Разработка износостойких полимерных композиционных материалов, армированных смесями полиоксадиазольных и хлопковых волокон тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Тимофеев, Валентин Альбертович

• Тимофеев, Валентин Альбертович
• кандидат технических наук
• 0

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тимофеев, Валентин Альбертович

Введение.

1. Литературный обзор.

1.1. Трибохимически активные и трибостабильные полимеры.

1.2. Строение и износостойкость трибостабильных полимеров.

1.3. Материалы, используемые в триботехнике.

1.4. Композиционные материалы.

1.5. Методы трибологических испытаний.

1.6. Направление трибологических исследований полимеров и 24 полимерных материалов в современных условиях 2000-2004 г.

2. Объекты и методы исследования.

2.1. Объекты исследований.

2.1.1. Фенолоформальдегидная смола.

2.1.2. Полиоксадиазольное волокно.

2.1.3. Хлопковое волокно.

2.1.4. Технология получения композиций.

2.2. Методы исследования.

2.2.1. Дифференциальная сканирующая калориметрия.

2.2.2. Методика определения KJITP.

2.2.3. Термогравиметрия.

2.2.4. Методика исследования микроструктуры.

2.2.5. Рентгенофотоэлектронная спектроскопия.

2.2.6. Масс-спектрометрические исследования.

2.2.6. Определение трибологических показателей.

2.2.7. Определение размерно-весовых характеристик.

2.2.8. Определения предела прочности при изгибе.

2.2.9. Определение микротвердости поверхности.

3. Влияние химического строения ФФ-полимеров на триболо-гические свойства ПКМ, наполненного ПОД волокнами.

3.1. Трибологические свойства ПКМ на основе СФ-010, Р-2М и ЛБС-1.

3.2. Трение ПКМ, армированных смесевыми наполнителями.

3.3. Влияние химического строения ФФ-полимера на трибологические свойства термообработанных ПКМ.

3.4. Изменение свойств контактной поверхности под влиянием происходящих трибохимических процессов.

3.5. Влияние малых добавок модификатора физико-механических свойств (диэтаноламина) на комплекс свойств ПКМ.

4. Теплофизические свойства и термофрикционные зависимости композиционного материала, армированного ПОД и х/б волокнами.

4.1. Исследование теплофизических свойств исходных компонентов и отпрессованного ПКМ.

4.2. Влияние армирующих компонентов системы на свойства ПКМ.

4.3. Влияние температуры на физико-механические свойства ПКМ.

4.4. Влияние теплофизических характеристик на термофрикционные свойства ПКМ.

5. Влияние технологии изготовления ПКМ на коэффициент линейного термического расширения материала.

6. Влияние термического воздействия в различных средах на свойства ПКМ.

6.1.Термообработка на воздухе 140°С-150°С.

6.2. Кипячение образцов в течение 1 часа.

6.3 Термообработка образцов в масле (веретеном) при 140-150°С в течение 1 часа.

6.4. Потеря массы при последовательной термообработке.

6.5. Физико-механические свойства образцов после последовательной и разовой термообработки.

6.6. Трибологические свойства ПКМ термообработанных в масле.

6.7. Краевой угол смачивания поверхностных слоев.

7. Трение композитов, армированных смесью ПОД и х/б волокон.

7.1. Трение композитов при повышенных температурах (80-^-130°С). Эффект самоорганизации.

7.2. Трение ПКМ в зоне застеклованного состояния ФФ-полимера.

7.3. Исследование трибохимических превращений, происходящих в ФФ-полимере при трении.

8. Свойства и применение в технике разработанного износостойкого материала на основе ПОД и х/б волокон.

8.1. Свойства материала на основе ПОД и х/б волокон.

8.2. Сравнительные испытания разработанного материала.

8.3. Апробация материала «ОКСАФЕН» в промышленности.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка износостойких полимерных композиционных материалов, армированных смесями полиоксадиазольных и хлопковых волокон»

Развитие техники уже со второй половины XX века стало определяться, в основном, не показателями прочности, а трибологическими показателями узлов и деталей, работающих с трением. В настоящее время роль трибологических показателей, безусловно, еще больше. Потери средств от трения и износа в развитых государствах достигают 4.5 % национального дохода, а преодоление сопротивления трения поглощает во всем мире 20.25 % вырабатываемой за год энергии. Анализ специальных комитетов Международного совета по трибологии показал, что за полный цикл эксплуатации машин эксплуатационные расходы, затраты на ремонт и запасные части в несколько раз превышают затраты на изготовление новой техники.

Трибология - относительно молодая наука. Только к концу семидесятых годов завершилось её формирование как единой научной дисциплины. И если в более ранний период каждый из известных специалистов был в определенной мере энциклопедистом, старался охватить практически все области знания, то в настоящий момент произошло разделение на такие крупные самостоятельные области, как материаловедение, контактная механика трения, теория граничной смазки, контактная гидродинамика, теория изнашивания.

Управление трением, правильный выбор материалов по критериям трения и износостойкости, рациональное конструирование узлов трения и деталей машин и оптимизация условий эксплуатации могут существенно продлить срок жизни и повысить эффективность машин, снизить вредные экологические воздействия при незначительном увеличении их стоимости. Решение этой актуальной и практически необходимой задачи возможно только на базе глубоких, научно обоснованных решений.

В этой связи исключительное значение приобретают работы в области триботехнического материаловедения полимерных материалов, изучающие полимерные композиты, армированные волокнами и тканями, смеси полимеров, применение различных дисперсных наполнителей, антифрикционные полимерные покрытия, твердые смазочные материалы, металло-полимерные материалы и т.д. Большое значение имеют теоретические и экспериментальные исследования в области физико-химических процессов трения и изнашивания с использованием новейших испытательных средств и измерительной техники, которые могут раскрыть и изыскать новые способы снижения потерь на трение и повышения износостойкости машин, приборов и оборудования.

Особую значимость как антифрикционные износостойкие ПКМ приобретают полимерные композиты, наполненные механически прочными, износостойкими волокнами неорганической, либо органической природы. Выдающиеся показатели по износостойкости были показаны при исследовании в 80-х годах ПКМ на основе непрерывных термостойких органических волокон, таких как полибензимидазольные, полиимидные, полинафтаиленбензимидазольные, полиоксадиазольные (ПОД) [1]. Их широкому использованию в практике помешали, в первую очередь, высокая стоимость и ряд технологических трудностей при использовании в виде непрерывных и коротких нитей.

Попытка использовать для этих целей текстолита на основе тканей из ПОД волокон не позволяет их применять в изделиях сложной конфигурации, требующих обеспечения текучести композиции при заполнении формы в процессе отверждения связующего. Механическая обработка материалов этого типа затруднена и нецелесообразна в связи с макрогетерогенной анизотропной структурой.

Подобная ситуация определила интерес к проведению поисковых исследований по созданию износостойких композитов на основе смесей коротких неплавких, жестких органических волокон: термостойких полиоксадиазольных в смеси с хлопковыми волокнами, что могло бы придать разрабатываемым композитам необходимый комплекс эксплуатационных и технологических показателей в сочетании с экономической доступностью.

1. Литературный обзор.

В связи с поставленными задачами по созданию экономически доступного и технологичного материала для узлов сухого трения на основе ПОД волокон, представлялось необходимым ознакомится с полимерным трибологическим материаловедением в XXI веке. Наметить оптимальный вариант связующего, необходимого для разработки, выявить оптимальные варианты необходимой приборной техники для проведения анализа ПКМ и определения их трибологических характеристик, провести ознакомление с состоянием работ по ПКМ и армирующим наполнителям - ПОД и хлопковых волокон.

Анализ опубликованных за последние 5 лет работ, как в нашей стране, так и за рубежом, показывает возросший интерес к композиционным материалам триботехнического назначения, работающим в условиях сухого трения. Основное направление поиска ориентировано на изучение и модифицирование термопластичных пластиков - наиболее технологически выгодных материалов для использования при сравнительно мягких условиях скольжения (низких контактных нагрузках, скоростях скольжения и температурах). Задачей данного исследования являлось изучение возможности применения широко известных, технологически доступных полимеров для создания материала, работающего при высоких скоростях скольжения и нагрузках, т.е. в достаточно жёстких условиях контакта. При этом рассматривается возможность получения деталей сложной формы для замены металлосодержащих антифрикционных материалов.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Тимофеев, Валентин Альбертович

Выводы:

1. Разработан армированный ПКМ на основе смеси ПОД и х/б волокон, обладающий уникальным комплексом показателей: сочетанием низкой интенсивности изнашивания (до 10"9 при смазке водой), низким и стабильным коэффициентом трения (от 0,12 до 0,3), в сочетании с высокими показателями ударной вязкости (до 35 кДж/м2), прочности на изгиб (до 150 МПа), стойкостью к расслаиванию, традиционной технологией получения и переработки в изделия и доступной стоимостью.

2. На основе проведенного исследования разработана лабораторная технология получения материала в ИНЭОС РАН, и опытно-промышленная технология на базе ООО БИКОМП, что позволяет получать износостойкие изделия сложного профиля, различной величины и конфигурации для применения в деревообработке, в промышленности получения синтетических волокон, предприятиях городского и ж/д транспорта

3. Впервые установлено, что при термообработке на воздухе и в различных средах смесевых ПКМ в отпрессованных изделиях сохраняется неаддитивно большее количество низкомолекулярных продуктов. Показана связь этого явления с различным механизмом сорбции фенолоформальдегидной смолы на поверхности полиоксадиазольных и в объеме хлопковых волокон и его роль в формировании свойств ПКМ.

4. Проведенное исследование различных методов термообработки ПКМ на основе ПОД и х\б волокон позволило научно обосновать целесообразность обработки смесевых ПКМ в режиме разовой термообработки при 140-150°С на воздухе и в веретенном масле с целью стабилизации физико-механических и улучшения трибологических показателей.

5. Исследование процессов происходящих при трении по стали разработанного полимерного композиционного материала на основе фенолоформальдегидного связующего и смеси неплавких волокон из жестких полимеров (полиоксадиазола и целлюлозы), методами РФЭС-анализа и масспектрометрии, позволило установить роль процессов самоорганизации в зоне трения, включающих «химическое течение» трибохимически активного связующего и избирательный износ в многокомпонентной системе, приводящих к близким трибологическим свойствам смесевых композиций содержащих различное количество полиоксадиазольных волокон.

6. Разработанный ПКМ успешно прошел лабораторные и стендовые испытания в Институте Проблем Машиноведения (Санкт-Петербург), МГАПИ, ИНЭОС РАН, налажен опытно-промышленный выпуск партий материала и изделий. Получены акты положительных испытаний с предприятий деревообрабатывающей промышленности (направляющие пил в пилорамах), ж/д транспорта (втулки рычагов привода тормозных механизмов и др.). и химической промышленности (шарнирные подшипники сушильных агрегатов, 1эКСПЛ=110°С).

Заключение.

Разработан антифрикционный материал сухого трения «ОКСАФЕН» обладающий уникальными трибологическими свойствами, в различных средах (вода, нефтепродукты и д.р.) и устойчивостью к истиранию в 5 раз более высокой, чем используемый в настоящее время текстолит. Материал обладает низким коэффициентом трения (0,К0,3) и износом (~1*10'6+10"7), термостойкостью, технологичностью и возможностью изготовления деталей сложной формы на стандартном оборудовании в сочетании с экономической доступностью. Этот комплекс, свойств позволяет успешно конкурировать ПКМ «ОКСАФЕН» с материалами, выпускаемыми как отечественными, так и иностранными производителями.

Разработанные методы термической обработки в различных средах, данные о влиянии на свойства материала его строения и химического строения ФФ-связующего позволяют проводить целенаправленное создание рецептур и технологических схем, «конструировать» материал, создавая оптимальный комплекс свойств для каждого потребителя.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тимофеев, Валентин Альбертович, 0 год

1. В.В. Коршак, И. А. Грибова, А. П. Краснов, Г. В. Мамацашвили,

2. Т. К. Джашиашвили, Б. С. Лиознов, Термофрикционные свойства армированных систем на основе тканей из полигетероариленов, Трение и Износ ноябрь-декабрь, том V, №6, ст. 965-971. 1984 г.

3. I.A.Gribova, A.P.Krasnov, A.N.Chumayevskaya, N.M.Timofeeva,

4. N.J.Antonova, "Basis tendencies of the Development of Polymeric antifriction wear-resist composites" // Polymer YEARBOOK, 1995.

5. А.П. Краснов, Б.С. Лиознов, Г.И. Гуреева, И.В. Благодатских, С.-С.А.

6. Павлова, В.А. Сергеев, С.Н. Салазкин, В.В. Шапошникова. Влияние термического и трибологического воздействий на молекулярно-массовые характеристики полиариленэфиркетона. // Высокомолекулярные соединения, Серия А, 1996, том 38, № 12, с. 1956-1960.

7. А.И. Кузнецов, И.А. Грибова, Г.И. Гуреева, В.А. Васнев, Я.В. Генин,

8. А.П. Краснов. Влияние микроструктуры сополиэфиров на трение композиций. // Трение и износ, 1995, т. 16, № 2, с. 298-303.

9. Краснов А.П., Афоничева О.В., Клабукова Л.Ф., Макарова Т.Н.,

10. Бирюкбаев Т.Т. Образование поверхности трения полиамида-6, наполненного модифицированным природным гидроксиапатитом. // Трение и износ, № 6, 1999, с.

11. Краснов А.П., Афоничева О. В., Попов В.К., Немерюк Д.А.,

12. Клабукова Л.Ф., Макарова Т.Н. Трибохимические процессы в сверхвысокомолекулярном полиэтилене, наполненномгидроксиапатитом. // Трение и износ, 2000, Том 21, № 5, стр. 566570.

13. А.П. Краснов, И.А. Грибова, Л.С. Федорова, О.В. Афоничева, В.А.

14. Мить, И.А. Рашкован, М.Е. Казаков. Полимерныеантифрикционные самосмазывающиеся износостойкие материалы и покрытия. // Тяжелое машиностроение, 2001 г. № 4, стр. 31-34.

15. А.П. Краснов, JI.C. Федорова, O.B. Афоничева, B.C. Папков, М.И.

16. Бузин, И.О. Волков. Трибохимическая активность полиакрилонитрила в композициях с твердыми смазками. // Трение и износ, 2001 г. Т. 22, № 4, стр. 435-440.

17. А.П. Краснов, И.А. Грибова, О.В. Афоничева. Влияние степени циклизации полиимидов на трибохимические процессы. // Трение и износ, № 3, 1998, с. 370-376.

18. О.В. Виноградова, В.Б. Баженова, А.П. Краснов, И.А. Грибова. Специфичность термофрикционного воздействия в полимерных смесях. // Трение и износ №5, 1998 с. 650-658.

19. А.П. Краснов В.А. Мить, О.В. Афоничева, И.А. Рашкован, М.Е. Казаков, Трибохимически активные и трибостабильные полимеры и полимерные системы, Трение и износ, 2002, с.397-410.

20. М.Андреев А.А., Буданова Г.П., Град Н.М. // Полимерные конструкционные материалы конструкционного назначения, армированные арамидными тканями. Хим. волокна, волокнист, и композиц. материалы техн. назн. Москва. 1990. С. 185-191.

21. Град Н.М., Бокарева В.Е., Буданова Г.П. // Эпоксидный органотекстолит, армированный тканью из жгутов СВМ. Пластмассы. 1991. 9. С.31-32.

22. А.П. Краснов, О.В. Афоничева, В.А. Мить, П.А. Чукаловский, Термофрикционная стабильность трибохимически самоорганизующихся и трибостабильных полимеров и полимерных систем. «Ярофри-2003», Ярославль, сборник докладов т.1, с.11-17, изд. ОАО ТИИР

23. Коршак В.В., Грибова И.А., Краснов А.П. и др., ДАН СССР, Т. 282,3,1985, с. 654-659.

24. Ernst Н., Merchant М.// Summer conference on friction and surface finish.1. T. 1940.

25. Гриб B.B., Лазарев Г.Е.// Лабораторные испытания материалов на трениеи износ. Изд. Наука. М. 1968.

26. Хрущов М.М., Бабичев М.А.// Исследование изнашивания металлов.1. Изд. АН СССР 1960.

27. Крагельский И.В. // О двучленном законе трения,- ДАН СССР, 1961,140,5.

28. Крагельский И.В., Трояновская Г.И. // Влияние температурного режима на фрикционные характеристики. Сб. «Исследования по физике твердого тела». Изд. АН СССР, 1957.

29. On the friction and wear behaviour of PAN- and pitch-carbon fiber reinforced PEEK composites J. Flock, K. Friedrich, Q. Yuan

30. Wear, 225-229 (1999), (апрель), 304-311

31. Friction and wear of water lubricated PEEK and PPS sliding contacts Y. Yamamoto, T. Takashima Wear, 253 (2002), 7-8 (октябрь), 820-826

32. Wear mechanisms of polyetheretherketone composites filled with various kinds of SiC Q.-J. Xue, Q.-H. Wang Wear, 213 (1997), 1-2 (декабрь), 54-58

33. Solid particle erosion of unidirectional carbon fibre reinforced polyetheretherketone composites U.S. Tewari, A.P. Harsha, A.M. Hager, K. Friedrich Wear, 252 (2002), 11-12 (июль), 992-1000

34. Белый В.А., Свириденок А.И. и др. // Трение полимеров Изд. «Наука»,1972. С. 30.

35. Коршак В.В. // Термостойкие полимеры. Изд. Наука. М. 1969.

36. Сириенко Г.А. и др. // Атифрикционные термостойкие полимеры. 1978.

37. Справочник по композиционным материалам, т. 1. // Под. ред. Дж. Любина. Изд. Машиностроение. М. 1988.

38. Wear behavior of ероху matrix composites filled with uniform sized sub-micron spherical silica particles X.S. Xing, R.K.Y. Li Wear, 256 (2004), 1-2 (январь), 21-26

39. Пиликовский Ю.Л., Грудина T.B., Сапожникова А.Б и др.

40. Композиционные материалы в машиностроении. Изд. Техника. Киев. 1990.

41. Половников С.П. // Применение композиционных материалов в народнром хозяйстве. Пласт. Массы. 1991. № 10. С. 3 8.

42. Терентьев В.Ф. // Триботехническое материаловедение :

43. Учебное пособие. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2000 .

44. Щиц Е.А. // Исследование и разработка полимерных композиционных материалов с использованием природных алмазных порошков. Авт. Дис. К.т.н. Ин-т физ.-техн. Проблем Севера РАН. Якутск. 2000.

45. Friction and wear characteristics of ceramic particle filled polytetrafluoroethylene composites under oil- lubricated couditions. //

46. Zhang Zhao- zhu, Xue Qun-jl, Liu Wei-min., Shen Wei-chang. J. Appl. Polym. Sci. 1999.73. №13. p. 2611-2619.

47. Effect of rare earth composites asfillers on friction and wear behaviors of

48. PTFE- based composites. // Zhaug Zhao-zhu? Xue Qun-ji5 Liu Wei-min, Sheu Wei-chaug J.Appl. Polym. Sci. 1999. Yol 72. №3. p. 361-369.

49. Крагельский И.В., Михин H.M. // Узлы трения машин. Машиностроение. М. 1984. С. 75.

50. Чудаков М.И., Милованов А.В. //Присоединение фенола к циклическимбензилэфирным структурным звеньям лигнина. «Гидролизная и лесохимическая промышленность». №4.1966.

51. Сайфулин Р.С. // Композиционные покрытия и материалы. Изд. Химия.1. М. 1977. С.20.

52. Kunze К., Кпапег В. // Weiterbildungszenter. Festkozpermech. Konstr. und ration. Werks toffeinsatz. Techn. Univ. Dresden. 1977. №4. P. 155-170.

53. Заявка Японии №56-61458. кл. C08L 101/00. опуб. 26.05.81.

54. Воробьева Г.Я. // Химическая стойкость полимерных материалов. М. Изд.Химия. 1981. С.50.

55. An investigation of the friction and wear behaviors of ceramic particle filled polyphenylene sulfide composites Q. Xue, S. Bahadur, L. Yu Wear, 214 (1998), 1 (январь), 54-63

56. Сырьё и полупродукты для лакокрасочных материалов. // Справочноепособие под. ред. Гольдберга. М, Изд. «Химия». 1978. С. 421.

57. Полимерная антифрикционная композиция. // А.с. №863608. С 08 L.77/00. опубл. 15.09.81.

58. Получение полимерного композиционного материала, наполненногослюдой. // Япония. Заявка №56-9181. С 08 L. 77/00. опубл. 27.02.81.

59. Новый класс конструкционных пластиков: полиамиды, армированные минеральным наполнителем. // Caesar Н.М., Tecnopolime resine. 1981. №5.Р.21-26.

60. Effects of operating parameters on the lubricated wear behavior of a PA-6/UHMWPE blend: a statistical analysis C.Z. Liu, L.Q. Ren, J. Tong, S.M. Green, R.D. Arnell Wear, 253 (2002), 7-8 (октябрь), 878-884

61. Phenolic. Mach. Des. 1987. Vol 59. № 8. P. 138-139.

62. Trneman M. // Application of engineering thermosets. 5. Jut. Duroplasttag. Bad. Mergenthein, 1-2 Marz. 1990.- Wurzburg. 1990. P 1-7.

63. Wear behavior of epoxy matrix composites filled with uniform sized sub-micron spherical silica particles X.S. Xing, R.K.Y. Li Wear, 256 (2004), 1-2 (январь), 21-26

64. Friction and wear behavior of flame-sprayed PEEK coatings

65. J. Li, H. Liao, C. Coddet Wear, 252 (2002), 9-10 (май), 824-831

66. Effect of particle surface treatment on the tribological performance of epoxy based nanocomposites M.Q. Zhang, M.Z. Rong, S.L. Yu, B. Wetzel, K. Friedrich Wear, 253 (2002), 9-10 (ноябрь), 1086-1093

67. Sliding wear of epoxy compounds against different counterparts under dryand aqueous conditions O. Jacobs, R. Jaskulka, F. Yang, W. Wu Wear, 256 (2004), 1-2 (январь), 9-15

68. Friction and wear of water lubricated PEEK and PPS sliding contacts Y. Yamamoto, T. Takashima Wear, 253 (2002), 7-8 (октябрь), 820-826

69. Кудрявцев Г.И., Токарев A.B., Авророва JI.В. и др. // Химическиеволокна. 1971г. №1. С.76.

70. Заболоцкий А.А., Варшавский В.Я. // Полиармированные (гибридные)композиционные материалы. "Композиционные материалы", т.2. (Итоги науки и техники ВИНИТИ). АН СССР Москва. 1984. С. 104.

71. Разработка рекомендаций по рациональному применению;волокон. Определение направлений использования термостойких синтетических нитей. //Отчет ВНИИПХВ. №Гос.рег. 78031106. Москва. 1978. С.28.

72. Ступко А.В., Вишневский Л.Г. Триботехнические свойства полимерныхармированных композитов. // Применение композиционных материалов в машиностроении. Тез. докл. науч.-техн. конф. Гомель . 15-16 ноября 1988. Минск. 1988. С . 26-27.

73. Н.К. Мышкин, М.Н. Петроковец, Трибология. Принципы и