Химия и химические технологии / 1. Пластмассы, полимерные и синтетические материалы, каучуки, резино-технические изделия, шины и их производство

К.т.н. Чигвинцева О.П., Жила П.А., Буряк А.Е.

Днепропетровский государственный аграрно-экономический университет, Украина

УГЛЕПЛАСТИКИ НА ОСНОВЕ СЛОЖНОГО ПОЛИЭФИРА

Сложные ароматические полиэфиры – полиарилаты (ПАР) представляют собой новый класс высокомолекулярных соединений, обладающих рядом ценных свойств. Указанные полимеры отличаются высокими термо-, химической и теплостойкостью, хорошей механической прочностью и электрическими свойствами [1, 2]. Благодаря комплексу улучшенных характеристик ПАР нашли широкое применение в различных отраслях промышленности: в качестве изоляционного и конструкционного материалов – в радио- и электропромышленности; благодаря высокой механической прочности и устойчивости к ионизирующим излучениям литьевые ПАР используются в приборостроении; для изготовления термостойких волокон; лаки на основе ПАР нашли применение в качестве антикоррозионных покрытий; антифрикционные самосмазывающиеся материалы на основе ПАР используются в машиностроении и приборостроении в качестве подшипников скольжения и качения, работающих в глубоком вакууме без смазки; абразивостойкие материалы и покрытия на основе ПАР применяются в авиационной, автомобильной промышленности и в сельскохозяйственном машиностроении [3, 4].

Одним из наиболее перспективних представителей указаного класса полимеров является ПАР марки ДВ-102, представляющий собой сложный ароматический полиэфир на основе дифенилолпропана и смеси изо- и терефталевой кислот [2].

С целью создания новых полимерных композиционных материалов конструкционного назначения ПАР марки ДВ-102 армировали низкомодульным углеродным волокном (УВ) марки Углен-9 (ТУ 6-06-И67-81) в количестве 10 мас. %. Основные характеристики волокнистого наполнителя представлены в таблице 1.

Таблица 1. Cвойства волокна Углен-9 [5]

Диаметр волокна, мкм	7 - 9
Влажность волокна, %	3
Содержание углерода, вес. %	90
Прочность элементарного волокна, МПа	350
Прочность при разрыве, МПа	500
Модуль упругости ´ 10^-3, МПа	15
Удельное электрическое сопротивление, Ом × см	0,22 ± 0,06

Результаты комплексных исследований по изучению основных теплофизических, физико-механических и трибологических свойств разработанных углепластиков (УП) свидетельствуют о том, армирование полиэфирного связующего Угленом позволяет существенно повысить его основные эксплуатационные характеристики.

На первоначальном этапе исследований были изучены теплофизические свойства связующего и УП. Учитывая то, что удельная теплоемкость является интегральной характеристикой тепловой подвижности молекул полимеров, она зависит от влияния не только межмолекулярных степеней свободы, но и внутримолекулярных (конформационных) степеней колебательной свободы макромолекул, которые изменяются в результате адсорбционного связывания сегментов с поверхностью наполнителя. В нашем случае, введение в состав полиэфирного связующего УВ приводит к появлению в системе незначительных гра-ничних областей полимера вблизи поверхности наполнителя, подвижность макромолекул которых в некоторой степени ограничена, что и обеспечивает снижение теплоемкости УП в среднем на 10-12 % во всем исследованном температурном интервале (рис. 1а) [6]. Температурные кривые удельной теплоемкости исследованных материалов имели идентичный характер: при температу-рах 323-423 К наблюдалось монотонное возрастание теплоемкости, а в области

а	б
Рис. 1. Температурные зависимо-ти удельной теплоемкости (а), коэффициентов тепло- (б) и температуропроводности (в) полиарилата (1) и углепластика на его основе (2)
	в

перехода материалов из стеклообразного в высокоэластическое состояние (498-523 К) происходил ее интенсивный рост, связанный с ростом сегментальной подвижности макромолекул полимеров. Обращает на себя внимание тот факт, что разработанные УП отличались более высокими (в среднем более, чем на 30 %) значениями коэффициента теплопроводности по сравнению со связу-ющим (рис. 1б). Температурные зависимости температуропроводности, которая является мерой “эффективной” cкорости выравнивания температурных полей в полимере [7], являются типичными для аморфных полимеров: во всем исследованном температурном интервале наблюдается ее снижение в среднем на 25 % (рис. 1в). Разработанные УП имели также болем высокую (на 7 градусов) теплостойкость по Вика и более низкий (на 35 %) температурный коэффициент линейного расширения в области температур 298-323 К.

Наряду с теплофизическими свойствами повышаються также физико-меха-нические характеристики композитов (рис. 2а, б): обнаружено увеличение предела прочности при сжатии и твердости по Бринеллю УП по сравнению с полиэфиром (на 14 и 19 МПа соответственно).

а

б

Рис. 2. Физико-механические характеристики полиарилата и углепластика на его основе: предел прочности при сжатии (а) и твердость по Бринеллю (б)

Наиболее эффективно влияет армирование полиэфира волокном Углен на трибологические свойства композитов: УП, содержащий 10 мас. % УВ, имел в 2,2 раза более низкий коэффициент трения и почти в 24 раза более высокую износостойкость по сравнению с ПАР (рис. 3а, б).

а

б

Рис. 3. Трибологические свойства полиарилата и углепластика

на его основе: коэффициент трения (а) и интенсивность

линейного изнашивания (б)

Таким образом, на основании проведеннях исследований можна заключить, что армирование сложного полиэфира ПАР волокном Углен позволяет получить УП конструкционного назначения с улучшенными теплофизическими, физико-механическими и трибологическими свойствами. Разработанне УП можна рекомендовать к эксплуатации в качестве материалов антифрикционного и конструкционного назначения в узлах трения подвижных сочленений машин и механизмов.

Литература:

1. Коршак В.В., Виноградова С.В. Полиарилаты. – М.: Наука, 1964. – 69 с.

2. Аскадский А.А. Физико-химия полиарилатов. – М: Химия. – 1968. – 216 с.

3. Кацнельсон М.Ю., Балаев Г.А. Пластмассы: Свойства и применение. Справочник. Л.: Химия, 1978. – 384 с.

4. Кацнельсон М.Ю., Балаев Г.А. Полимерные материалы. Справочник. Л.: Химия, 1982. – 316 с.

5. Конкин А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. М. : Химия. – 1974. – 376 с.

6. Липатов Ю.С. Физическая химия наполненных полимеров. М.: Химия. – 1977. – С. 99.

7. Теплофизические свойства полимерных материалов / А.П. Пивень, Н.А. Гре-чаная, И.И. Чернобыльский. К.: Вища школа. – 1976. – 180 с.