Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка способов повышения адгезионной прочности между комопнентами полимерных композиционных материалов

Сведения об участнике
ФИО
Данилова Сахаяна Николаевна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Композитные материалы
Тема
Разработка способов повышения адгезионной прочности между комопнентами полимерных композиционных материалов
Резюме
Представлены результаты исследования полимерных композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и базальтового волокна (БВ). Исследованы структурные, физико-механические, триботехнические, и термодинамические свойства композиционных материалов. Показано, что модифицирование СВМПЭ базальтовым волокном, способствует повышению эксплуатационных характеристик материала. Изменения физико-механических и триботехнических свойств ПКМ согласуются с результатами структурных исследований.
Ключевые слова
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), базальтовое волокно (БВ), полимерные композиционные материалы (ПКМ), адгезионная прочность, механоактивация, модификация,
Цели и задачи
Целью данной работы является разработка способов повышения адгезии между СВМПЭ и БВ.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Провести литературный обзор по тематике работы;
2. Освоить технологию получения полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе СВМПЭ, наполненным базальтовым волокном (БВ);
3. Исследовать физико-механические, структурные и термические характеристики ПКМ в зависимости от содержания наполнителя.
4. Разработать материалы с повышенной износостойкостью.
Введение

Актуальность изучения полимерных композиционных материалов (ПКМ), обусловлена тем, что в Северных регионах холодного климата, в связи с низкими температурными условиями для эксплуатации техники необходимы морозо- и износостойкие материалы для оптимальной работы горнодобывающей промышленности и транспортных средств. Применение их в ответственных узлах трения техники позволяет решить проблему повышения работоспособности деталей (подшипников, втулок, муфт, шестерен, звездочек и т. д.). Кроме того, ПКМ обеспечивают экономию металлов и сплавов, повышая ресурс деталей.

Методы и материалы

В качестве объекта исследования был выбран СВМПЭ марки Celanes GUR, а в качестве наполнителя - природное БВ производства ОАО "Завода базальтовых волокон" (г. Покровск, Республика Саха (Якутия)).

Были исследованы различные способы модификации БВ: механоактивация в планетарной мельнице АГО-2, обработка поверхности аапретом и поверхностно активным веществом (ПАВ). В качестве аппрета использовали g-аминопропилтриэтокси силан (силан А 1100), а в качетсве ПАВ - цетилтриметиламмоний бромид (ЦТАБ) с добавлением мочевины. Кроме этого, использовали совметсную механоактивацию компонентов в плнетарной мельнице "Пульверизетте-5" в течение 2 и 20 мин.

Образцы получены методом горячего прессования. Физико-механические свойства ПКМ исследовали на разрывной машине "Shimadzu AGS-J" по ГОСТ 11262-80 при скорости движения подвижных захватов 50 мм/мин (количество образцов на испытания - 6-8).

Триботехнические характеристики определяли на трибометре UMT-3 согласно ГОСТ 11629-75 по схеме трения "палец-диск", при нагрузке 150 Н и скорости скольжения 1 м/с.

Структурные исследования проводили на: ИК-Фурье спектрометре FTS 7000 "Varian", растровом электронном микроскопе JSM-7800FX фирмы JEOL, дифрактометре ARL X'TRA.

Термодинамические свойства исследовали на дифференциальном сканирующем калориметре DSC 204 F1 Pheonix "NETZSCH".

Описание и обсуждение результатов

Воздействие базальтовых волокон на полимерную матрицу СВМПЭ направлено, прежде всего, на улучшение физико-механических и триботехнических характеристик, что связано с возможностью волокон армировать связующее, ограничивая подвижность молекулярных цепей или их сегментов, проявлять когезионные и адгезионные взаимодействия. В связи с этим были иследованы физико-механические и триботехнические характеристики ПКМ.

На основании полученных результатов физико-механических и триботехнических исследований ПКМ установлено, что наиболее оптимальный вариант модификации наблюдается при механоактивации БВ: предел прочности повышается на 39-42 %, относительное удлинение остается на уровне исходного СВМПЭ, при этом линейный износ уменьшается в 4,6 раза и коэффициент трения не повышается. Полученные результаты можно объяснить исследованиями надмолекулярной структуры ПКМ на растровом электронном микроскопе (РЭМ). Кроме того исследовали на РЭМ мест разрыва ПКМ, после испытаний на разрывной машине. Показано, что обработка химическими веществами (силан и ПАВ) способствует полному прилипанию полимерной матрицы на поверхности волокон.

Было исследовано структура поврехностей трения ПКМ на РЭМ и на ИК-спектрометре. Анализ ИК-спеткров композитов выявил появление новых кислородсодержащих функциональных групп  (оксо- и карбокси-), что свидетельствует о протекании трибоокислительных процессов при трении. В спектра у композитов содержащих активированное БВ и у ПКМ, модифицированной ЦТАБ и полученных методом совместной механоактивацией, отмечается снижение интенсивности этих пиков, что свидетельствует об ингибировании окислительных процессов. Полученные результаты рентгено-спектрального анализа указывают об участии контртела в процессах трибоокисления.

Для оценки влияния способов модификации СВМПЭ провели термодинамические исследования, а также рентгено-спектральный анализ. Введение БВ в СВМПЭ приводит к некоторому снижению теплоты плавления композитов, что свидетельствует об уменьшении подвижности макромолекул полимера в раплаве вследствие взаимодействия с поверхностью БВ. Температура плавления ПКМ практически не меняется. Это связано с тем, что показания сняты при небольшой скорости нагревания (2оС/мин) в изотермических условиях. Из рентгнодифрактограмм следует, что форма и размер пиков не меняется, следовательно, кристаллическая структура композитов остается неизменной в зависимости от способа модификации.

Исходя из проведенных иссследований установлено, что все использованные в работе методы повышения адгезии БВ к полимеру приводят к повышению эксплуатационных показателей. Разработаны новые способы модификации БВ, способствующие повышению адгезии волокон с СВМПЭ на границе раздела фаз, и новые рецептуры материалов триботехнического назначения.

 

 

Используемые источники
1. Баженов Л. С. Механика и технология композиционных материалов: Научное издание. Долгопрудный: «Интеллект». 2014.
2. Iu. V. Kirillina, L. A. Nikiforov, A. A. Okhlopkova, S. A. Sleptsova, Cheonho Yoon, and Jin-Ho Cho. Nanocomposites Based on Polytetrafluoroethylene and Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene: A Brief Review // Bull. Korean Chem. Soc. 2014, Vol. 35, No. 12, P. 3411-3420.
3. Соболева О. А. Влияние рН, добавок карбамида и бромида натрия на гестерезис смачивания в системе водный раствор ЦТАБ-стекло // Вестник Московского университета. 1999, Серия 2, Химия, №4/том 40.
Information about the project
Surname Name
Danilova Sakhayana Nikolaevna
Project title
Development of ways to increase the adhesion strength between the components of polimers composites materials
Summary of the project
The aim of this work is the creation of new polymer composite materials with high strength and tribological characteristics.
Results of the study of polymer composites based on ultrahigh molecular weight polyethylene and basalt fibers are presented. Structure and mechanical, tribological, and thermodynamic properties of composite materials are investigated. Modification of UHMWPE by basalt fiber increases operational characteristics of the material. Changes of physical-mechanical and tribological properties of the PCM are consistent with the structural studies.
Keywords
ultrahigh-molecular-weight polyethylene (UHMWP), basalt fiber (BF), polymer composite material (PCM), adhesive streng, modification, mechanical activation