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

К.т.н. Чигвинцева О.П.

Днепропетровский государственный аграрный университет, Украина

Вуглепластики конструкційного призначення

На сьогоднішній день промисловістю випускається доволі багато високотемпературних інженерних пластиків з унікальними властивостями. До них відносяться поліаміди і поліефіріміди, поліфеніленсульфіди, полісульфони і поліефірсульфони, поліефірефіркетони, поліарилати та інші [1-3]. Вказані високотемпературні інженерні термопласти прийнято розподіляти на три класи. До першого класу відносяться полімери, термостійкість яких збільшується в основному за рахунок наповнювачів та хімічної модифікації (поліамід-46, поліетилентерефталат, полібутилентерефталат). Другий клас – поліфеніленсульфід, полісульфон, поліефірсульфон. Третій – спеціальні полімери (поліарилат, ароматичний поліамід, поліамідімід, поліефірімід, поліефірефіркетон та інші), які характеризуються високою термостійкістю та міцністю при підвищених температурах, стійкістю до агресивних середовищ, покращеними характеристиками при понижених температурах. Враховуючи доступність сировини та порівняно просту технологію отримання із останнього класу доволі перспективним полімерним в’яжучим для створення нових полімерних композиційних матеріалів (ПКМ) є складний ароматичний поліефір – поліарилат [4].

Для створення нових ПКМ конструкційного призначення поліарилат (ПАР) марки ДВ-105 армували низькомодульним вуглецевим волокном (ВВ) марки Углен-9 у кількості 5-35 мас. %. Композиції на основі ПАР, отримані методом сухого змішування у обертальному електромагнітному полі із використанням феромагнітних часток [5], переробляли у вироби методом компресійного пресування [6]. Вивчення теплофізичних, фізико-механічних і трибологічних властивостей ПКМ здійснювалось згідно існуючим ДЕСТам для пластмас.

Хімічна стійкість полімерів при нагріванні (термостійкість) характеризує їх здатність протистояти необоротнім змінам складу при підвищених температурах. Проведені термічні дослідження свідчать про те, що введення ВВ у поліефірне в’яжуче дозволяє підвищити термостійкість вуглепластиків (ВП). Зокрема, температура, що відповідає 20%-вій втраті маси зразків ВП, які містять 5, 10, 15 та 25 мас.% Углена,  на 20, 30, 40 та 55 градусів відповідно вища, ніж у ПАР [7]. Питома теплоємність ВП порівняно із вихідною полімерною матрицею знижується у 1,1-1,7 разів. Для ПАР в інтервалі температур 323-498 К теплоємність знаходилась у межах 1,3-2,2 кДж/м × К, тоді як для ВП, армованого 35 мас. % ВВ, вона змінювалась від 1,14 до 1,27 кДж/м × К.

Важливим теплофізичним показником, що впливає на трибологічні властивості композитів є коефіцієнт теплопровідності. У нашому випадку, теплопровідність ВП вища, ніж у ПАР у 1,6-1,9 разів, що дозволяє очікувати покращених триботехнічних характеристик ВП [8].

Одним із важливих теплофізичних показників є температурний коефіцієнт лінійного розширення (ТКЛР). Завдяки пониженню ТКЛР можна досягти мінімальної усадки пластиків при зміні температури. Крім того, неоднакове розширення чи стиснення компонентів композицій частіше всього призводить до  виникнення залишкових напруг, які суттєво впливають на механічні властивості матеріалів [9]. При збільшенні вмісту ВВ у полімерному в’яжучому в  інтервалі температур 298-323 К відбувалось падіння ТКЛР більш, ніж у 7 разів: від 78,5 (для ПАР) до 10,7 (для ВП, армованого 35 мас. % Углену) [10].

Деформаційна теплостійкість полімерів при нагріванні характеризується температурним навантаженням, при якому матеріал переходить у еластичний стан втрачаючи деформаційну міцність із-за різкого зниження модуля пружності [11]. Вивчення впливу вмісту ВВ на теплостійкість за Віка показало, що максимальне значення (483 К) цей показник приймає для ВП, армованого  25 мас. % Углену, що на 10 градусів вище, ніж у ПАР [10].

Поряд з покращенням термічних і теплофізичних властивостей спостерігається і зростання фізико-механічних характеристик ВП (рис. 1). Встановлено, що армування полімерної матриці ВВ у кількості 5-35 мас. % дозволяє підвищити твердість за Бринелем ВП на 13-28 % (рис. 1, крива 1), а межу міцності при стисненні – на 14-63 МПа (рис. 1, крива 3) [12].

Крихкість і ламкість ВВ не дозволяє досягти достатнього адгезійного зв’яз-ку між волокнистим наповнювачем та полімерною матрицею, саме тому у біль-шості випадків ВП мають невисоку ударну в’язкість. Підтвердження цьому є отримані результати: з ростом вмісту ВВ у ПАР ударна в’язкість ВП понижа-ється від 110 (для ПАР) до 49-10 кДж/м2 – для ВП (рис. 1, крива 4). 

Рис. 1. Вплив вмісту вуглецевого волокна на твердість за Бринелем (1),

густину (2), межу міцності при стисненні (3)

та ударну в’язкість (4) поліарилату

Розроблені ВП мають порівняно з ПАР більш високу мікротвердість (110-380 – для ВП та 100 МПа  – для ПАР), що свідчить про структурування полімерного в’яжучого (рис. 2,  крива,  2).

Рис. 2. Вплив вмісту вуглецевого волокна на динамічний

модуль пружності (1), мікротвердість (2) та коефіцієнт

механічних втрат (3) поліарилату

Дослідження динамічних характеристик композитів є дуже важливим для відбору матеріалів для деталей, що працюють в умовах інтенсивних динамічних навантажень, так як останні викликають механічну деструкцію полімерів, внаслідок чого змінюється їх структура та фізико-механічні властивості.

Висока вібропоглинаюча здатність пластмас добре впливає на динамічну роботу конструкції, подавляючи її резонансні коливання і знижуючи максимум напруг від впливу ударного навантаження. Завдяки  високому значенню коефіцієнта механічних втрат явище резонансу не викликає у пластмасових деталях різкого збільшення амплітуди коливань, яке у випадку металічних деталей  при подібних умовах може призвести до руйнування, не зважаючи на більшу втомлювальну міцність металу. Армування поліефірного в’яжучого ВВ покращує динамічні властивості ВП (рис. 2, криві 1, 3). Зокрема,  динамічний модуль пружності ВП на 33-59 % вищий, ніж у ПАР, в коефіцієнт механічних втрат понижається від 1,9 (для ПАР) до 1,72-1,57 (для ВП).

Триботехнічні властивості матеріалів оцінюються за допомогою коефіцієнті тертя (f), інтенсивності лінійного зношування (Ih), температури у зоні контакту «полімерний зразок – контртіло» (T), а також стабільністю цих характеристик із часом при зміні швидкості ковзання (v) та питомого навантаження (Р). Головною характеристикою, що визначає граничні умови експлуатації підшипників сухого тертя, є фактор PV (добуток питомого навантаження на швидкість ковзання) [13]. Вплив вмісту ВВ на трибологічні властивості ВП показав, що максимальне падіння коефіцієнта тертя (у 4,7 разів) та зростання зносостійкості (більше, ніж у 20 разів) спостерігалось для зразків матеріалу, що містить           25 мас. % ВВ. Як було відзначено вище, на зростання зносостійкості матеріалів суттєво впливає коефіцієнт теплопровідності. Саме завдяки високим значенням цього теплофізичного показнику, який запобігає локалізації тепла у зоні тертя [13], спостерігалось суттєве зростання зносостійкості ВП. Крім того, слід відзначити, що критерій працездатності PV ВП при експлуатації в умовах сухого тертя збільшився від 1,2  (для ПАР) до 1,6 МПа × м/с (для ВП).

Таким чином, на основі проведених досліджень встановлено, що армування складного поліефіру поліарилат вуглецевим волокном Углен дозволяє в    значній мірі покращити основні експлуатаційні характеристики матеріалу. Розроблені вуглепластики  можуть бути використані як матеріали конструкційного призначення машин та механізмів.

Література:

[1] Коба М. Введение к новым материалам. Пластики с уникальными свойствами //  Puranto enjinia = Plast. Eng. – 1993. – C. 63-68.

[2] Новые типы пластмасс для тяжелых условий работы // Kunststoffe. – 1994. – С. 1015-1019.

[3] Massey E.M. High temperature engineering thermoplastics march towards the future // ANTEC’90. – Dallas. – 7-11 May 1990. – 1648-1651.

[4] Чигвинцева О.П., Буря А.И Свойства ароматических полиэфиров полиарилатов // Вопросы химии и химической технологи. – № 4. – 2002. – С. 60-69.

[5] Буря А.И., Пилипенко О.И.,  Рыбак Т.И. Разработка способа получения  и исследование свойств  армированных  пластиков // Труды VI  научно-техни-ческой  конференции  " Nove  rierunri  modyfikacji i  zastosowan  tworzyw  sztucznych ". – Rydzyna. – 1995. – С. 44-50.  

[6] Буря А.И., Фомичев И.А., Самарин И.А. Переработка и исследование свойств фенилона, армированного полиимидными волокнами // Вопросы химии и химической технологии. – Вып. 52. – 1978. –  С. 101-104.

[7] Буря А.И., Чигвинцева О.П., Сытник С.В.Термостойкие композиты на основе полиарилата // Сборник трудов Международной научно-технической конференции "Полимерные композиты 98". – 29-30 сентября. – Гомель. – 1998. –       С. 213-218.

[8] Буря А.И., Чигвинцева О.П. Исследование теплофизических свойств углепластиков на основе полиарилата. //Тезисы  докладов  Всероссийской  научно-технической конференции "Прогрессивные  полимерные материалы, технология их переработки и  применение". – Ростов-на-Дону. – 15-17 ноября 1995. –   C. 51-52.

[9] Бартенев Г.М., Зеленев Ю.В. Физика и механика полимеров. Москва: Высшая школа – 1983. – 391 с.

[10] Буря А.И., Чигвинцева О.П. Разработка и применение углепластиков полиарилата в конструкциях свеклоуборочных машин // Весник аграрной науки. –  № 8. – 1998. – С. 56-60.

[11] Михайлин Ю.А. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы на их основе // Полимерные материалы. – № 5 (72). – 2005. – С. 12-14.

[12] Буря А.И., Чигвинцева О.П. Дослідження основних експлуатаційних характеристик вуглепластиків на основі поліарилату // Тезисы докладов IV Украинской научно-технической конференции «Применение пластмасс в строительстве и городском хозяйстве».–  3-5 октября 1996. – С. 17-18.

[13] Композиционные материалы на основе углеродных волокон и полимерных материалов. Обзорная информация. Серия: Промышленность химических волокон. М: НИИТЭХИМ. – 1979. – 55 с.