Вуглепластики триботехнічного призначення на основі фторопласту-4 та модифікованого вуглецевоволокнистого наповнювача

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

УДК 678.046:621.763

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ВУГЛЕПЛАСТИКИ ТРИБОТЕХНІЧНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ НА ОСНОВІ ФТОРОПЛАСТУ-4 ТА МОДИФІКОВАНОГО ВУГЛЕЦЕВОВОЛОКНИСТОГО НАПОВНЮВАЧА

05.17.06 - технологія полімерних і композиційних матеріалів

Будник Олег Анатолійович

Дніпропетровськ-2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі переробки пластмас та фото-, нано-, і поліграфічних матеріалів Державного вищого навчального закладу “Український державний хіміко-технологічний університет”, міністерство освіти і науки.

Науковий керівник:доктор хімічних наук, професор Бурмістр Михайло Васильович, завідувач кафедрою переробки пластмас та фото- , нано- , і поліграфічних матеріалів ДВНЗ “Український державний хіміко-технологічний університет” (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Науменко Олександр Петрович, директор з розвитку ВАТ “Дніпрошина” ( м. Дніпропетровськ);

кандидат технічних наук, професор Буря Олександр Іванович, завідувач кафедрою хімії Дніпропетровського державного аграрного університету (м. Дніпропетровськ).

Захист відбудеться “20” травня 2011 р. о 13⁰⁰ -й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.078. 03 в ДВНЗ “Український державний хіміко-технологічний університет” за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 8, ауд. 220.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці ДВНЗ “Український державний хіміко-технологічний університет ”, за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 8, к. 357.

Автореферат розісланий “18” квітня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 08.078. 03

канд. техн. наук, доц. Шевцова К.В.

триботехнічний волокно вуглепластик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасна тенденція розвитку полімерного матеріалознавства полягає у пошуку раціональних шляхів використання відомих матеріалів шляхом модифікування їх властивостей. Перспективними матеріалами для застосування в вузлах тертя є вуглепластики на основі фторопласту та модифікованого вуглеволокна, які з успіхом застосовуються для заміни традиційних матеріалів триботехнічного призначення. Серед методів модифікування поверхні вуглеволокна найбільш доступним і простим є метод модифікування за рахунок механо-хімічних і термомеханічних процесів при подрібненні вуглецевого волокна.

Дисертаційна робота спрямована на розробку вуглепластиків з високим рівнем фізико-механічних і триботехнічних властивостей на основі встановлення закономірностей модифікації вуглеволокнистого наповнювача за рахунок механо-хімічних і термомеханічних процесів при подрібненні вуглеволокна.

Режимні параметри процесу подрібнення вуглеволокна і виготовлення полімерної композиції впливають на рівень фізико-механічних та триботехнічних властивостей вуглепластику, отже актуальним є аналіз впливу конструктивно-технологічних параметрів обладнання для подрібнення на параметри морфології подрібненого вуглецевого волокна та обґрунтування оптимальних умов здійснення механохімічної та термомеханічної модифікації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною науково-дослідних робіт за науковим напрямом кафедри переробки пластмас і фото- , нано- , і поліграфічних матеріалів ДВНЗ “Український державний хіміко-технологічний університет у межах тем : “Розробка методів синтезу нових полімерних матеріалів, нано- та мікрокомпозитів”.

Здобувач безпосередньо приймав участь у роботах за темою дисертації в 2006-2010рр. (номери державної реєстрації 0107U008893, 0107U008894, 0107U008895, 0108U007129, 0103U005788).

Роботу виконано у відповідності з планом спільних наукових досліджень згідно з «Договором між урядами України та Білорусі про співробітництво в галузі науки та технологій» від 23.06.2005.

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є розробка вуглепластику з високим рівнем фізико-механічних і триботехнічних властивостей шляхом визначення оптимальних режимів подрібнення та модифікації вуглеволокна з подальшим використанням модифікованого волокна.

Відповідно до поставленої мети, необхідно вирішити такі основні завдання :

- розробити технологію виготовлення вуглецевоволокнистого наповнювача з заданою морфологією шляхом оптимізації параметрів процесу подрібнення;

- вибрати тип устаткування для подрібнення, що забезпечує задані параметри морфологічної будови вуглецевоволокнистого наповнювача;

- дослідити вплив фізико-хімічних факторів модифікації вуглецевоволокнистого наповнювача на рівень властивостей вуглепластиків;

- розробити технологію виготовлення вуглепластиків на основі фторопласту та модифікованого вуглецевого волокна;

- розробити рекомендації щодо використання результатів експериментальних досліджень в умовах виробництва.

Об'єкт дослідження - поверхневі явища на межі фторопласт-вуглецеволокнистий наповнювач.

Предмет дослідження - вуглепластики триботехнічного призначення на основі фторопласту і модифікованих вуглецевих волокон.

Методи досліджень. Експериментальні дані одержано з використанням стандартних методів визначення фізико-механічних і триботехнічних властивостей вуглепластики та сучасних методів дослідження структури вуглецевого волокна і вуглепластиків: методів фрактографії, оптичної мікроскопії, електронної та растрової електронної мікроскопії.

Наукова новизна одержаних результатів. Уперше розроблено технологію виготовлення модифікованого вуглецевого наповнювача з заданою морфологією, шляхом оптимізації параметрів процесу подрібнення та модифікації вуглеволокна.

Уперше встановлено вплив конструктивно-технологічних характеристик устаткування для подрібнення вуглеволокна на параметри морфології вуглецевоволокнистого наповнювача.

Досліджено вплив фізико-хімічної модифікації вуглеволокна на рівень властивостей вуглепластику.

Уперше розроблено двостадійну технологію виготовлення вуглепластику.

Уперше визначено оптимальні параметри режиму подрібнення та модифікації вуглеволокна і розроблено нові вуглепластики триботехнічного призначення.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено нову технологію модифікації вуглецевоволокнистого наповнювача та визначено оптимальний склад вуглепластику з високим рівнем міцності та зносостійкості.

Розроблені наповнені модифікованим вуглеволокном (20% вуглеволокна, одержаного при режимі подрібнення n=7000 об./хв, =15 хв) вуглепластики, у порівнянні з контрольними зразками (немодифіковане волокно) мають підвищений рівень міцності при розтязі на 75%, а зносостійкість більшу ніж у 3 рази.

В умовах ВАТ СМНПО ім.М.В.Фрунзе (м.Суми) здійснена апробація поршневих та сальникових кілець для компресорів 4ГМ 2,5У-2/5-250 з розробленого вуглепластику. Застосування розроблених вуглепластиків забезпечило збільшення ресурсу працездатності вузлів тертя. (Акт випробувань № 5 від 25. 12. 2009).

Особистий внесок автора полягає в пошуку та аналізі літературних джерел з проблеми щодо модифікації поверхні вуглеволокна, протіканні процесу модифікації вуглецевоволокнистого наповнювача, здійсненні експериментальних досліджень щодо розробки оптимальних параметрів процесу модифікації та розроблення вуглепластиків з використанням модифікованого наповнювача. Спільно з науковим керівником, завідувачем кафедрою переробки пластмас та фото-, нано-, поліграфічних матеріалів, доктором хімічних наук, професором М.В.Бурмістром здійснювалось планування експерименту, обробка і аналіз результатів і формулювання наукових висновків.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на науково-технічних конференціях : Міжнародній науково-технічній конференції “Полимерные композиты и трибология” (Білорусь, Гомель, 2007), X Всеукраїнській науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Технологія-2007” (Україна, Сєвєродонецьк, 2007), Третій науково-практичній конференції “Наукові дослідження - теорія та експеримент 2007” (Україна, Полтава, 2007), ІІ всеукраїнській науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених НТУУ “КПІ” (Україна, Київ, 2007), І міжнародній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених з хімії та хімічної технології (Україна, Київ, 2008), ІІ міжнародній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених НТУУ “КПІ” (Україна, Київ, 2009), Дев'ятій всеукраїнській конференції студентів та аспірантів “Сучасні проблеми хімії” (Україна, Київ, 2008), ХІІ міжнародній науково-технічній конференції “Гервикон-2008”, (Польща, Кельце, 2008), Міжнародній науково-технічній конференції “Полимерные композиты и трибология” (Поликомтриб-2009) (Білорусь, Гомель 2009), ІІІ міжнародній науково-технічній конференціях студентів, аспірантів та молодих вчених “Хімія і сучасні технології” (Україна, Дніпропетровськ, 2007), ІV Міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Хімія і сучасні технології” (Україна, Дніпропетровськ, 2009), V міжнародній конференції “Стратегия качества в промышленности и образовании”, (Болгарія, Варна 2009), VI міжнародній конференції “Стратегия качества в промышленности и образовании”, (Болгарія, Варна 2010), Міжнародній науковій конференції “Полимерные композиты: методы получения, свойства, применение”, (Україна, Дніпропетровськ, 2010).

Публікації. За матеріалами роботи опубліковано 7 статей в фахових журналах, 16 тез на міжнародних і вітчизняних конференціях, отримано 5 патентів України на корисну модель.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків і додатків. Матеріали дисертаційної роботи викладено на 155 сторінках тексту, включають 17 рисунків, 25 таблиць, 7 додатків та 127 посилань на використану літературу .

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі систематизовано літературні та патентні дані щодо процесу модифікації вуглеволокна та розробки вуглепластиків на основі фторопласту-4. На основі узагальнення та критичного аналізу літературних і патентних джерел показано і обґрунтовано необхідність вивчення особливостей механо-хімічної та термо-механічної модифікації поверхні вуглецевого волокна з метою розроблення вуглепластиків з високим рівнем триботехнічних властивостей.

У другому розділі наведено характеристики об'єктів дослідження, обґрунтовано їх вибір. Обґрунтовано вибір методів механо-хімічної та термомеханічної модифікації вуглеволокна і методики дослідження структури та властивостей розроблених вуглепластиків: фрактографія, оптична мікроскопія, електронна та растрова електронна мікроскопія, стандартні методики визначення фізико-механічних, триботехнічних властивостей полімерних матеріалів.

У третьому розділі розглянуто особливості механо-хімічної модифікації за рахунок формозмінюючого оброблення (подрібнення) та обґрунтовано оптимальні технологічні параметри процесу подрібнення вуглецевого волокна.

Відомо, що рівень властивостей композиційних матеріалів, у тому числі вуглепластиків визначається параметрами морфології наповнювача. В роботі вперше вивчали залежність характеру морфології подрібненого вуглецевого волокна від конструктивних особливостей подрібнювача та режиму подрібнення (швидкість обертання робочого елемента подрібнювача і термін подрібнення). Результати дослідження впливу конструктивних особливостей подрібнювача та режиму подрібнення на величину середньої довжини елементів максимально подрібненого вуглецевого волокна наведено в табл. 1. В табл. 1 та на рис. 1 (криві 1,4) наведено властивості одержаних вуглепластиків, як видно з наведених даних (табл.1), конструктивні особливості подрібнювача суттєво впливають на характер морфології подрібненого вуглецевого волокна - максимальний ступінь подрібнення реалізується при застосуванні млина МРП-1 - середня довжина подрібненого волокна близько 120 мкм.

Відомо, що рівень фізико-механічних і триботехнічних властивостей композита визначається сумарною міжфазною поверхнею, яка прямопропорційно зростає при зменшенні розміру часток гетерофази (наповнювача). З метою розробки нових вуглепластиків триботехнічного призначення вивчали взаємозв'язок морфології (середня довжина моди подрібненого волокна) з рівнем фізико-механічних і триботехнічних властивостей вуглепластиків триботехнічного призначення на основі фторопласту-4. З'ясовано, що застосування млина МРП-1 дозволяє одержати подрібнене волокно з розміром елементів 100-150 мкм, та як наслідок, отримати вуглепластики з високим рівнем фізико-механічних і трибо- технічних властивостей (табл. 1) характер розподілу за розміром елементів подрібненого волокна унімодальний, ненормований, мода визначається конструктивними особливостями подрібнювача та режимом процесу подрібнення.

Як видно з даних, наведених на рис. 1, усі вивчені залежності носять екстремальний характер - максимальний рівень, як фізико-механічних (криві 3,4), так і триботехнічних (криві 1,2) властивостей реалізується при використанні вуглеволокна подрібненого до середньої довжини елементів 100-150 мкм. Необхідно відзначити, що введення вуглеволокна з розміром елементів менше 100 мкм призводить до падіння рівня міцності і практично не впливає на рівень триботехнічних властивостей. Механо-хімічна модифікація поверхні (подрібненого волокна in situ - криві 2,3) підвищує рівень фізико-механічних (на 30%) (криві 3,4) і триботехнічних (на 40%) (криві 1,2) властивостей.

Методом оптичної мікроскопії вивчали вплив режиму подрібнення на характер розподілу середньої довжини елементів подрібненого вуглецевого волокна - на рис. 2 наведено гістограми розподілу за величиною середньої довжини елементів при різній швидкості обертання ножа подрібнювача МРП-1 (термін подрібнення 15 хв).

Таблиця 1 Середня довжина моди елементів подрібненого волокна залежно від конструктивних особливостей подрібнювача та швидкості обертання (термін подрібнення 15 хв), властивості вуглепластику на основі фторопласту-4 (вміст подрібненого вуглеволокна 20 мас.%)

Подрібнювач	Швидкість обертання, об./хв	Середня довжина елементів волокна, мкм	Властивості вуглепластів
			Міцність при розтягу, МПа	Інтенсивність зношування, 10-7 мм3/Н·м
Дисмембратор П-І-0,25	5000 10000 20000	290 250 220	12,5 13,0 13,5	25,0 19,0 17,0
Дезінтегратор Д-73	5000 10000 20000	220 200 170	13,0 14,0 14,5	18,0 15,5 13,5
Млин ММЛ-250	3000	440	9,0	48,0
Млин Retch PM 100	3000	400	10,0	40,0
Млин МРП-1	7000	120	15,0	12,5

Як видно з наведених гістограм розподіл елементів здрібненого вуглецевого волокна за середньою довжиною має унімодальний характер, мода відповідає розміру 120-180 мкм (рис. 2а) при швидкості обертання робочих елементів подрібнювача n=7000 об./хв. При зростанні швидкості обертання робочих елементів подрібнювача до n=9000 об./хв (рис. 2б) характер гістограми суттєво змінюється - спостерігаємо зростання максимальної кількості елементів подрібненого волокна в моді з розміром близьким до 50 мкм.

На рис.3 наведено мікрофотографії подрібненого вуглеволокна при терміні подрібнення 15 хв та різній швидкості обертання ножа подрібнювача МРП-1.

Як видно з мікрофотографій, характер морфології подрібненого вуглеволокна суттєво залежить від швидкості обертання робочого елементу подрібнювача - при зростанні швидкості з 7000 об./хв до 9000 об./хв - спостерігаємо різке збільшення елементів подрібненого вуглеволокна з розміром до 50 мкм.

Сучасна структурна теорія міцності полімерних композиційних матеріалів базується на нових досягненнях матеріалознавства, фізики полімерів в твердому стані та механізму деформування таких полімерів. Структурна теорія міцності по-новому розглядає зміни структури матеріалу в процесі формозмінюючого оброблення (подрібнення) - експериментально підтверджено лавиноподібне зростання кількості дефектів кристалічної решітки (вільних радикалів) на поверхні подрібненого вуглецевого волокна. За нормальних умов вільні радикали відразу утворюють хімічні зв'язки, тому, для запобігання дезактивації поверхні подрібненого вуглецевого волокна, в роботі, вперше, виконували подрібнення вуглецевого волокна in situ - у присутності малих добавок (оптимальний вміст фторопласту 1,0 мас.%) фторопласту. Отже особливість механо-хімічної модифікація вуглецевого волокна полягає у протіканні процесу подрібнення у присутності малих (1,0 мас.%) добавок фторопласту. Для вибору оптимального ступеня подрібнення волокна також враховували той факт, що актуальність сучасних досліджень визначається, перш за все, у вирішенні екологічних проблем - в тому числі, проблеми зниження енерговитрат на подрібнення. Результати здійсненого дослідження залежності енерговитрат на подрібнення від ступеня подрібнення (середня довжина елементів подрібненого волокна) наведено на рис. 4.

Виявили, що залежність енерговитрат від ступеня подрібнення має експотенційний характер - при подрібненні вуглеволокна до довжини елементів менше 150 мкм спостерігаємо різке зростання енерговитрат, отже доцільним є подрібнення до середньої довжини елементів подрібненого вуглеволокна на рівні 150 мкм.

Відомо, що фізико-механічні та триботехнічні властивості вуглепластику значною мірою визначаються не тільки характером морфології подрібненого вуглеволокна, але й особливостями характеру поверхні вуглеволокна, тому в роботі широко застосовано електронну мікроскопію для вивчення впливу на характер поверхні вуглеволокна процесу подрібнення. Сучасні електронні мікроскопи надають унікальні можливості для прямого спостереження поверхні подрібненого вуглеволокна.

Як видно з мікрофотографій, характер поверхні вуглеволокна до подрібнення (рис. 5 а) суттєво відрізняється від характеру поверхні елементу подрібненого вуглеволокна (рис. 5 б,в) - спостерігаємо суттєву зміну особливостей рельєфу поверхні.

З метою визначення оптимального складу вуглепластику вивчали концентраційну залежність від співвідношення фторопласт-модифіковане вуглеволокно рівня фізико-механічних і триботехнічних властивостей від співвідношення фторопласт-модифіковане вуглеволокно - виявлено закономірне зростання рівня міцності та зносостійкості при збільшенні вмісту модифікованого вуглеволокна. Однак, при цьому спостерігаємо різке падіння рівня технологічних властивостей внаслідок зростання міжфазної взаємодії. Оптимальним вибрано співвідношення фторопласт - модифіковане вуглеволокно 4:1 (за масою).

Із застосуванням двофакторного методу планування експерименту, розроблено оптимальний режим подрібнення вуглеволокна. З метою розроблення вуглепластиків з високим рівнем властивостей (цільова функція), вивчали вплив таких факторів: швидкості обертання ножа млина МРП-1 та термін подрібнення вуглеволокна.

Як видно з наведених даних (рис.6) максимальний рівень міцності (більше 20,0 МПа) (суцільна лінія) та зносостійкості (нижче 9,0·10 ^-7 мм³/Н·м) (рискова лінія) вуглепластику реалізується при подрібненні волокна за такими режимами: термін подрібнення в інтервалі 15 - 20 хв (900-1200 с), а швидкість обертання ножа 7000 - 9000 об./хв.

Для забезпечення мінімальних енерговитрат при подрібненні рекомендовано подрібнення волокна проводити при швидкості обертання ножа 7000 об./хв., терміні подрібнення 15 хв. При такому режимі подрібнення одержано подрібнене вуглеволокно, яке складається з елементів, що характеризуються, в основному, розміром в межах 100-150 мкм, така архітектура подрібненого волокна забезпечує високий рівень експлуатаційних властивостей вуглепластику.

Результати розширених досліджень впливу швидкості обертання ножа подрібнювача на рівень триботехнічних та ряду фізико-механічних властивостей вуглепластику наведено в табл. 2. Одержані результати добре узгоджені з результатами вибору оптимального режиму подрібнення вуглеволокна, із застосуванням математичного планування експерименту - максимальний рівень міцності та зносостійкості при мінімальних енерговитратах на подрібнення реалізується при швидкості обертання (n = 7000 об./хв, = 15 хв). Для підвищення ефективності процесу змішування фторопласту з подрібненим вуглеволокном в роботі вперше вивчали вплив стадійності режиму змішування компонентів вуглепластику (табл. 3) - рекомендовано двостадійний процес: на першій стадії in situ виконується подрібнення вуглецевого волокна при співвідношенні компонентів (за масою) 1:1, а на другій стадії додатково вводять необхідну кількість фторопласту (оптимальне співвідношення 1:4).

Таблиця 2 Властивості вуглепластику на основі фторопласту-4 та подрібненого вуглеволокна (термін подрібнення=15 хв)

Показник	Швидкість обертання ножа, об./хв
	700	2000	3000	5000	7000	9000
Модуль пружності при розтязі, МПа	720,0	760,0	800,0	900,0	1000,0	950,0
Міцність при розтягу,	10,0	11,0	12,0	13,0	20,0	14,0
Відносне подовження,	20,0	25,0	25,0	20,0	20,0	15,0
Модуль пружності при стисканні, МПа	650,0	680,0	710,0	750,0	800,0	780,0
Міцність при стисканні,	19,0	23,0	26,0	28,0	28,0	27,0
Твердість, МПа	-	45,0	50,0	50,0	55,0	50,0
Інтенсивність зношування 10-7, мм3/Н·м *	45,3	25,2	22,6	20,3	9,0	18,0

*коефіцієнт тертя в усіх дослідах f = 0,2

Відомо, що збільшення міжфазної поверхні призводить до збільшення потенціальної взаємодії компонентів фторопласту та вуглеволокна, однак утворення елементів подрібненого волокна з розміром менше 50 мкм суттєво ускладнює виготовлення вуглепластику та призводить до падіння рівня фізико-механічних і триботехнічних властивостей.

Зі збільшенням числа обертів подрібнювача до n=9000 об./хв характер гістограми різко змінюється (рис. 2 б): розподіл здрібнених елементів вуглеволокон зміщується в область з розміром менше 50 мкм. Для волокна здрібненого до такого розміру спостерігаємо падіння рівня технологічних властивостей.

Як видно з наведених в табл. 3 даних, при виготовленні композиції за двостадійною схемою, в порівнянні з контролем, рівень міцнісних характеристик вуглепластику зростає на 45%, а зносостійкість на 80%. Необхідно, також, відзначити, що при двостадійному процесі змішування термін першої стадії (подрібнення волокна) зменшується з 15 хв до 5 хв, що призводить до зниження енерговитрат.

Таблиця 3 Склад та властивості вуглепластику при одно- та двостадійному режимі змішування

Показник	Контроль	Режим
		Одностадійний	Двостадійний
			І-стадія*	ІІ-стадія
Склад (мас. %)
Фторопласт-4	100,0	80,0	20,0	60,0
Вуглецеволокнистий наповнювач	-	20,0	20,0	-
Суміш після І стадії	-	-	-	40,0
Властивості вуглепластику
Міцність при розтязі, МПа	15,0	20,0	-	22,0
Міцність при стисканні, МПа	28,0	31,0	-	35,0
Відносне подовження, %	20,0	20,0	-	45,0
Інтенсивність зношування ·10-7 мм3/Н·м	12,5	9,0	-	7,0

*in situ

Застосування вдосконалених сучасних методів дослідження, таких як растрова електронна мікроскопія, дозволяє вивчати реальну структуру нового матеріалу. Як видно з мікрофотографій (рис. 7) при двостадійному режимі змішування на поверхні вуглеволокна утворюється прошарок з підвищеним вмістом фторопласту.

В четвертому розділі вивчали особливості термічної (до подрібнення) та термомеханічної (під час подрібнення) модифікації поверхні волокна. Наведені в табл. 4 результати дослідження зносостійкості вуглепластиків, що містять термооброблене волокно, свідчать про ефективність термічної (спостерігаємо зростання зносостійкості на 100%) та термомеханічної модифікації (зростання майже на 130%), вуглецевого волокна.

Таблиця 4 Інтенсивність зношування вуглепластику (І 10^-7мм³/Н·м) при введенні вуглеволокна після термічної та термомеханічної модифікації

Модифікація	Контроль	Температура, 0С
		100	200	300	400	500	600
Термічна	12,5	12,0	10,0	8,0	6,0	12,5	13,0
Термо-механічна		11,0	9,0	7,0	5,5	11,5	-

Найбільший ефект термічної та термомеханічної модифікації реалізується при температурі 400⁰С (температура плавлення кристалітів фторопласту 325-350⁰С), внаслідок зміни надмолекулярної структури - за рахунок зростання гнучкості макромолекул фторопласту. Спостерігаємо зростання рівня міцності на 50%, а зносостійкості більше ніж у два рази для вуглепластиків, що містять вуглецеве волокно після термомеханічної модифікації. Дані електронної мікроскопії (рис.8 б) свідчать про суттєву зміну характеру поверхні вуглецевого волокна після термічної модифікації.

Для підсилення енергетичної дії при подрібненні вуглецевого волокна механічну модифікацію здійснювали в умовах вакууму (). Встановлено (табл. 5), що при подрібненні вуглеволокна в умовах вакууму зростає рівень міцності вуглепластиків майже на 50% та зносостійкості на 100% для вуглепластиків, які містять модифіковане в умовах вакууму волокно.

Таблиця 5 Фізико-механічні та триботехнічні властивості вуглепластику залежно від умов подрібнення волокна (термін подрібнення 15 хв, вакуум )

Показник	Контроль	Швидкість обертання ножа, об./хв
		7000	9000
		Середовище
		Повітря	Вакуум	Повітря	Вакуум
Міцність при розтязі, МПа	15,0	20,0	22,0	21,0	22,5
Інтенсивність зношування І	12,5	7,0	6,0	7,1	6,5

Сучасне матеріалознавство широко застосовує синергетичний підхід щодо проблеми підвищення рівня міцності композитів, тому було здійснено дослідження сумісного впливу термомеханічного оброблення та вакуумування вуглеволокна на рівень фізико-механічних і триботехнічних властивостей вуглепластику (табл.6).

Таблиця 6 Властивості вуглепластику при термомеханічній модифікації подрібненого вуглеволокна в умовах вакууму ()

Показник	Контроль	Температура оброблення, 0С
		100	200	300	400	500
Міцність при розтязі, МПа	15,0	24,8	24,9	25,2	26,0	24,4
Інтенсивність зношування І,	12,5	4,4	4,4	4,2	4,0	4,5

Як видно з наведених даних (табл. 6) при термомеханічній модифікації волокна при температурі 400⁰С, протягом 15 хв в умовах вакууму (.) рівень міцності вуглепластику зростає більше ніж на 75% , а рівень зносостійкості більш ніж у три рази, порівняно з вуглепластиком, що містить немодифіковане вуглеволокно.

Таким чином, термомеханічна модифікація в умовах вакууму, за ефектом зростання експлуатаційних характеристик вуглепластику, становить практичний інтерес.

У п'ятому розділі на підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень сформульовано основні вимоги до параметрів механохімічної та термомеханічної модифікації волокна для вуглепластиків триботехнічного призначення.

У лабораторних умовах Сумського державного університету виготовлено зразки модифікованого вуглеволокнистого наповнювача, вуглепластики та деталі вузлів тертя - поршневі та сальникові кільця третього і четвертого ступеня компресора 4ГМ 2,5У-2/3-250, що входить до складу компресорної станції (АГНКС). Виготовлені кільця пройшли повний цикл випробувань.

Встановлено, що рівень міцності при розтязі на 20-25% вищій для вуглепластику що містить модифіковане вуглецеве волокно, а рівень інтенсивності зношування вуглепластику нижчий на 20-30%, у порівнянні з аналогом (вуглепластик, що містить немодифіковане волокно).

Відповідно до акту № 5 від 25.02.2009 за результатами випробувань дослідної партії поршневих і сальникових кілець компресора, які виготовлено з розробленого вуглепластику знаходяться в робочому стані без будь-яких пошкоджень (після міжремонтного терміну). Розроблений вуглепластик впроваджено, також для інших компресорних машинах, таких як 2РВ-3/220, СА-1-174, СА-7-171.

Дослідні зразки пройшли випробування на ВАТ СМПО ім. М.В. Фрунзе (м. Суми).

Розроблено технологічну інструкцію та робочий проект технічних умов (ТУ) на виготовлення вуглепластику з використанням модифікованого вуглецевоволокнистого наповнювача.

Розрахований економічний ефект від використання розробленого вуглепластику складає 198,0 тис. грн на рік.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ І РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

У дисертаційній роботі вирішено важливе та актуальне науково-технічне завдання, яке полягає у встановленні закономірностей впливу механо-хімічної, термічної та термо-механічної модифікації поверхні подрібненого вуглеволокна на властивості вуглепластику на основі фторопласту-4 і розроблені рецептур вуглепластиків та режимів подрібнення волокна, режимів виготовлення композицій. Внаслідок виконання експериментальних і теоретичних досліджень отримано такі висновки :

1. Визначено вплив конструктивних особливостей подрібнювача на параметри морфології подрібненого вуглецевого волокна. Встановлено, що максимальний ступінь подрібнення вуглецевого волокна реалізується при застосуванні подрібнювача МПР-1 (характер розподілу за розміром елементів подрібненого волокна унімодальний, ненормований, мода розподілу відповідає розміру 100+200 мкм.

2. Досліджено процес подрібнення вуглецевого волокна у присутності фторопласту (in situ). Встановлено, що при введенні малих добавок (1,0%) фторопласту ефективність механо-хімічної модифікації суттєво зростає - рівень міцності вуглепластику зростає на 30%, а зносостійкість на 40%.

3. Встановлено закономірності впливу режиму виготовлення композиції на рівень властивостей вуглепластику - при двостадійному змішуванні рівень міцності вуглепластику зростає на 50%, а зносостійкість на 80%.

4. Досліджено вплив термічної та термомеханічної активації вуглеволокна на властивості вуглепластику, виявлено високу ефективність термомеханічної модифікації при температурі 400⁰С - міцність вуглепластику зростає у 1,5 рази, а зносостійкість - у 2,3 рази.

5. З'ясовано, що виконання механо-хімічної модифікації в умовах вакууму підвищує рівень показників вуглепластику, а при виконанні термомеханічної модифікації в умовах вакууму спостерігаємо синергетичний ефект - міцність вуглепластику зростає на 75%, а зносостійкість збільшується більше ніж у 3 рази, у порівняні з немодифікованим волокном.

6. Отримані результати, щодо модифікації волокна та виготовлення вуглепластиків на основі фторопласту і модифікованого волокна, впроваджені на ВАТ СМНПО ім. М.В. Фрунзе (м. Суми).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Будник О.А. Особенности технологии подготовки углеволокнистого наполнителя для композита на основе фторопласта /О.А. Будник, М.В. Бурмистр// Вопросы химии и химической технологии. - 2009. - №4. - С. 80-85.

2. Будник О.А. Наукові основи вибору технології вуглецевоволокнистого наповнювача фторопластоматричного композиту /О.А. Будник, М.В. Бурмистр // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2009. - №4/10(40). - С. 4-7.

3. Будник О.А. Пути формирования функционального углеволокнистого наполнителя в структуре фторопластоматричного композита / О.А. Будник, М.В. Бурмистр, А.Ф. Будник // Вісник СумДУ. Технічні науки. - Суми: СумДУ, 2009. - № 1. - С. 109-112.

4. Будник О.А. Влияние технологии получения углеволокнистого фторопластового композита на его влагопоглощение и служебные свойства / А.Ф. Будник, A.А. Томас, П.В. Руденко, О.А. Будник, А.А. Ильиных // Вісник СумДУ. Технічні науки. - Суми: СумДУ. - 2008. - № 2. - С. 88-93.

5. Вплив та місце технологічних процесів підготовки наповнювачів і композиції у технології виробництва композитів на основі фторопласту-4 / А.Ф. Будник, О.А. Будник, М.В. Бурмистр // Вісник СумДУ. Технічні науки. - Суми: СумДУ.- 2007.- № 1. - С. 64-71.

6. Пат. 40282 Україна, МПК С08J5/16. Полімерна композиція / О.А. Будник А.Ф. Будник, М.В. Бурмістр, П.В. Руденко, А.А. Ільіних. - № u200814041; заявл. 15.02.2008; опубл. 25.03.2009, Бюл.№ 6.

7. Пат. 40959 Україна, МПК С08L27/00. Спосіб отримання полімерної композиції./ О.А. Будник, А.Ф.Будник, М.В. Бурмістр, П.В.Руденко, А.А.Ільїних, В.Б.Юскаєв, А.О.Томас. - № u200814770; заявл. 22.02.2008; опубл. 27.04.2009, Бюл.№ 8.

8. Пат. 41868 Україна, МПК С08L27/18. Спосіб одержання полімерного композитного матеріалу на основі політетрафторетилену./ О.А. Будник, А.Ф.Будник, П.В. Руденко, М.В.Бурмістр, А.А.Ільїних, В.Б.Юскаєв, А.О.Томас. - № u200900550; заявл. 26.01.2009; опубл. 10.06.2009, Бюл.№ 11.

9. Пат. 40960 Україна, МПК С08L27/00. Спосіб одержання вуглецевоволокнистого наповнювача фторопластоматричного композиту./ А.Ф. Будник, О.А. Будник, П.В. Руденко, М.В. Бурмістр, А.А. Ільїних, В.Б. Юскаєв, А.О. Томас. - № u200814771; заявл. 22.12.208; опубл. 27.04.2009, Бюл.№ 8.

10. Пат. 42870 Україна, МПК С08L27/18. Спосіб отримання полімерного композитного матеріалу на основі політетрафторетилену./ А.Ф. Будник, А.А. Ільіних, О.А. Будник, П.В. Руденко, М.В. Бурмістр, В.Б. Юскаєв, А.О. Томас. - № u200901562; заявл. 23.02.2009; опубл. 27.07.2009, Бюл.№ 14.

11. Будник О.А. Разработка уплотнительного углефторопластового композитного материала с требуемыми свойствами технологией его получения / О.А. Будник, П.В. Руденко, А.Ф. Будник, А.А. Ильиных // Тезисы ХІІ Международной научно-технической конференции «Гервикон-2008». - Перемышль Кельце, Польша:, 2008. - С. 299-306.

12. Будник О.А. Перспективные углеволокнистые фторопластоматричные композитные материалы с высоким сопротивлением износу и регулируемыми физико-механическими свойствами / А.Ф. Будник, М.В. Бурмистр, О.А. Будник, П.В. Руденко // Тезисы V Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании». 6-18 июня 2009 г. - Варна, Болгария, 2009. - С. 67-69.

13. Будник О.А. Высокоэффективный композитный материал на основе фторопласта с минимальным износом и влагопоглощением / А.Ф. Будник, А.А. Томас, П.В. Руденко, О.А. Будник, А.А. Ильиных // Тезисы V Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании». 4-11 июня 2010 г. - Варна, Болгария, 2010. - С. 128-131.

14. Будник О.А. Наукові основи впливу на структуру і експлуатаційні властивості фторопластоматричного композиту з вуглецевоволокнистим наповнювачем технологічними параметрами підготовчого обладнання / О.А. Будник, М.В. Бурмістр // Тези ІV Міжнародної конференції «Хімія і сучасні технології». 22-24 квітня 2009р. - Дніпропетровськ, 2009. - С. 123.

15. Budnik O.A. Design of polymeric composities by simulation of their structure / A.F. Budnik., M.V. Burmistr, О.А. Budnik, P.V. Rudenko // Тезисы Международной научно-технической конференции «Полимерные композиты и трибология (Поликомтриб-2007)». 16-19 июля 2007 г. - Гомель, Беларусь, 2007. - С. 96.

16. Budnik O.A. Princsples of creation of guided technology for polimer polytetrafluorethylene-based composites / A.F. Budnik., M.V. Burmistr, О.А. Budnik, P.V. Rudenko // Тезисы Международной научно-технической конференции «Полимерные композиты и трибология (Поликомтриб-2007)». 16-19 июля 2007 г.- Гомель, Беларусь, 2007. -С. 96-97.

17. Будник О.А. Научно-технические основы формирования структуры углеволокнистого наполнителя фторопластоматричного композита / А.Ф. Будник, М.В. Бурмистр, О.А.Будник, П.В. Руденко // Тезисы Международной технической конференции «Полимерные композиты и трибология» (Поликомтриб-2009). 22-25 июня 2009 г. - Гомель, Беларусь, 2009. - С. 38.

18. Будник О.А. Научные основы влияния на структуру и свойства фторопластоматричного композита с углеволокнистым наполнителем технологическими параметрами подготовительного оборудования / А.Ф. Будник, М.В. Бурмистр, О.А.Будник, П.В. Руденко // Тезисы Международной технической конференции «Полимерные композиты и трибология» (Поликомтриб-2009). 22-25 июня 2009 г. - Гомель, Беларусь, 2009. - С. 39.

19. Будник О.А. Вплив технологічних процесів подрібнення та диспергування полімеру, наповнювачів і композиції на основі політетрафторетилену на їх властивості / О.А. Будник, М.В. Бурмістр // Тези Х всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених «Технологія 2007». 19-20 квітня 2007 р. - Северодонецьк, 2007. - С. 6.

20. Будник О.А. Экспериментальная оценка качества подготовки наполнителей и композиции на основе фторопласта-4 при создании новых композитов / А.Ф. Будник, П.В. Руденко, О.А. Будник // Тези третьої Міжнародної науково-практичної конференції «Наукові дослідження теорія та експеримент 2007». 14-16 травня 2007 р. - Полтава, 2007. - С. 69-70.

21. Будник О.А. Зависимость структуры и свойств фторопластового композитного материала от технологии подготовки наполнителей и композиции / О.А. Будник, А.Ф. Будник, М.В. Бурмістр // Матеріали доповідей ІІІ Всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених НТУУ “КПІ”». 26-28 квітня 2007 р. - Київ, 2007. - С. 119.

22. Будник О.А. Анализ основ формирования структуры углефторопластового композита технологией подготовки наполнителя / О.А. Будник, М.В. Бурмістр // Тези дев'ятої всеукраїнської конференції студентів та аспірантів «Сучасні проблеми хімії». 14-16 травня 2008 р.- Київ, 2008. - С. 195.

23. Будник О.А. Наукова розробка оптимального технологічного процесу змішування компонентів вуглецевофторопластової композиції з необхідними фізико-хімічними властивостями / П.В. Руденко, М.В. Бурмістр, О.А. Будник // Тези дев'ятої всеукраїнської конференції студентів та аспірантів «Сучасні проблеми хімії». 14-16 травня 2008 р. - Київ, 2008. - С. 219.

24. Будник О.А. Моделирование влияния технологических параметров подготовки наполнителя на эксплуатационные свойства углефторопластовых композитов / О.А. Будник, А.Ф. Будник, М.В. Бурмістр // Тези І Міжнародної (ІІІ Всеукраїнської) конференції студентів, аспірантів та молодих вчених з хімії та хімічної технології 2008р. - Київ, 2008. - С. 275.

25. Будник О.А. Научно-практическая оценка значимости подготовки углеволокнистого наполнителя в технологии фторопластоматричного композита / О.А. Будник, М.В. Бурмістр, А.Ф. Будник // Тези ІІ Міжнародної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених з хімії та хімічної технології. 22-24 квітня, 2009 р. - Київ, 2009. - С. 198.

26. Будник О.А. Основи технології вуглецевоволокнистого наповнювача для композиту на основі фторопласту-4 / О.А. Будник, А.Ф. Будник, А.О. Томас // Композитные материалы. Международный научно-технический сборник. - 2010. - том 4, №2. - С. 12-15.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві

[2],[8],[9],[10],[15],[21],[23],[25],[26] - брав участь у розробці методик і проведенні експериментальних досліджень щодо відпрацювання параметрів технології виготовлення вуглецевоволокнистого наповнювача з заданою морфологією;

[3],[5],[6],[14],[18],[20],[24] - обґрунтував тип устаткування і технологічні параметри подрібнення, які забезпечують задані параметри морфологічної будови елементів вуглецевоволокнистого наповнювача та технологію процесу модифікації волокна;

[1],[4],[7],[17] - застосував медоти математичного модулювання для аналізу впливу фізико-хімічних факторів модифікації вуглецевоволокнистого наповнювача на рівень властивостей вуглепластиків;

[11],[12],[13],[16],[19],[22] - прийняв участь у розробці технології виготовлення деталей з вуглепластиків на основі фторопласту та модифікованого вуглецевого волокна.

АНОТАЦІЯ

Будник О.А. Вуглепластики триботехнічного призначення на основі фторопласту-4 та модифікованого вуглецевоволокнистого наповнювача. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.06 - технологія полімерних і композиційних матеріалів. - Державний вищий навчальний заклад «Український державний хіміко-технологічний університет». Дніпропетровськ, 2011.

Дисертаційну роботу присвячено розробці вуглепластиків триботехнічного призначення на основі фторопласту-4 та модифікованого вуглецевого волокна.

Встановлено оптимальні режими процесу модифікації вуглецевоволокнистого наповнювача. Вивчено вплив параметрів технологічного процесу подрібнення волокна та його модифікацію на фізико-механічні та триботехнічні властивості вуглепластику.

Досліджено вплив механо-хімічної, термічної та термомеханічної модифікації вуглецевоволокнистого наповнювача на властивості вуглепластиків на основі фторопласту-4.

Показано, що розроблені вуглепластики, за рівнем міцності та зносостійкості суттєво перевищують аналоги.

З розробленого вуглепластикового композита виготовлено поршневі кільця та сальникові ущілення поршневих компресорів 4ГМ 2,5У-2/3-250, які успішно пройшли промислові випробування на ВАТ «Сумське машинобудівне науково-виробниче об'єднання ім. М.В. Фрунзе» і за експлуатаційними характеристиками не поступаються кращим зарубіжним зразкам. Розроблено технологічний процес виготовлення вуглепластику.

Ключові слова: фторопласт-4, вуглецеві волокна, модифікація, вуглепластик, зносостійкість.

АННОТАЦИЯ

Будник О.А. Углепластики триботехнического назначения на основе фторопласта-4 и модифицированного углеволокнистого наполнителя. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук за специальностью 05.17.06 - технология полимерных и композиционных материалов. - Государственное высшее учебное заведение «Украинский государственный химико-технологический университет». Днепропетровск, 2011.

Диссертационная работа посвящена разработке углепластика триботехнического назначения на основе фторопласта-4 и модифицированного углеволокнистого наполнителя.

Установлены закономерности взаимосвязи параметров процесса измельчения углеволокна с характером распределения по длине элементов измельченного волокна, влияние характера структуры волокна на уровень свойств углепластиков триботехнического назначения на основе фторопласта-4.

Разработана технологическая схема получения углепластиков на основе фторопласта и модифицированного углеволокнистого наполнителя (введение 1.0% фторопласта в камеру для измельчения). Установлены нормы технологических режимов и основные технологические параметры процесса.

Введение фторопласта-4 в дробильную камеру измельчителя при получении углеволокнистого наполнителя позволяет «связать» мелкие (до 50 мкм), порошкообразные частицы волокна в агломерированные упрочняющие элементы. Элементы углеродного волокна при такой подготовке покрываются слоем фторопласта и способствует образованию адгезионной связи между наполнителем и матрицей фторопласта при формировании композиции. Предварительная подготовка углеволокнистого наполнителя (в присутствии фторопласта-4) в соотношении 1:1 (по массе) приводит к увеличению прочностных свойств углепластика на 50%, а износостойкости на 80%.

Вакуумная обработка наполнителя способствует увеличению межфазного взаимодействия при формировании композиции и повышает прочностные свойства углепластика на 50%, а износостойкость на 100%.

Термическая обработка углеродного волокна приводит к изменению характера поверхности, что, в свою очередь, увеличивает суммарную площадь поверхности волокна. Термо-механическая модификация наполнителя позволяет повысить прочностные свойства углепластика на 1,5 раза, а износостойкость в 2,3 раза. Наиболее эффективной оказалась термо-механическая модификация волокна в условиях вакуума.

При этом прочностные характеристики углепластика, армированного модифицированным волокном выше на 75%, а износостойкость больше чем в 3 раза (в сравнении и немодефицированым волокном) полученного по известной технологии: (прочность на 21-24 износостойкость на 26-30%).

Разработанный углепластик использован для изготовления поршневых колец и сальниковых уплотнений поршневых компрессоров 4ГМ 2,5У-2/3-250, которые успешно прошли промышленные испытания в ОАО «Сумское машиностроительное научно-производственное объединение им. М.В. Фрунзе» не уступая по свойствам лучшим зарубежным образцам.

Ключевые слова: фторопласт-4, углеродные волокна, модификация, износостойкость, углепластик.

SUMMARY

Budnik O.A. Carbonplastiks of the tribotechnical destination based on fluoroplastic-4 and modified carbon fiber filler. -Manuscript. Dissertation for scientific degree candidate of technical sciences, speciality 05.17.06 - Technology of the polymer and composition materials. Higher state educational establishment the «Ukrainian state chemical-technological university». Dnepropetrovsk, 2011.

Dissertation is devoted to the development of components on the base of fluoroplastic -four and modified carbon fiber.

The optimal modes of carbon fiber filler modification are set and influence of fiber growing small technological process and its modification on physic - mechanical properties of carbon plastic was studied.

Research of composite materials properties is on the base of fluoroplastic-4 and modified carbon fibers. It is shown that such composites own the necessary complex of the forecast properties and assured capacity.

Based on obtained carbon fibers composition piston-rings and stuffing-box compressions of piston compressors of UMG 2,5У-2/3-250 are produced for «Sumy machine-building scientific production association, named M.V. Frunze», which successfully passed industrial tests and after properties does not inferior to the best foreign standards.

Keywords: fluoroplastic-4, carbon fibres, modification, wearproofness, carbonfibers composit.

Размещено на Allbest.ru