Химия и химические технологии / 1. Пластмассы,

полимерные и синтетические материалы, каучуки,

резино-технические изделия, шины и их производство

К.т.н. Чигвинцева О.П., Радионов А.Ю., Пузик А.В.

Днепропетровский государственный аграрно-экономический университет

ДИСПЕРСНО-НАПОЛНЕННЫЕ КОМПОЗИТЫ

НА ОСНОВЕ СЛОЖНОГО ПОЛИЭФИРА

Интенсивное развитие различных отраслей техники вызывает необходимость в создании новых полимерных композиционных материалов (ПКМ) с улучшенным комплексом свойств: повышенными прочностью, теплостойкостью и теплопроводностью, низкими значениями коэффициента трения и теплового расширения. Одним из эффективных методов достижения необходимых свойств является армирование полимерных материалов дисперсными наполнителями.

К числу перспективных термопластичных полимерных связующих отно-сится сложный ароматический полиэфир полиарилат (ПАР). Полиарилат – аморфный полимер, который наряду с высокой тепло- и термостойкостью обладает отличными диэлектрическими свойствами, повышенной химической стойкостью и морозостойкостью. Одной из областей применения полиэфира являются детали узлов трения. Изделия из ПАР в узлах подвижных сочленений машин и механизмов могут эксплуатироваться длительное время при температуре 160-180ºС и кратковременно – при 230ºС. Однако ненаполненный ПАР марки ДВ имеет достаточно нестабильные триботехнические характеристики из-за высокой величины адгезионной составляющей силы трения [1, 2].

Учитывая вышеизложенное, с целью создания новых ПКМ конструкционного назначения с улучшенными триботехническими характеристиками ПАР марки ДВ армировали дисперсным наполнителем в количестве 5 и 10 мас. %. Композиции ПАР и дисперсного наполнителя (НП) получали методом сухого смешения во вращающемся электромагнитном поле, а перерабатывали – методом компрессионного прессования.

На первоначальном этапе исследований представляло научный интерес изучить основные теплофизические свойства пластиков. Определение удельной теплоемкости (С_р) и коэффициента теплопроводности (l) ОП производилось на измерителях ИТ-С-400 и ИТ-l-400 согласно ГОСТ 23630.1-79 и 25630.2-79 в интервале температур 273-523 К. Изучение триботехнических свойств разработанных композитов производилось на машине трения СМЦ-1 в режиме сухого трения при удельных нагрузках 0,5-1,5 МПа и скорости скольжения 1,0 м/с; путь трения составлял 1 км, в качестве контртела был использован диск, изготовленный из стали 45 с твердостью после термообработки 50 HRC_э. Определение разрушающего напряжения при сжатии, относительных деформаций при разрушении ПАР и ПКМ на его основе проводили согласно ГОСТ 4651-78 на испытательной машине FRZ-100/1.

Данные теплофизических исследований ПАР и ПКМ на его основе показали, что температурные зависимости удельной теплоемкости (С_р) (рис. 1) имели аналогичный характер: при области температур 298-448 К наблюдалось монотонное повышение теплоемкости, обусловленное поглощением энергии, которое связано с увеличением подвижности кинетических элементов макромолекул полимеров при нагревании [3]. В области температур 448-498 К на кривых проявлялся скачок удельной теплоемкости DС_р, характеризующий область перехода исследованных материалов из стеклообразного в высокоэластическое состояние, после чего данный теплофизический показатель резко снижался.

В результате исследований установлено, что скачок теплоемкости DС_р (табл. 1) в области перехода композитов из стеклообразного состояния в высокоэластическое, уменьшался с ростом степени армирования ПАР. Согласно [4] величина скачка теплоемкости DС_р может служить полуколичественной мерой относительного содержания граничных слоев в наполненной системе. Данные расчета скачка DС_р в области фазовых переходов композитов представлены в таблице 1.

Понижение величины DС_р при стекловании свидетельствует об исключении некоторой части макромолекул в аморфных областях из участия в процессе

Рис. 1. Температурные зависимости удельной теплоемкости

полиарилата (1) и композитов на его оcнове, наполненных

5 (2) и 10 (3) мас. % дисперсного наполнителя

Таблица 1. Теплофизические свойства полиарилата и композитов на его основе

Показатели	Содержание наполнителя, мас. %
	–	5	10
Скачок удельной теплоемкости, кДж/кг×К	0,17	0,14	0,11
Толщины граничного слоя композитов, Å	–	990	1690

стеклования и объясняется появлением в системе граничных областей полимера вблизи поверхности НП, подвижность макромолекул в которых в значительном степени подавлена [3-5].

Такое предположение позволило приближенно рассчитать толщину граничного слоя (табл. 1) согласно соотношению [4]:

,

где n = 1 - D С_р,н./ DС_р – доля макромолекул полимера, перешедших в гра-ничные слои; DС_р.н. – скачок удельной теплоемкости наполненного полимера; DС_р – скачок удельной теплоемкости ненаполненного полимера; Ф – объемное содержание наполнителя.

Введение в полимерное связующее НП, как правило, сопровождается снижением теплоемкости, которое вызвано тем, что сегментальная подвижность макромолекул понижается вследствие перехода некоторой части макромолекул в граничные слои [4]. В нашем случае, увеличение степени армирования ПАР до 5 и 10 мас. % снижает теплоемкость соответственно в среднем на 10-12 %, причем тем в большей степени, чем выше степень армирования связующего дисперсным НП.

Температурная зависимость коэффициента теплопроводности исследованных материалов (рис. 2), являющегося теплофизическим параметром, связанным с распростанением и рассеиванием упругих волн, вызываемых тепловими колебаниями частиц тела [3], свидетельствует о его повышении с ростом температуры как для связующего, так и для ПКМ на его основе. Обращает на себя внимание тот факт, что повышение степени наполнения ПАР увеличивает его коэффициент теплопроводности в среднем на 17-28 %.

Рис. 2. Температурная зависимость коэффициента теплопроводности

полиарилата (1) и композитов на его оcнове, армированных

5 (2) и 10 (3) мас. % дисперсного наполнителя

Анализ результатов исследования влияния степени наполнения на триботехнические свойства ПАР (рис. 3) показал, что с ужесточением режимов эксплуатации коэффициент трения пластиков снижался. Максимальное снижение коэффициента трения наблюдалось при минимальном нагрузочном режиме: при нагрузке 0,5 МПа коэффициент трения снизился на 40 % (от 1,0 – для ПАР до 0,58 – для композита с 10%-ной степенью наполнения). При нагрузках 1 и 1,5 МПа коэффициент трения в среднем снизился на 35-38 %.

Рис. 3. Влияние степени наполнения на коэффициент трения

полиарилата при испытаниях в режиме трения без смазки

при удельных нагрузках 0,5 (1) и 1 (2) и 1,5 (3) МПа

Следует отметить, что минимальные значения коэффициента трения характерны для композита, содержащего 10 мас. % НП: в исследованном интервале нагрузок он находился в пределах 0,58-0,37. Последнее, по видимому, связано с тем, что указанный ПКМ имеет максимальную теплопроводность. Как известно [6, 7], при трении полимерных материалов с невысокой теплопроводностью, происходит локализация и накапливание тепла в зоне трения. Это приводит к увеличению сегментальной подвижности макромолекул, возрастанию адгезии, в результате чего коэффициент трения существенно возрастает, что приводит к повреждению поверхности полимерного образца.

Обращает на себя внимание тот факт, что образцы ПАР оставались работоспособными лишь при нагрузках 0,5 и 1 МПа, после чего наблюдался их катастрофический износ, в то время как ПКМ эксплуатировались до нагрузки 1,5 МПа, однако весовой износ образцов значительно возрастал (табл. 2).

Таблица 2. Влияние удельной нагрузки и содержания дисперсного

наполнителя на весовой износ композитов на основе полиарилата

Нагрузка, МПа	Содержание дисперсного наполнителя, мас. %
	–	5	10
0,50	1,8	3,0	18,0
1,00	7,8	17,0	70,5
1,50	–	31,2	101,0

Таким образом, на основании проведенных исследований, можно сделать вывод о том, что наполнение сложного полиэфира ПАР дисперсным НП позволяет получить ПКМ с улучшенным теплофизическими и трибологическими свойствами. Максимальный эффект улучшения свойств наблюдается в случае 10%-ного наполнения полиэфира.

Литература:

1. Аскадский А.А. Физико-химия полиарилатов. – М.: “Химия”. – 1968. – 216 c.

2. Кацнельсон И.Ю., Балаев Г.А. Пластмассы: Свойства и применение. Справочник. Л.: “Химия”, 1978. - 384 с.

3. Колупаев Б.С. Физико-химия полимеров. Львов: “Вища школа”, 1978.– 160 с.

4. Липатов Ю.С. Физическая химия наполненных полимеров. М.: “Химия”. – 1977. – С. 99.

5. Липатов Ю.С., Привалко В.П. Калориметрическое исследование наполненных линейных полиуретанов // Высокомолекулярные соединения. – 1971. – А. – Т.13. – С. 103-110.

6. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: “Машиностроение”, 1968. – 480 с.

7. Бартенев Г.М., Лаврентьев В.В. Трение и износ полимеров. Л. : “Химия”. – 1972. – 240 с.