Разработка перспективных материалов на основе политетрафторэтилена и природных цеолитов для эксплуатации при низких климатических температурах

 

Гоголева О.В., Петрова П.Н.

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

 

В данной статье приведены результаты исследований по разработке самосмазывающихся триботехнических полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) с использованием технологии комплексной модификации.

This article presents the results of research on the development of self-lubricating polymer tribological composites based on polytetrafluoroethylene (PTFE) using the technology of complex modifications.

 

Ключевые слова: полимерный композиционный материал, коэффициент трения, надмолекулярная структура, поверхность трения.

Keywords: polymer composite material, friction coefficient, molecular structure, surface friction.

 

Проблема целенаправленного улучшения триботехнических свойств политетрафторэтилена, сочетающего превосходные термо- и химически- стойкие свойства с низким коэффициентом трения остается на сегодняшний день актуальной. Эффективное управление его свойствами достигается при введение в политетрафторэтилен (ПТФЭ) соединений микро- и нано- метрового размера. Однако дорогостоящие методы синтеза нанодисперсных соединений ограничивают их практическое применение в производстве полимерных композиционных материалов (ПКМ). В связи с этим, для создания рентабельного производства изделий из ПКМ на основе ПТФЭ необходим поиск эффективных наполнителей на основе природного сырья и новых технологий, позволяющих перевести природные соединения в высокоактивное состояние доступными методами. Из числа существующих технологий по созданию новых ПКМ перспективным методом воздействия на минеральные наполнители для усиления их реакционной способности является механическая активация. Также наиболее доступным и приемлемым методом является модификация, в частности, использование возможности введения в полимеры жидких и твердых компонентов, совместное действие которых может изменять первоначальные свойства полимеров и тем самым получать материалы с заданными свойствами. При введении жидких компонентов в пределах, превышающих их совместимость с полимерной матрицей, ожидается возможность выделения избытка жидкости из матрицы. При снижении температуры в зоне трения скорость миграции смазки замедлится, что будет способствовать обеспечению эффекта самосмазывания полимерных композитов в течение длительного времени.

Целью данной работы является разработка самосмазывающихся триботехнических полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) с использованием технологии комплексной модификации.

В качестве полимерной матрицы выбран политетрафторэтилен (ПТФЭ), так как он обладает наиболее предпочтительным комплексом физико-механических и триботехнических свойств, характеризуется уникальной морозостойкостью, агрессивостойкостью и используется в узлах трения наиболее ответственных технических систем. Наполнители - природный цеолит Кемпендяйского месторождения Республики Саха (Якутия) и моторное масло марки М-8В. Цеолиты – алюмосиликаты общей формулы Me2/nO´Al2O3´xSiO2´yH2O, где Ме – щелочной или щелочноземельный металл, n – степень его окисления. В табл. 1 приведены поверхностные характеристики цеолитов.

 

Таблица 1- Поверхностные характеристики цеолитов от времени активации

Поверхностные характеристики цеолитов

Время активации, мин

0

2

Средняя удельная поверхность, м2/г по методу БЭТ

одноточечный

6,34

15,40

пятиточечный

6,78

15,67

с учетом микропор

7,16

15,72

Удельный объем микропор, см3

0,006

0,009

Средний размер пор, нм

-

2,21

 

Для обеспечения введения жидкой смазки в полимерный образец разработан технологический прием пропитки наполнителя моторным маслом. Для повышения структурной активности наполнитель подвергали предварительной механической активации в планетарной мельнице АГО-2 в течение 2 мин, после чего пропитывали моторным маслом в течение 24 ч при комнатной температуре. Композиции получали сухим смешением навесок компонентов в высокоскоростном лопастном смесителе. Образцы композитов для физико-механических, трибологических и структурных исследований получали по технологии холодного прессования при удельном давлении 50 МПа с последующим свободным спеканием при температуре 380°С.

Установлено, что содержание моторного масла в цеолите после пропитки составляет 28,3 мас.%. Содержание масла в композитах с 2 и 5 мас.% содержанием цеолита составляла 0,6 и 1,6 мас.%, соответственно.

В табл.2 приведены сравнительные характеристики физико-механических и триботехнических характеристик композитов на основе ПТФЭ и природных цеолитов Кемпендяйского месторождения РС(Я). Показано, что модифицирование ПТФЭ нанодисперсным шпинелем магния (средний размер частиц от 10 до 30 нм) приводит к снижению скорости массового изнашивания до 130 раз при некотором уменьшении деформационно-прочностных свойств.  Модифицирование ПТФЭ активированным в течение 2 и 5 мин природным цеолитом также приводит к снижению скорости массового изнашивания до 130 раз при сохранении деформационно-прочностных свойств по сравнению со свойствами ненаполненного ПТФЭ. Таким образом, показана конкурентоспособность наполнителя природного происхождения с нанонаполнителем полученным методом механохимического синтеза. Также преимущество выбора цеолита состоит в том, что природный наполнитель в 1000 раз дешевле нанодисперсных наполнителей.

 

Таблица 2- Физико-механические и триботехнические характеристики композитов на основе ПТФЭ и природного цеолита

Композит

eр , %

sр, МПа

I, мг/ч

f

Т, ºС

ПТФЭ

300

20,0

75-80

0,3

45-47

ПТФЭ+2 мас.% цеолита (акт.)

305

21,0

2,15

0,2

45-50

ПТФЭ +5 мас.% цеолита (акт.)

330

19,5

0,6

0,18-0,2

45-48

ПТФЭ +5 мас.% MgAl2O4

260

16,5

0,6

0,1-0,2

45-48

ПТФЭ +2 мас.% цеолита, пропит. мотор.маслом

310

16,0

2,1

0,02-0,15

34-39

ПТФЭ +5 мас.% цеолита, пропит. мотор.маслом

330

17,0

0,13

0,02-0,05

38-40

Примечание: eр – относительное удлинение при разрыве, %; sр – предел прочности при растяжении, МПа; I - скорость массового изнашивании при нагрузке 0,45 МПа, мг/ч; f –коэффициент трения; Т- температура в зоне трения,  ºС.

 

При наполнении ПТФЭ, цеолитом, предварительно пропитанным моторным маслом М-8В, установлено снижение скорости массового изнашивания до 615 раз, также зарегистрировано увеличение относительного удлинения при разрыве на 10% и снижение предела прочности при растяжении на 20% по сравнению с ненаполненным ПТФЭ. Это, вероятно, связано с тем, что смазывание пары трения осуществляется за счет масла, находящегося в порах наполнителя. Из-за повышенной сорбционной способности природных цеолитов к углеводородам они способны удерживать оболочку из адсорбированных молекул компонентов смазки и доставлять их в зону трения, когда наступает истощение их в зоне трибоконтакта при повышении температуры. Таким образом, происходит предотвращение адгезионного изнашивания трущихся металлических поверхностей.

Проведены структурные исследования композитов, полученных комплексной модификацией ПТФЭ (рис.1). Структурные исследования подтверждают результаты исследования физико-механических и триботехнических свойств композитов. Исходный ПТФЭ (рис.2, а) кристаллизуется в виде сферолитов, носящих фибриллярный характер. В  ПКМ, модифицированным 5 мас.% цеолита (рис. 2, б) наблюдается более четкое геометрическое оформление надмолекулярных элементов. Развитие и рост сферолитоподобных структурных элементов происходит от частиц цеолита, что характеризует поведение наполнителя как структурно-активное. В композите, полученном комплексной модификацией наблюдается существенное уменьшение размеров сферолитов. Размеры структурных элементов уменьшаются до 10-15 мкм. Именно эти композиты отличаются оптимальным сочетанием триботехнических и деформационно-прочностных характеристик.

ptfe 1 2    2 1    3 1

                а                                 б                                в

Рисунок 1- Надмолекулярная структура: а) исходного ПТФЭ (х500); б) ПТФЭ, наполненного 5 мас.% цеолита (х300); в) ПТФЭ, наполненного 5 мас.% цеолита, пропитанного моторным маслом (х300).

Микрорельеф и морфология поверхностей трения были изучены с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). В табл. 3 приведены параметры шероховатости поверхности ПКМ. Установлено, что среднеквадратичная и средняя шероховатость поверхности ПКМ после трения уменьшается в 2 раза. Это, видимо, один из важных вкладов в общее снижение коэффициента трения, т.к. при уменьшении шероховатости удельные давления в областях контакта уменьшаются. Уменьшение шероховатости композита свидетельствует также  о трении по пленке переноса.

 

Таблица 3 - Параметры шероховатости поверхности ПКМ

ПКМ

Средняя квадратичная шероховатость, нм

Средняя шероховатость, нм

До трения

321,9

262,8

После трения

169,8

131,9

Заключение. Для обеспечения введения жидкой смазки в полимерный образец разработан технологический прием пропитки наполнителя моторным маслом. Установлено, что модификация твердым наполнителем, предварительно пропитанным моторным маслом, приводит к понижению скорости массового изнашивания до 600 раз, также приводит к снижению коэффициента трения и температуры в зоне контакта до 2 раз по сравнению с ненаполненным ПТФЭ. Разработанные материалы характеризуются стабильными и низкими значениями коэффициента трения и интенсивности изнашивания, повышенными деформационно-прочностными показателями, обеспечивающими жесткость сопряжений и высокую несущую способность. Использование подобных материалов позволит многократно повысить ресурс узлов трения для повышения надежности, безопасности и эффективности эксплуатации транспортной техники и технологического оборудования.