CC BY
30
УДК 620.2-022.532
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1250-1254
УПРОЧНЯЮЩАЯ ТВЕРДОФАЗНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОФИЛИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ Ф-4 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
© В.Л. Полуэктов1*, Г.С. Баронин1*, В.М. Бузник2*, В.В. Худяков1*, С.Л. Полуэктова1*
1) Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация,
e-mail: [email protected] 2) Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, г. Москва, Российская Федерация, e-mail: [email protected]
В работе приведены и используются результаты НИР по исследованию перспективных методов получения и переработки нанокомпозитов на основе фторполимера из газофазной среды и оценки эксплуатационных свойств экспериментальных образцов. Объектами исследования служили нанокомпозиты на основе политераф-торэтилена, включающего как металлические, так и керамические наночастицы и ультрадисперсный ПТФЭ, полученные молекулярным смешением из газовой фазы. Рассмотрены особенности применения интенсивной пластической деформации для переработки Ф4-нанокомпозитов в твердой фазе.
Ключевые слова: нанокомпозиты; нанографит; физико-механические; теплофизические; триботехнические свойства; твердофазная экструзия; политетрафторэтилен (ПТФЭ); пластическая деформация.
Политетрафторэтилен обладает уникальным набором физических, химических, электроизоляционных, антифрикционных и многих других свойств, многие из которых являются исключительными в своем роде. Однако тенденции стремительного развития техники и технологий ставят жесткие требования и рамки применения современных материалов конструкционного и функционального назначения для экстремальных условий эксплуатации. Важной прикладной задачей современного материаловедения является получение нового класса композиционных материалов на основе известных полимеров при помощи структурной модификации материалов за счет применения прогрессивных технологий переработки и внесения специальных нанораз-мерных наполнителей, обеспечивающих получение изделий с необходимым комплексом эксплуатационных свойств.
Целью настоящей работы является исследование особенностей и отработка технологических параметров процесса формирования структуры и свойств композиционных полимерных материалов в результате интенсивной пластической деформации при комбинации двух методов твердофазной экструзии, где наряду с твердофазной равноканальной угловой последовательно реализуется плунжерная экструзия. По результатам научного эксперимента даны рекомендации по применению данного способа переработки полимерных материалов в твердой фазе.
Процесс твердофазной комбинированной обработки нанокомпозитов осуществлялся в специально изготовленной ячейке высокого давления [5].
В качестве объекта исследования использовали политетрафторэтилен (ГОСТ 10007-08) в виде порошка. Модифицирующими добавками служили следующие материалы:
- продукт, полученный перегонкой шихты ПТФЭ 97 % масс. и (NH4)2ТiF6 3 % масс. ч. при температуре 575 °С с последующей десублимацией раствором аммиака - композит ПТФЭ с ТЮ2 (ТФП) [1];
- продукт, полученный путем посадки на микрочастицы фторполимерных порошков наноразмерных кобальтсодержащих кластеров (КоФП) [2].
Рис. 1. Схема экспериментальной ячейки для комбинированной экструзии полимерных материалов: 1 - фиксатор пуансона; 2 - пуансон; 3 - матрица; 4 - заготовка полимера; 5 -фильера; 6 - фиксатор экспериментальной ячейки
бср,МПА 25
20
15
10
ЖФТ КТЭ
0,05
0,1
0,5
15 СТФП ,масс.части
а)
бср,МПА 45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
ЖФТ
X-
КТЭ
0,05 0,1
0,5
15 Скофп ,масс.част.
б)
Рис. 2. Диаграммы изменения разрушающего напряжения аср в условиях поперечного среза полимерных композитов ПТФЭ + + ТФП (а) и ПТФЭ + КоФП (б) в зависимости от содержания массовых частей КоФП и ТФП и технологии переработки
Неоспоримым достоинством используемых композитов на основе ПТФЭ является тот факт, что используемые керамические и металлические наноразмерные кластеры, закрепленные на поверхности частиц ультрадисперсного ПТФЭ, теряют способность к агломерации, и в то же время экстремально взаимодействуют с внешними компонентами полимерной системы, сохраняя основной комплекс физических характеристик, образуют определенные управляемые микро- и макроструктуры, ответственные за эксплуатационные характеристики готовых изделий различного практического назначения (высокочастотные изоляторы, теплотехнические изделия, изделия антифрикционного назначения и др.).
На рис. 2 представлены результаты исследований величины разрушающего напряжения в условиях поперечного среза исходных и модифицированных образцов на основе политетрафторэтилена, обработанных комбинированной твердофазной экструзией (КТЭ) и жидкофазной технологией (ЖФТ). Работа по исследованию прочностных характеристик в условиях поперечных срезывающих напряжений полученных образцов ПТФЭ проводилась на машине УТС 101-5 (ГОСТ 17302-71).
56
54
52
50
56
54
52
50
ЖФТ КТЭ
0 0,05 0,1 0,5 1 а)
ЖФТ КТЭ
0,05
0,1 0,5
б)
1СКоФ
масс.част.
Рис. 3. Диаграмма изменения величины твердости Нс полимерных композитов ПТФЭ + ТФП (а) и ПТФЭ + КоФП (б), определенной по дюрометру Шора типа D, в зависимости от содержания массовых частей КоФП и ТФП и технологии переработки
Полученные результаты роста величины разрушающего напряжения в условиях поперечного среза возможно объяснить с позиции развиваемых представлений о механизме пластической деформации в условиях высоких давлений, где прочность образцов в значительной мере определяется наличием различного рода дефектов, особенно в исходных жидкофазных образцах и снижением их концентрации в объеме образцов, прошедших комбинированную экструзию.
К примеру, у композита ПТФЭ + 0,1 м.ч. ТФП аср превышает более чем в 2 раза характеристики образцов, переработанных жидкофазной технологией. Для композита ПТФЭ + 0,05 м.ч. КоФП отмечена та же тенденция - аналогичные характеристики аср повышаются в 3 раза в сравнении с исходным материалом и образцами, полученными жидкофазной технологией [6].
На рис. 3 представлены данные изменения величины твердости (ГОСТ 24621-91 - определение твердости при вдавливании с помощью дюрометра твердость по Шору Д) исходных и модифицированных образцов.
Экспериментально установлено, что образцы после комбинированной твердофазной экструзии обладают более высокими значениями твердости (по Шору Д, ГОСТ 24621-91), по сравнению с аналогичными образцами, переработанными по жидкофазной технологии.
5
0
0
0
0
Ттп, К 400
390
380
370
360
350
340
330
320
0.05
0.1
0.5
1 5
C, масс.част.
Рис. 4. Диаграмма изменения зависимости деформационной теплостойкости Ттп образцов полимерного композита ПТФЭ + + ТФП и ПТФЭ + КФП в зависимости от содержания массовых частей КоФП и ТФП
бост, МПа 0,7
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
Ж
□ ПТФЭ+КоФП
□ ПТФЭ+ТФП
0 0.05 0.1
0.5
15 C, масс.част.
Рис. 5. Диаграмма изменения уровня остаточных ориентаци-онных напряжений аост образцов полимерного композита ПТФЭ + КоФП и ПТФЭ + ТФП в зависимости от содержания массовых частей КоФП и ТФП
Теплостойкость и уровень остаточных внутренних напряжений образцов являются одними из важнейших эксплуатационных характеристик, определяющих возможные направления и границы практического применения полученных изделий. Исследования проводились на экспериментальной установке с использованием специально разработанной программы сбора данных и метода построения диаграмм изометрического нагрева (ДИН) [4-5].
На рис. 4 представлены данные изменения величины деформационной теплостойкости исходных и модифицированных образцов. Отмечено экстремальное
влияние модифицирующих добавок в области малых концентраций (0,05; масс. част. на 100 масс. част. ПТФЭ), что говорит о гомогенном распределении модификатора в полимерной матрице [3].
На рис. 5 представлены данные изменения величины остаточных внутренних напряжений исходных и модифицированных образцов. Экспериментально установлено, что исходные образцы и образцы в области малых концентраций (0; 0,05 масс. част. на 100 масс. част. ПТФЭ) обладают более высокими значениями твердости и прочности и, как отмечено, минимальным уровнем остаточных ориентационных внутренних напряжений, что повышает нагрузочную способность композитов и снижает вероятность образования ряда дефектов в объеме готовых изделий [7].
Для практической реализации предлагаемого метода переработки полимеров планируется разработка комплекта рецептур композиционных материалов на основе термопластов, которые будут обладать свойствами, удовлетворяющими условиям эксплуатации изделий в зависимости от сферы их применения.
Наличие в технологической схеме твердофазной обработки формующей фильеры позволяет получать не только упрочненные заготовки различной формы и размеров, но и готовые профилированные изделия с регламентированным набором свойств [5-6].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бузник В.М., Фомин В.М., Алхимов А.П. и др. Металлополимерные нанокомпозиты. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. С. 255-260. (Интеграционные проекты СО РАН. Вып. 2).
2. Баронин Г.С., Бузник В.М., Юрков Г.Ю. и др. Исследование строения и свойств полимерных композитов на основе политетрафторэтилена и наночастиц кобальта // Перспективные материалы. 2014. № 7. С. 50-62.
3. Полуэктов В.Л., Баронин Г.С. Твердофазная обработка фторполи-мерных молекулярных композитов // Современные твердофазные технологии: теория, практика, инновационный менеджмент: материалы 7 Междунар. науч.-инновац. молодежной конф. Тамбов: Изд-во ИП Чеснокова А.В., 2015. С. 131-133.
4. Радько Ю.М., Минкин Е.В., Кербер М.Л. Установка для определения остаточных напряжений в ориентированных термопластах // Заводская лаборатория. 1980. № 7. С. 669-670.
5. Полуэктов В.Л., Бузник В.М., Баронин Г.С., Худяков В.В. Особенности технологии комбинированной твердофазной экструзии, формирования структуры и свойств нанокомпозитов на основе фторполимеров // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2014. Т. 20. № 3. С. 564-572.
6. Poluektov V.L., Khudyakov V.V., Baronin G.S., Buznik V.M. Features of Combined Solid-Phase Extrusion Technology, Structure and Property Formation of Fluoropolymer-Based Nanocomposites // Advanced materials and technologies. 2016. № 1. С. 56-60.
7. Полуэктов В.Л. Твердофазная экструзия фторполимерных материалов с использованием деформации простого сдвига // Школа-семинар по структурной макрокинетике для ученых им. акад. А.Г. Мержанова: тезисы докладов 30 Всерос. конф. с междунар. участием. Черноголовка, 2015. С. 107-109.
БЛАГОДАРНОСТИ:
1. Работа выполнена при финансовой поддержке со стороны Минобрнауки РФ в рамках базовой части Госзадания № 2014/219, код проекта 2079.
2. Часть исследований проведены в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ РФ, код проекта НШ - 2411.2014.3.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
0
0
UDC 620.2-022.532
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1250-1254
THE REINFORCING SOLID-PHASE TECHNOLOGY FOR PRODUCTION OF SHAPED PARTS FROM COMPOSITES BASED ON F-4 WITH SEVERE PLASTIC DEFORMATION
© V.L. Poluektov1*, G.S. Baronin1*, V.M. Buznik2), V.V. Khudyakov1*, S.L. Poluektova1*
Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, e-mail: [email protected] 2) All-Russian Scientific-Research Institute of Aviation Materials, Moscow, Russian Federation,
e-mail: [email protected]
The paper presents the research of advanced methods for production and processing of nanocomposites based on a fluoropolymer obtained from the gas-phase environment; and the evaluation of the performance characteristics of the experimental samples. The objects of the study are fluoropolymer-based nanocomposites, including metallic and ceramic nanoparticles and ultrafine PTFE, obtained by molecular mixing of the gas phase. The features of intensive plastic deformation for processing of F4-nanocomposites in the solid phase were also studied.
Key words: composites; nanographite; physical; mechanical; thermal; tribological properties; solid-phase extrusion; polytetrafluoroethylene (PTFE); the plastic deformation.
REFERENCES
1. Buznik V.M., Fomin V.M., Alkhimov A.P. et al. Metallopolimernye nanokompozity. Novosibirsk, SB RAS Publ., 2005, pp. 255-260.
2. Baronin G.S., Buznik V.M., Yurkov G.Yu. i dr. Issledovanie stroeniya i svoystv polimernykh kompozitov na osnove politetraftoretilena i nanochastits kobal'ta. Perspektivnye materialy — Perspektivnye materialy, 2014, no. 7, pp. 50-62.
3. Poluektov V.L., Baronin G.S. Tverdofaznaya obrabotka ftorpolimernykh molekulyarnykh kompozitov. Materialy 7 Mezhdunarodnoy nauchno-innovatsionnoy molodezhnoy konferentsii "Sovre-mennye tverdofaznye tekhnologii: teoriya, praktika, innovatsionnyy me-nedzhment". Tambov, PE Chesnokova A.V. Publ., 2015, pp. 131-133.
4. Rad'ko Yu.M., Minkin E.V., Kerber M.L. Ustanovka dlya opredeleniya ostatochnykh napryazheniy v orientirovannykh termoplastakh. Zavodskaya laboratoriya — Industrial Laboratory, 1980, no. 7, pp. 669-670.
5. Poluektov V.L., Buznik V.M., Baronin G.S., Khudyakov V.V. Osobennosti tekhnologii kombinirovannoy tverdofaznoy ekstruzii, formi-rovaniya struktury i svoystv nanokompozitov na osnove ftorpolimerov. Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo univer-siteta — Transactions of the Tambov State Technical University, 2014, vol. 20, no. 3, pp. 564-572.
6. Poluektov V.L., Khudyakov V.V., Baronin G.S., Buznik V.M. Features of Combined Solid-Phase Extrusion Technology, Structure and Property Formation of Fluoropolymer-Based Nanocomposites. Advanced materials and technologies, 2016, no. 1, pp. 56-60.
7. Poluektov V.L. Tverdofaznaya ekstruziya ftorpolimernykh materialov s ispol'zovaniem deformatsii prostogo sdviga. Tezisy dokladov 30 Vserossiyskoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem "Shkola-seminar po strukturnoy makrokinetike dlya uchenykh im. akademikaA.G. Merzhanova". Chernogolovka, 2015, pp. 107-109.
GRATITUDE:
1. The work is fulfilled under financial support of Ministry of Education and Science within a of state assign no. 2014/219, project code 2079.
2. The part of research is held within a framework of Russian Federation President grant for scientific schools of Russian Federation, project code HE - 2411.2014.3.
Received 10 April 2016
Полуэктов Вячеслав Леонидович, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, лаборант научно-образовательного центра ТамбГТУ-ИСМАН «Твердофазные технологии», специалист в области материаловедения полимерных композиционных материалов, e-mail: [email protected]
Poluektov Vyacheslav Leonidovich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Post-graduate Student, Laboratory Technician at the Scientific Educational Centre TSTU-ISMAN "Solid-phase technologies", Specialist in the field of Materials Science of Polymer Composites, e-mail: [email protected]
framework of basic part state support of leading
Баронин Геннадий Сергеевич, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор, директор научно-образовательного центра ТамбГТУ-ИСМАН «Твердофазные технологии», специалист в области материаловедения и технологии переработки полимерных композиционных материалов, e-mail: [email protected]
Baronin Gennadiy Sergeevich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor, Director of Scientific Educational Centre TSTU-ISMAN "Solid-phase technologies", Specialist in Materials Science and Technology for Processing of Polymeric Composites, e-mail: [email protected]
Бузник Вячеслав Михайлович, Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, г. Москва, Российская Федерация, доктор химических наук, академик РАН, советник генерального директора ФГУП «ВИАМ», главный научный сотрудник, специалист в области создания и изучения фторполимерных материалов, e-mail: [email protected]
Buznik Vyacheslav Mikhaylovich, All-Russian Research Institute of Aviation Materials, Moscow, Russian Federation, Doctor of Chemistry, Academician of RAS, Advisor of Director General VIAM, Main Research Worker, Specialist in Development and Study of Fluoropolymer Materials, e-mail: [email protected]
Худяков Владимир Владимирович, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, научно-образовательный центр ТамбГТУ-ИСМАН «Твердофазные технологии», e-mail: [email protected]
Khudyakov Vladimir Vladimirovich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Post-graduate Student, Scientific Educational Centre TSTU-ISMAN "Solid-phase technologies", e-mail: [email protected]
Полуэктова Светлана Леонидовна, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, младший научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Poluektova Svetlana Leonidovna, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Junior Research Associate, e-mail: [email protected]
