполнителей с полимерной матрицей.

Целью работы является разработка полимерных композиционных материалов и исследование их физико-механических, триботехнических и термических свойств.

Объекты и методика исследования

В качестве полимерной матрицы использовали ПТФЭ марки ПН-90 со средним размером частиц 90 мкм.

Наполнители:

• вермикулит Инаглинского месторождения Республики Саха (Якутия). Вермикулит является одним из модификаций слюды (Mg+2, Fe+2, Fe+3)3[(AlSi) 4О10](ОН)24Н2О;

• серпентинит Хамеловского месторождения Мурманской области. Минерал серпентин относится к группе водных силикатов магния и имеет химическую формулу Mg6(OH)8[Si4O10];

• каолинит Глуховецкого месторождения - глинистый минерал из группы водных силикатов с общей формулой А14^4О10](ОН)8;

• наношпинель магния (НШ) представляет собой сложный оксид. Общая химическая формула MgAl2O4. В работе использована наношпинель магния, полученная механохими-ческим методом в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН (г. Новосибирск). Средний размер частиц 70 нм;

• в качестве ПАВ использовали алкилдиметилбензиламмоний хлорид (АДМБАХ) компании HUTSMAN с торговым названием «Empigen BAC 50».

Подготовка политетрафторэтилена заключалась в просушке в печи при температуре 180 °C в течение 4 ч. Высушенный ПТФЭ измельчали и просеивали через сито. Вермикулит высушивали в печи при температуре 900 °C в течение 10 мин (известно [16], что в диапазоне температур 800-900 °C происходит потеря кристаллизационной воды). Просушенный вермикулит обрабатывали 10-6 моль/л раствором АДМБАХ в течение 24 ч. Просушенный вермикулит подвергали активации в планетарной мельнице «АГО-2» в течение 2 мин [17]. Подготовка серпентинита, каолинита осуществлялась следующим образом: высушивали в течение 4 ч при 120 °C [5], затем подвергали механоактивации в планетарной мельнице «Активатор 2S» в течение 2 мин. Для композитов, содержащих серпентинит, дополнительно вводили функциональную добавку - наношпинель магния. Все композиты получали путем сухого смешения полимера с наполнителем и последующим спеканием.

Физико-механические свойства композитов определяли согласно ГОСТу 11262-80 на испытательной машине Shimadzu AGS-J (Япония). Трибологические испытания проводили на универсальном трибометре CETR UMT-3 (США) по схеме трения «палец-диск» при нагрузке 160 Н, скорости скольжения 96 об/мин. Структурные исследования композитов были проведены на дифференциальном сканирующем калориметре DSC 204 F1 Phoenix Netzsch (Германия).

Влияние наполнителей на свойства и структуру политетрафторэтилена

Как показано в табл. 1, введение слоистых силикатов способствует увеличению деформационно-прочностных характеристик материала, при этом значительно снижаются скорость массового изнашивания и коэффициент трения.

В отличие от известных полимерных антифрикционных материалов, содержащих традиционные наполнители, композиты, содержащие слоистые силикаты, не только обладают высокой износостойкостью, но и имеют высокие значения деформационно-прочностных характеристик. Перспективным направлением является сочетание слоистых силикатов с функциональными добавками (наношпинель магния). Например, исследования, проведенные ранее [18-19], показали, что введение до 7 мас. % слоистого силиката серпентинита, который относится к структурному типу 1:1, способствует значительному повышению триботехнических характеристик ПТФЭ, но при этом его деформационно-прочностные характеристики снижаются на 20-25 %. В работе [12] для повышения прочностных характе -ристик материала в ПТФЭ дополнительно вводили наношпинель магния.

Предпосылкой использования НШ в качестве функциональной добавки послужила способность наночастиц к самоорганизации: благодаря своей чрезвычайной активности нано-дисперсные частицы стремятся к кластерообразованию в объеме материала, что способствует армированию материала, приводящему к повышению прочностных характеристик [20-21].

Использование ПАВ позволило значительно снизить коэффициент трения по сравнению со значениями коэффициента трения композитов, содержащих механоактивированный

Таблица 1

Физико-механические и триботехнические характеристики модифицированного слоистыми силикатами ПТФЭ

Композит Де Да, МПа I, мг/ч f

ПТФЭ 300-320 20-22 70-75 0,20

ПТФЭ+В акт 238-280 16-20 0,7-6,1 0,18-0,20

ПТФЭ+В+ПАВ 183-316 15-22 0,4-3,7 0,02-0,04

ПТФЭ+С 245-316 15-17 0,05-0,2 0,02-0,03

ПТФЭ+С+НШ 317-356 19-22 0,03-2,2 0,03-0,04

Примечание: В - вермикулит, С - серпентинит, НШ - наношпинель магния, акт - механоактивированный в планетарной мельнице

вермикулит без обработки ПАВ. Одним из возможных факторов повышения износостойкости данных материалов может быть усиление адгезионного взаимодействия компонентов в композите вследствие эффективного участия наполнителя в формировании граничного слоя на границе раздела «полимер-наполнитель». Также возможно вытеснение частиц силикатов на поверхность материала в результате фрикционного взаимодействия, что также может влиять на износостойкость.

В случае композита, содержащего серпентинит и НШ, наблюдается снижение скорости массового изнашивания до 2500 раз по сравнению с исходным полимером, а также значительное снижение коэффициента трения. В целом износостойкость композитов, содержащих слоистые силикаты и НШ, зависит от содержания НШ: чем больше содержание, тем выше износостойкость. В работе [20] также было показано, что введение небольших количеств наношпинели магния в ПТФЭ приводит к резкому возрастанию износостойкости.

Помимо выбора подходящего наполнителя при разработке полимер-силикатных композитов одним из наиболее важных этапов является подготовка наполнителя, т. е. термическая обработка минерала для удаления адсорбированной воды. В ходе данного процесса слоистые силикаты претерпевают значительные изменения. Поэтому выбор температуры прокаливания является одним из основных этапов подготовки исходных материалов.

Для оценки перспективности наполнения ПТФЭ прокаленным при разных температурах каолинитом были проведены триботехнические испытания (табл. 2).

Из табл. 2 видно, что наполнение ПКМ прокаленным каолинитом существенно улучшает триботехнические показатели. Наблюдается повышение износостойкости в 1,5 раза по сравнению с ПКМ, содержащим непрокаленный каолинит. Улучшение триботехнических показателей может быть связано с химическими превращениями, протекающими в каолините при нагревании до 850 °С, с образованием промежуточного продукта. При нагревании каолинит претерпевает наиболее сложные изменения, характеризующиеся термическими эффектами, представленными на дифференциальной кривой комплексной термограммы (рис. 2).

Выделение теплоты представлено на дифференциальной кривой 2 экзотермическими пиками, поглощение теплоты характеризуется эндотермическими пиками (рис. 2).

До настоящего времени единой точки зрения на химическую связь воды в глинах нет и не решен вопрос о строении обезвоженного каолина [23]. Наиболее распространенные существующие в литературе взгляды о природе эндотермического эффекта при температуре 450-600 °С можно разбить на две группы.

Согласно представлениям первой группы ученых, при эндоэффекте происходит полное разрушение кристаллической решетки каолинита. Результатом разрушения является смесь оксидов - кремнезема SiO2 и глинозема А12О3, которые выступают как свободные оксиды, находящиеся в смеси:

А12О3^Ю 22Н 2О^А12О^Ю2+2Н 20.

Большинство исследователей считает, что только перестройка каолинитовой кристаллической решетки с сохранением связности целых ее элементов может быть причиной быстрых и резких выделений тепла. При этом взгляды на структуру образующегося промежуточного продукта обжига сильно различаются.

Таблица 2

Триботехнические характеристики ПКМ с 5 мас. % каолинитом, подвергнутым различной температурной обработке

Композит I, мг/час f

ПТФЭ 82,00 0,21

ПТФЭ+К (при 120 °С) 0,57 0,28

ПТФЭ+К (при 850 °С) 0,39 0,23

Примечание: К - каолинит

Рис. 2. Комплексная термограмма каолинита Глуховецкого месторождения [22]: 1 - температурная кривая нагревания; 2 - дифференциальная температурная кривая; 3 - дилатометрическая кривая; 4 - кривая изменения массы

По Я. В. Самойлову, каолин при обезвоживании разлагается на кремнезём и аморфную модификацию силлиманита, полиморфное превращение которого обусловливает экзотермический эффект при 900-1000 °С.

А1203^Ю 22Н 2О^А120^Ю2(силлиманит^Ю2+2Н20.

При более высоких температурах силлиманит перекристаллизовывается.

Иная точка зрения высказана В. И. Вернадским, П. А. Земятченским, Е. В. Искюлем, П. Я. Сальдау и др. При эндоэффекте происходит образование химического соединения постоянного состава А1203^Ю2 - каолинового ангидрида, или так называемого метака-олинита. Удаление гидроксильной группы в каолине вызывает образование активного неустойчивого состояния (четвертая координация алюминия) с некоторой упорядоченной структурой - метакаолинита:

А1203^Ю 22Н 2О^А1203^Ю 2(метакаолинит)+2Н20.

Обе молекулы воды, входящие в состав каолинита, по своей химической связи в кристаллической решетке тождественны и удаляются при прокаливании в интервале температур эндотермического эффекта. Процесс дегидратации следует рассматривать как кристаллохимический процесс изменения двухслойной решетки каолинита с поглощением значительного количества теплоты, фиксируемого на кривой эндотермическим эффектом [24]. Экзотермический эффект в интервале 900-1050 °С объясняется перестройкой кристаллической решетки остатка каолинита, возможным распадом метакаолинита на свободные оксиды, разрывом связей между кремнекислородными тетраэдрами и частичным повышением координационного числа ионов А14-А16; образованием изоморфного глинозема у -глинозема и его интенсивной кристаллизацией.

С целью выявления оценки перспективности наполнителя были проведены исследования на дифференциальном сканирующем калориметре. В результате проведенного исследования была получена следующая дифференциальная температурная кривая нагревания образца каолинита (рис. 3).

Как видно, полученная кривая повторяет ход, предложенный Ф. Д. Овчаренко [23], и сопровождается тем же эндотермическим пиком. За исключением небольших смещений температур эндотермического пика, кривая нагревания каолинита идентична термограмме, описанной Ф. Д. Овчаренко в работе [23] при температурном интервале 20-600 °С. Отсюда можно сделать вывод, что при значениях температуры выше 600 °С кривая будет иметь аналогичный вид. Исходя из данного предположения, для оценки перспективности наполнения ПТФЭ прокаленным каолинитом были взяты две температурные точки:

ЖК (ИВТ'И!)

500,8

10(1 200 300 400

Рис. 3. Дифференциальная температурная кривая нагревания образца каолинита

- Т1=120 °С, соответствующая полному удалению межпакетной (плоскостной) воды из структуры каолинита;

- Т2=850 °С, соответствующая выделению всей конституционной воды и образованию метакаолинита промежуточного продукта обжига каолинита.

Для композитов, содержащих слоистые силикаты, обработанные ПАВ с функциональной добавкой НШ, были также проведены исследования методом дифференциальной сканирующей калориметрии для определения энтальпии и температуры плавления ПКМ. Энтальпию и температуру плавления определяют для оценки уровня энергетического состояния граничных слоев полимер-наполнителя, усиления адгезионного взаимодействия компонентов при получении ПКМ.

В табл. 3 представлены результаты исследований методом ДСК.

Степень кристалличности, определенная методом ДСК, учитывает тепловые процессы, происходящие при переходе кристаллической фазы в аморфную. При этом энтальпия плавления характеризует количество энергии, затрачиваемое на этот переход. Наблюдается разница в значениях энтальпии плавления и степени кристалличности композитов по сравнению с исходным ПТФЭ. Данная зависимость отражает [25] совместное влияние на прочность ориентации волокон макромолекул и степени кристалличности матрицы.

Образование более плотной упаковки компенсирует понижение степени кристалличности, и материалы сохраняют прочностные характеристики. При увеличении содержания наполнителя степень кристалличности снижается, что свидетельствует об уменьшении подвижности макромолекул полимера в расплаве. Известно, что в высоконаполненных системах адсорбционное взаимодействие высокоэнергетической поверхности твердого тела и макромолекул в расплаве полимера приводит к ограничению их тепловой подвижности.

Таблица 3

Результаты исследований композитов методом дифференциальной сканирующей калориметрии

Содержание наполнителя, мас. % Кристалличность, % ДНпл, Дж/г Т , К

0 40,4 33,1 332,7

2 В+ПАВ 40,4 33,1 333,1

5 В+ПАВ 41,8 34,3 333,6

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

7 В+ПАВ 37,5 30,7 333,9

10 В+ПАВ 38,5 31,6 333,5

1,5 С+0,5 НШ 52,2 42,8 335,2

1,8 С+0,2 НШ 44,1 36,1 334,8

4,5 С+0,5 НШ 51,3 42,0 335,4

4,8 С+0,2 НШ 47,7 39,1 335,3

Примечание: В - вермикулит, ПАВ - поверхностно-активное вещество, С - серпентинит, НШ -наношпинель магния

Это обусловливает изменение энергетических и кинетических параметров кристаллизации в переохлажденном расплаве, в результате чего обычно замедляется, а при предельно больших содержаниях наполнителя подавляется процесс кристаллизации полимера.

Из табл. 2 видно, что введение функциональной добавки в виде шпинели магния дополнительно при модификации ПТФЭ серпентинитом приводит к повышению значений термодинамических показателей композитов по сравнению с исходной матрицей, что свидетельствует об интенсификации структурирующих процессов и формировании более упорядоченной структуры в ПКМ. Повышение доли НШ способствует увеличению энтальпии плавления и, соответственно, степени кристалличности. Превышение содержания силиката без НШ более 2 мас. % приводит к формированию достаточно дефектной структуры, вызванной, очевидно, агломерацией наполнителей.

Заключение

В результате проведенных исследований разработаны полимерные композиты на основе ПТФЭ и слоистых силикатов, характеризуемые высокой износостойкостью и прочностными характеристиками. Наибольшее снижение скорости массового изнашивания до 2500 раз по сравнению с исходным полимером наблюдается у композита, содержащего серпентинит и НШ.

Показано, что обработка слоистых силикатов ПАВ способствует улучшению износостойкости, снижению коэффициента трения ПКМ по сравнению с их значениями композитов, содержащих только механоактивированный вермикулит без обработки ПАВ. Поверхностная обработка ПАВ способствует приданию поверхности глины гидрофобного характера и приводит к увеличению адгезии с полимерной матрицей. Показана эффективность использования функциональной добавки (наношпинели магния) для модифицирования ПТФЭ, что позволило значительно повысить износостойкость материала до 2500 раз. Выявлено, что прокаливание каолинита до 850 °C улучшает износостойкость композиционных материалов в 1,5 раза, что связано с изменением кристаллической решетки наполнителей.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по Государственному заданию № 11.512.2014/К.

Л и т е р а т у р а

1. Красильников П. В. Практикум по геологии. - Петрозаводск: ПетрГУ, 2000. - 24 с.

2. Pinnavia T. J // Science. - 1983. - V. 220. - P. 365.

3. Kojima Y., Usuki A., Kawasumi M., Okada A., Kurauchi T., Kamigaito O. Synthesis of nylon 6-clay hybrid by montmorillonite intercalated with s-caprolactam // J. Polym. Sci. A. - 1993. - V. 31. - P. 983-986.

4. Kojima Y., Usuki A., Kawasumi M., Okada A., Kurauchi T., Kamigaito O. One-pot synthesis of nylon 6-clay hybrid // J. Polym. Sci. A. - 1993. - V. 31. - P. 1755-1758.

5. Герасин В. А., Зубова Т. А. Структура нанокомпозитов полимер / Na+- монтмориллонит, полученных смешением в расплаве // Российские нанотехнологии. - 2007. - Т. 2. - № 1-2 - С. 90-105.

6. Lagaly G., Pinnavaia T. J. // Appl. ClaySci. - 1999. - V. 15. - P. 312.

7. Рахимова Н. А., Кудашев С. В. Получение органофильного №+-монтмориллонита, модифицированного диацетатом-динаполнителей на изменение свойств s-капролактаматом меди // Химическая технология. - 2010. - № 11. - С. 672-676.

8. Tortora M., Gorrasia G., Vittoriaa V., Gallib G., Ritrovatib S., Chiellinib E., Structural characterization and transport properties of organically modified montmorillonite / polyurethane nanocomposites // Polymer.

- 2002. - V. 43. - P. 6147-6157.

9. Морару В. Н., Маркова С. А., Овчаренко Ф. Д. Адсорбция катионных поверхностно-активных веществ на монтмориллоните из водных растворов // Украинский химический журнал. - 1981. - Т. 47.

- № 10. - С. 1058.

10. Влияние химической активации дисперсных наполнителей на свойства ПТФЭ / А. А. Охлопкова [и др.] // Неметаллические материалы и конструкции для условий Севера: сб. ст. / под ред. С. Н. Попова.

- Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1996. - Вып. 2. - С. 77-81.

11. Wang G., Chen Y., Wang Q. Stracture and properties of poly(ethylene terephthalate) / Na+-montmoril-lonite nanocomposites prepared by solid state shear milling (S3M) method // J. Polym. Sci. - 2008. - V. B46, N 8. - P. 807-817.

12. Власов С. В., Калинчев Э. Л., Кандырин Л. Б. и др. Основы технологии переработки пластмасс: Учебник для вузов. - М.: Химия, 1995. - 528 с.

13. Кириллина Ю. В., Слепцова С. А. Нанокомпозиты на основе политетрафторэтилена и серпентинита // Вопросы материаловедения. - 2013. - № 1 (73). - С. 127-135.

14. Лазарева Н. Н., Слепцова С. А., Афанасьева Е. С. Влияние на триботехнические свойства политетрафторэтилена вермикулита, модифицированного ПАВ // Трение и смазка в машинах и механизмах.

- 2014. - № 10. - С. 28-31.

15. Кириллина Ю. В., Слепцова С. А. Деформационно-прочностные и триботехнические свойства композиционных материалов на основе политетрафторэтилена и мусковита / Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Наука и образование в XXI веке».

- Тамбов: ООО «Консалтинговая компания Юком», 2014. - 164 с.

16. Василовская Н. Г., Енджиевская И. Г., Слакова О. В., Баранова Г. П. Теоретические аспекты процесса вспучивания вермикулита Татарского месторождения // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. - 2012. - Т. 5. - № 3. - с. 294-300.

17. Аввакумов Е. Г., Гусев А. А. Механические методы активации в переработке природного и техногенного сырья [Mechanical methods of activation in processing of natural and technogenic raw materials].

- Новосибирск: изд-во Гео, 2009. - 156 с.

18. Слепцова С. А., Афанасьева Е. С., Григорьева В. П. Структура и триботехнические свойства политетрафторэтилена, модифицированного слоистыми силикатами // Трение и износ, 2009. - Т. 30.

- № 6. - С. 587-593.

19. Слепцова С. А., Кириллина Ю. В. Разработка полимер-силикатных нанокомпозитов // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова. - 2013. - Т. 10. - № 2. - С. 18-25.

20. Охлопкова А. А., Попов С. Н., Слепцова С. А., Петрова П. Н., Аввакумов Е. Г. Полимерные нанокомпозиты триботехнического назначения // Журнал структурной химии. - 2004. - № 45. - С. 172-177.

21. Воронцов А. С., Лиопо В. А., Авдейчик С. В., Козелло А. В. Процессы агрегации дисперсных частиц модификаторов полимерных матриц // Горная механика и машиностроение. - 2011. - № 4.

- С. 81-85.

22. Бутт Ю. М., Дудеров Г. Н., Матвеев М. А. Общая технология силикатов. - М.: Стройиздат, 1976.

- 600 с.

23. Овчаренко Ф. Д. Гидрофильность глин и глинистых минералов. - Киев: изд. Академии наук Украинской ССР, 1961 г. - 275 с.

24. Вундерлих Б. Физика макромолекул / Пер. с англ. Ю. К. Годовского, В. С. Папкова. - М.: Мир.

- Т. 3. Плавление кристаллитов, 1984. - 484 с.

25. Влияние структуры и режимов охлаждения на кристаллизацию вторичного стеклонаполненного ПЭТФ в изделиях / А. Л. Наркевич, В. П. Ставров // Материалы. Технологии. Инструменты. - 2009.

- Т. 14, № 2. - С. 65-71.

R e f e r e n c e s

1. Krasil'nikov P. V. Praktikum po geologii. - Petrozavodsk: PetrGU, 2000. - 24 s.

2. Pinnavia T. J // Science. - 1983. - V. 220. - P. 365.

3. Kojima Y., Usuki A., Kawasumi M., Okada A., Kurauchi T., Kamigaito O. Synthesis of nylon 6-clay hybrid by montmorillonite intercalated with s-caprolactam // J. Polym. Sci. A. - 1993. - V. 31. - P. 983-986.

4. Kojima Y., Usuki A., Kawasumi M., Okada A., Kurauchi T., Kamigaito O. One-pot synthesis of nylon 6-clay hybrid // J. Polym. Sci. A. - 1993. - V. 31. - P. 1755-1758.

5. Gerasin V. A., Zubova T. A. Struktura nanokompozitov polimer / Na+- montmorillonit, poluchennykh smesheniem v rasplave // Rossiiskie nanotekhnologii. - 2007. - T. 2. - № 1-2 - S. 90-105.

6. Lagaly G., Pinnavaia T. J. // Appl. ClaySci. - 1999. - V. 15. - P. 312.

7. Rakhimova N. A., Kudashev S. V. Poluchenie organofil'nogo Na+-montmorillonita, modifitsirovannogo

diatsetatom-dinapolnitelei na izmenenie svoistv s-kaprolaktamatom medi // Khimicheskaia tekhnologiia.

- 2010. - № 11. - S. 672-676.

8. Tortora M., Gorrasia G., Vittoriaa V., Gallib G., Ritrovatib S., Chiellinib E., Structural characterization and transport properties of organically modified montmorillonite / polyurethane nanocomposites // Polymer.

- 2002. - V. 43. - P. 6147-6157.

9. Moraru V. N., Markova S. A., Ovcharenko F. D. Adsorbtsiia kationnykh poverkhnostno-aktivnykh veshchestv na montmorillonite iz vodnykh rastvorov // Ukrainskii khimicheskii zhurnal. - 1981. - T. 47. - № 10. - S. 1058.

10. Vliianie khimicheskoi aktivatsii dispersnykh napolnitelei na svoistva PTFE / A. A. Okhlopkova [i dr.] // Nemetallicheskie materialy i konstruktsii dlia uslovii Severa: sb. st. / pod red. S. N. Popova. - Iakutsk: IaNTs SO RAN, 1996. - Vyp. 2. - S. 77-81.

11. Wang G., Chen Y., Wang Q. Structure and properties of poly(ethylene terephthalate) / Na+-montmoril-lonite nanocomposites prepared by solid state shear milling (S3M) method // J. Polym. Sci. - 2008. - V. B46, N 8. - P. 807-817.

12. Vlasov S. V., Kalinchev E. L., Kandyrin L. B. i dr. Osnovy tekhnologii pererabotki plastmass: Uchebnik dlia vuzov. - M.: Khimiia, 1995. - 528 s.

13. Kirillina Iu. V., Sleptsova S. A. Nanokompozity na osnove politetraftoretilena i serpentinita // Voprosy materialovedeniia. - 2013. - № 1 (73). - S. 127-135.

14. Lazareva N. N., Sleptsova S. A., Afanas'eva E. S. Vliianie na tribotekhnicheskie svoistva po-litetraftoretilena vermikulita, modifitsirovannogo PAV // Trenie i smazka v mashinakh i mekhanizmakh.

- 2014. - № 10. - S. 28-31.

15. Kirillina Iu. V., Sleptsova S. A. Deformatsionno-prochnostnye i tribotekhnicheskie svoistva kompozit-sionnykh materialov na osnove politetraftoretilena i muskovita / Sbornik nauchnykh trudov po materialam Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii «Nauka i obrazovanie v XXI veke». - Tambov: OOO «Konsaltingovaia kompaniia Iukom», 2014. - 164 s.

16. Vasilovskaia N. G., Endzhievskaia I. G., Slakova O. V., Baranova G. P. Teoreticheskie aspekty protsessa vspuchivaniia vermikulita Tatarskogo mestorozhdeniia // Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Tekh-nika i tekhnologii. - 2012. - T. 5. - № 3. - s. 294-300.

17. Avvakumov E. G., Gusev A. A. Mekhanicheskie metody aktivatsii v pererabotke prirodnogo i tekhno-gennogo syr'ia [Mechanical methods of activation in processing of natural and technogenic raw materials].

- Novosibirsk: izd-vo Geo, 2009. - 156 s.

18. Sleptsova S. A., Afanas'eva E. S., Grigor'eva V. P. Struktura i tribotekhnicheskie svoistva po-litetraftoretilena, modifitsirovannogo sloistymi silikatami // Trenie i iznos, 2009. - T. 30. - № 6. - S. 587-593.

19. Sleptsova S. A., Kirillina Iu. V. Razrabotka polimer-silikatnykh nanokompozitov // Vestnik Severo-Vo-stochnogo federal'nogo universiteta im. M. K. Ammosova. - 2013. - T. 10. - № 2. - S. 18-25.

20. Okhlopkova A. A., Popov S. N., Sleptsova S. A., Petrova P. N., Avvakumov E. G. Polimernye nanokompozity tribotekhnicheskogo naznacheniia // Zhurnal strukturnoi khimii. - 2004. - № 45. - S. 172-177.

21. Vorontsov A. S., Liopo V. A., Avdeichik S. V., Kozello A. V. Protsessy agregatsii dispersnykh chastits modifikatorov polimernykh matrits // Gornaia mekhanika i mashinostroenie. - 2011. - № 4. - S. 81-85.

22. Butt Iu. M., Duderov G. N., Matveev M. A. Obshchaia tekhnologiia silikatov. - M.: Stroiizdat, 1976.

- 600 s.

23. Ovcharenko F. D. Gidrofil'nost' glin i glinistykh mineralov. - Kiev: izd. Akademii nauk Ukrainskoi SSR, 1961 g. - 275 s.

24. Vunderlikh B. Fizika makromolekul / Per. s angl. Iu. K. Godovskogo, V. S. Papkova. - M.: Mir. - T. 3. Plavlenie kristallitov, 1984. - 484 s.

25. Vliianie struktury i rezhimov okhlazhdeniia na kristallizatsiiu vtorichnogo steklonapolnennogo PETF v izdeliiakh / A. L. Narkevich, V. P. Stavrov // Materialy. Tekhnologii. Instrumenty. - 2009. - T. 14, № 2.

- S. 65-71.

^■Mir^ir

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.