Разработка полимерных композитов на основе политетрафторэтилена с использованием энергии ультразвуковых колебаний

 

Петрова П.Н. (ИПНГ СО РАН, СВФУ им. М.К. Аммосова, г. Якутск, РФ)

Егоров В.В. (СВФУ им. М.К. Аммосова, г. Якутск, РФ)

 

In given work influence of ultrasonic oscillations on mechanical and tribotechnical properties of polymeric composite materials based on polytetrafluoroethylene is considered.

 

Введение высокодисперсных порошков при прямом введении их в полимерную матрицу низкотехнологичны - вследствие избыточной поверхностной энергии они склонны к агломерации и получение полимерных композитов с гомогенной структурой, в которых реализация  максимального упрочняющего эффекта наполнителя в полимерной матрице представляет значительные трудности. А использование наполнителей для фторполимеров сильно отличается от принятого для обычных углеводородных полимеров. В полимерных композитах на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) из-за его практического отсутствия химического сродства с поверхностью наполнителя и, следовательно, смачиваемости полимером частиц наполнителя, усиливающий эффект наполнителей незначителен, а полная реализация свойств полимерной матрицы и наполнителей в композиционных материалах на основе полимеров  возможна только при наличии оптимальной адгезии на границе раздела компонентов [1].

В данной работе приведены результаты исследований по влиянию ультразвуковых колебаний на механические и триботехнические свойства полимерных композиционных материалов  на основе ПТФЭ.

Объектами исследования являются ПТФЭ марки Ф-4 и композиты на его основе, содержащие в качестве наполнителя фторопласт марки Ф-4НТД-2 и активированные природные цеолиты Кемпендяйского месторождения Республики Саха (Якутия).

Влияние энергии ультразвуковых колебаний на механические и триботехнические свойства политетрафторэтилена апробировали сначала на полимерной смеси ПТФЭ- Ф-4НТД-2 (рис.1).

Показано, что наложение ультразвуковых колебаний на порошковую композицию на основе ПТФЭ обеспечивает повышение деформационно-прочностных характеристик ПКМ. Установлено, что воздействие ультразвука на порошковую смесь фторопластов  приводит к повышению на 25 % его прочности и в 1,8 раз относительного удлинения при разрыве по сравнению с исходным полимером, и в 2 и 1,5 раза соответственно по сравнению с композитами, полученными по стандартной технологии. При этом зарегистрировано некоторое снижение скорости массового изнашивания ПКМ. Это, вероятно, связано с тем, что в условиях высокочастотных колебаний достигается значительное сближение компонентов и плотная упаковка всех частиц смеси [2]. Сближение частиц способствует значительному усилению адгезии между частицами, благодаря чему достигается значительное повышение физико-механических свойств ПКМ.

Рисунок 1- Зависимость деформационно-прочностных показателей ПКМ от концентрации Ф-4НТД-2:  1- без воздействия УЗ; 2- с воздействием УЗ

 

Эффект снижения показателей деформационно-прочностных характеристик наполненных фторкомпозитов без наложения ультразвуковых колебаний обусловлен низкой активностью макромолекул политетрафторэтилена к адсорбционному взаимодействию с частицами модификатора практически любого состава.

Для повышения износостойкости полимерную смесь модифицировали активированными природными цеолитами. Для снижения процессов агломерации наполнителей в объеме полимера и повышения эффективности их модифицирующего действия разработаны прекурсоры на основе активированных цеолитов посредством кавитационно-гидродинамического воздействия в среде ПАВ при наложении ультразвуковых колебаний. В качестве ПАВ использовали стеарат натрия. Известно [3], диспергирование твердых веществ под воздействием ультразвуковых волн применяют для получения высокодисперсных и однородных суспензий в дисперсионной среде. Для диспергирования наиболее эффективно может быть применено измельчение порошков с жидкостями или поверхностно-активными веществами (ПАВ).

Присутствие ПАВ оказывает двоякое действие. С одной стороны, оно выполняет функцию стабилизатора и модификатора поверхности получаемых частиц, а с другой - изменяет акустические параметры дисперсионной среды, тем самым влияя на условия возникновения кавитации. В кавитационной области возникают мощные гидродинамические возмущения в виде сильных импульсов сжатия (микроударных волн) и микропотоков, порождаемых пульсирующими пузырьками. Кроме того, захлопывание пузырьков сопровождается сильным локальным разогревом вещества, а также выделением газа, содержащего атомарную и ионизованную компоненты. В результате этого вещество в кавитационной области подвергается интенсивным воздействиям. Установлено, что под воздействием ударной волны в водном растворе ПАВ происходит уменьшение предварительно активированных частиц цеолитов в 2-2,5 раза и повышение доли частиц с размером меньше 4 мкм (рис.2).

                                а                                                         б

Рисунок 2- Распределение частиц активированных цеолитов по размерам до (а) и после (б) обработки УЗ в среде ПАВ

 

Далее, таким образом, модифицированные цеолиты использовали в качестве наполнителя полимерной смеси на основе ПТФЭ и Ф-4НТД-2, также обработанного УЗ в течение 20 мин ( табл.2) Установлено, что УЗ-воздействие наполнителя и полимерной смеси приводит, прежде всего, к повышению эластичности многокомпонентного материала на 70-80 % по сравнению с исходным полимером и с композитом, изготовленного по стандартной технологии.

 

Таблица 2 - Зависимость свойств ПКМ от способа активации полимерной смеси и наполнителя

Композиция

Возд-е УЗ на полимерную смесь, мин

Возд-е УЗ в среде ПАВ на цеолит, мин

σр,

МПа

εр,

%

I,

мг/ч

ПТФЭ

-

-

20-21

300-320

75

ПТФЭ + 2 мас. %

Ф-4 НТД-2

+ 1 мас. % цеолита

-

-

 

19-20

 

310-340

 

19,7

ПТФЭ + 2 мас. %

Ф-4 НТД-2

+ 1 мас. % цеолита

20

-

20-21

370-380

4,9

ПТФЭ + 2 мас. % Ф-4 НТД-2 + 2 мас. %  цеолита

20

-

17-18

460-470

1,9

ПТФЭ + 2 мас. % Ф-4 НТД-2 + 1 мас. %  цеолита

20

20

19-20

420-430

2,7

ПТФЭ + 2 мас. % Ф-4 НТД-2 + 2 мас. %  цеолита

20

20

14-15

520-530

1,7

Примечание: τ-время активации цеолитов в планетарной мельнице; σр- прочность при растяжении; εр- относительное удлинение при разрыве; I- скоротсь массового изнашивания.

 

Характер изменения деформационно-прочностных кривых разрушения ПКМ свидетельствует о том, что модификация наполнителя ПАВ в УЗ-ванне снижает хрупкость полимера. У ПКМ кривые растяжения характеризуются тремя участками: на первом и третьем наблюдается рост деформации с напряжением, а на втором практически при постоянном напряжении происходит значительное деформирование образца, достигающие 530%, визуально выражающееся в образовании и развитии более тонкой части («шейки»). В этом случае можно утверждать, что поверхностная обработка цеолитов в УЗ-ванне в среде ПАВ способствует проявлению значительных вынужденно-эластических деформаций у полимера.

На основании проведенных исследований показано, что воздействие энергии ультразвуковых колебаний на порошковые композиции из ПТФЭ и ПКМ на его основе вызывает значительное изменение механических и триботехнических свойств материала. Показана перспективность применения стеарата натрия, в качестве ПАВ, для адсорбционного модифицирования активированных природных цеолитов с целью улучшения их адгезионных свойств к полимерной системе, снижения склонности наполнителя к агрегированию и повышения дисперсности наполнителя в полимерной фазе. Эти факторы в совокупности приводят к комплексному улучшению эксплуатационных характеристик ПКМ. Зарегистрировано значительное повышение значения относительного удлинения при разрыве ПКМ при использовании энергии УЗ-колебаний, что делает перспективным использование разработанных материалов для изготовления не только триботехнических, но и уплотнительных деталей.

Литература

1.    Ю.С.Липатов Физико-химические основы наполнения полимеров.- М.: Химия,1991.-260 с.

2.   Машков Ю.К., Негров Д.А., Овчар З.Н., Зябликов В.С. Способ изготовления изделий из композиционных материалов на основе ПТФЭ. Патент РФ №2324708

3. Д.И. Рыжонков, В.В. Левина, Э.Л. Дзидзигури Наноматериалы.-М.:БИНОМ, Лаборатория знаний, 2008.-365 с.

4. Шпак А.П., Куницкий Ю.А., Карбовский В.Л. Кластерные и наноструктурные материалы.-Т.1. Киев: Академпериодика, 2001.-588 с.

 

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 09-03-98502-р_восток_а)