CC BY
22
УДК 678.664:678.046:621
Силицкий Н.Н., Смирнова Ю.Н., Клабукова Л.Ф., Клюшников С.А., Рудаковская Е.Г.
ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ФУЛЛЕРЕНА С60 НА ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛИТЬЕВЫХ ПОЛИУРЕТАНОВЫХ ЭЛАСТОМЕРОВ
Силицкий Никита Николаевич, студент 2 курса магистратуры кафедры технологии переработки пластмасс; Смирнова Юлия Николаевна, студентка 1 курса магистратуры кафедры технологии переработки пластмасс; Клабукова Людмила Фёдоровна к.х.н., доцент кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: dann2809@yandex.ru;
Клюшников Сергей Александрович, аспирант кафедры технологии переработки пластмасс; Рудаковская Елена Георгиевна, к.т.н., заведующая кафедрой математики; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Россия, Москва, 125047, Миусская пл., 9.
В статье исследовано влияние малых добавок фуллерена С60 на трибологические свойства литьевых полиуретановых эластомеров горячего отверждения. Показано, что введение фуллерена С60 в полимерную матрицу позволяет снизить степень абразивного износа и уменьшить коэффициент трения исследуемых композитов.
Ключевые слова: фуллерен, полиуретан, модификация, эластомер, износ, композит.
INFLUENCE OF FULLEREN Ceo ADDITIVES ON THE TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF CAST POLYURETHANE ELASTOMERS
Silitskii N.N., Smirnova Y.N., Klabukova L.F., Kljushnikov S.A., Rudakovskaja E.G. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The article deals with the influence of small additives offullerene C60 on the tribological properties of cast polyurethane elastomers of hot curing. It is shown that the insertion of fullerene C60 in the polymer matrix allows to reduce the degree of abrasive deterioration and reduce the friction coefficient of the studied composites.
Keywords: fullerene, polyurethane, modification, elastomer, deterioration, composite.
Введение
Надежность и долговечность узлов и механизмов во многом определяется явлениями трения и износа. Износ представляет собой некоторую непрерывную потерю материала с поверхности упругого тела за счет контактирования с другими телами и связан со сложными явлениями, включающими как механическое взаимодействие, так и физические и химические явления в зоне контакта [1]. Для борьбы с износом и трением одни металлы заменяют другими, более устойчивыми, применяют термическую и химическую обработку трущихся поверхностей, точную механическую обработку, различные виды смазок. Также эффективным способом снижения износа является внедрение новых конструкционных материалов, которые обеспечивают получение технических изделий с заданными эксплуатационными характеристиками, причем важное место среди этих материалов занимают полимерные нанокомпозиты [2].
В ряде литературных источников [3-4] установлено, что наночастицы - нанотрубки, нановолокна, фуллерены, графены и т.п. являются одними из наиболее перспективных модификаторов полимерных материалов (ПМ). Среди них
наибольший интерес представляет фуллерен С60, введение которого показало хорошие результаты по улучшению эксплуатационных характеристик на многих типах полимеров. Одной из важнейших эксплуатационных характеристик литьевых полиуретановых эластомеров (ЛПУЭ) являются их трибологические характеристики, которым посвящена данная работа.
Благодаря наличию в своей структуре двойных связей, фуллерен С60 способен встраиваться в цепочку полимера, изменяя межмолекулярное взаимодействие, что оказывает положительное влияние на уровень физико-механических и других характеристик полимерного материала. Доказано, что фуллерен С60 обладает комплексообразующей способностью при введении в полимеры, образуя с ними донорно-акцепторные комплексы [5-6].
В научной литературе, на данный момент, опубликовано большое количество работ [7-8], посвященных методам синтеза полимерных материалов, в которых фуллерен используется как нанонаполнитель, и в ряде случаев ПМ содержат в своих цепях молекулы фуллеренов, причем включение молекулы С60 в цепь полимера может осуществляться по нескольким различным механизмам.
Экспериментальная часть
В качестве исходных компонентов для синтеза литьевых полиуретановых эластомеров в работе использовали: форполимер на основе простого полиэфира - олигоокситетраметиленгликоля с ММ = 1000 и толуилендиизоцианата марки «Т-100» (полный аналог СКУ-ПФЛ-100, ТУ 381051240-88). В качестве удлинителя цепи -
метиленбисортохлоранилин. Модификатор -фуллерен С60 с чистотой 99,5%.
Синтез ЛПУЭ, модифицированных фуллереном С60, осуществляли следующим образом: предварительно нагретый до температуры 80-100°С форполимер подвергали вакуумированию (дегазации) с целью удаления из него поглощенной влаги воздуха. Дегазацию осуществляли в реакционной емкости при абсолютном давлении 300-600 Па и постоянном перемешивании. Смешение компонентов, предварительно нагретых до температуры 100° , проводили под вакуумом с помощью механической мешалки. Наряду с отвердителем в форполимер вводили модификатор -фуллерен С60. Затем указанный модификатор с помощью механической мешалки распределяли в реакционной массе до образования гомогенной структуры по всему объему. Далее реакционная смесь поступала в форму, предварительно разогретую до 100° . Форму, заполненную материалом (ПУ), выдерживали при температуре 100 °С в термошкафу в течение одного часа, затем в течение шестнадцати часов при 80° до полной полимеризации и достижения оптимальных физических свойств.
Проведенный комплекс физико-механических испытаний ЛПУЭ с добавками фуллерена С60 в диапазоне концентраций от 0,005 до 0,025 мас. % показал, что оптимальные свойства композита (условная прочность, относительное удлинение, сопротивление раздиру) достигаются при концентрации 0,016 мас. %. На основании полученных результатов, для исследования в данной работе использовались образцы ЛПУЭ с концентрацией 0,016 мас. %. При такой
концентрации значение сопротивления раздиру (отвечает силам межмолекулярного взаимодействия) ЛПУЭ, модифицированных фуллереном С60, превышает аналогичное значение показателя исходного эластомера в 1,58 раза и составляет 80 Н/мм.
Испытания проводили в условиях сухого трения при комнатной температуре на машине трения И-47. Исследуемый образец представлял собой диск диаметром d = 22 мм и высотой h = 2 мм. В качестве контр-поверхности применялась шкурка Р320, закрепленная на поверхности стального диска. Коэффициент взаимного перекрытия Ш1. Образцы испытывали в течение 3 минут при вращении с линейной скоростью 0,5 м/с и нагрузке 0,02 МПа. Весовой износ образца измеряли с помощью электронных весов.
Как известно, одним из основных факторов, снижающих долговечность, и приводящих к выходу из строя деталей и узлов, это воздействие корозионно-активных сред и абразивного износа. Изделия из ЛПУЭ нередко применяются в условиях абразивного износа, в том числе во влажной среде (втулки, скребки, пластины для дорожной техники и др.). Следует отметить, что трение полиуретанов является сложным процессом. При трении эластомера о твердую поверхность помимо упругого (адгезионного) контакта и пластичного (деформационного) царапанья добавляется
дополнительный (гистерезисный) компонент, вносящий вклад в процессы взаимодействия поверхностей трущихся тел [7-8].
Постоянно растущая конкуренция на рынке полиуретанов служит катализатором для решения задач по улучшению эксплуатационных характеристик ЛПУЭ, в том числе, сопротивления износу, позволяя, таким образом, получать новые эластомерные материалы и композиции, устанавливающие повышенные требования к износостойкости ЛПУЭ. Детали, изготовленные из таких материалов, способны продлевать срок службы узлов различных машин и механизмов. В данной работе проведено исследование абразивного износа ЛПУЭ, модифицированного фуллереном С60. Влияние указанной добавки на коэффициент трения ЛПУЭ представлен на рисунках 1-2:
Рис.1. Зависимость коэффициента трения от времени при абразивном износе немодифицированного ЛПУЭ
Рис.2. Зависимость коэффициента трения от времени при абразивном износе ЛПУЭ, модифицированного фуллереном С60
Как видно из представленных зависимостей, наблюдается снижение значение коэффициента трения (£р) модифицированных образцов по сравнению с исходным ЛПУЭ (на 0,5 единиц). Известно, что при прочих равных условиях чем ниже коэффициент трения, тем меньше износ [9-11]. Экспериментально этот факт находит подтверждение в сравнении показателей массового износа образцов ЛПУЭ: исходного и модифицированного фуллереном С60 (таблица 1).
Таблица 1. Сравнение показателей износа исходного и модифицированного фуллереном С60 ЛПУЭ
Наименование показателя Шифр эластомера
Исходный + Фуллерен С60
Износ по массе, [г] 0,0036 0,0029
Истираемость ЛПУЭ в условиях абразивного износа зависит от сил межмолекулярного взаимодействия или энергии когезии материала, т.е. чем сильнее межмолекулярное взаимодействие в структуре ЛПУЭ, тем выше стойкость данного материала к истиранию. При заданной концентрации сопротивление раздиру (отвечает силам межмолекулярного взаимодействия) ЛПУЭ, модифицированного фуллереном С60, превышает аналогичное значение показателя исходного эластомера в 1,58 раза и составляет 80 Н/мм.
Таким образом, в результате проведенных исследований было установлено, что модификация ЛПУЭ наночастицами фуллерена С60 позволяет улучшить физико-механические свойства и снизить коэффициент трения.
Список литературы
I.Чебаков М.И., Данильченко С.А., Ляпин А.А. Моделирование износа на контакте двух упругих тел с учетом тепловыделения от трения // Естественные науки. - 2017 . - № 4 . - С. 51-57.
2.Пихуров Д.В., Зуев В.В. Трибологические свойства полимерных нанокомпозитов, модифицированных фуллероидными материалами // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012 . - № 4 (80) . - С. 97-100. 3.Эстрин Я.И., Бадамшина Э.Р. и др. Свойства нанокомпозитов на основе сшитого эластомерного полиуретана и ультрамалых добавок однослойных углеродных нанотрубок // Высокомолекулярные соединения. - 2012 . - Серия А. - Том 54. - № 4. -С. 568-577.
4.Бадамшина Э.Р., Гафурова М.П. Модификация свойств полимеров путем допирования фуллереном С60 // Высокомолекулярные соединения. - 2008 . -Серия Б. - Том 50. -№ 8. - С. 1572-1584.
5.Murthy C.N., Choi S.J., Geckeler K.E. // J. Nanosci. Nanotechnol. - 2002. - V.2. - № 2. - P. 129. 6.Ogiwara T., Ikoma T., Akiyama K., Tero-Kubota S. // Cem. Phys. Lett. - 2005. - V.441. -№4-6. -P.378.
7.Akasaka T., Nagase S., Kobayashi K., Walchei M., Yamamoto K. // Angew. Chem., Int. Ed. Engl. - 1997. -V.36. - P.1643.
8.Takabayshi Y., Kubozono Y., Hiraoka K., Inoue T. // Chem. Lett. - 1997. - P.1019.
9.Мур Д. Трение и смазка эластомеров. М.: Химия, 1977. -262 с.
10. Алифанов Е.В., Чайкун А.М., Горлов Д.С., Венедиктова М.А. Особенности механизма трения эластомерных материалов различных типов. Теоретические и практические аспекты (обзор) / ТРУДЫ ВИАМ, 2018. - №1 (61). -С. 66-72.
II.Триботехнические свойства антифрикционных самосмазывающихся пластмасс: Обзор. информ. / Под ред. Г.В. Сагалаева, Н.Л. Шембель - М.: Изд. стандартов, 1982. - 62с.
