CC BY
24
УДК 6Ж
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА С I РУК I УМУ ИОЛИ1Ы РАФЮРЛ ПЛЕНА М0ДИФИЦИР0ВАНН01 О НИ I РИДОМ ЬОРА
Д 4 Нп]к»к Р Н Ергмин В Ю ТТугинцгк И А К[:гш<ф Омский государственный технический университет, с. Омск, Россия
Аннотация — Целью шс.1«дикишй нвлмысм выявление ;:1кинимьрнис1 и в.шяним *.1Ы||;1>в\киви1и воздействия на изменение плотности п пористости синтезируемого полимерного композиционного материала на основ» политетрафторэтилена, модифицированного нитридом бора. Плотность образцов с со-дрржмнирм ншриди Гиц| | к 5 маг. %. но шик 1нннм< у-аыраскукикмм ирптпклинри. на 9 */п кнмие. чем у
аиалш ичнмх «м'ци-ннж. h<i iniik.icинки хилидным ирпчпкяннем, чш шщксрж i;ipi ||ни.1ы1гы ди||Нк1-иостп структур, полученные электронной микроскопией. В результате проведенных исследовании уста новлено, что прессование полимерного компознннанкого материала с применением ультразвуковых колебании является активным технологическим приемом, повышающим эффективность модификации структуры магрнпы н оказывающим сушественное влияние на процессы структурообразования в ней.
Кпючесыс слова, плотность полимерного композиционного материала, ультразвуковое воздействие, полимерный композиционный материал, ннтрцд бора, политетрафторэтилен
т rrf.tfftîf
Физической основой различных методов повышения механических свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ) служит структурна* модификация. Наиболее распространенным методом структурной модификации является введение в полимерную матрицу наполнителей различного типа дисперсных. волокнн-сгых. ультроднспсрсных L1 4J.
Совершенствование технологии получения ПКМ в направлении повышения уровня внешнего энергетического воздействия позволяет достичь значительного улучшения свойств ПКМ
Одним ИЧ игргмгыикчмх I ШЧЧННЖ ¡1К1ИКН010 -»НГ^НТТИЧеСМНО КО<ДеЙГ1КИ> ЯКЛМП.Я Н;1:К1*ГНИГ ни iipmyr-
MVio смесь лорсшкоЕ ультразвуковых колебаний (УЗК). При этом повышаются: текучесть порошков, рашюмер нссть укладки частиц полимера, разрешаются аречные структуры, существенно облегчается развктне пластической деформации частиц порошка, уменьшается пористость и попгтгтлется плотность прессуемого материала [5 — 7] "У-о голржтггелъчо клижгт на хярлктср ичмгнгчи» гкл трсни» мгжду чйгтщлми V гтгтелми ттрггфгрхгкт дает возможность формовать изделие сложной формы при сравнительно небольших усилиях прессования.
П. Постановка задачи
Долью исследований является выявление закономерности влияния ультразвукового воздействия на изменение- 11ЛИ1Н(К1И и 1МЦ1ИС-ИИТХ тнтирукини) шыимгрнсчо комккиципннот миггриал^ ни (х нонг иоличп-
рэфгорэтнлеиа, модифицированного шпрндом бора.
Дл* ТТГ Г_7ТС.ТОТПК»Ш бктли Пыбр1КМ Г.ТГГЦуЮЩИГ К О нтт ГК~р ЛЦИИ нитрид л (торт ч полк-гтрлфтор>ттстгнг- 1,П; 1,0;
5,0; н 10,0 масс. %.
Для изготовления образцов Сыта содрана специальная установка на base гидравлического пресса М'Г -[8] Применен ультразвуковой генератор УЗГ 2 - 4M. имеющий входную мощность 2,5 кВт н работающий в частотном диапазоне от 17.5 до 23 КГц. D качестве ксточника ультразвуковых колебаний был взят магнкто-стрикцнонный преобр азователь ПМС 15-А-18 с резон ансной частотой колебаний 17,8 кГц Усилие прес зевания составило Ь4 .N111а н амплитуда 16 мкм. После прессования образцы подвергались термообработке (спеканию) при ivMuepaiype 360°С.
Исследование дефектности структуры коэ.шотниошюго материала гоузали на образцах, тготоэлешпах с применением улкфа.чкуаокмх колебаний и 6е< них
Ш. Теория
С целью раскрытия механизмов процееоов структурной модификации политетрафторэтилена в результате ультразвуковой обработки проводили исследование тонкой структуры полимерного композиционного материала методом электронно-микроскопического анализ?..
J ля изучения дефектности структуры в данной работе был использован микроскоп J£M 6460 LV (разрешение 3 им), при /:ом дмх создания ни иолерхиосш скола .»леллроиронодищею по*.иы1нл применялось напыление серебра в условиях высокого вакуума.
Плтжхгк опржи.ок изучили ыпндим i идрск-i лгичегкит к-шешинання ни инали i нчтих иесах VTRR-FTR с: точностью измерения 0,0С01 rfcht.
iv. Результаты экспериментов
Микроскопические нсслсдования выявили различия в морфологии композитов. Ланныс электронной мнкрэ-ехшшм икмиигиш, чю модифицированный кишюш:. полученный бе* улыуачиуноаий oGpaGoiioi. имеег неодио-рох-юс строение. Он составлен нз различных по форме нанообьсктев Кроме этого, в оЪразпс наблюдаются агломераты из частиц размерами менее 2 нм. покрывающие плотным слоем многие кристаллиты (рис. 1).
Т5»«- 1 Микрофо и)1 рафии ппря-а ;л шмнчгрлфшр-пиигни м^(ифи1(И1К1К<1НН!И1> Ш и нзготовлетасго по технологии статического холодного прессования
В модифицированном композите, полутешюм с ультразвуковой обработтссй. кристаллиты обладают особой морфологией. Они характеризуются сложным строением - слоистые протяженны? структуры. составленные кз блоков размерами около 50 им. и ианичасгшы размерами 1 - 5 им (рис. 2). На разлиме образца ПКМ залкмиы наночастицы более плотные, чем остальные, образующие вкрапления в крнсталлнт
¡£ Н<и иСМми амз Юл-
11Л>Х']
1. Микрофотография образца политетрафторэтилена, мэдифпцировгиного нитридом бора, изготовленного ультразвуковым прессованием
Второй пш объектов, наблюдаемых в таком сошюзвте - цепочные структуры, составленные Ю блоков шириной 50 - 100 нм (рис. 3). Можно предположить. что цепочечные структуры, наблюдаемые лрн исследовании морфологии этого образца, относятся к фрагментам надмолекулярной структуры ПТФЭ. образовавшихся в ре зультатс ультразвуковой обработки. Эта фрагменты содсржаг шОьггок атомов углерода. В составе молекул ПТФЭ углерода меньше чем фтора, в два раза.
Ри:- 3 Ми1]кх[иш<1]м||ич()Г1|1и:<1и шиипприфшр-п^лгни модифицированного нитридом бора 5 мас.%. изготовленного ультразвуковым прессованием
Птиггтг С ТГМ Необходимо ОПЧГГТИТЪ ЧТО помрхногтъ пбрКЩПЯ полимерного комполициоялпго мятгрилпл
наготовленного холощплм статическом прессованием, более рыхлая и пористая; отсутствуют явно определен ны: Еракицы ойрал-'вашш. ¿.оюрые можно идснтфндирииа1ь пах (.фери.ыл». (р**.. 4). Оп.у1С;в)кч крисгалли-ческкс образования вблизи поверхностей частил наполнителя.
Молаю сказать, что посышепн? износостойкости полимерного композиционного материала в результате ультразвуковой обработки во многом определяется образованием в матрице сферолитоз. различных по форме и размерам.
В композиционном материале, по лучением по технологии ультразв^-сового прессования, народу с надмолекулярными обрачиканиими. I рисущнми ПТ£>Э к мафнцг емшаружнкакггги учаегки исшимгра п> пручурпн, нг характерной для чистого 11ГФЭ. которкс могут быть идснтифшгароЕаны как сильно дефектные еферолкты неправильной формы (рнс. 5).
Частицы нитрида бора, скорее вссго. екижпют поде ижн ость слоев политетрафторэтилена, что. в свою очередь может способствовать увеличению износостойкости синтезированного композиционного материала на его огнгтг Б хглточи-типнчом т.тлтгрил.тгг гичтгзнргтлкном на гптимлльнттх ргжимах улътрлзиугокот преггочл-шш. наблюдается обьешллп конта1ст между частицами шгтрида бора, что и определяет основную тенденцию лилученим ¿алинлол илру*.1 \ры и ее ьзалмиснизи с фнл1ко-меланичес1Л1мн снишлвами.
С повышением концентрации наполнителя уменьшается объем полимера. участвующего ео взаимодействии с МВ. и. следовательно, увеличивается доля более прочного переходного слоя, вплоть до реализации эффекта самиарм.кр.ша.411>1 полимера. сшдюжтдинцщатис* усилением меАмилехулмрно. и в^акллодейигвкх В ре^ульгаи? полимер приобретает структуру, схожую с сетчатым полимером, где упрочняющая фаза, при хорошем адгезионном взаимодействии с матрицей, выполняет функцию узлов сеткн. препятствующих перемещению полимерных цепей (рнс. б).
Рис. 4. Поверхность образца 11КМ пзгстоелснного холодным статическим прессованием
Риг 5 Говгрхипоть гколл оорлягл иолпгггтрлфтпрчтилгнл модифицированного нитридом бора, нзготовлешюго ^льтрззвуковим прессованием
Рис. 6. Структура политетрафторэтилена, модифицированного >ÍB 5 мае. %
Установленная разница в структурах обусловлена большими объемными изменениями ЛТФ9, практически не связанного дополнительным адгезионным взаимодействием с МЗ при плавлении кристаллической фазы в гтатичегги спрессованных материалах Это ene рая подтаерждает лучшее нтяимодерепше ТТТФЭ г NR при ультразвуковой обработке и монолЕТИзацню полимера с меньшими объемными изменениями а следовательно, с малой усадкой при спекании, что особенно важно при производстве композиционных изделий с NB а также образование каркаса при ультразвуковой обработке при наполнении его около 5 мае. % и его преимущественное плияпне на свойства материала (рис. 8).
Результат проверенных исследовании скола образцов, изготовленных холодным прессованием, показал, что на поверхности скопа наблюдали гея нсос.и>шие даковины и иуешхы (рис. 7).
Рис. 7. Микрофотография образца политетрафторэтилена, содержащего 5 масс. %NB. изготовленного статическим холодным прессованием
IIa поверхности скола образцов, изготовленных ультразвуковым прессованием, пустот и раковин не наблюдаете í (риг 8)
Рис. 8. Микрофотография образца полгггетрафторотилеиа. содержащего 5 масс. 3/oNB. изготовленного ультразвуковым прессованием
Уменьшение дефектности структуры композита з результате ультразвуковой обработки должно приводить к покытпентпо его плотности С ттчш целью прлиелн изучение игаяши ультряччзтговой обработки на изменение плотнсстн получаемых ПКМ.
Резульггиы изучения шклнос.и сшшзируемыл материалов приведены рис. S.
2.2 -i
Кошснпззиия нигоида бооа.%
—»-безул лрмв/ка -ш-с улитэгив/гамл
Рис. 9 Влияние ультразвуковой обработки н конт^ктраттта наполнителя на шютнопт, композит-ипниого материала
Как видно, плотность образцов с содержанием нитрида бора в 5 мае. %. изготовленных ультразвуковым прессованием, ин 9 % выше, чем у аналогичны*, образцов, изготовленных холодным прессованием. что подтверждает результаты дефектности структур, полученные электронной микроскопией.
Плотность полигетрафторст:1ле11а и нитрида бора практически одшкдеовая 2,18 г/см3, следовательно, ком позиционный материал на основе политетрафторэтилена, модифицированный нитридом бора, в идеале должен иметч такую же «теоретичесvyro у плотность (риг 10)
/
■ lcopcm-ссизп плот! осп.
■ Пло-тстъ ультоазюепрессование
■ ruo-iiocn кол одно: rpcccocai ис
Рис. 10. Относительная плотность композиционного материала
Изучение качества отпрессованных образцов нз композиции на основе политетрафторэтилена с Ь мае. % нитрида бора показало, что максимально достигаема! относительная плотность 96 % наблюдается у материала изготовленного ультраззуковым прессованием. Полимерный композиционный материал, изготовленный статическим холодным прессованием, имеет относительную плотность 88%.
V. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Полученные результаты подтверждают низкую адгезионную прочность ПКМ с наполнителем, синтезируемого без ультразвукового воздействия, который играет роль дефектов и способствует разрыхлению композиционной смеси в отличие от ПКМ обладающего высокой адгезионной прочностью композиций после ультразвуковой обработки. Вероятно, что при спекании статически спрессованных образцов происходит резкое изменение напряженно-деформированного состояния полимера, в результате чего происходит разрыв слабых ажезнойных связен полимер - NB и после охлаждения по границам металлических частиц могут образовываться поры. что подтверждается более ншкой их плотностью при спекании в свободном состоянии в отличие от материалов после ультразвуковой обработки.
Ультразвуковая обработка ведет к заметному увеличению плотности исследуемых композитов. 'Этот результат находится в согласии с данными по исследованию надмолекулярной структуры композитов до и после ультразвукового воздействии. Ультразвуковая обработка композитов на основе ПТФЭ приводит к кардинальному изменению морфологии полимера, запускает процесс реорганизации структур. Надмолекулярная структура становится более однородной, значительно снижается пористость, а часшцы наполнителя при этом выступают в качестве структурообразующих факторов - центров зародышеобразоваяня сферолитов.
vi выводы и заключение
Исследование влияния ультразвуковой обработки на структуру прессуемых материалов из полимерных композиций свидетельствует о возникновении межмолекулярного взаимодействия в поверхностных слоях частиц порошка. 410 активирует процесс последующего спекания. По сравнению со статическим прессованием активация фазового перехода в обработанном ультразвуком ПТФЭ подтверждается более интенсивным изменением его плотности, прочности и твердости, достижением плотности монолитного материала.
Поведение полимеров при спекании является следствием происходящих прн ультразвуковой обработке структурных изменений и обусловлено понижением термической устойчивости кристаллических образований и их меньшей дефектностью, а также усилением межмолекулярного взаимодействия, вплоть до сшивания, прн ультразвуковом воздействии.
Проведенные исследования доказывают, что прессование полимерного композиционного материала с применением ультразвуковых колебаний является активным технологическим приемом, повышающим эффективность модификации структуры матрицы н оказывающим существенное влияние на процессы структурообразо-вания в ней.
список литературы
1. Машков Ю. К.. Кропошн О. В.. Шилько С. В.[н др.] Формирование структуры и свойств антифрикционных композитов модификацией политетрафторэтилена полиднсперсными наполнителями // Ma гериаловеденне. 2015. № 1 С. 22-25
2. Петрова П. H . Охлопкова А. А., Федоров А. Л. Перспективность использования отработанных моторных масел для повышения износостойкости ПТФЭ// Трение н износ. 2015. Т. 36. № 1. С. 14—20.
3. Машков Ю. К., Еремин Е. Н., Негров Д. А. Влияние энергии ультразвуковых колебаний на структуру и свойства полимерных композиционных материалов //Материаловедение. 2013. №3. С 42 —45.
4. Машков Ю. К., Кропотин О. В.. Шилько С. В. [и др.] Самоорганизация и структурное модифицирование в металлополимерных трибосистемах. Омск. 2013. 232 с.
5. Kegrov D. А., Егешш Е. К. Manufacture of Slip Bearings from PTFE-Based Composite // Russian Engineering Research 2012. VoL 32, no. 1. P. 42—44. = Allerton Press, Inc. Original Russian Text. D. A. Negrov, E. N. Eremiti. 2012, published in Yestnik Mashinostroeniya. 2012. No. 1. P. 49-52. DOI: 10.3103/S106S79SX12010212
6. Eremni E. N., Negrov D. A Development of a technology for the fabrication of articles made of complex-modifiend polytetrafhioroetliylene for dry* friction assemblies // Chemical and Petroleum Engineering. 2014. Vol. 49. no 9-10. (Russian Original No 9-10. Sept-Oct., 2013) DOI: 10.100 7/s 105 56-014-9822-0
7. Negrov D. A.. Eremin E. N. Effect of ultrasonic vibrations on changing the mechanical and Iribological properties of polytetrafluoroethylene modified with boron nitride И Dynamics of Systems. Mechanisms and Machines (Dynamics), 2014. 11-13 Nov. P. 1—1 DOI: 10.1109Tmiamics. 2014.7005636
S. Негров Д. А., Еремнн E. H. Исследование влияния ультразвуковых колебаний на структуру и механические свойства полимерного композиционно го материала // Омский научный вестник. 2011. № 2. С. 17-20.
