CC BY
99
УДК 678.046:678.073
Б. Е. Байгалиев, А. В. Черноглазова, С. В. Темникова,
И. Р. Тимербулатова, Д. Р. Биктимиров
ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ РАЗЛИЧНОГО ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Ключевые слова: полимерные материалы, порошок, пористость, энергозатраты, удельный вес, температура
спекания, плотность, микротвердость.
Предложен способ изготовления изделий из порошковых полимерных материалов с целью уменьшения энергозатрат и удельного веса материала за счет получения пористой структуры. Исследовано влияние температуры спекания изделий на пористость и механические свойства.
Keywords: polymeric materials, powder, porosity, energy consumption, specific weight, sintering temperature, density,
micro hardness.
A method to fabricate products from the powder polymer materials, which aim to decrease the lost of energy and the specific weight of material by using porous structures. Investigated the effect of sintering temperature of products on the porosity and mechanical properties.
Тенденции развития современной техники характеризуются, прежде всего, резким повышением требований к качеству и эксплуатационным свойствам изделий и конструкций при снижении себестоимости их производства.
В настоящее время соотношение металлов и неметаллов в мировом потреблении оценивается приблизительно 45:55, в ближайшем будущем прогнозируется изменение этого соотношения до 25 : 75. Причем в объеме потребления неметаллов доля пластических масс растет наиболее интенсивно (2-3 % ежегодно).
Увеличение объемов выпуска и применения полимерных материалов по сравнению с другими материалами объясняется их преимуществами: невысокой плотностью,
возможностью регулирования свойств путем введения различных модифицирующих добавок (наполнителей, пластификаторов, стабилизаторов и др.), высокими диэлектрическими свойствами, усталостной и химической стойкостью, антифрикционными свойствами и дешевизной исходного сырья, имеют высокую технологичность, поскольку при переработке в готовые изделия отличаются малой операционностью и низкой энергоемкостью. Например, последний показатель у полимерных материалов по сравнению с титановыми сплавами ниже в 20 раз, с алюминиевыми - в 5 раз, со сталью - в 3 раза. Одновременное снижение эксплуатационных затрат на антикоррозионную защиту, смазку и замену изношенных деталей делает выбор полимерных материалов не только экономически наиболее предпочтительным, но часто и единственно возможным. Отсюда и неуклонный рост объемов применения полимерных материалов во всех отраслях современной промышленности.
Известны способы переработки полимерных материалов и изготовление изделий из них, которые можно классифицировать на основании физического состояния материала в момент формования:
- формование из полимеров, находящихся в вязко-текучем состоянии, (литье под давлением, экструзия, прессование и др.);
- формование из полимеров, находящихся в высоко-эластическом состоянии, обычно с использованием листов или пленочных заготовок (вакуумформование, пневмоформование, горячая штамповка и др.);
- формование из полимеров, находящихся в твердом (кристаллическом или стеклообразном) состоянии, основанное на способности таких полимеров проявлять высокоэластичностъ вынужденную (штамповка при комнатной температуре, прокатка и др.).
Получение изделий перечисленными способами связано с высокой материалоемкостью и большими энергозатратами [1, 2].
Предметом наших исследований является возможность применения порошковых полимерных материалов для получение изделий с малыми удельным весом и энергозатратами. Предлагаемый способ изготовления изделий из порошковых полимерных материалов заключается в холодном прессовании заготовок в закрытой форме, последующем их спекании и охлаждении. Причем спекание заготовок проводят при температуре ниже температуры плавления полимера. Предлагаемый способ позволяет изготавливать изделия из порошковых полимеров даже в тех случаях, когда температура плавления полимера близка к температуре деструкции.
В качестве полимерного порошка использовали пентапласт. Пентапласт
[—СН2С(СН2С1)2СН2О—]п. - бесцветный термопласт, со степенью кристалличности 20-30%, плотностью 1.4 г/см3, температурой плавления 1800C, твердостью по Бринеллю 80-110 МПа [3].
Прессование заключается в деформировании некоторого объема порошкового тела обжатием, при котором происходит уменьшение первоначального объема и формирование заготовки (прессовки) заданной формы, размеров и свойств. При приложении давления 0.5-1.0 МПа к порошку его частицы пытаются занять наиболее устойчивое положение, что сопровождается их контактным смятием и сдвигом. Объем порошкового тела при прессовании уменьшается (относительная плотность порошкового тела увеличивается) в результате смещения отдельных частиц в пустоты между ними и за счет деформации частиц. Если после прессования заготовка обладает достаточной прочностью, то ее вынимают из пресс-формы и спекают. В противном случае процесс спекания заготовки проводится в закрытой пресс-форме. Пресс-форму с изделием помещают в печь для дальнейшего нагрева до температуры ниже температуры плавления полимера с выдержкой при температуре спекания до полного прогрева по всему объему. После спекания пресс-форму охлаждают до температуры стеклования полимера, раскрывают и изделие вынимают.
Для исследования влияния tcn на механические свойства изделий из пентапласта полученных по данной технологии и их материалоемкость, были изготовлены образцы, температура спекания которых составляла 0,8-tm, 0,66Чпл,, 0,4-W, где tm - температура плавления полимера.
Материалоемкость изделий была охарактеризована двумя независимыми способами: определение пористости поверхности образцов, и определение плотности образцов.
Для определения пористости структура образцов была исследована с помощью оптического микроскопа Axiovert200. На рисунке 1 представлены полученные фотомикрографы, снятые при 50х увеличении. Количественный анализ изображений был проведен с использованием программного обеспечения Image Processing System (IPS). Данная программа позволяет определить пористость, количество пор на единицу площади, их средний
эквивалентный радиус Rep. Пористость е определили по формуле: з ™ где F06p -
площадь образца, F^n0p - суммарная площадь пор.
Фотомикрограф образца с Ъш=0,4^пл (рис. 1в) при обработке программой IPS
представлена на рисунке 2.
Результаты количественного анализа структуры поверхности образцов представлены в таблице 1. Из таблицы видно, что с увеличением температуры спекания пористость снижается, уменьшается количество пор на единицу площади, при этом средний эквивалентный радиус остается постоянным в переделах стандартного отклонения.
Для образца с tcn=0,66- tm была также определена плотность. Плотность определяли дилатометрическим методом. Измерения плотности образца при комнатной температуре проведены методом гидростатического взвешивания на аналитических весах АДВ-2М. В качестве иммерсионной жидкости использован изооктан эталонный ГОСТ 12433-83. Предел допускаемой основной погрешности не превышал 0,1%.
а б в
Рис. 1 - Фотомикрографы образцов (50цш х 50цш): а) образец с температурой спекания 0,8 1пл; б) образец с температурой спекания 0,66 1пл; в)образец с температурой спекания
0,4 !пл
Рис. 2 - Фотомикрограф образца изображенного на рисунке 1в при обработке программой IPS
Таблица 1 - Количественный анализ структуры поверхности образцов
Температура спекания tcn [GC] Количество пор на единицу площади [шт/мм2] Средний эквивалентный радиус, Rcp [мкм] Пористость, S [%]
)n n t ,4 (0, 2 7 143,8-103 0,41 14,15
119 (0,66 tnn) 33,4-103 0,44 2,98
)n n t ,8 4 4 7,8-103 0,47 0,70
В результате измерений было определено, что плотность этого образца составила 0,94-ро, где: ро - плотность образца, полученного при температуре 1сп = 1пл .
Обе методики оценки материалоемкости показывают, что предлагаемый способ изготовления при 1сп=0,66- 1пл позволяет уменьшить материалоемкость изделий из
порошковых полимерных материалов на 3-6%.
Отличия в результатах полученных разными методиками можно объяснить тем, что измерение плотности производилось в общем объеме, а анализ пористости на поверхности образца, где 1сп вероятно была выше, чем в глубине образца, в результате чего спекание было более сильным и количество пор меньшим, чем в объеме.
На рис. 3 рассмотрено влияние температуры спекания 1сп на микротвердость изделий Нц. Микротвердость Нц полученных образцов определена на микротвердомере НХ 1000-ТМ.
ten
Рис. 3 - Влияние температуры спекания tcn на микротвердость изделий Иц
Снижение температуры спекания приводит к увеличению пористости материала, что снижает материалоемкость, но в тоже время приводит к снижению твердости изделий. Использование tcn=0,66- tm для изготовления изделий из пентапласта позволяет снизить материалоемкость минимально ухудшая механические свойства изделия.
Таким образом, предложен способ изготовления образцов композитных полимеров, включающий смешивание компонентов, холодное прессование заготовок и последующее их спекание, позволяющий уменьшить энергозатраты, за счет уменьшения давления прессования и снижения температуры нагрева спекаемого материала.
Найдена оптимальная температура спекания tcn для изготовления изделий из пентапласта, составляющая 0,66-tm полимера позволяющее снизить материалоемкость изделия на 6 %.
Предложен метод определения пористости с использованием программного обеспечения Image Processing System (IPS).
Предлагаемый способ изготовления может быть применен для получения изделий различного функционального назначения из порошковых полимерных материалов.
На данный способ получен патент РФ №2404055, МПК C08J51/00, В29С43/56 опубликованный 20.11.2010.«Способ изготовления изделий из порошковых полимерных материалов».
Литература
1. Справочник по пластическим массам, под ред. В.М. Катаева, 2 изд., т. 1. - M., 1975;
2. Мулин Ю.А. Защитные покрытия и футеровки на основе термопластов. - Л., 1984.
3. Мулин Ю.А., Ярцев И.К. Пентапласт. -Л., 1975.
© Б. Е. Байгалиев - д-р техн. наук, проф. каф. теоретических основ теплотехники КГТУ им. А.Н.Туполева; А. В. Черноглазова - канд. техн. наук, доц. каф. материаловедения, сварки и структурообразующих технологий КГТУ им. А.Н.Туполева; С. В. Темникова - канд. техн. наук, доц. каф. математики, Луганский нац. ун-тет им. Т. Шевченко; И. Р. Тимербулатова - канд. техн. наук, доц. каф. социальной работы, психологии и педагогики КГТУ, kaspp@mail.ru; Д. Р. Биктимиров - асп. каф. теоретических основ теплотехники КГТУ им. А.Н.Туполева.
