CC BY
0УДК 691.175:678.743.44:546.26 DOI 10.24412/cl-37255-2024-1-198-201
ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА И УГЛЕРОДНЫХ НАНОВОЛОКОН
Исакова Т.А., Петрова П.Н., Маркова М.А.
Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», обособленное подразделение Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск E-mail: tanchik 1985@mail. ru
Аннотация. В данной работе изучено влияние углеродных нановолокон УНВ-01, УНВ-02, УНВ-03 производства Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, полученных методом каталитического пиролиза двух типов смесей углеводородов (C2H4, С3+С4) на никель-медных катализаторах, на механические и триботехнические свойства полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена. Полимерные композиты получены смешением компонентов в лопастном смесителе при 3000 об/мин. Выявлена зависимость износостойкости наполненных композитов от концентрации катализатора в углеродных нановолокнах. При введении наполнителя УНВ-03 до 5 мас. % износостойкость повышается в 54 раза, УНВ-01 в 70 раз и УНВ-02 в 317раз.
Ключевые слова: политетрафторэтилен, полимерные композиционные материалы, углеродные нано-волокна, механические свойства, триботехнические свойства.
Для создания полимерных композиционных материалов с повышенными механическими свойствами, в материал основной полимерной матрицы вводят активные модификаторы в виде волокнистых, кристаллических и др. наполнителей [1]. В области триботехники особое положение занимают полимерные композиты на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) из-за низких значений коэффициента трения и повышенной износостойкости. В качестве наполнителей для данного полимера, как правило, используются дисперсные частицы, такие как графит, бронза, стекловолокно, оксиды металлов, а также углеродные и стеклянные волокна [2, 3]. Отметим, что в последнее время перспективным методом модификации структуры и свойств полимерных материалов является наполнение полимеров наночастицами [4].
Углеродные нановолокна (УНВ) привлекли большое внимание ученых своими термическими, электрическими и механическими свойствами по сравнению с углеродными волокнами и другими формами микроволокон. Отличные механические свойства, высокое соотношение сторон (диаметр/длина) и низкая плотность УНВ делают их пригодными для армирования при разработке полимерных композитов (нанокомпозитов). Благодаря своим исключительным свойствам и низкой стоимости, они нашли применение в различных материалах [5].
Цель данной работы заключается в исследовании триботехнических и механических свойств полимерных композиционных материалов на основе ПТФЭ и углеродных нановолокон.
В качестве полимерной матрицы использовали ПТФЭ - фторопласт-4 (Ф-4) марки ПН, ГОСТ 10007-80. В качестве наполнителей апробированы углеродные нановолокна УНВ (УНВ-01, УНВ-02, УНВ-03) производства Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (Рис. 1), полученные методом каталитического пиролиза двух типов углеводородов (C2H4, С3+С4) на никель-медных катализаторах в течение 1 ч. Тип упаковки УНВ - стопчатый, вторичная структура является сегментированной, волокна в диаметре не превышают 0,5 мкм (рис. 1).
Рисунок 1 - Микрофотографии УНВ, полученных на растровом электронном микроскопе
при разных увеличениях
В таблице 1 представлены характеристики УНВ [6].
Таблица 1 - Характеристики углеродных нановолокон УНВ
№ Название Источник С T, C Y(C+), г/гкат m(C+), г 9(С+), г/л SSA, м2/г Vпор, см3/г С(кат), %
1 УНВ-01 C2H4 550 64 325,0 55 179,2 0,34 1,6
2 УНВ-02 C3+C4 650 28 146,6 62 213,0 0,38 3,6
3 УНВ-03 C2H4 550 68 342,6 48 232,4 0,40 1,3
Примечание: Т- температура проведения эксперимента (°С), Y(C+) - выход УНВ на 1 г катализатора (г/гкат), т(С+) - масса углерода +катализатора (г), д(С+) - насыпная плотность УНВ (г/л), SSA -удельная поверхность (м2/г), Vпор - объём пор (см3/г), С(кат) - концентрация катализатора в УНВ (%).
Исходя из данных табл. 1, можно заключить, что образцы УНВ имеют некоторые отличия. Так, при использовании этилена наблюдаются более высокие значения выхода УНВ (64-68 г/гкат), чем при применении смеси предельных углеводородов (C3+C4) (28 г/гкат). Стоит отметить, что насыпная плотность зависит от выбора источника углерода. Образец УНВ-02 характеризуется более плотной структурой и повышенным содержанием катализатора в нем по сравнению с образцами УНВ-01 и УНВ-03. Повышенное содержание металлических частиц в составе УНВ-02 влияет на его теплопроводность, что должно положительно отразиться на триботехнические свойства полимерных композиционных материалов (ПКМ).
Наполнители вводили смешением в лопастном смесителе при 3000 об/мин при концентрации до 5 мас. %. Образцы для испытаний получали методом холодного формования при удельном давлении 50 МПа с последующим спеканием до 380°С и свободным охлаждением до комнатной температуры согласно стандартной технологии переработки композитов на основе ПТФЭ. Показатели физико-механических характеристик образцов определяли при испытаниях на растяжение и сжатие на разрывной машине UTS-20K (UTS Testsysteme, Германия) по ГОСТ 11262-2017. Показатели триботехнических свойств определяли на машине трения ИИ-5018 (Россия) (образец - столбик диаметром 10 мм, высотой 20 мм, контртело - стальной вал из стали 45) при задаваемом машиной нагрузке 200 Н и скорости скольжения 0,2 м/с, время испытания составляло 3 ч. (ГОСТ 11629-2017, ГОСТ Р 50-54-107-88). Зависимость деформационно-прочностных и триботехнических характеристик полимерных композиционных материалов (ПКМ) от концентраций УНВ-01 представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Зависимость деформационно-прочностных и триботехнических характеристик ПКМ от концентрации УНВ
Состав Источник С Ор, МПа 8р, % Ер, МПа Осж, МПа I, мг/ч f
5% 10% 25%
ПТФЭ C2H4 20 310 470 10 14 23 221,9 0,16
ПТФЭ+0,5%УНВ-01 25 313 453 12 14 24 10,8 0,19
ПТФЭ+1%УНВ-01 25 306 463 12 15 25 15,8 0,21
ПТФЭ+2%УНВ-01 20 203 527 12 15 26 11,0 0,24
ПТФЭ+5%УНВ-01 18 10 332 13 17 28 3,2 0,18
ПТФЭ+1%УНВ-03 21 420 461 14 18 28 11,8 0,18
ПТФЭ+2%УНВ-03 20 390 491 14 18 28 7,9 0,22
ПТФЭ+5%УНВ-03 12 85 512 15 20 30 4,1 0,20
ПТФЭ+0,5%УНВ-02 Cз+C4 17 446 414 14 18 25 11,4 0,21
ПТФЭ+1%УНВ-02 20 433 371 13 17 23 3,8 0,25
ПТФЭ+2%УНВ-02 16 344 345 13 17 23 2,9 0,24
ПТФЭ+5%УНВ-02 9 35 335 12 16 27 0,7 0,24
Примечание: Ор - предел прочности при растяжении, МПа; ер - относительное удлинение при разрыве, %; Ер - модуль упругости при растяжении, МПа; Осж - предел прочности при сжатии, МПа; I - скорость массового изнашивания, мг/ч; f - коэффициент трения.
При введении УНВ-01 до 1 мас. % прочности при растяжении и сжатии композита повышаются до 25 МПа, однако при этом скорость массового изнашивания уменьшается всего в 14 раз, остальные характеристики остаются на уровне исходного полимера. При повышении концентрации до 2 мас. % происходит некоторое понижение относительного удлинения при разрыве, что может быть связано с образованием более жесткой структуры, о чем свидетельствует повышение модуля упругости. При повышении концентрации УНВ-01 до 5 мас. % происходит резкое снижение относительного удлинения при разрыве при повышении износостойкости до 70 раз по сравнению с ПТФЭ. Показано, что введение УНВ-03 приводит к снижению прочности при растяжении и относительного удлинения, но повышает прочность при сжатии на 30% и износостойкость в 54 раза.
Другая картина наблюдается при введении УНВ-02 в ПТФЭ (Таблица 2). Частицы УНВ, введенные в объем ПТФЭ в малых количествах (0,5-1,0 мас. %) оказывают пластифицирующее действие, выражающееся в увеличении деформируемости полимерного композита. Модифицированные УНВ-02 композиты по прочности уступают композитам с УНВ-01, при этом снижение скорости массового изнашивания при повышении концентрации УНВ от 0,5 до 5 мас. % происходит более интенсивно по сравнению с композитами ПТФЭ/ УНВ-01. Существенное снижение скорости массового изнашивания ПКМ происходит при введении в ПТФЭ 5 мас. % УНВ-02, однако при этом наблюдается резкое снижение деформационно-прочностных показателей ПКМ, что возможно связано с влиянием металлических частиц катализатора на триботехнические характеристики композитов, о чем косвенно свидетельствует некоторое повышение коэффициента трения.
На основании проведенных исследований выявлена зависимость износостойкости наполненных композитов при содержании УНВ 5 мас. % от концентрации катализатора в них. Зарегистрировано повышение износостойкости ПКМ при модифицировании УНВ-03 (С(кат), %-1,3) в 54 раза, УНВ-01 (С(кат), %-1,6) в 70 раз и УНВ-02 (С(кат), %-3,6) в 317 раз.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (рег. № 122011100162-9) с использованием научного оборудования Центра коллективного пользования ФИЦ ЯНЦ СО РАН.
Список литературы
1. Mихaйлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. СПб.: НОТ, 2010. 866 с.
2. Khedkar J., Negulescu I., Meletis E.I. Sliding wear behavior of PTFE composites // Wear. 2GG2. Vol. 252. P. 361-369.
3. Conte M., Igartua A. Study of PTFE composites tribological behavior // Wear. 2G12. Vol. 296. P. 568-574.
4. Maшков, Ю.К., Рубан А.С., Рогачев Е.А., Чемисенко О.В. Изменение структуры и износостойкости ПТФЭ-нанокомпозитов при различных методах структурной модификации // Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т 5, № 2. С. 188-193.
5. Chen Y., Tu C., Liu Y., Liu P., Gong P., Wu G., Huang X., Chen J., Liu T., Jiang J. Microstructure and mechanical properties of carbon graphite composites reinforced by carbon nano-fibers // Carbon Letters. 2G23. Vol. 33 (2). P. 561-571.
6. Afonnikova S.D., Veselov G.B., Bauman Yu.I., Gerasimov E.Y., Shubin Yu.V., Mishakov I.V., Vedyagin A.A. Synthesis of Ni-Cu-CNF composite materials via carbon erosion of Ni-Cu bulk alloys prepared by mechanochemical alloying // Journal of Composites Science. 2G23. Vol. 7 (6). P. 238.
УДК 57.012:569.614
DOI 1G.24412/cl-37255-2G24-1-2G1-2G5
АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ
БИВНЕЙ МАМОНТА
Исакова Т.А., Петухова Е.С., Павлова В.В., Соловьев Т.М., Ботвин Г.В., Чириков A.A., Петров В.В. Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения
Российской академии наук», г. Якутск E-mail: tatyana_issakova@mail.ru
Аннотация. Исследованы структурные характеристики различных сортов бивней мамонта методами рентгенофазового анализа, термогравиметрии и ИК-спектроскопией. Показано, что отличительной особенностью минерального состава бивней III и IV сортов от бивней I и II сортов является наличие в виде примесей, помимо гидроксиапатита, других фосфатных минералов, состав которых в большей степени зависит от условий окружающей среды, в которой залегает бивень мамонта. При снижении сортности увеличивается большое количество трещин и пор, что приводит к тому, что бивень может впитать значительно больше влаги. Показано, что от влажности напрямую зависит прочность при сжатии.
Ключевые слова: ископаемая мамонтовая кость, бивень мамонта, сорта бивней, структура, физико-механические свойства.
Как известно [1], бивни мамонтов (BM) различаются своей сортностью в зависимости от размеров, целостности, наличия и количества трещин и т. д. Для изучения структуры и физико-механических свойств БM были приобретены бивни разных сортов. Определение сортности проводили на основе разработанного Национальным мамонтовым фондом Республики Саха (Якутия) и Всемирным музеем мамонта (г. Якутск) документа «Технические условия на ископаемый бивень и его обломки, добываемые на территории Республики Саха (Якутия)» (ТУ 421-GG1-92), а также с учётом более раннего документа «Кость мамонтовая в сырье» (ТУ 41-G7-GG6-81), использовавшегося СПО «Северкварцсамоцветы» в 1982-84 гг. В зависимости от сохранности, помимо коллекционного бивня, который довольно редко встречается, сырье подразделяют на 4 сорта (Рис. 1).
