изучение прочностных свойств покрытий на основе

УДК 631.3.004.67
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ
ПОЛИКАРБОНАТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ФОРМИРУЕМЫХ
НАДМОЛЕКУЛЯРНЫХ СТРУКТУР
А.М. Марукян
ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия
Исследование надмолекулярной структуры и возможность управления процессами
кристаллизации представляет собой интерес не только для понимания сущности
полимерных материалов, но и с точки зрения технического использования полимерных
материалов в узлах трения машин и оборудования, придания им комплекса необходимых
свойств.
Для использования композиций на основе поликарбоната в качестве
антифрикционных покрытий, изучено влияние эксплуатационных условий и режимов
работы на формируемые надмолекулярные структуры, а также установлена зависимость
свойств покрытий от их структуры.
Нами были исследованы надмолекулярные образования ненаполненного (ПК) и
наполненного фторопластом 5% поликарбоната (ЛТ). Изучение проводилось на пленках
полученных методом термонаплавки (из расплава) при разных температурах
формирования. Охлаждение пленок производилось на воздухе.
Выполненные исследования показали, что у поликарбоната ненаполненного при
температуре формирования 280оС образуются фибриллярные образования. Фибриллы
представляют собой макромолекулы, собранные в пачки. Пачка состоит из многих рядов
макромолекул, расположенных последовательно друг за другом. Пачки складываются в
ленты путем многократного поворота [1, 2].
С увеличением температуры до 290оС, за счет увеличения теплового импульса и
подвижности макромолекул, происходит скручивание лент в сферолиты радиального
типа. При дальнейшем увеличении температуры с 290оС до 320оС происходит рост
величины сферолитов.
Введение наполнителя в состав поликарбоната изменяет надмолекулярная
структура. Так, при температуре формирования 280оС образуются достаточно крупные
сферолиты кольцевого типа размером ~60 мкм. При увеличении температуры с 280оС до
320оС происходит уменьшение размера сферолитов с ~46мкм, при температуре 300 оС, до
величины ~34 мкм, при температуре 320оС. При температуре формирования 340оС
наблюдается дальнейшее увеличение размера сферолитов до величины ~55 мкм [3].
На рисунке представлены зависимости предела прочности σр и относительное
удлинение εр двух видов полимеров, сформированных при различных температурах и
охлажденных на воздухе. Видим, что температура формирования существенно влияет на
деформационно-прочностные характеристики.
70
Прочность (МПа);
Пластичность (%).
65
60
55
50
45
40
35
30
280
290
300
310
320
330
340
Температура формирования ( С).
Прочность ЛТ
Прочность ПК
Пластичность ЛТ
Пластичность ПК
Влияние температуры формирования на прочность и пластичность наполненного (ЛТ)
и ненаполненного (ПК) поликарбонатов
Увеличение температуры нагрева для ненаполненного поликарбоната от 280оС до
290 С сопровождается ростом предела прочности с 43 МПа до 46 МПа. Надмолекулярная
структура в этом диапазоне температур изменяется от фибриллярной до мелкой
сферолитной. Однако дальнейшее увеличение температуры формирования приводит к
плавному снижению предела прочности, при этом наблюдается рост размеров
сферолитов, переходящих в фибриллярную структуру серповидного типа.
Что касается поликарбоната наполненного фторопластом, то увеличение
температуры от 280оС до 320оС сопровождается ростом значений предела прочности с
43,3 МПа до 67,6 МПа. Выявлено, что в надмолекулярной структуре полимера
происходит уменьшение размера сферолитов до наименьшей величины ~34 мкм.
При увеличении температуры формирования от 320оС до 340оС, происходит
снижение прочности формируемых пленок, в структуре, при этом, наблюдается
увеличение размера сферолитов.
Аналогичный характер изменений относительного удлинения наблюдается для
ненаполненного и наполненного поликарбоната. Температуры, при которых наблюдаются
наибольшие значения относительного удлинения, составляют 290оС и 320оС для
ненаполненного и наполненного поликарбонатов, соответственно.
Учитывая эксплуатационные условия работы тонкослойного антифрикционного
покрытия, а также, используя метод математического планирования эксперимента, нами
исследовано влияние температуры формирования и температуры масла на
деформационно-прочностные
характеристики
и
надмолекулярную
структуру
ненаполненного полимерного материала и композиции на его основе.
Результаты экспериментов показывают, что при термической обработке
поликарбонатных покрытий в индустриальном масле И-20А, с температурой от 20 до
80оС, происходит увеличение предела прочности у обеих композиций и незначительное
уменьшение пластичности.
Это объясняется измельчением размеров сферолитов и структурированием
полимера, что хорошо согласуется с результатами авторов, исследовавших как
о
композиции на основе поликарбоната, при различных условиях формирования, так и
других видов полимеров [2, 3, 4].
Исследование антифрикционных свойств композиций на основе поликарбоната
показало, что наполнитель фторопласт снижает коэффициент трения наполненного
поликарбоната по сравнению с ненаполненным. Так, при нагрузке в 12 МПа, в среде
индустриального масла И-20А, коэффициент трения у ненаполненного поликарбоната
составляет 0,0053. Введение фторопласта в состав поликарбоната позволяет, при тех же
условиях, уменьшить коэффициент трения на 20%. Это объясняется тем, что фторопласт
и компоненты, входящие в состав масла, образуют тонкую поверхностную пленку
переноса с низкой прочностью сдвига, а также структурирование полимера, о чем
свидетельствуют работы [1, 5, 6].
Эксплуатационные испытания восстановленных валов под втулку шестеренных
насосов показали, что наиболее предпочтительным для восстановления изношенных
поверхностей являются композиции поликарбоната с фторопластом [3].
Перспективным, по-нашему мнению, является исследование композиции
поликарбоната с фторопластом и стекловолокном. Введение стекловолокна позволит
увеличить прочность покрытия, с целью использования композиции в более нагруженных
узлах трения.
Выводы
1. На основании проведенных структурных и деформационно-прочностных
исследований свойств композиций на основе поликарбоната выявлены оптимальные
режимы формирования покрытий для ненаполненного поликарбоната – 290оС и
наполненного фторопластом – 320оС. Наилучшим с точки зрения деформационнопрочностных свойств, является поликарбонат наполненный фторопластом.
2. Установлены типы сферолитных структур, образующиеся при температурах
формирования 290оС и 320оС для ненаполненного и наполненного фторопластом
поликарбоната, размеры которых составляют в среднем 46 мкм и 34 мкм, соответственно.
3. Результаты исследований показывают, что с уменьшением
размеров
сферолитов, происходит увеличение прочностных и антифрикционных характеристик
композиций на основе поликарбоната.
Библиографический список
1. Белый В.А., Довгяло В.В. Полимерные покрытия. М.: Наука и техника, 1976. 416 с.
1. Гуль В.Е., Кузнецов В.Н. Структура и механические свойства полимеров. М.: Высшая
школа, 1966. 314 с.
2. Марукян А.М. Применение поликарбонатных покрытий для восстановления
изношенных деталей узлов трения скольжения машин и оборудования
природообустрйства. Автореф. дис…. канд. техн. наук. М., 2003.
3. Магазинова Л.Н., Кестельман В.Н. Поликарбонат в машиностроении.
М.:
Машиностроение, 1971. 174 с.
4. Потеха В.Л. Исследование антифрикционных свойств покрытий из термопластичных
полимеров на металлах. Аватореф. дис…. канд. техн. наук. Ростов-на-Дону, 1982.
5. Белый В.А., Свириденок А.И. Трение и износ материалов на основе полимеров.
Минск: Наука и техника, 1976. 732 с.