Строительные композиционные полимерные материалы для использования в холодном климате Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 678.743.41 © Д.М. Могнонов, О.Ж. Аюрова, С.Л. Буянтуев, В.Н. Корнопольцев

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ХОЛОДНОМ КЛИМАТЕ

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства промышленности и

торговли Республики Бурятия

Разработана новая технология легирования поверхности трения фторопласта-4 ароматическими поли-гетероариленами и их смесями. Предлагаемый материал обеспечивает повышение износостойкости по сравнению с чистым фторопластом в 30-80 раз при сохранении высоких значений деформационно-прочностных показателей и низкого коэффициента трения в условиях низких температур.

Ключевые слова: фторопласт-4, композиционный материал, легирование, ароматические полигетероари-лены.

D.M. Mognonov, O.Zh. Ayurova, S.L. Buyantuev, V.N. Komopoltsev BUILDING COMPOSITE POLYMERIC MATERIALS FOR USE IN COLD CLIMATE

New technology of alloying surface friction of fluoroplastic-4 by aromatic polyheteroarylenes and their mixture was developed. The proposed material provides increased wear resistance in comparison with pure PTFE at 30-80 times while maintaining high values of strain-strength characteristics and low coefficient of friction in cold climate.

Keywords: fluoroplastic-4, composite material, alloying technology, aromatic polyheteroarylenes.

Ресурс работоспособности строительной и транспортной техники в значительном большинстве случаев определяется физическим износом узлов трения (подшипников, редукторов, ШРУСов и т.д.). Особенно велики затраты на ремонт и замену изношенных деталей крупнотоннажной строительной техники, эксплуатируемой в зимних условиях Сибири и Севера. При этом, существенными факторами, влияющими на поведение полимерных композиционных материалов в узлах трения, являются: изменение среднемесячной температуры окружающего воздуха от +300С до -500С, максимальная месячная суммарная солнечная радиация до 18 ккал/см2, резкие суточные перепады температур весной и осенью, переходы температуры через ноль, а также колебание влажности воздуха в течение года в пределах 50-70%.

Поэтому, создание защитных покрытий на поверхности трения в режиме саморегуляции на основе полимерных материалов и композитов, с улучшенным комплексом эксплуатационных характеристик, позволит частично или полностью компенсировать износ, уменьшить трение. Для строительных организаций это выразится в существенном уменьшении затрат на проведение ремонтных работ, позволит сократить простой техники и оборудования. Кроме того, это позволит ограничить утечку масел и гидравлических жидкостей, из-за нарушения герметичности уплотнительных материалов, и снизить техногенное воздействие на окружающую среду.

Общепринятой полимерной основой антифрикционных полимерных материалов является фторопласт-4 (ПТФЭ) [1]. По сравнению с другими уплотнительными материалами ПТФЭ обладает самым широким диапазоном рабочих температур (±533 К) [2], используется в гидравлических системах при давлениях до 250 МПа [3], мало подвержен тепловому, световому и другим видам старения, имеет низкий коэффициент трения, обладает прекрасными электроизоляционными свойствами (р ~ 1020 Ом-см), негорюч, при этом положительные свойства практически не изменяются при воздействии самых различных климатических факторов. Однако, наряду с вышеназванными уникальными характеристиками ПТФЭ обладает рядом отрицательных свойств, ограничивающих и регламентирующих эффективность и рациональность его использования. Сюда, прежде всего, следует отнести хладоте-кучесть, способность деформироваться при незначительных нагрузках. Другой особенностью ПТФЭ является высокий коэффициент линейного расширения, аномально изменяющийся в широких пределах в зависимости от температуры. И, наконец, ПТФЭ, обладая низким коэффициентом трения, име-

Д.М. Могнонов, О.Ж Аюрова, С.Л. Буянтуев и др. Строительные композиционные полимерные материалы для использования в холодном климате

ет, тем не менее, очень низкую износостойкость. Таким образом, для успешного использования ПТФЭ необходимо компенсировать вышеуказанные отрицательные свойства.

Традиционный подход при решении этой проблемы связан с созданием композитных материалов на основе ПТФЭ и различных дисперсных наполнителей. Введение наполнителей позволяет снизить износ в десятки раз и повысить твердость материала [4]. Однако, введение достаточно большого (1040%) количества дисперсных наполнителей сопровождается многократным снижением деформационно-прочностных показателей [5]. В настоящее время для получения наполненных и армированных композитов широко применяются полимерные порошкообразные (дисперсные) наполнители, так и полимерные армирующие материалы на основе синтетических волокон. Их применение обеспечивает определенные преимущества перед минеральными наполнителями: высокую ударную прочность, меньшую плотность, повышенную водостойкость и др. Кроме того, коэффициенты термического расширения полимерных наполнителей и связующих очень близки, что создает дополнительный эффект упрочнения наполненной системы в результате снижения термических напряжений. Среди известных композиций, при получении полимер-полимерных смесей примеров применения ПТФЭ в качестве компонента смеси практически неизвестно. Для ПТФЭ возможность адгезионного и специфического взаимодействия в системе полимер-полимер (химическое, донорно-акцепторное, дисперсионное, силы Ван-дер-Ваальса) ограничено, что делает крайне сложным получение совместимых полимер-полимерных смесей. Нами было показано [6], что в ряде случаев нет необходимости в полном совмещении полимеров в смеси, поскольку заданные свойства композитов достигаются именно благодаря тому, что система является несовместимой.

В качестве второго компонента системы полимер-полимер были предложены полигетероарилены (ПГА), что было обусловлено их высокой термостойкостью, хорошими механическими и антифрикционными свойствами. Для получения полимер-полимерной композиции ПТ ФЭ/ПГА известны крайне нетехнологические методы улучшения адгезионных свойств ПТФЭ путем химической обработки его поверхности ^-нафталиновым комплексом, дисперсией № в жидком аммиаке, расплавленным ацетатом К, ^-антраценовым комплексом [7].

Особенность предлагаемого способа модификации поверхности трения ПТФЭ заключается в том, что ПГА используются не в виде порошков, как обычно, а в виде раствора этих полимеров в органическом растворителе [8]. Следует отметить, что такой способ модификации поверхности ПТФЭ позволяет достичь планируемой толщины (1-2 мм) защитного слоя полигетероарилена в зоне рабочего контакта, с небольшим расходом дорогостоящего полимера (< 2%). При этом сохраняются свойства обоих полимеров, упрощается технология переработки полигетероариленов в изделия и существенно расширяется сфера их применения в реальном секторе экономики.

Таблица

Физико-механические и триботехнические показатели композиций

Материал Ср-106, Н/м2 Ер, % f Атр Ат-10-6, кг

ПТФЭ 23,2-24,3 277,8-290 0,100 2380-2420

ПТФЭ+ПАИС 11,9-13,9 137-155 0,085 30-40

ПТФЭ+ПБИ (10 кБа) 18,9-20,3 205-215 0,090 70-80

ПТФЭ+ПБИ/ПАИС (50/50) 12,8-13,7 150-165 0,085 70-80

ПТФЭ+ПБИ/ПАИС (90/10) 21,0-22,4 210-220 0,090 65-70

Анализ полученных результатов (табл.) свидетельствует, что нанесение различных полимерных компонентов, модифицирующих поверхность ПТФЭ, неоднозначно изменяет его деформационнопрочностные показатели. Прочность при разрыве (ор) и удлинение (ер) композитов незначительно уменьшаются по сравнению с чистым ПТФЭ. При этом, менее всего снизились значения ор и ер для полибензимидазола (ПБИ), имеющего большую молекулярную массу (10 кБа). Для полибисмалеи-мидной смолы (ПАИС), характеризующейся образованием жесткой трехмерной структуры, это изменение более заметно.

Как видно из приведенной таблицы потеря массы в процессе трения (А т) для исследованных материалов уменьшается в 30-80 раз. Коэффициент трения для всех полученных композиций изменяется незначительно, причем его величины стабильны за все время испытания. Нами ранее установлено [6], структурированием ПАИС на матрице линейного ПБИ удается повысить прочностные показатели

этой полимерной смеси. Учитывая отмеченное снижение деформационно-прочностных показателей композиций ПТФЭ/ ПГА, была предпринята попытка легирования поверхности трения ПТФЭ поли-мер-полимерными смесями со структурой полу-ВПС на основе ПБИ и ПАИС, при различном соотношении компонентов

Легирующий слой в последнем случае представляет собой полимер-полимерную смесь типа по-лу-ВПС, в качестве матрицы линейный ароматический ПБИ на базе которого происходит структурирование ПАИС. После отверждения такой композиции происходит образование системы линейный полимер в сетке трехмерной структуры. На рис. 1, 2 представлены результаты деформационнопрочностных исследований композитов. Изменение состава легирующего слоя неоднозначно изменяет деформационно-прочностные показатели композитного материала. Как видно из рис. 1, 2 значения ор и вр изменяются по всем составам нелинейно. Характерной особенностью является то, что для композиции состава 90/10 (ПБИ/ПАИС) значения ор и вр выше, чем для исходного ПБИ. Основной причиной подобного изменения деформационно-прочностных показателей является различная термодинамическая устойчивость полученных полимер-полимерных смесей.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что смесь состава 70/30 является более термодинамически устойчивой, чем смесь состава 80/20. В свою очередь наиболее термодинамически устойчивой смесью является система 90/10.

ПАИС

с о ста в поли м 0 р н о й смеси П Б И -

ПБИ ПАИС, %

ПАИС ПБИ

состав полимерной смеси ПБИ+ПАИС, %

Рис. 1. Изменение разрушающего напряжения при раз- Рис. 2. Изменение относительного удлинения при рыве разрыве

Введение в полимер-полимерную смесь большого количества ПАИС (> 50%) приводит к ухудшению и снижению деформационно-прочностных показателей, но износостойкость материала будет возрастать, т.к. массовый износ исследованных композиций уменьшается по сравнению с исходным ПТФЭ в 35-60 раз. Кроме того, с изменением состава износостойкость возрастает (по мере увеличения доли ПАИС в смеси) практически линейно.

Литература

1. Коноваленко В.В. Фторполимеры в России и за рубежом. Разработка, производство, потребление, перспективы развития // Фторполимерные материалы: фундаментальные, прикладные и производственные аспекты: материалы семинара. - Новосибирск, 2003. - С. 25-26.

2. Чегодаев Д.Д., Наумова З.К., Дунаевская Я.С. Фторопласты. - Л.: Госхимиздат, 1971. - 192 с.

3. Черский И.Н. Полимерные материалы в современной уплотнительной технике. - Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1975. - С. 113-119.

4. Охлопкова А.А., Аммосов Н.Г., Брощева П.Н. Влияние активированного модификатора на деформационно-прочностные и триботехнические свойства политетрафторэтилена // Пласт. массы. - 1999. - Т.41, №8. -С. 17-20.

5. Рогов В.Е., Могнонов Д.М., Корнопольцев Н.В. и др. Свинецсодержащие антифрикционные материалы на основе политетрафторэтилена // Трение и износ. - 2001. - Т.22, №1. - С. 104-108.

6. Могнонов Д.М., Дашицыренова М.С., Пинус И.Ю. и др. Термодинамические характеристики смесей полигетеариленов // Высокомолек. соед. Сер. А. - 2010. - Т.52, №6. - С. 1-7.

7. Аюрова О.Ж., Максанова Л.А., Стариченко В.Ф. и др. Новый раствор для модификации поверхности фторопласта // Журн. приклад. химии. - 2005. - Т.78, Вып. 5. - С. 867-869.

8. Могнонов Д.М., Корнопольцев Н.В., Рогов В.Е. и др. Способ легирования поверхности трения политетрафторэтилена. Патент РФ №2170667. - 2001.

Ч.С. Лайдабон, Ж.Г. Дамбаев, В.Н. Ковалевский и др. Обоснование физических основ буровзрывного способа для получения строительных материалов из природного камня

Могнонов Дмитрий Маркович, доктор химических наук, профессор, зав. лабораторией химии полимеров, Байкальский институт природопользования СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, [email protected]

Аюрова Оксана Жимбеевна, ведущий инженер, лаборатория химии полимеров, Байкальский институт природопользования СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, Лет88@таП.ги

Буянтуев Сергей Лубсанович, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией физики плазмы и плазменных процессов, Бурятский государственный университет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, [email protected]

Корнопольцев Василий Николаевич, кандидат технических наук, директор ООО МИП «МЕГАРЕСУРС», 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, [email protected]

Mognonov Dmitriy Markovich, Doctor of Chemistry, Professor, Head of Laboratory of Polymer Chemistry, Baikal Institute of Nature Management SB RAS, [email protected]

Ayurova Oxana Zhimbeevna, engineer, Laboratory of Polymer Chemistry, Baikal Institute of Nature Management SB RAS, с[email protected]

Buyantuev Sergey Lubsanovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Laboratory of Physics and Plasma Processes, Buryat State University, [email protected]

Kornopoltsev Vasiliy Nicolaevich, candidate of technical sciences, director of “MEGARESURS” Ltd., Baikal Institute of Nature Management SB RAS, [email protected]

УДК 691.4 © Ч.С. Лайдабон, Ж.Г. Дамбаев, В.Н. Ковалевский, А.Ч. Лайдабон

ОБОСНОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ БУРОВЗРЫВНОГО СПОСОБА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ПРИРОДНОГО КАМНЯ

Определено расстояние между соседними шпурами (скважинами) при буровзрывном способе добычи блочного камня. Описывается оптимальный комплексный подход управления расстояния между зарядами с учетом минимальной зоны нарушенности законтурного массива для обеспечения процесса добычи строительных материалов из природного камня.

Ключевые слова: строительные материалы, природные камни

C.S. Laydabon, Zh.G. Dambaev, V.N. Kovalevsky, A.Ch. Laydabon

PHYSICAL JUSTIFICATION OF BLAST-HOLE DRILLING METHOD OF BUILDING MATERIALS EXTRACTION FROM NATURAL STONE

The article is devoted to the estimation of distance between neighboring boreholes with the blast-hole drilling method of extraction of block stones. It describes the optimum complex procedure of distance estimation between charges with a glance to a minimal zone of boundary massif disturbance

Keywords: mm'truc^on materials, natural stone

Разработка месторождений блочного камня должна вестись с позиций ресурсосбережения и рационального использования этого ценного минерального сырья с сохранением его естественных физико-механических свойств. При разработке в основном используется буровзрывной способ отбойки блоков, при котором выполнение указанных требований является весьма сложным. Применяемые технологии взрывной отбойки камнеблоков обеспечивают в настоящее время выход качественного блочного камня лишь в пределах 20-25% от объема добываемой горной массы [1]. Поэтому решение этой актуальной проблемы повышения выхода качественной продукции должно базироваться на совершенствовании способов управления энергией взрыва и разработке физических основ направленного разрушения горных пород для обоснования технологий щадящего взрывания, при которых обеспечивается сохранность прочностных свойств добываемых блоков и законтурного массива.

В связи этим необходима разработка новых физических методов направленного разрушения горных пород. Для решения данной проблемы целесообразен системный подход, учитывающий весь спектр вопросов эффективного управления энергией взрыва, что является актуальной научной проблемой и позволит выявить существенные резервы для увеличения объемов добычи и уменьшения себестоимости качественных строительных материалов из природного камня. Известно, что с увеличением