Розробка та дослідження властивостей композитів на основі фенілону для вузлів тертя посівних машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 678.767:678.027.72

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РОЗРОБКА ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ ФЕНІЛОНУ ДЛЯ ВУЗЛІВ ТЕРТЯ ПОСІВНИХ МАШИН

05.17.06 - Технологія полімерних і композиційних матеріалів

АРЛАМОВА Ніна Тедженівна

Дніпропетровськ- 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Дніпропетровському державному аграрному університеті Міністерства аграрної політики України

Науковий керівник :

кандидат технічних наук, професор

БУРЯ Олександр Іванович, Дніпропетровський державний аграрний університет, завідувач кафедри хімії

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

КУТЯНІНА Валентина Степанівна, професор кафедри

хімії і технології переробки еластомерів Українського державного хіміко-технологічного університету, м. Дніпропетровськ

кандидат технічних наук

ГЕРАЩЕНКО Євгеній Іванович,

заступник начальника лабораторії випробовувань Українського науково-дослідного інституту науки і технології еластомерних матеріалів “ДІНТЕМ”, м. Дніпропетровськ

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України, відділ аналітичних методів дослідження і стандартизації, м.Київ

Захист дисертації відбудеться "8" лютого 2001 р. о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.078.03 при Українському державному хіміко-технологічному університеті за адесою: 49005, м. Дніпропетровськ, проспект Гагаріна, 8

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Українського державного хіміко-технологічного університету: 49005, м. Дніпропетровськ, проспект Гагаріна, 8

Автореферат розісланий "03" січня 2001р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ___________ Хохлова Т.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

фенілон композиційний гібридний наповнювач

Актуальність теми. Одним із шляхів, які дозволять модернізувати і підвищити надійність, довговічність машин та механізмів є широке використання в їх конструкціях полімерних матеріалів (ПМ). Однак, як правило, використання ПМ обмежується їх низькою зносостійкістю, незначною теплопровідністю або недостатньою міцністю.

Великі можливості у підвищенні надійності вузлів тертя мають термопласти (ТП) і композити на їх основі. Порівняно новим класом ТП з комплексом цінних властивостей є складні ароматичні поліаміди (ПА) - фенілони. Вони перспективні для створення композиційних матеріалів (КМ), які відповідають вимогам до сучасних конструкційних пластмас. Відомо, що КМ на основі фенілону пройшли широку апробацію в конструкціях сільськогосподарських машин, особливо в комбайнах, в той же час в посівних машинах не використовувались зовсім. Враховуючи це, розробка нових КМ на основі фенілону і застоcування їх у вузлах тертя сівалок - важлива і актуальна задача.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно з планом науково-дослідної роботи Дніпропетровського державного аграрного університету "Розробка, дослідження властивостей хаотично-армованих волокнами полімерів для впровадження у вузли тертя сільськогосподарських машин" № 019U0044114 і національною програмою "Лан-2000".

Мета і задачі дослідження. Метою роботы є створення КМ на основі фенілону С-2 та оптимізація їх складу для використання в рухомих з`єднаннях посівних машин. Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні завдання:

- дослідження впливу технологічних параметрів переробки (температури, питомого тиску та часу витримки) на властивості фенілону С-2:

- розробка КМ на основі фенілону С-2;

- вивчення впливу природи та вмісту ультрадисперсних нітридо-кремнієвих наповнювачів на теплофізичні, фізико-механічні, триботехнічні властивості і структуру композитів на основі фенілону С-2;

- дослідження впливу модифікованих вуглецевих волокон (ВВ) на структуру і властивості фенілону С-2;

- вивчення можливості покращення експлуатаційних характеристик фенілону за рахунок використання гібридного наповнювача складу : ультрадисперсні сполуки (УДС) + модифіковане ВВ;

- випробовування вузлів тертя посівних машин, укомплектованих деталями із розроблених композитів.

Наукова новизна одержаних результатів:

- розроблені і всебічно досліджені термостійкі самозмащувальні вуглепластики на основі фенілону С-2;

- створені і всебічно досліджені антифрикційні термостійкі КМ на основі фенілону С-2 з гібридним наповнювачем. Виявлені закономірності взаємодії системи полімерне в`яжуче-УДС-модифіковане ВВ, які дозволяють здійснювати контроль, цілеспрямоване регулювання властивостей та оптимізацію складу композитів на основі фенілону;

-вперше за допомогою статистичних методів планування експерименту проведені системні дослідження впливу технологічних параметрів переробки на основні експлуатаційні характеристики фенілону С-2, в результаті чого знайдено оптимальний режим переробки;

-встановлено оптимальні режими експлуатації деталей рухомих з`єднань із полімерних матеріалів та визначено найбільш доцільні місця застосування розроблених композитів в конструкціях посівних машин.

Наукова новизна розробок підтверджена 2-ма позитивними рішеннями НДЦПЕ про видачу патентів України.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені наукові рекомендації щодо створення і спрямованого регулювання властивостей нових вуглепластиків на основі фенілону С-2, армованих модифікованими вуглецевими волокнами та КМ, що містять гібридний наповнювач (Нп). Відмінною особливістю розроблених КМ від раніше відомих є значне покращення теплофізичних, фізико-механічних і триботехнічних характеристик материалів.

Підтверджена доцільність застосування КМ на основі фенілона С-2 як конструкційного матеріалу деталей вузлів тертя посівних машин. Встановлено, що заміна серійних деталей експериментальними із КМ забезпечує підвищення їх довговічності не менш ніж у 2 рази.

Особистий внесок здобувача. Визначено оптимальний технологічний режим переробки фенілону та КМ на його основі. Проведені експериментальні дослідження що до впливу УДС, модифікованих ВВ та гібридних наповнювачів на термічні, теплофізичні, фізико-механічні властивості та структуру КМ на основі фенілону С-2. Проведено обробку і аналіз експе-риментальних даних по впливу режимів експлуатації на триботехнічні характеристики фенілону і КМ на його основі, визначено критерії їх працездатності.

За основними моделями твердофазних процесів визначено кінетичні параметри термодеструкції фенілону і КМ на його основі.

Проведено теоретичне обгрунтування та показано доцільність застосування КМ на основі фенілону у вузлах тертя посівних машин.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи та її окремі результати доповідались і обговорювались на міжнародному семінарі “Триболог-8м” (м. Ростов, 1991р.), Четвертій Українській науково-технічній конференції “Применение пластмасс в строительстве и городском хозяйстве” (м. Харків, 1996р.); І та ІІ міжнародних науково-практичних конференціях "Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки" (м. Кіровоград, 1997, 1999рр.), Міжнародному науково-практичному симпозіумі "Славянтрибо-4. Трибология и технология" (м.Санкт-Петербург, 1997р.), Третій респуб-ліканській науково-технічній конференції "Новые материалы и технологии" (м. Мінськ, 1998р.), Міжнародних науково-технічних конференціях "Полімерні композити" (м.Гомель, 1998р.) та "Современные материалы, технологии, оборудование и инструменты в машиностроении" (м.Київ, 1999р.).

Публікації. Основні положення і результати досліджень відображені у 8 статтях, 5 із яких опубліковано у фахових виданнях, 23 тезах доповідей наукових конференцій (12 із них наведено в списку праць).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота виконана на 149 сторінках машинописного тексту, включає 48 рисунків, 48 таблиць, список використаних джерел з 226 найменувань та 16 додатків. Загальний обсяг дисертації - 207 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі показано сучасний технічний рівень досягнень у створенні і дослідженні нових КМ на основі термостійких ароматичних поліамідів. Обгрунтовано актуальність теми, викладено основні положення, анотовано результати роботи.

Розділ 1 присвячено огляду науково-технічної і патентної літератури та обгрунтуванню головних напрямків досліджень. Проаналізовано вплив природи Нп на властивості КМ на основі фенілонів, наведено галузі їх застосування. На підставі проведеного аналізу сформульовано першочергові завдання дослідженнь.

Розділ 2 містить опис експериментальних методик. Виходячи з поставлених завдань дос-ліджень як в'яжуче вибраний фенілон С-2- один з найбільш термо-, хімічностійких термопластів, що випускаються промисловістю і широко застосовується у різноманітних галузях народного господарства. Для армування фенілону використовували модифіковані вуглецеві волокна у кількості 17 мас.%, для наповнення - УДС у кількості 0,2-10 мас.%.

Рівномірність розподілу волокна у полімерній матриці вивчали за допомогою фотомікроскопа "Неофот-30", поверхню крихкого злому - на растровому електронному мікрос-копі JVC. Рентгеноструктурний аналіз проводили на установці ДРОН-2 в мідному монохроматизованому випромінюванні з нікелевим фільтром; ІЧ-спектральний аналіз - на спектрофотометрі ИКС-29.

Термостійкість фенілону С-2 та КМ на його основі вивчали на дериватографі Q-1500Д системи Ф.Паулік, Й.Паулік і Л.Ердей. Питому теплоємкість (С_р) та коефіцієнт теплопровідності () досліджували на вимірювачах ИТ-С-400 (ДЕСТ 23630.1-79 ) та ИТ--400 (ДЕСТ 23630.2-79). при кімнатній температурі визначали на приладі ИТЭМ -1М. Температурний коефіцієнт лінійного розширення (ТКЛР) визначали методом лінійної дилатометрії на дилатометрі ДКВ-5АМ згідно ДЕСТ 15173-70.

Густину () встановлювали методом гідростатичного зважування; відносну в'язкість () - віскозиметричним методом за допомогою скляного віскозиметра ВПЖ-2; ударну в'язкість (а_n) методом Шарпі згідно ДЕСТ 4647-80 на маятниковому копрі КМ-0,4; твердість за Брінелем (Н_Б) - у відповідності з ДЕСТ 4670-77 на твердомірі ТШСП; мікротвердість (Н) - методом Віккерса на приладі ПМТ-3. Визначення руйнуючого напруження, порогу текучості та відносної деформації при стисненні проводили згідно з ДЕСТ 4651-78 на машині FP-100; модуль пружності при стисненні розраховували у відповідності з ДЕСТ 9550-81. Динамічний модуль пружності (Е_дин.) вивчали за резонансною частотою консольно закріпленого зразка і інерційною масою на кінці при поперечних коливаннях. Вивчення тертя та зносу матеріалів проводили на машині 2070 СМТ-1. Випробовування на абразивне зношування здійснювали на машині СМЦ-2 згідно з ДЕСТ 23.208-79.

У розділі 3 наведено результати досліджень по оптимізації технологічного процесу переробки фенілону у вироби. А саме: виявлено вплив параметрів сушки прес-матеріалу на фізико-механічні властивості фенілону С-2. Доведено, що несушений преспорошок фенілону має відносну вологість 6%, що значно погіршує його фізико-механічні властивості. Тоді, як сушка при температурі 398К протягом 2-3 годин зменшує відносну вологість фенілону до 1,0-1,41%, в результаті чого досягаються високі показники ударної в`язкості і міцності при стисненні.

Із-за жорстколанцюгової структури та вузького температурного інтервалу переходу фені-лону С-2 у в`язкотекучий стан, що межує з температурою деструкції, переробку здійснювали методом компресійного пресування. Були проведені системні дослідження щодо впливу температури прессування (Т<sub>прес.</sub>), питомого тиску (Р<sub>пит</sub>.) та часу витримки () на відносну в`язкість, молекулярну масу, термостійкість, енергію активації, трибологічні та фізико-механічні характеристики за допомогою статистичного планування експерименту, вимірювання проводили на п`яти рівнях кожного із параметрів і описували слідуючою функціональною залежністю:

У = f (Х₁, Х₂, Х₃), (1)

де: Х₁ - температура переробки, К; Х₂ - питомий тиск пресування, МПа; Х₃ - час витримки під тиском, хвил.

Виявлено, що при Т_прес. вище 588К досліджені властивості погіршуються. Очевидно, це пов`язано з термодеструкцією фенілону, при якій для дослідженого інтервалу температур, най-більш ймовірні такі гетеролітичні реакції як конденсація і гідроліз, що впливають на молекулярну масу фенілону С-2. Що стосується питомого тиску, то його підвищення до 40МПа дозволяє покращити властивості фенілону завдяки зниженню інтенсивності процесу термодеструкції внаслідок збільшення щільності упаковки макромолекул, а також ймовірності їх зшивки в результаті вищезгаданої реакції конденсації.

Таким чином, за результатами 15 експериментальних режимів переробки виявлено (табл. 1) оптимальний: Т_прес.= 587-588К, Р_пит.=40МПа, =10 хвилин.

Таблиця 1. Оптимальні режими переробки фенілону

	Технологічні параметри
Параметр	Температура переробки, К	Питомий тиск, МПа	Витримка, хвил.
Молекулярна маса	587	50-52	10
Термостійкість	587	28	10
Енергія активації	587-588	50-52	15-16
Мікротвердість	598-599	52	10
Ударна в`язкість	587	40	10
Зносостійкість	587-588	40	5-10
Коефіцієнт тертя	587-588	40	15-16

Розділ 4 присвячений розробці малонаповнених композиційних матеріалів на основі фенілону, які містять ультрадисперсні тугоплавкі сполуки оксинітрид кремній-ітрію Si₃N₄-Y₂O₃ і твердий розчин -АlN в -Si₃N₄ (-сіалон). Ці Нп мають підвищену структурну і хімічну актив-ність, що пояснюється наявністю на їх поверхні великої кількості незкомпенсованих зв`язків різної хімічної природи - тому навіть незначна кількість УДС дає позитивні результати і змінює структуру полімерної матриці, що доведено методами рентгеноструктурного та електронно-мікроскопічного аналізів. Про зміни на молекулярному рівні свідчать результати ІЧ-спектро-скопії: розриваються міжмолекулярні водневі зв`язки між молекулами фенілону і здійснюється хімічна взаємодія між амідними групами фенілону та Si, Al -сіалону. У випадку оксинітриду спостерігаються полоси, характерні для зв`язків Si-C, Si-O-Ar. За результатами рент-геноструктурних та дифрактометричних досліджень встановлено, що модифікацію фенілону УДС необхідно розглядати як процес, який сприяє структурній перебудові в самому полімері, що в свою чергу призводить до зміни його властивостей.

Виходячи із розрахунку кінетичних параметрів термодеструкції фенілону та КМ за методом Коатса-Редферна встановлено, що найкраще процес термоокислювальної деструкції відображає рівняння І порядку: k t = - ln (1 - a) з кінетичними характеристиками: r = 0,993, S = 0,173^.10^-1; E_{акт .}= 51,5 кДж/моль; lgZ = 0,15.

Наведене рівняння описує процес випадкового зародокоутворення: фенілон зазнає мономолекулярних перетворень, в результаті яких із валентно-насичених молекул утворюються радикали з порівняно малою реакційною здатністю. Враховуючи те, що за думкою Соколова Л.Б. при термолізі фенілону в першу чергу розщепленню підлягають найбільш слабкі Рh-N и С-N зв`язки, можна запропонувати нижченаведений гомолітичний процес:

За результатами дилатометричних досліджень виявлено, що введення УДС в фенілон С-2 призводить до зниження ТКЛР. Найбільш значне зменшення (8-10%) цього показника спосте-рігається при 1%-ному наповненні. Дослідження фізико-механічних характеристик показали, що розроблені КМ мають модуль пружності (Е) на 69-300МПа більше, ніж у фенілону.

Це можливо пояснити ефектом міжструктурного наповнення, коли дрібнодисперсні частки розташовуються на границях розподілу надмолекулярних утворень в місцях дефектів і впливають на гнучкість полімерних макромолекул, що призводить до деякої зміни еластичності матеріалу. Твердість (Н_Б) збільшується, головним чином у випадку оксинітриду кремній-ітрію (ОКН) на 10%. До недоліків розроблених КМ належить зниження ударної в`язкості, що обмежує галузь їх застосування. В той же час жорсткість КМ збільшується, про що свідчить зростання в 1,2-1,3 рази динамічного модуля пружності (Е_дин.)

Дослідження тертя та зносу показали, що введення ОКН до 5% значно змінює глибину протікання триботехнічних процесів і сприяє структуруванню матеріалу, а це в свою чергу призводить до зниження в 2 рази інтенсивності лінійного зносу (Ih) (рис.1б). Таким чином, розроблені КМ мають досить високі експлуатаційні характеристики, але вони не належать до антифрикційних матеріалів (коефіцієнт тертя знаходиться в межах 0,35-0,45) можуть експлуатуватись у вузлах тертя фрикційного призначення.

Розділ 5 дисертації присвячено розробці нових ВП на основі фенілону, армованих 17 мас.% гідратцелюлозних ВВ поверхня яких для збільшення адгезії модифікована Сl- та NH₂-групами. Методом ІЧ-спектроскопії встановлено, що фізико-хімічна взаємодія компонентів КМ здійснюється, головним чином, за рахунок виникнення міжмолекулярних водневих зв`язків між волокном та в`яжучим. Крім того, проявляються коливання за участю зв`язку С-Сl (777см^-1), який взаємодіє з амідними групами фенілону як в 1,3-, так і в 1,4-положенні, причому по N- Н, а не по С=О. Спостерігається також утворення хімічних звязків по типу вторинних амінів R₂NH (1002, 1106, 1236, 1262, 1394см^-1) та амідів ( 3249, 3301см^-1) . За допомогою електронномікроскопічних досліджень доведено, що армування модифікованими ВВ призводить до часткової фібрилізації глобулярної структури фенілону.

Про це свідчить і зміщення аморфного гало в бік більших кутів Вульфа-Брега; при цьому інтенсивність дифрагованного випромінювання зменшується в 1,5-1,6 раза. Усе вищезгадане підтверджує вплив углена з поверхнею, модифікованою як аміно-групами (УАГ) так і атомами хлору (УХ) на розвиток процесів ближнього упорядкування аморфної структури фенілону. З точки зору механіки полімерів модифікація волокна позитивно впливає на покращення фізико-механічних характеристик ВП. Так, поріг текучості при стисненні (_т.ст.) збільшується на 63-83, Е -на 143-268, Н_Б - на 82-104 МПа (табл. 2).

Таблиця 2. Фізико-механічні характеристики розроблених матеріалів

Матеріал	HБ, МПа	т.ст., МПа	Е, МПа	ап, кДж/м2
Фенілон С-2	220	230	2857	27,36
Фенілон С-2+1 мас.% ОКН	244,5	248	2926	18,1
Фенілон С-2 + 17мас.%ВВ	275	279	2987	17,0
Фенілон С-2+17 мас.% УХ	302	275	3000	18,0
Фенілон С-2+17 мас. % УАГ	324	305	3125	19,4
С-2+17мас. % УХ +1мас.% ОКН	313	305	3115	18,3
С-2+17 мас.% УАГ +1мас.% ОКН	335	315	3200	20,2

Результати тертя і зносу без змащування наведені в табл. 3. Встановлено, що в ідентичних умовах ВП в 4-21 раз більш зносостійкі, чим полімерна матриця. З одного боку, це пояснюється більш високими міцністними властивостями розроблених ВП (табл. 2); з іншого - вони мають в 1,3-1,5 раза вищу теплопровідність, що згідно з теорією зносу запобігає локалізації тепла в зоні тертя, внаслідок чого зменшується інтенсивність термомеханічної деструкції поверхневих шарів в`яжучого. Слід відзначити, що коефіцієнт тертя ВП зі збільшенням навантаження (Р) і швидкості ковзання (V) зменшується і досягає величини 0,11-0,19.

Таким чином, армування фенілону модифікованими вуглецевими волокнами у кількості 17 мас.% покращує триботехнічні і фізико-механічні характеристики фенілону при збереженні високих тепло- та температуропровідності. Встановлено, що ВП на основі фенілону можуть ефективно експлуатуватися в умовах сухого тертя при значенні критерію РV5,2МПа^.м/с.

Враховуючи те, що при експлуатації рухомих з`єднань велике значення має середовище, вивчали вплив води та масла МС-20 на тертя і знос розроблених ВП. При змащуванні ВП перевершують базовий фенілон за зносостійкістю в 2-3 (масло); 7-20 (вода) разів, що забезпечується насамперед їх кращими антифрикційними властивостями: коефіцієнт тертя 0,10-0,11 (вода); 0,01-0,08 (масло) проти 0,23-0,24 (фенілон). Таким чином, застосування змащування значно розширює діапазон експлуатації розроблених матеріалів до критерію РV 10 (вода); РV 10 (масло) МПа^. м/с.

Таблиця 3. Тертя та знос фенілону С-2 та композитів на його основі

Р,	Швидкість ковзання, м/c
МПа	0,8	1,3	2,6
	Ih .10-9	f	Ih .10-9	f	Ih .10-9	f
Фенілон С-2
1	1,71	0,43	0,64	0,3	0,63	0,2
1,5	1,82	0,39	4,42	0,45
2	2,31	0,34	к а т а с т р о ф і ч н и й з н о с
Фенілон С-2 + 17мас. % УХ
1	0,08	0,22	0,1	0,21	0,05	0,16
2	0,10	0,19	0,14	0,19	0,42	0,13
4	0,16	0,17	к а т а с т р о ф і ч н и й з н о с
Фенілон С-2 + 17мас. % УАГ
1	0,09	0,2	0,09	0,2	0,05	0,17
2	0,48	0,19	0,44	0,19	0,12	0,15
4	0,58	0,14	к а т а с т р о ф і ч н и й з н о с
Фенілон С-2 + 17мас.% УХ + 1мас.% ОКН
1	0,16	0,19	0,17	0,19	0,30	0,15
2	0,29	0,14	0,28	0,13	0,41	0,076
4	0,43	0,09	0,29	0,08
6	0,50	0,07	к а т а с т р о ф і ч н и й
8	0,46	0,06	з н о с
10	0,44	0,05
Фенілон С-2 + 17мас.% УАГ + 1мас.% ОКН
1	0,04	0,27	0,04	0,19	0,03	0,08
2	0,15	0,19	0,10	0,11	0,26	0,075
4	0,27	0,11	0,14	0,08
6	0,45	0,08	к а т а с т р о ф і ч н и й
8	0,63	0,08	з н о с
10	0,52	0,05

Завдяки високому модулю пружності КМ на основі фенілону С-2, наповнених УДС та значній зносостійкості ВП, армованих модифікованими ВВ, було створено нові КМ, що містять гібридний Нп. Оптимальний склад Нп, вибраний на основі даних, отриманих на попередніх етапах досліджень, становив: 1% ОКН +17мас.% модифікованого ВВ.

За результатами термічного аналізу встановлено, что гібридний Нп збільшує термостійкість фенілона на 50-150 градусів, тоді як модифіковані ВВ лише на 80 градусів, а введення 1% ОКН - в деякій мірі навіть знижує його. Що до розрахунку кінетичних пареметрів процесу термодеструкції за вищезгаданим методом Коатса-Редферна, слід відзначити,- найбільш адекватно термоліз КМ описує математична модель I-го порядку, яка характеризує випадкове зародкоутворення.

Розрахунки Е_акт. проведені за цією моделлю свідчать, що гібридний наповнювач забезпечує її зростання на 27-34 % порівняно з фенілоном; на 15-24% - з відповідним ВП і на 20%- з КМ: фенілон +1%ОКН (табл. 4).

Таблиця 4. Кінетичні параметри термодеструкції КМ на основі фенілону

Материал	r	S . 10-1	Eакт., кДж/моль	lg Z
Математична модель k=-ln (1-)
Фенілон С-2	0,997	0,173	51,50	0,15
С-2+1%ОКН	0,991	0,363	47,82	0,02
С-2 + 17мас.%УАГ	0,993	0,204	60,20	0,01
С-2 + 17мас.% УХ	0,993	0,230	54,68	0,05
С-2 + 1% ОКН +17 мас.%УАГ	0,989	0,235	78,60	0,35
С-2 + 1%ОКН + 17мас.% УХ	0,925	0,515	70,20	1,86

Слід зауважити, що інші теплофізичні характеристики фенілону, такі як коефіцієнти теплопровідності (), температуропровідності (а) при наповненні гібридним Нп теж зростають на 25-44% порівняно з фенілоном, на 20-23 % з відповідними ВП і на 33-40% з КМ фенілон +1% ОКН. Встановлено, що збільшення термостійкості, і а, отримане експериментальним шляхом перевершує адитивні їх значення, знайдені аналітично, тому можна зробити висновок про наявність синергічного ефекту.

Порівняльний аналіз фізико-механічних властивостей (табл. 2) показав, що гібридні Нп підвищують поріг текучості фенілону при стисканні на 25-37%, модуль пружності на 8-10% МПа, твердість - 30%. Показано, что введення ВВ в фенілон знижує ударну в`язкість, із-за крихкості та ламкості волокон, значних ушкоджень їх у процесі суміщення з вихідним полімером. В той же час, введення в систему гібридного Нп в деякій мірі підвищує даний показник. За результами динамічних випробувань знайдено, що введення гібридного Нп: ОКН+УАГ значно зменшує коєфіцієнт демпфування, що свідчить про хорошу адгезію на границі разподілу ВВ-в`яжуче. Введення Нп ОКН+УХ підвищує динамічну жорсткість матеріалу в 1,5 раза і практично не впливає на його демпфуючу здатність.

Аналіз впливу Р і V на інтенсивність лінійного зносу та коефіцієнт тертя (табл. 3), показав що зміна швидкості від 0,8 до 2,6 м/с супроводжується ростом Ih. Це пов`язано з тим, що в жорстких умовах експлуатації на поверхні контртіла розвивається висока температура, завдяки чому збільшується адгезія між поверхнями і, як наслідок, зростає знос зразків. f при цьому зменшується - це обумовлено, з одного боку, скороченням часу фрикційного контакту КМ-сталь, а з іншого - збільшенням тангенціальної складової швидкості ковзання, що сприяє ефективному вилученню часток зносу із зони тертя. При підвищенні Р до 4 МПа f зменшується завдяки збільшенню площі фактичного контакту між поверхнями; після 4МПа f стабілізується внаслідок досягнення повного контакту. Встановлено, що КМ на основі фенілона можуть ефективно експлуатуватися в умовах сухого тертя при значеннях критерію РV8МПа^. м/с.

В розділі 6 теоретично обгрунтувано та проаналізовано досвід застосування КМ в конструкціях посівних машин.

Наведено приклади конструювання прес-форм для виготовлення виробів із КМ. Показана доцільність використання деталей із розроблених композитів у вузлах тертя вентилятора овочевої сівалки точного висіву СУПО-6-01 та дводискового сошника зернотукової сівалки СЗ-3,6 замість серійних шарикопідшипників. Обговорюються результати господарчих польових випробовувань підшипників ковзання із КМ на основі фенілону С-2, які забезпечують підвищення довговічності більш ніж у 2 рази.

ВИСНОВКИ

1. Вивчено вплив режиму сушки прес-матеріалу фенілон С-2 на його фізико-механічні властивості.

Досліджено вплив технологічних параметрів переробки на молекулярну масу, термостійкість, енергію активації термолізу, фізико-механічні та триботехнічні характеристики фенілону С-2.

Знайдено оптимальний режим переробки (завантаження - 513К, витримка без тиску при 587-588К - 5 хвилин, витримка під тиском при 587-588К - 10 хвилин, розпресовка при температурі 513 К).

2. Розроблені композиційні матеріали на основі фенілону, які містять УДС. Встановлено, що введення 1 мас.% УДС призводить до підвищення міцності на 4-5%, модуля пружності на 16-300МПа; зносостійкості в 2 рази.

3. Розроблені термостійкі самозмащувальні вуглепластики на основі фенілону, які містять модифіковані вуглецеві волокна. Визначено вплив модифікованих вуглецевих волокон на розвиток процесів ближнього упорядкування аморфної структури фенілону.

Встановлено, що введення 17мас.% модифікованого вуглецевого волокна призводить до підвищення теплопровідності і температуропровідності фенілону на 20-32,5 %, модуля пружності на 143-268 МПа, твердості - на 82-104МПа, зносостійкості в 4-21 раз. Граничне значення фактора РV, при якому вуглепластики можуть успішно експлуатуватись досягає 5,2МПам/с в умовах сухого тертя і 10 МПам/с при змащуванні водою та мастилом.

4. Створені антифрикційні термостійкі КМ на основі фенілону, що містять гібридний наповнювач складу: оксинітрид кремній-ітрію + модифіковане вуглецеве волокно.

Визначено, що використання гібридного наповнювача дозволяє підвищити міцність і твердість фенілону до 30%, зносостійкість - в 10-40 разів. Граничне значення фактора РV в умовах сухого тертя досягає 8 МПам/с.

5. Доведено, що використання КМ на основі фенілону С-2 як конструкційного матеріалу вузлів тертя посівних машин забезпечує підвищення їх довговічності не менш, ніж в 2 рази.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО В РОБОТАХ

1. Буря А.И., Арламова Н.Т., Буря А.А., Ильюшенок В.В., Черский И.Н. Исследование эксплуатационных характеристик малонаполненного фенилона //Трение и износ. -1997. -18, №5. -С.655-662.

2. Арламова Н.Т., Нестеренко А.М., Буря А.И., Киреев Е.И. Структура малонаполненного фенилона //Материалы, технологии, инструменты -1998. -Т.3. - №4, -С.65-68.

3. Буря А.И., Арламова Н.Т., Холодилов О.В. Исследование влияния режимов переработки на молекулярную массу фенилона//Материалы, технологии, инструменты,-1999.-Т.4.- №1.-С.71-74.

4. Буря А.И., Бурмистр М.В., Арламова Н.Т., Дорофеев В.Т., Горбенко В.Ф., Рева Д.Л. Разработка и исследование свойств базальтопластиков на основе фенилона// Вопросы химии и химической технологии. -1999. №2,- С. 37-42.

5. Burya A.I., Аrlamova N.T. Friction and wear of phenilon filled by ultra-dispersed oxynitride of silicon-yttrium// Applied Mechanics and Engineering. -1999. v.4. Special issue:NCBS`99. -P.115-120

6. Буря А.И., Арламова Н.Т., Сучилина-Соколенко С.П., Кривель А.А. Влияние ультрадисперных наполнителей на структуру фенилона/ В кн. Коммунальное хозяйство городов. -Харьков:Техніка. -2000. вып.22. -С.112-114.

7.Буря А.И., Арламова Н.Т. Разработка углепластиков на основе фенилона для внедрения в узлах трения посевных машин// Збірник наукових праць національного аграрного університету "Механізація сільськогосподарського виробництва", К: Вид-во НАУ, -Т. IV. -1998. -С.76-81.

8. Арламова Н.Т. Применение полимерных материалов в конструкциях посевных машин//Придніпровський науковий вісник. -1998. -№55. -С.20-28.

9. Позитивне рішення від 04.02.99р. про видачу патенту України на винахід по заявці №98063051 від 12.06.98 МПК 6 С 08 L 77/00 Полімерна композиція /Буря О.І., Арламова Н.Т. (Україна), Черський І.М. (Росія).

10. Позитивне рішення від 1.10.98р. про видачу патенту України на винахід по заявці №97115510 від 17.11.97 МПК 6 С 08 L 61/14 Полімерна композиція/ Буря О.І. (Україна), Адріанова О.А. (Росія), Арламова Н.Т.(Україна), Черський І.М.(Росія)

11. Буря А.И., Виноградов А.В., Адрианова О.А., Арламова Н.Т. Триботехнические свойства ароматического полиамида фенилон, содержащего ультрадисперсный наполнитель// Расширенные тезисы докладов семинара-смотра “Триболог-8м”. -Ростов: ЯПИ. -1991. -С.44-48.

12. Burya A.I., Ivin V.D., Arlamova N.T. Tribological properties of carbon plastics based in aromatic polyamide phenylon //Proceedings 4th Yugoslav conference tribology of with foreign participants YUTRIB95. -Herceeg Novi (Yugoslaviy). -1995. -P. 40.

13. Буря О.І., Арламова Н.Т., Виноградов О.В., Лебідь С.Б. Вивчення впливу ультра-дисперсних наповнювачів на фізико-механічні характеристики фенілону//Тезисы докладов IV Украинской научно-технической конференции “Применение пластмасс в строительстве и городском хозяйстве”. -Харьков: “Курсор ЛТД”. -1996. -С.15-17

14. Буря А.И., Арламова Н.Т., Ильюшенок В.В. Износостойкость углепластиков на основе ароматического полиамида фенилон С-2// Труды 3-го Международного Симпозиума по трибологии фрикционных материалов "ЯРОФРИ-97". -Ярославль: НИИАТИ -1997. -С.242-246.

15. Буря А.И., Ильюшенок В.В., Арламова Н.Т. Исследование триботехнических характеристик углепластиков на основе фенилона С-2// Материалы международного научно-практического cимпозиума "Славянтрибо-4. Трибология и технология". -Санкт-Петербург-Рыбинск: РГ АТА-МФ. СЕЗАМУ. -1997. -С.31-34.

16. Burya A.I., Arlamova N.T., Vinogradov A.V. The influence of ultradispersed fillers by tribological properties of aromatic polyamide// Proceedings of World Tribology Congress. - London (UK). -1997. -P. 831.

17. Буря А.И., Арламова Н.Т., Холодилов О.В. Влияние режимов переработки на трибологические характеристики фенилона/ Сборник Трудов международной научно-технической конференции "Полимерные композиты-98". -Гомель. -1998. -С.310-313.

18. Burya A.I., Arlamova N.T., Ilyshonok V.V. The influence of ultradispersed ceramics by tribotechnical characteristics of composites// Abstracts of papers 7^TH European polymer federation Symposium on polymeric materials. -Szczecin (Poland). -1998. -P.79-80.

19. Burya A.I., Arlamova N.T., Ilyshonok V.V. Self-lubricated carbon plastics based on aromatic polyamide phenilon C-2//5^th Internat. Symposium INSYCONT`98. -Cracow (Poland). -1998. -Р.15-20.

20. Буря А.И., Арламова Н.Т., Холодилов О.В. Исследование влияния режимов переработки на молекулярную массу фенилона//Труды 3 республиканской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии". -Минск. -1998. С.95-96.

21. Буря А.И., Бурмистр М.В., Арламова Н.Т., Туголуков А.В. Применение теории планирования эксперимента при переработке фенилона //Материалы 39-ого международного семинара по моделированию и оптимизации композитов -МОК`39. Рациональный эксперимент в материаловедении. -Одесса: "Астро-Принт." -2000.-С.58.

22. Буря А.И., Арламова Н.Т., Аносов Н.И. Влияние гибридного наполнителя на термические свойства фенилона// Материалы 20-й международной конференции "Композиционные материалы в промышленности (Славполиком -2000)" -Киев: АТМ Украины. -2000. -С. 149-153.

АНОТАЦІЯ

Арламова Н.Т. Розробка та дослідження властивостей композитів на основі фенілону для вузлів тертя посівних машин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.06 - Технологія полімерних і композиційних матеріалів. - Український Державний хіміко-технологічний університет, Дніпропетровськ, 2000.

Дисертація присвячена розробці нових антифрикційних зносостійких композиційних матеріалів на основі ароматичного поліаміду фенілон С-2. Виявлено наявність фізико-хімічної взаємодії полімерної матриці та наповнювачів на межі поділу фаз в гетерогенній системі та її вплив на основні експлуатаційні характеристики і структуру композитів. Визначено оптимальний режим переробки фенілону та композитів на його основі. Встановлено підвищення теплофізичних показників та зносостійкості композитів відповідно в 2-4 та 6-21 раз, зниження коефіцієнта тертя в 2-2,5 та коефіцієнта демпфірування в 2,3 рази. Визначені критерії працездатності PV вуглепластиків при експлуатації в режимі сухого тертя - не більше за 5,2 МПа м/с, при змащуванні водою та мастилом - 10 МПа м/с. Виявлено, що при використанні гібридного наповнювача деталі із композитів можуть успішно експлуатуватись в умовах сухого тертя при значенні критерію PV 8МПа^.м/с. Показана доцільність застосування композитів на основі фенілону у вузлах тертя посівних машин.

Ключові слова: композит, фенілон, ультрадисперсні наповнювачі, вуглецеві волокна, сушка, переробка, властивості, в`язкість, структура, теплопровідність, інтенсивність лінійного зносу, коефіцієнт тертя, критерій працездатності, довговічність.

ANNOTATION

Arlamova N.T. Elaboration and investigation of composites based on phenilon for friction knots of sowing machines. - Manuscript.

Thesis for a Candidate of Sciences` degree by speciality 05.17.06 - Technology of polymeric and composition materials. - The Ukrainian State Chemical Tecnology University, Dnepropetrovsk, 2000.

The disertation is devoted to the development of new antifriction wear-resistance composites based on aromatic polyamide phenilon C-2. The presence of physical-chemical interaction of polymeric matrix and fillers on phases dale scopes in heterogeneous system and its influence on basic exploitation characteristics and structure of composites have been founded. The optimal regim treatment of phenilon and composites of its based are established. There has been set a rise of heat-physical properties, coefficient of damper and wear-resistance of composites accordingly by 2-4; 2,3 and 6-21 times; decrease of friction coefficient by 2-2,5 times. The criteria efficiency PV of elaborated composites at exploitation in dry friction regime are no more than 5,2 MPаm/sec and at water and oil lubrications - 10 МPаm/sec. Is established, that at use hybrid filler of a detail from composites can successfully be maintained in conditions of dry friction at PV 8МPа^. m/sec. Application expediency of composites on the base of phenilon in friction knots of sowing machines has been shown.

Key words: composite, phenilon, ultra dispersive fillers, carbon fibers, drying, treatment, properties, density, structure, heat conductivity, the intensity of linear wear, coefficient of friction, efficiency criterion, longevity.

АННОТАЦИЯ

Арламова Н.Т. Разработка и исследование свойств композитов на основе фенилона для узлов трения посевных машин. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.06 - Технология полимерных и композиционных материалов - Украинский Государственный химико-технологический университет, Днепропетровск, 2000.

Диссертация посвящена разработке новых антифрикционных износостойких композиционных материалов на основе ароматического полиамида фенилон С-2. Показано влияние режима сушки пресс-материала фенилон С-2 на его физико-механические свойства. В результате исследований найден оптимальный режим сушки. Установлены закономерности изменения молекулярной массы, термостойкости, энергии активации, физико-механических и триботехнических характеристик фенилона С-2 в зависимости от технологических параметров переработки. Определен оптимальний режим переработки (загрузка- 513К, выдержка без давления при температуре 587-588К - 5минут, выдержка под давлением при температуре - 10минут, распрессовка при температуре 513К).

Вследствие комплексного исследования влияния ультрадисперных нитридокремниевых соединений на физико-механические и триботехнические характеристики фенилона обнаружено, что введение наполнителей в количестве 1 мас.% приводит к увеличению предела текучести при сжатии до 25МПа, модуля упругости до 143МПа; износостойкости в 2 раза.

Установлено, что введение в фенилон углеродных волокон с поверхностью, модифицированной амино- и хлор-группами оказывает влияние как на молекулярную, так и надмолекулярную структуру полимерной матрицы. Физико-химическое взаимодействие компонентов осуществляется, главным образом, за счет возникновения межмолекулярных водородных связей между волокном и связующим. При этом введение 17 мас.% модифицированного углеродного волокна повышает теплофизические показатели на 20-32,5%; прочностные - на 63-83МПа. Критерий работоспособности PV разработанных углепластиков достигает 5,2 МПа^.м/с в условиях сухого трения и 10МПа^.м/с при смазке маслом и водой. По основным математическим моделям твердофазных процессов определены кинетические параметры термодеструкции фенилона и композиционных материалов на его основе. Обнаружено, что введение ультрадисперсных соединений и модифицированных углеродных волокон увеличивает энергию активации термолиза на 7 и 10-13 % соответственно.

Определено, что введение гибридного наполнителя состава: 1мас.% ОКН+17мас.% модифицированного углеродного волокна увеличивает прочность на 75-85, модуль упругости - на 258-343, твердость на 23-35 МПа, абразивную износостойкость - на 22-26%. Коэффициент демпфирования снижается в 2,3 раза, что свидетельствует о хорошей адгезии на границе раздела волокно-связующее; модуль Юнга при этом увеличивается в 1,2 раза. Предельное значение критерия PV в условиях сухого трения достигает 8 МПа^.м/с. Показано,что применение композитов на основе фенилона в качестве подшипников скольжения узла трения дискового сошника зернотуковой сеялки СЗ-3,6, а также вентилятора овощной сеялки СУПО-6-01 повышает долговечность узлов трения не менее чем 2 раза. Предложены конструкции пресс-форм для изготовления деталей из разработанных композитов.

Ключевые слова: композит, фенилон, ультрадисперные наполнители, углеродные волокна, сушка, переработка, свойства, вязкость, структура, теплопроводность, интенсивность линейного износа, коэффициент трения, критерий работоспособности, долговечность.

Размещено на Allbest.ru