Изменение механических свойств полимерного материала при воздействии ультразвуковых колебаний

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) широко применяются в машиностроении для изготовления всевозможных узлов трения. Повышение удельных нагрузок и скоростей движения элементов машин делает весьма актуальной задачу повышения механических свойств ПКМ и особенно ПКМ на основе ПТФЭ [1], при этом модуль упругости наряду с пределом прочности являются важнейшими характеристиками механических свойств ПКМ.

Существующие методы повышения механических и триботехнических свойств, политетрафторэтилена, такие как, введение модификаторов в полимерную матрицу и изменение режимов технологических операций (измельчение и перемешивание компонентов, прессование, термообработка) позволяют частично решить эту проблему.

Для наиболее эффективного решения данной задачи необходимо применение новых методов и технологических способов, которые позволяли бы существенно повысить механические свойства полимера, и расширить область их применения в производстве. На сегодняшний день актуальной задачей является исследование новых методов повышения механических свойств структурно-модифицированного политетрафторэтилена.

Способы прессования порошков с одновременным наложением вибрации получили широкое применение в промышленности. Вибрация уменьшает силы трения и сцепления частиц прессуемого порошка. При этом повышаются: текучесть, равномерность укладки частиц полимера, разрушаются арочные структуры [2]. Пластическая деформация ПКМ возникает и развивается под воздействием ультразвуковых колебаний, что положительно влияет на характер изменения сил трения в зависимости от давления прессования, и дает возможность изготавливать изделия сложной формы, при сравнительно небольших затратах [3].

Целью данной работы является исследование влияния низкочастотных ультразвуковых колебаний на механические свойства ПТФЭ, модифицированного измельченным углеродным волокном с концентрацией от 3 до 12 массовой доли процентов. Для достижения поставленной цели, была разработана установка ультразвукового прессования на базе гидравлического пресса МТ - 50 «рис. 1».В качестве источника питания был применен ультразвуковой генератор УЗГ 3 - 4, имеющий входную мощность не более 5 кВт и работающий в частотном диапазоне от 17,2 до 22,8 КГц. В качестве источника ультразвуковых колебаний был взят магнитострикционный преобразователь ПМС 15-А-18, с резонансной частотой колебаний 17800 Гц.

Рис. 1. Схема установки для прессования изделий из фторопласта с наложением ультразвуковых колебаний: 1 - основание; 2 - шаровая опора; 3 - пресс-форма; 4 - волновод-пуансон; 5 - траверса; 6 - магнитострикционный преобразователь; 7 - направляющая колонна; 8 - рукоятка; 9 - гидроцилиндр; 10 - гидравлическая система

В пресс-форму, закрепленную на шаровой опоре помещается порошок (ПТФЭ с измельченным углеродным волокном), и при одновременном касании пуансона поверхности порошка включается ультразвук. Во время воздействия ультразвуковых колебаний, вибрация передается пресс-форме и порошку. Под действием вибраций частицы порошка совершают колебательные движения, при этом происходит прессование частиц. Усилие прессования составило 65 МПа, амплитуда колебаний ультразвукового инструмента равна 15 мкм. После этого образцы подвергались спеканию при температуре 360С, соблюдая те же режимы, как и для образцов, полученных без ультразвуковой обработки, которые были изготовленных для сравнения. Механические свойства образцов при растяжении определяли на разрывной машине Р 0,5 со скоростью деформации 20 мм/мин.

Эксперименты показали, что модуль упругости ПТФЭ модифицированного углеродным волокном возрастает с увеличением концентрации углеродного волокна. Причем модуль упругости образцов, отпрессованных с наложением ультразвуковых колебаний, в среднем на 30% больше чем у образцов, без ультразвуковой обработки «рис. 2».

Рис. 2. Зависимость модуля упругости от концентрации углеродного волокна

ультразвуковой полимерный модификатор прессование

Модуль упругости и твердость не модифицированного ПТФЭ достаточно небольшие. Повышение модуля упругости обычно достигается введением в ПТФЭ углеродных волокон, скрытокристаллического графита и других модификаторов. Тем не менее наложение ультразвуковых колебаний на чистый ПТФЭ также приводит к увеличению модуля упругости.

График, изображенный на рисунке 3, показывает, что при наложении ультразвуковых колебаний на ПТЭФ в течение 30 секунд, повышается модуль упругости так же, как при введении 3% углеродного волокна, но без наложения ультразвуковых колебаний.

Рис. 3. Зависимость модуля упругости ПТФЭ от времени наложения ультразвуковых колебаний

Продолжительность наложения ультразвуковых колебаний более 90 секунд, приводит к незначительному увеличению модуля упругости. Полученные данные дают возможность предполагать, что влияние ультразвуковых колебаний и механоактивированных частиц углеродного волокна оказывают схожее воздействие на активацию молекулярного движения в ПТФЭ. Исследование влияния ультразвуковых колебаний на относительное удлинение ПКМ показали, что эта характеристика, незначительно снижается при наложении ультразвука на смеси «рис. 4.».

Рис. 4. Зависимость относительного удлинения от концентрации углеродного волокна

В результате эксперимента было выявлено, что при наложении на ПТФЭ модифицированного углеродным волокном, ультразвуковых колебаний модуль упругости увеличивается на 30%, при минимальном снижении относительного удлинения. Особенность влияния энергии ультразвука на механические свойства ПКМ может быть связана с ее влиянием на процесс формирования надмолекулярной структуры ПТФЭ.

Список литературы

1. Негров Д.А., Еремин Е.Н. Новая технология изготовления подшипников скольжения из композиционного материала на основе политетрафторэтилена // Вестник машиностроения, 2012. № 1. С. 49-51.

2. Негров Д.А., Еремин Е.Н., Путинцев В.Ю., Передельская О.А., Маталасова А.Е. Влияние ультразвукового воздействия на механические свойства политетрафторэтилена, модифицированного нитридом бора // Омский научный вестник, 2014. № 1. С. 110-113.

3. Машков Ю.К., Овчар З.Н., Суриков В.И., Калистратова Л.Ф. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена / Под ред. Е.Г. Аввакумова. М.: Машиностроение, 2005. 240 с.

Размещено на Allbest.ru