Магистерская диссертация на тему «Технологические особенности формирования малонаполненных фторопластовых композиций»

К числу приоритетных отраслей, определяющих экономический потенциал Республики Беларусь, относятся химическая промышленность и энергетический комплекс, которые обеспечивают производство и реализацию высокотехнологичной продукции и энергоносителей.

Скачать пример Заказать работу Скачать пример Заказать работу

Содержание

Введение
Глава 1. Литературный обзор по теме «технологические особенности формирования малонаполненных фторопластовых композиций»
1.1. Структура и физические свойства политетрафторэтилена
1.2. Модифицирование политетрафторэтилена
1.3. Технологии изготовления фторопластовых композиций
Выводы по главе 1
Глава 2. Патентный обзор и анализ технологических особенностей производства фторкомпозитов
2.1. Модифицирование фторопластовых композиции
2.2. Технологические особенности получения композиционных материалов на основе ПТФЭ
Выводы по главе 2
Глава 3. Методическая часть
3.1. Материалы и объекты исследования
3.2. Определение прочности при разрыве и относительного удлинения при разрыве
3.3. Оптическая микроскопия
3.4. Определение триботехнических характеристик
3.5. Метод динамического микроиндентирования
Выводы по главе 3
Глава 4. Экспериментально-исследовательская часть
4.1. Результаты определения прочности при разрыве и относительного удлинения при разрыве
4.2. Изучение морфологических особенностей на поверхности образцов методом оптической микроскопии
4.3. Результаты измерения физико-механических свойств материалов методом динамического микроиндентирования
4.4. Результаты триботехнических испытаний
Выводы по главе 4
Глава 5. Технологическая часть
5.1. Подготовка сырья
5.2. Прессование
5.3. Термообработка заготовок
Выводы по главе 5
Заключение
Список использованных источников

Введение

Важнейшими компонентами оборудования предприятий химического комплекса и энергетики являются герметизирующие, уплотнительные устройства и установки для получения сжатых и сжиженных газов, в которых используют элементы, обеспечивающие герметичность статических и подвижных сопряжений.

Наибольшее распространение в узлах запорной и регулирующей арматуры, применяемой в газо- и водоснабжении, теплоэнергетике и конструкциях компрессорной техники химических производств, получили элементы из фторкомпозитов, разработанные на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), модифицированного дисперсными компонентами различного состава и технологии получения. Наиболее известными из них являются композиты марки «Флубон» и «Флувис», где в качестве компонентов выступают углеродсодержащие наполнители в различном процентном содержании. Известно, что данные наполнители, с учетом технологии их получения, являются весьма дорогостоящими и существенно увеличивают стоимость изделий, изготавливаемых на основе фторкомпозитов. Поэтому создание материалов на основе политетрафторэтилена с низким содержанием функциональных наполнителей различной природы позволит создать конкуретоспособные (по критерию стоимости) фторкомпозиты, способные обеспечивать эксплуатационные параметры для изделий на их основе не ниже известных аналогов.

Работа выполнена на кафедре материаловедения и ресурсосберегающих технологий УО «Гродненский государственный университет имени Янки Купалы» и ОАО «Гродно Азот».

Общая характеристика работы

Связь работы с научными программами, темами

Работа выполнялась в рамках задания А 12-14 «Разработать составы и технологию нанокомпозиционных триботехнических и герметизирующих материалов на основе фторсодержащих матриц, модифицированных низкоразмерными компонентами природного и синтетического происхождения и выпустить опытную партию изделий для запорной арматуры низкого давления», а также в рамках задания Т14М-079 «Разработка составов и технологий композиционных материалов на основе смесевых полимер-полимерных систем и исследование зависимости свойств композитов от их состава и фазовой структуры», выполняемых на кафедре материаловедения и ресурсосберегающих технологий.

Цель и задачи исследования

Цель исследования – разработать технологию формирования фторопластовых композиционных материалов с низким содержанием функциональных наполнителей различной природы.

Задачи исследования:

— провести анализ технологий получения функциональных наполнителей;

— изучить технологические особенности получения фторкомпозитов;

— исследовать составы композиционных материалов, полученных при различных режимах формирования;

— провести испытания малонаполненных фторопластовых композиций на стендовом оборудовании и в условиях производства.

Объект исследования – составы политетрафторэтилена, модифицированные синтетическими полимерными компонентами на стадии формирования в диапазоне концентраций, не превышающем 5 масс.%.

Предметом исследования является изучение характера взаимодействия наполнителей со связующим, анализ влияния технологии формирования и состава композиций на физико-механические и эксплуатационные характеристики фторсодержащих композитов.

Положения диссертации, выносимые на защиту

— структурные образования, образующиеся в контакте с частицами наполнителя, формируются вблизи соседствующих частиц связующего, что приводит к возникновению в объеме композиционного материала гетерогенной структуры, состоящей из активных частиц наполнителя, упрочненной кристаллической фазой связующего;

— введение наполнителя, играющего роль зародышеобразующего компонента, изменяет кинетику процесса структурирования связующего. В результате действия частиц такого наполнителя возникают упорядоченные области полимера, которые являются центрами структурирования;

— предложены режимы формирования изделий типа «кольцо»: нагрев до температуры (375 ± 5) °С со скоростью нe более 50 град/ч, время выдержки при температуре (375 ± 5) °С в течение 2 ч; давление прессования – 25 МПа;

Нужна помощь в написании магистерской?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Сдача работы по главам. Уникальность более 70%. Правки вносим бесплатно.

Подробнее

— разработана оснастка для изготовления уплотнительных элементов в виде колец методом прессования с последующим свободным спеканием.

Личный вклад соискателя

Соискатель принимал непосредственное участие в постановке целей и задач исследования, провёл испытания композиционных материалов, участвовал в формулировке основных результатов.

Апробация результатов диссертации

Результаты работы были доложены на IV Республиканской научной конференции студентов, магистрантов и аспирантов в городе Гомель (Республика Беларусь), неоднократно заслушаны на научном семинаре «Инновационные материалы и технологии в технике» факультета инновационных технологий машиностроения ГрГУ имени Янки Купалы.

Опубликованность результатов работы

Полученные в рамках подготовки магистерской диссертации данные опубликованы в виде одних тезисов на IV Республиканской научной конференции студентов, магистрантов и аспирантов в 2015 году (список публикаций соискателя).

Глава 1. Литературный обзор по теме «технологические особенности формирования малонаполненных фторопластовых композиций»

1.1 Структура и физические свойства политетрафторэтилена

Фторопласты — пластмассы на основе полимеров и сополимеров галогенопроизводных (фтора или фтора и хлора), этилена и пропилена. В уплотнительной технике используют фторопласт-4, фторопласт-40, фторопласт-3 и антифрикционные композиции на основе фторопласта-4. Особенность фторопластов — исключительно высокая химическая инертность в большинстве рабочих сред (инертность фторопласта-4 превышает инертность всех остальных пластмасс, благородных металлов, стекол и фарфора). Замечательны антифрикционные свойства фторопластов. Их применяют в широком диапазоне температур, однако теплофизические и конструкционные их свойства при этом существенно изменяются, что необходимо учитывать в конструкциях[1,4].

Политетрафторэтилен является высокомолекулярным соединением, его молекулы состоят из большого числа одинаковых групп атомов СF₂ с химическими связями. Исходным мономером для получения ПТФЭ служит тетрафторэтилен, впервые синтезированный в 1933 г. разложением тетрафторэтилена. Полимеризация тетрафторэтилена возможна различными методами[2]. Известные способы получения порошкообразного ПТФЭ можно разделить на шесть групп [3]: 1) синтетическую, 2) механическую, 3) радиационную, 4) лазерную. 5) термическую, 6) термогазодинамическую. Наиболее удобным является метод полимеризации в водной среде в присутствии инициаторов: персульфита аммония, натрия или калия при начальном давлении 5,0 МПа. Процесс полимеризации сопровождается выделением 25 ккал на 1 моль СF₂— СF₂. Полученный полимер представляет собой рыхлый, волокнистый, легкокомкующийся порошок белого цвета.

Для ПТФЭ, как и для других полимеров, характерна неоднородность молекулярной массы, поскольку практически не существует полимеров, все молекулы которых имели бы строго одинаковые размеры, определяемые степенью полимеризации. Молекулярная масса ПТФЭ колеблется от 140 000 до 500 000. ПТФЭ относится к числу кристаллоаморфных полимеров с температурой плавления кристаллов +327°С и температурой стеклования аморфной фазы -120°С; обладает высокой степенью кристалличности; даже после закалки (быстрого охлаждения с температуры плавления) наблюдается образование кристаллитов в значительном количестве.

Степень кристалличности ПТФЭ непосредственно после полимеризации составляет 93…98 %, температура плавления 342°С, т.е. на 15 °С выше температуры плавления образцов, хоть один раз подвергавшихся спеканию [2]. Степень кристалличности спеченного ПТФЭ обычно колеблется от 50 до 70 % в зависимости от молекулярной массы и скорости охлаждения изделий. Максимальная скорость кристаллизации наблюдается в интервале 310… 315°С.

При плавлении ПТФЭ с последующим охлаждением наблюдается снижение плотности полимера. Плотность ПТФЭ в зависимости от степени кристалличности может изменяться от 2,15 до 2,2 г/см3. Это связано с различием молекулярных масс полимера и с вязкостью расплава образца. Образцы с большей молекулярной массой имеют более высокую вязкость расплава, поэтому они кристаллизуются медленнее и достигают меньшей степени кристалличности.

Характерной особенностью ПТФЭ является то, что при нагреве выше температуры плавления (327°С) не наблюдается перехода из высокопластического состояния в вязкотекучее, что свойственно термопластам. При медленном охлаждении ПТФЭ, нагретого до температуры плавления или несколько выше, происходит его кристаллизация. Наибольшая скорость кристаллизации наблюдается в области температуры 315°С. Введение изотермической выдержки полимера при 310°С приводит к увеличению степени кристалличности, что сопровождается повышением его твердости. Быстрое охлаждение до температуры ниже 250 °С обеспечивает снижение степени кристалличности.

Радиационная стойкость ПТФЭ невелика. Однако при небольшой дозе облучения наблюдается некоторое упрочнение образцов, которое сменяется снижением прочности по мере увеличения дозы облучения. При этом происходит глубокий распад ПТФЭ, сопровождающийся падением молекулярной массы и увеличением плотности.

Физико-химические свойства ПТФЭ позволяют эксплуатировать его в агрессивных средах при температуре от -269 °С до +260 °С, при этом верхний предел температуры определяется не потерей стойкости к агрессивным средам, а снижением характеристик физико-механических свойств. По горючести ПТФЭ относится к группе трудносгораемых материалов; при комнатной температуре он практически не горит даже в среде кислорода.

Механические свойства ПТФЭ в значительной мере определяются степенью кристалличности, т.е. содержанием кристаллической фазы в структуре полимера. Степень кристалличности ПТФЭ зависит от скорости охлаждения при термообработке (спекании) отпрессованных заготовок в интервале температур 370…300 °С. Максимальное содержание кристаллической фазы наблюдается при минимальной скорости охлаждения, когда создаются благоприятные условия для формирования кристаллитов.

Особенности химического строения макромолекул и надмолекулярной структуры ПТФЭ в совокупности с физико-химическими свойствами, рассмотренными выше, определяют его уникальные триботехнические свойства. ПТФЭ обладает самым низким коэффициентом трения в условиях трения без смазочного материала по сравнению с другими полимерами. Это объясняется тем, что вследствие особого строения молекул ПТФЭ имеет одну из самых низких поверхностную энергию для всех известных твердых тел. Низкий уровень поверхностной энергии и межмолекулярного взаимодействия определяет многие свойства полимера и, в первую очередь, низкие уровни поверхностного натяжения и смачиваемости, адгезионную способность и, как следствие, хорошие антифрикционные свойства [2].

Нужна помощь в написании магистерской?

Цена магистерской

Рассмотренные физико-механические и триботехнические свойства показывают, что ПТФЭ можно применять в узлах трения без смазки, для работы в вакууме и инертной газовой среде, в широком температурном диапазоне, получая удовлетворительные вязкоупругие характеристики при высоких и низких температурах вплоть до температуры жидкого гелия. В то же время низкая износостойкость ПТФЭ требует разработки методов модифицирования структуры и свойств для повышения износостойкости при высоких удельных нагрузках и скоростях скольжения, характерных для условий работы в узлах трения современных машин и технологического оборудования.

1.2. Модифицирование политетрафторэтиленов

Структурная модификация полимерных материалов лежит в основе различных методов повышения механических и триботехнических свойств полимеров и композитов на их основе. Среди полимеров, применяющихся для изготовления деталей узлов трения, как сказано выше, наиболее предпочтительным комплексом физико-химических и триботехнических свойств обладает ПТФЭ, что объясняет его применение в узлах трения наиболее ответственных технических систем. Научный интерес представляет исследование влияния наполнителей-модификаторов на структуру, механические и триботехнические свойства наполненного ПТФЭ на различных уровнях структурной организации: молекулярной, надмолекулярной, межфазной[2].

По общепринятой терминологии наполнителями называют любые добавки, вводимые в матричный материал. Совокупность известных модификаторов может быть классифицирована по механизму действия [3]:

— модификаторы, обеспечивающие эффект упрочнения композита;

— функциональные модификаторы, изменяющие кинетику физико-химических и триботехнических процессов в полимерной матрице, в т.ч. процессов формирования надмолекулярной структуры;

— модификаторы, выполняющие функции заполнителя (инертного наполнителя);

— модификаторы, изменяющие заданные параметры служебных характеристик композиции.

В настоящее время в промышленных масштабах применяют более 200 видов модификаторов для полимеров, которые активно используют в полимерном материаловедении, и их номенклатура год от года расширяется [3]. Выбор наполнителей полимерных материалов зависит от назначения материала, необходимости изменения определенных физико-механических характеристик и типа полимерной матрицы. Вместе с тем, в качестве наполнителей для производства полимерных композиционных материалов (ПКМ) можно использовать практически все существующие в природе материалы (в том числе полимерные) после придания им определенной формы и размеров: в виде сфер, порошков с частицами нерегулярной формы и различным фракционным составом, чешуек, лент, волокон, жгутов, тканей, бумаги, матов, войлока и т. п., распределенных различным образом и в различных соотношениях с матрицей. Главное условие выбора модификатора состоит в том, что он должен быть эффективен с точки зрения выполняемой им функции, не изменять (или незначительно изменять) другие параметры служебных характеристик, а его применение – экономически выгодным. Известно, что введение модификатора позволяет улучшить одни характеристики композита, но другие характеристики при этом могут ухудшаться, поэтому окончательный выбор модификатора должен определяться всем комплексом его влияния на данный материал. Помимо этого, эффективность применения того или иного модификатора зависит от способа его введения в полимерную матрицу.

Одним из перспективных методов структурной модификации является введение в полимерную матрицу наполнителей разного типа, особенно дисперсных и волокнистых, а в последние годы — ультрадисперсных. Волокнистые наполнители ( углерод, ткани, бумага, различные волокна, среди них — углеродное волокно) придают матрице ПТФЭ прочность, жесткость, термо- и химическую стойкость. Дисперсные наполнители (сухие смазки: сульфиды и селениды металлов, металлы, окислы металлов) повышают теплопроводность композиционного материала. Ультрадисперсные наполнители представляют собой переходные состояния конденсированных веществ — макроскопические ансамбли микроскопических частиц с размерами порядка 100 нм. Основные свойства ультрадисперсного наполнителя существенно отличаются от свойств материала в обычном состоянии и, прежде всего, высокой поверхностной активностью. Системе с компонентами в ультрадисперсном состоянии присущи необычные свойства, не встречающиеся в массивных кристаллах [2,4].

Поверхностно-активные вещества проявляют свойство структурноактивных компонентов системы. Введение таких модификаторов способствует развитию процесса кристаллизации полимера, кинетика которого зависит от химической природы, дисперсности и структуры частиц наполнителя. Определяющую роль в формировании структуры наполнителей системы играет контактная кристаллизация полимера из расплава. Кристаллы, образующиеся в контакте с частицами наполнителя, срастаются с кристаллами вблизи соседней частицы, что приводит к возникновению в объеме композиционного материала гетерогенной структуры, состоящей из частиц наполнителя, скрепленных кристаллической фазой полимера.

Известно, что слабым местом в структуре наполненных систем является межфазная граница между полимерной фазой и наполнителем, поскольку разрушение материала, как правило, происходит по межфазным границам. Считается, что для получения достаточно сильного адгезионного взаимодействия необходимо, чтобы и полимер, и наполнители обладали свойством поверхностной активности. Повышение поверхностной активности компонентов системы возможно различными способами, поскольку в физико-химическое взаимодействие элементов композиционной системы вносят свой вклад ряд составляющих: адсорбционная, структурная, электростатическая, молекулярная. При переработке композита в межфазных слоях образуется гибридная структура, состоящая из химически связанных между собой сеток — сшитых структур исходного полимера. Эти структурные образования играют важнейшую роль в механизме формирования композита, поскольку надмолекулярная структура полимера изменяется не только в межфазных областях, но и во всем объеме связующего, изменяя свойства композиционного материала. Введение наполнителя, играющего роль зародышеобразующего компонента, изменяет кинетику процесса кристаллизации связующего. В результате действия частиц такого наполнителя возникают упорядоченные области полимера, которые являются центрами кристаллизации. Увеличение числа таких центров приводит к ускорению процесса кристаллизации и уменьшению размеров сферолитных образований. В зависимости от химической природы, активности и дисперсности наполнителя структурообразующие процессы развиваются на различных уровнях структурной организации полимера и приводят к многоуровневой структурной модификации.

Для комплексного улучшения свойств фторкомпозитов в его матрицу одновременно вводят несколько наполнителей, которые, выполняя различные функции, приводят к изменению как надмолекулярной структуры, так и свойств композита.

К настоящему времени накоплен значительный экспериментальный материал, отражающий влияние структурно-фазового состояния и параметров надмолекулярной структуры на свойства многокомпонентных систем на основе ПТФЭ, содержащих волокнистые и дисперсные наполнители. Современное решение проблемы повышения эксплуатационных свойств ПКМ на основе ПТФЭ связано с комплексным применением различных технологических методов их модификации. Изменение структуры и физико-механических свойств композитов возможно как на стадии его изготовления путем введения в матрицу ПТФЭ различных наполнителей, так и при последующей обработке готовых изделий, а также внешним энергетическим воздействием в условиях эксплуатации [2].

Традиционный метод упрочнения ПТФЭ путем введения наполнителей связан с его относительной технологической простотой и экономичностью по сравнению с другими нетрадиционными современными способами поверхностной модификации материала. Дальнейшее развитие исследований в этом направлении ставит проблему оптимизации концентрационного состава композитов для получения его структуры не столько с самыми высокими триботехническими характеристиками, сколько наиболее устойчивой в условиях жесткого фрикционного взаимодействия.

Нужна помощь в написании магистерской?

Подробнее

Определенное влияние на структуру и свойства ПКМ на основе ПТФЭ оказывают и параметры технологического процесса изготовления заготовок.

Таким образом, физической основой структурной модификации полимеров, как следует из результатов исследований, является изменение условий процессов кристаллизации и формирования надмолекулярной структуры полимера при изменении свойств и концентрации вводимых наполнителей и изменении уровня интенсивности внешнего энергетического воздействия на систему.

При создании фторопластовых композиционных материалов наибольший интерес, в силу выраженных перспектив, имеют следующие направления работы с выбором модификаторов:

— применение в качестве наполнителей ультрадисперсных модификаторов, обладающих структурообразующими свойствами и участвующих в процессах образования надмолекулярной структуры полимерной матрицы, а также являющихся ингибиторами изнашивания элементов узлов трения;

— создание многокомпонентных систем, основанных на совместном использовании наномодификаторов и армирующих волокон;

— введение во фторопластовую матрицу олигомеров политетрафторэтилена, выполняющих функции высокомолекулярных пластификаторов и способствующих образованию пленки переноса на контртеле.

1.3. Технологии изготовления фторкомпозитов

Методом спекания перерабатывают термопласты с высокой температурой плавления и большой вязкостью расплава (фторопласты, высоконаполненные полиолефины). Традиционная технология спекания включает следующие основные операции: холодное формование заготовок; спекание заготовок в изделия в свободном состоянии; охлаждение изделий и, при необходимости, механическая обработка [4,5].

Формование заготовок выполняется на гидравлических прессах при удельном давлении в пресс-форме (30-40) МПа. Увеличение давления выше 40 МПа может привести к холодной вытяжке и в дальнейшем к появлению трещин в изделии. Загружаемый в форму порошок должен быть легкосыпучим. Поскольку фторопласт при хранении может комковаться, то перед использованием порошок рыхлят, а в отдельных случаях термостатируют при (240-250) °С до 120 мин для удаления низкомолекулярных фракций.

Порошок в форме разравнивают в целях достижения равноплотности по всему объему заготовки. Давление пуансона должно нарастать медленно и по достижении максимального значения сохранять давление в течении 2-3 мин. Лучшие результаты в отношении равноплотности дает двухстороннее прессование таблеток.

Спекание заготовок выполняется в специальных печах с многосторонним электрическим нагревом и воздушной циркуляцией, выравнивающей температуру. Нагрев ступенчатый с выдержкой при температуре 342 °С (аморфизация кристаллической фазы) и (360-380) °С (размягчение всей массы фторопласта и ее «сплавление», сопровождающееся проявлением эффекта прозрачности). Плотность спеченной заготовки должна составлять 2,2 т/м³, сопровождающая его усадка достигает (4-7) %.

Продолжительность спекания определяется из расчета примерно 1 ч на 3 мм толщины изделия.

Охлаждение заготовок, то есть образование собственно изделий с требуемым комплексом свойств, является весьма ответственной операцией. В зависимости от скорости охлаждения в изделии формируется преимущественно аморфная или преобладающе кристаллическая структуры, которые определяют такие свойства, как эластичность, газонепроницаемость, твердость, жесткость.

Аморфная структура формируется при быстром охлаждении изделия в интервале температур от температуры спекания до 250 °С. Закалка достигается опусканием изделий в воду. При такой обработке содержание кристаллической фазы в изделии не превышает 50%.

Кристаллическая структура (степень кристалличности до 70%) формируется при медленном охлаждении спеченных изделий непосредственно в остывающей печи. Заготовки толщиной более 100 мм следует охлаждать медленно для предотвращения внутренних напряжений.

Нужна помощь в написании магистерской?

Заказать диссер

Механическая обработка спеченных заготовок применяется при производстве пленок и изделий различной конфигурации токарной обработкой, фрезерованием, сверлением и другими способами. При обработке фторопластов рекомендуются высокие скорости режущего инструмента при его малых подачах.

Для уменьшения потерь от брака и повышения стабильно высоких результатов был разработан оригинальный способ формирования заготовок или изделий. Перед спеканием заготовки устанавливали в зазоры между внутренней поверхностью оправки и внешней поверхностью заготовки для ограничения объема ее теплового расширения при температуре свыше 573 К, когда материал находится в высокоэластическом состоянии. При этом торцы заготовок перед спеканием натирали графитом или накладывали на торцы кольца из фольги алюминиевой. Спекание производят в диапазоне температур 573–633 К с выдержкой при максимальной температуре в течение времени υ час=b/4, где b – толщина стенки заготовки в мм.

Установление перед спеканием зазоров между деталями оправки и заготовкой, ограничивающих объем теплового расширения, приводит к тому, что ограничение объема происходит на этапе, когда композиционный материал находится в высокоэластическом состоянии. Это позволяет избежать растрескивания заготовок, возникающего в случае, если натяг происходит при температуре, когда композиционный материал находится в стеклообразном состоянии, и обеспечивает в итоге стабильно высокие показатели физико-механических характеристик спекаемых композиционных материалов.

Натирание торцов заготовки графитом или накладывание колец из фольги позволяет избежать взаимодействия оформляющих элементов оправки с торцами спекаемой заготовки и, тем самым, улучшить качество готовых изделий.

Благодаря проведению процесса спекания в диапазоне температур 573–633 К с выдержкой при максимальной температуре в течение оптимального времени удается добиться полной агломерации частиц фторопласта при сокращении времени термообработки в целом по сравнению с аналогом, предполагающим свободное спекание более длительное и при более высоких температурах. Таким образом, достигается значительная экономия энергоресурсов.

Касание наружного диаметра заготовки 5 внутренней поверхности гильзы 7 обеспечивают подбором зазора d такой величины, чтобы заготовка 5, увеличиваясь под влиянием температуры в радиальном направлении, выбирала зазор d при температуре выше 573 К.

Величину зазора подбирают экспериментально путем определения размеров заготовок, нагретых до температуры 603 К (близкой к температуре плавления ПТФЭ), с помощью штангенциркуля ШЦ-1 по ГОСТ 166, с ценой деления 0,1 мм. Величину зазоров а и d подбирают для каждого типоразмера заготовок и марки композиционного материала. Причем для определения зазора а достаточно провести замеры на одном типоразмере заготовок. Далее величину зазора а определяют в процентах по отношению к высоте неспеченной заготовки, значение которых устанавливают по результатам эксперимента, проведенного для одного из типоразмеров, и не зависит от других ее геометрических характеристик. При определении зазора а удлинение дисков 2 и 8, колец 4 и 6, а также с увеличением размера заготовки, материал которой имеет в направлении прессования значительно больший КТЛР, чем углеродистая сталь.

Зазор d определяют для каждого типоразмера заготовок индивидуально. При определении зазора d учитывается тепловое расширение стальной гильзы 7, которое может отличаться в зависимости от промышленной марки стали, направления проката и других технологических факторов.

Выводы по главе 1

Широкое распространение для изготовления герметизирующих и триботехнических деталей, применяемых в узлах трения и системах уплотнения, эксплуатируемых в сложных условиях (при повышенных температурах, тяжелонагруженных узлах, условиях работы без смазочного материала и др.), нашли политетрафторэтилен (ПТФЭ) и композиционные материалы на его основе [1-5].

Модифицирование базового связующего – ПТФЭ компонентами различного состава, дисперсности и активности вызвано необходимостью снижения показателей неблагоприятных характеристик (текучести под давлением, высокого коэффициента трения при повышенных скоростях, низкой износостойкости) матрицы и формирования комплекса повышенных служебных характеристик, определяющих нагрузочно-скоростной диапазон применения изделий с использованием ПТФЭ [3,5].

Для получения герметизирующих композиций на основе ПТФЭ наибольшее распространение получил способ прессования (25 МПа) с последующим спеканием при t=380 °С и охлаждением вместе с печью.

Глава 2. Патентный обзор и анализ технологических особенностей производства фторкомпозитов

Патентный поиск проводили с целью изучения научно-исследовательской информации по герметизирующим материалам на основе твердофазных матриц. Поиск включал патенты и авторские свидетельства белорусских и российских патентных баз, в том числе с использованием данных интернет-сайтов [6, 7] (приложение А).

2.1. Модифицирование фторопластовых композиции

ПТФЭ представляет собой материал, сочетающий хорошие антифрикционные, термические, антиадгезионные и антикоррозионные свойства, но как и любой материал он имеет ряд недостатков. Во фторполимер вводятся наполнители, повышающие износостойкость, прочность, твердость или упругость изделий из фторопластов. В качестве наполнителей для фторопластовых композиций применяют материалы, выдерживающие температуру спекания фторопласта. Наиболее распространенные наполнители можно разделить на следующие группы:

Нужна помощь в написании магистерской?

Подробнее

1 Порошкообразные:

металлические – медь, серебро, свинец, никель, бронза, алюминий;

минеральные – кварц, стеклопорошок, ситал, керамика, слюда;

органические – графит, сажа, уголь, кокс.

2 Волокнистые (армирующие наполнители):

нетканые – стекловолокно, асбестовое, графитовое, кварцевое, базальтовое волокно, металлические усы;

тканые – стеклоткани, графитовые, асбестовые и базальтовые ткани.

3 Армирующие наполнители каркасного типа:

металлическая смятая сетка;

смятая фольга.

Наполнители можно вводить во фторопласт каждый в отдельности или в различных сочетаниях (комбинированные наполнители) в зависимости от назначения композиций.

Для повышения износостойкости и снижения ползучести в ПТФЭ вводят функциональный углеродсодержащий наполнитель [8, 9]. В качестве наполнителя используют углеродные нанотрубки или ультрадисперсные детонационные наноалмазы при следующем соотношении компонентов: углеродсодержащий наполнитель – 1,0-5,0%; политетрафторэтилен – остальное до 100%. Материал подвергают радиационному модифицированию. Радиационное модифицирование проводят гамма-излучением со средней энергией квантов 1,25 МэВ поглощенной дозой не более 20 Мрад при температуре выше точки плавления кристаллической фазы ПТФЭ в инертной среде.

Радиационное воздействие вызывает существенные изменения в морфологии композита. Поверхность становится плотной, каверны и поры затягиваются. Образуются сферолиты, состоящие из радиально расположенных фибрилл, размерами от 30 до 70 мкм. Центрами сферолитов являются гибридные области, состоящие из полимерных цепей, прочно связанных с частицами углеродных нанотрубок или ультрадисперсных детонационных наноалмазов. При этом существенно возрастает адгезия наполнителя с полимерной матрицей и в целом увеличивается плотность упаковки структурных элементов и снижается пористость.

Процесс подготовки композита осуществляют посредством механообработки порошка полимера, диспергирования нанонаполнителя, дозирования компонентов в требуемых пропорциях и их смешивания на высокоскоростной мельнице с последующим прессованием заготовок нанокомпозитов на гидравлических прессах в необогреваемых стальных пресс-формах с последующим высокотемпературным спеканием.

Нужна помощь в написании магистерской?

Подробнее

Так же для улучшения износостойкости и уменьшения коэффициента трения в ПТФЭ в качестве углеродсодержащего наполнителя вводят порошок природного шунгита в количестве 8-12 мас.% от массы композиции [10]. Шунгиты представляют собой минеральные вещества с плотностью 1,840-1,980 т/м³.

Для получения данной композиции фторопласт Ф-4 в виде порошка (марка ПН) загружают в охлаждаемый смеситель и перемешивают в течение времени, необходимого для разрушения агломератов и получения однородного по структуре состава, поддерживая температуру не выше 30 °С . В полученный состав вводят порошок шунгита в количестве 8-12 мас.% от массы композиции и повторно перемешивают. Затем смесь загружают в пресс-формы и прессуют при давлении 35±5 МПа. Полученное изделие выдерживают 8-12 ч и загружают в печь, нагреваемую со скоростью 40 град/ч до (375±5) °С. По достижении указанной температуры изделие выдерживают от 2 до 10 ч в зависимости от толщины изделия. Последующее охлаждение проводят в печи до 150 °С (3-4 ч), а затем в комнатных условиях.

Таким же способом получают антифрикционный полимерный материал, выполненный из композиции, содержащей политетрафторэтилен и углеродсодержащую добавку в количестве 1-10% в виде порошков материалов, содержащих фуллерены [11]. К порошковым фуллеренсодержащим материалам относятся: фуллереновые сажи, содержащие от 13-15 до 45% фуллеренов; фуллереновые сажи после экстракции из них фуллеренов, содержащие до 50% от начального содержания в них фуллеренов. Добавка фуллереновых саж улучшает антифрикционные и противоизносные свойства ПТФЭ.

В патенте [12] описан состав композиционного герметизирующего материала, включающий в себя ПТФЭ и углеродсодержащий наполнитель (1-40)%, который дополнительно содержит нанодисперсный модификатор (0,01-0,1)%, выбранный из группы, включающей титанат натрия или ультрадисперсную керамику сиалон, или углеродсодержащий продукт детонационного синтеза, и дополнительно содержит фторсодержащий олигомер (0,1-1)% марки «Эпилам» или «Фолеокс». Обработка углеродного волокнистого наполнителя фторсодержащим олигомером марки «Эпилам» или «Фолеокс» приводит к увеличению прочности и термостойкости единичных моноволокон. В результате этого при дисмебраторном измельчении волокна образуется преимущественно фракция, которая обеспечивает оптимальное сочетание физико-механических и триботехнических характеристик материала. Так же олигомерный компонент хемосорбируется на поверхности металлического контртела и способствует образованию устойчивого перенесенного слоя, обеспечивающего высокую износостойкость и низкий коэффициент трения материала. Дополнительное введение в состав полимерной матрицы нанодисперсных частиц углерода или других веществ (сиалонов, титанатов и т.п.) обеспечивает образование упорядоченной структуры матрицы по механизму поляризационной ориентации. В результате этого наблюдается существенное увеличение прочности и износостойкости ПТФЭ.

Также для понижения коэффициента трения и улучшения прочностных характеристик композиции, в качестве наполнителя могут применяться углеграфитовые волокна [13]. Композиция дополнительно содержит жидкое стекло. Компоненты взяты в следующем соотношении: ПТФЭ (80-100) г, углеграфитовое волокно (20-50) г, жидкое стекло (30-45) г. Техническое решение изобретения заключается в том, что в процессе перемешивания компонентов происходит обволакивание углеграфитовых волокон раствором силиката, в результате чего повышается смачиваемость волокон за счет снижения краевого угла смачивания, а это, в свою очередь, предотвращает образование пустот (воздушных пузырей) и приводит к повышению когезионной прочности материала, способствующей снижению коэффициента трения и увеличению срока службы.

В патенте [14] описана полимерная композиция триботехнического назначения, содержащая политетрафторэтилен и наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя содержит синтетическую шпинель магния с удельной поверхностью 170-200 м²/г и механоактивированный серпентинит, при этом соотношение компонентов составляет, мас.%: механоактивированный серпентинит 1,0-4,8; шпинель магния 0,2-1,0; политетрафторэтилен остальное. Изобретение позволяет повысить долговечность и работоспособность узлов трения за счет высокой износостойкости, низкого коэффициента трения, которые определяются структурой композиционного материала.

Для увеличения срока службы изделий из ПТФЭ используются различные неорганические наполнители в виде частиц, волокон и т.д. Использование наполнителей нанометрового размера в отличие от традиционных наполнителей микронных размеров позволяет более эффективно влиять на свойства ПТФЭ благодаря интенсификации структурных процессов при кристаллизации ПТФЭ, происходящих на технологической стадии спекания композита.

Одним из перспективных нанонаполнителей ПТФЭ является ультрадисперсный детонационный алмаз (УДА), синтезируемый из взрывчатых веществ в полупромышленных масштабах. УДА извлекают из продуктов детонационного синтеза с помощью кислотной обработки для удаления примесей и неалмазных форм углерода. Средний размер частиц УДА (4-6 нм) слабо зависит от условий детонационного синтеза и кислотной обработки. В то же время детали технологического процесса получения УДА, в особенности — химического процесса экстракции УДА из детонационной шихты, существенно влияют на химический состав и структуру функционального слоя на поверхности наночастиц.

Для получения полимерного композита антифрикционного назначения на основе политетрафторэтилена и УДА, исключающего зависимость свойств композита от химических свойств исходных порошков УДА, а также обеспечивающего химическое взаимодействие наполнителя с полимерной матрицей для улучшения трибологических характеристик композита [15].

Физико-химическая обработка порошка ультрадисперсного детонационного алмаза заключается в его прогреве в инертной среде при температуре 700-800°C в течение 20-30 мин при непрерывном удалении газообразных продуктов термической десорбции до удаления кислородосодержащих поверхностных групп, характеризующихся полосой поглощения в ИК-спектрах с максимумом в интервале волновых чисел 1730-1850 см^-1.

2.2. Технологические особенности получения композиционных материалов на основе ПТФЭ

Изделия из материалов на основе ПТФЭ получают по двум основным технологиям — экструзией через обогреваемую формующую головку и прессованием с последующим спеканием.

Для изготовления пористых заготовок со значительно улучшенными антифрикционными свойствами применяется способ прессование заготовок из порошка политетрафторэтилена и композиционной порошковой смеси на его основе с цеолитами при давлении 12,5 МПа и 25 МПа [16]. Отпрессованные таким образом пористые заготовки пропитывают жидким моторным маслом марки М-8В в течение 24 часов при температуре 150 °С, затем подвергают их «свободному спеканию» (изделия спекаются в свободном состоянии без приложения давления) в программируемой муфельной печи при 375 °С со скоростью нагрева 2 град/мин до 300 °С и 3 град/мин до 375 °С (время выдержки 0,3 ч на 10^-3 м толщины образца). После выдержки печь отключается и изделие остывает вместе с печью. Преимуществом такой технологии получения пористых заготовок из ПТФЭ и композитов на его основе является то, что для ее реализации не требуется использования фреонов и других компонентов, которые при взаимодействии между собой выделяют газообразные (вредные для человека) вещества, и также использование специального технологического оборудования.

В патенте [17] описан способ изготовления изделий из композиционных материалов на основе политетрафторэтилена, включающем смешивание компонентов, холодное прессование заготовок, последующее спекание в закрытой форме, обеспечивающей натяг в результате теплового расширения заготовки, и охлаждение в форме, спекание производят в диапазоне температур (280-350) °С с выдержкой при максимальной температуре спекания в диапазоне времени τ = (0,5 — 1,0) а, где τ — время в мин, а — максимальная толщина изделия в мм. Причем заготовки перед спеканием обрабатывают при температуре (20±5) °С в течение 1-2 мин раствором фторсодержащего олигомера «Фолеокс» или «Эпилам» и сушат до полного удаления растворителя. Кроме того, заготовки после спекания охлаждают в форме в жидкой среде при температуре (20±5) °С.

Так же применяется способ изготовления изделий из композиционных материалов на основе полимеров, отличающийся тем, что заготовку спекают в закрытой форме с натягом по двухступенчатому циклу с последующим отжигом, причем первая стадия цикла осуществляется при температуре (280±5) °С в течение времени τ = (0,5 — 1,0)а, вторая стадия цикла осуществляется при температуре (350±5) °С в течение τ = (1-1,5)а, отжиг осуществляют при температуре (280±5) °С в течение τ = (0,5-1,0)а, а затем охлаждают изделие в форме со скоростью 0,5-1 град/мин.

Нужна помощь в написании магистерской?

Заказать диссер

Для изготовления колец и прокладок из политетрафторэтилена применяют в качестве оборудования экструдеры [18], содержащие цилиндр с размещенными на них насадками, выполненными с центральным и периферийными формующими отверстиями, сообщенными соответственно с центральным и периферийными подводящими каналами, отличающийся тем, что стенки периферийных подводящих каналов выполнены коническими, сужающимися в направлении периферийных формующих отверстий с углом при вершине (10-15) ^o и плавно сопряжены с центральным подводящим каналом. При этом стенки центрального подводящего канала выполнены коническими, сужающимися в направлении центрального формующего отверстия с углом при вершине (20-25) ^o. Экструдер работает следующим образом. Образованная после прессования в прессе для таблетирования порошка таблетка-заготовка вставляется в цилиндр экструдера, закрывается насадкой и фиксируется гайкой. В экструзионном цилиндре под действием поршня происходит выдавливание таблетки-заготовки через систему калиброванных отверстий и с образованием валиков экструдата. Введение различных углов раскрытия в переходных конусах и обеспечивает равномерную подачу пасты к калиброванным отверстиям.

Для формования высоконаполненных полимерных композиций используется метод экструзии. В качестве оборудования используются экструдеры следующего исполнения [19]. Экструдер содержит установленные на станине материальный цилиндр с приводным червяком и загрузочным бункером, конусообразную формующую головку, неподвижно закрепленную на выходе из материального цилиндра, электронагреватели, охватывающие материальный цилиндр между загрузочным бункером и формующей головкой, шнековый смеситель с приемным бункером-дозатором, герметично связанный с загрузочным бункером. Соосно формующей головке установлена калибрующая насадка, выполненная в виде двух герметично соединенных между собой коаксиальных цилиндров и снабженная коллектором для подвода смазывающей эмульсии. С калибрующей насадкой жестко соединена охлаждающая насадка, включающая последовательно соединенные секции в виде полых резервуаров, снабженных коллектором для подвода охлаждающей жидкости и отверстием для ее слива. Температура охлаждающей жидкости в каждой секции снижена по сравнению с температурой предыдущей секции по ходу движения изделия. Калибрующая насадка выполнена перфорированной с отверстиями во внутреннем цилиндре по всей длине насадки. Охлаждающая насадка снабжена конусообразной трубой, проходящей через все секции насадки и герметично соединенной с калибрующей перфорированной насадкой. Поперечное сечение конусообразной трубы соответствует поперечному сечению калибрующей перфорированной насадки и уменьшается пропорционально уменьшению площади поперечного сечения конусообразной трубы таким образом, что площадь поперечного сечения трубы на выходе из охлаждающей насадки равна 0,89-0,99 площади поперечного сечения на входе. В охлаждающей насадке между охлаждающими секциями, охватывающими конусообразную трубу, расположен слой из термоизолирующего материала. Данное устройство экструдера позволяет повысить качество готовых изделий и получать изделия без дополнительной допрессовки.

Выводы по главе 2

Наиболее распространенным наполнителем при получении композиционных материалов триботехнического и герметизирующего назначения на основе ПТФЭ являются дисперсные фрагменты углеграфитовых волокон (УВ), полученные с применением процессов графитизации и карбонизации органических полимерных волокон — вискозных, полиамидных, полиэфирных и т.п. [6-11].

Наиболее распространенной технологией переработки композитов на основе ПТФЭ является технология, включающая операции дозирования, смешивания дисперсных компонентов, холодного прессования заготовок и последующего их спекания при ступенчатом подъеме температуры выше температуры плавления ПТФЭ (фаза монолитизации) и ступенчатом снижении температуры заготовки до комнатной (фаза отжига). Процесс термообработки осуществляют на воздухе или в защитной среде в объеме технологической установки с регулируемыми параметрами процессов нагрева/охлаждения. Изделия (заготовки) из композитов на основе ПТФЭ, полученные по данной технологии, обладают показателями прочности при растяжении σ_р до 17-20 МПа [11, 14-18].

Глава 3. Методическая часть

3.1. Материалы и объекты исследования

В качестве объектов исследования были выбраны композиционные материалы следующих составов: исходный ПТФЭ (фторопласт-4), ПТФЭ+ПА(3%), ПТФЭ+ПА(5%).

Дисперсность полимерного порошка полиамида составляла собой фракцию менее 80 мкм, полученная фракционированием с использованием ситового анализа. Исходным сырьем для получения полиамидного порошка выступали гранулированные частицы ПА6 марки 210/310, диспергированные в криогенных средах.

Образцы композиций в виде изделий (уплотнительных колец) получили методом холодного прессования с последующим спеканием с использованием пресс-формы, разработанной в рамках подготовки экспериментальной базы (Приложение Б).

3.2. Определение прочности при разрыве и относительного удлинения при разрыве

Прочность при разрыве и относительное удлинение при разрыве определяли на шести образцах шириной (6,0±0,4) мм. Образцы вырубили из пластины толщиной (2,0±0,2) мм. Образцы имели гладкую ровную поверхность, без вздутий, сколов, трещин, раковин и других видимых дефектов. Толщину и ширину образцов измеряли в трех местах. Из полученных значений вычисляли средние арифметические величины, по которым вычисляли начальное поперечное сечение образцов.

Образцы закрепили в зажимы испытательной машины по меткам, определяющим положение кромок зажимов таким образом, чтобы продольные оси зажимов и ось образца совпадали между собой и направлениям движения подвижного зажима. Зажимы равномерно затягивали, чтобы исключалось скольжение образца в процессе испытания, но при этом не происходило его разрушения в месте закрепления.

Испытания проводили при (23±2) °С с постоянным нарастанием нагрузки до разрыва образца со скоростью раздвижения захватов машины (100±10) мм/мин. За результат испытания принимали среднее арифметическое результатов шести параллельных определений, каждое из которых не отличалось более чем на 10 % от вычисленного среднего арифметического.

Испытания проводили на универсальной двухколонной испытательной машине Quasar 50. Диапазон нагрузок до 50 кН. Ввод программы испытаний и отображение результатов производили при помощи программного обеспечения Graphwork, работающего в соответствии с европейскими, американскими, международными стандартами и ГОСТами.

3.3. Оптическая микроскопия

Оптическая микроскопия является одним из наиболее востребованных методов анализа. Существует две разновидности: микроскопия пропускания и микроскопия отражения. Для оценки состояния поверхности эффективно применение микроскопии отражения, реализованная в инверсном металлографическом микроскопе ММР-1600Т.

Принцип действия подобных микроскопов состоит в получении изображения отражённого в виде пучка света от поверхности с последующей обработкой.

Микроскоп ММР-1600Т предназначен для наблюдения как объемных предметов, так и тонких пленочных и прозрачных объектов.

Сущность метода оптической микроскопии заключается в том, что использование оптической системы, состоящей из объектива и окуляра, обеспечивает увеличенное (в десятки — сотни раз) изображение фрагмента объекта.

Нужна помощь в написании магистерской?

Цена магистерской

Оптическая микроскопия в отраженном свете широко используется для исследования морфологии поверхности различных материалов.

Исследования образцов проводили на инверсном металлографическом микроскопе ММР-1600Т. Исследованиям подвергались объекты исследования в виде готовых изделий. Изучение поверхностей проводили при различном увеличении (×50, ×100, ×200 — кратном)

3.4. Определение триботехнических характеристик

Процесс трибоиспытаний заключается в приведении контактирующих тел в контакт, их нагружение и приведение их в движение друг относительно друга. В ходе эксперимента с использованием измерительной системы приборов фиксировали нагрузку в паре трения, скорость вращения главного вала (линейная скорость подвижных инденторов зависит от схемы испытаний и их геометрического расположения в сменной головке), силу трения, возникающую в трибосопряжении, изменение вертикального положения платформы с нижним образцом (фактически — суммарный линейный износ пары трения без учета теплового расширения), а также температуру, измеряемую штатным датчиком.

Для испытания использовался микротрибометр FT2. Микротрибометр FT-2 предназначен для исследования характеристик трения и изнашивания материалов, а также характеристик смазочных материалов. Микротрибометр оснащен сервоприводом, допускающим регулировку скорости вращения исполнительного механизма в широких пределах (1-1500) об/мин. Конструкция микротрибометра предусматривает возможность смены типа исполнительной головки для проведения испытаний по одной из двух схем контакта — вращением трех инденторов по неподвижному диску или возвратно-поступательным движением индентора по плоскому образцу. Для исследования триботехнических характеристик образцов материалов была применена схема испытания с вращением трех инденторов по неподвижному диску (n= 60 об/мин; t = 2 мин; N_нач = 20Н – для образцов на основе ПТФЭ).

Для измерения усилия трения использовали единую силоизмерительную ячейку оригинальной конструкции. В качестве подвижных образцов использовали шарики диаметром 3 мм. Нагружение пары трения осуществляли перемещением нижнего образца с помощью автоматизированной системы. В приборе предусмотрена возможность контроля температуры неподвижного образца.

3.5. Метод динамического микроиндентирования

Метод динамического микроиндентирования заключается в нанесении индентором (жестким бойком небольшой массы) испытательного удара по испытуемому объекту. При этом производили непрерывную регистрацию процесса контактного взаимодействия индентора с материалом и дальнейший расчет комплекса его механических характеристик согласно разработанным алгоритмам. Расчет и обработку исходной информации о материале осуществляли с помощью соответствующих физических моделей взаимодействия индентора с вязкоупругим материалом и аппаратуры, созданной на основе современных достижений в области микроэлектроники и вычислительной техники.

Испытания проводили на установке ИМПУЛЬС-1Р, разработанной в ИПФ НАН Беларуси. Ее структурная схема для контроля полимерных и эластомерных материалов включает: индентор, закрепленный на поворотном рычаге, который, разгоняясь под действием силы тяжести, наносит удар по испытуемому материалу. К индентору прикреплен постоянный магнит, который при движении наводит ЭДС в катушке индуктивности, соединенной с корпусом. Далее этот сигнал усиливается и через блок синхронизации поступает в блок аналогового цифрового преобразования (АЦП) и затем через последовательный порт передается в персональный компьютер для последующей обработки и вычисления механических характеристик. Исходной информацией о свойствах материала в предложенном методе является аналоговый сигнал, наводимый в катушке индуктивности, величина которого пропорциональна текущей скорости перемещения индентора во время его контакта с материалом.

Выводы по главе 3

Освоены методики оценки морфологических особенностей строения образцов с использованием инверсного металлографического микроскопа ММР-1600Т и атомно-силового микроскопа NT-206.

Изготовлена оснастка для изготовления образцов в виде изделий из исследуемых композиций для оценки физико-механических характеристик с использованием приборов ИМПУЛЬС-1Р, Quasar 50, микротрибометр FT2.

Глава 4. Экспериментально-исследовательская часть

4.1. Результаты определения прочности и относительного удлинения при разрыве

На основании метода, описанного в методической части настоящей работы, были испытаны образцы из ПТФЭ (фторопласт-4), ПТФЭ+ПА(3%), ПТФЭ+ПА(5%) на универсальной двухколонной испытательной машине Quasar 50 и получены результаты, которые занесены в таблицу 4.1, 4.2 и 4.3. Испытания проводили в соответствии с ГОСТ 11262-80.

Таблица 4.1 – Физико-механические характеристики ПТФЭ (фторопласт-4)

№ образца	Максимальная нагрузка, Н	Предел прочности, МПа	Относительное удлинение, %
1	208,2	17,51	462,93
2	255,4	20,22	529,15
3	226,8	19,00	554,68
4	248,6	20,65	512,46
5	183,8	15,30	481,79
6	217,6	17,69	498,48
Среднее значение		18,39	506,58

Таблица 4.2 – Физико-механические характеристики ПТФЭ+ПА(3%)

№ образца	Максимальная нагрузка, Н	Предел прочности, МПа	Относительное удлинение, %
1	245,3	19,53	510,37
2	217,1	17,94	496,29
3	205,0	17,36	463,48
4	230,6	19,24	547,67
5	201,7	17,05	473,32
6	213,9	17,54	492,81
Среднее значение		18,11	498,99

Таблица 4.3 – Физико-механические характеристики ПТФЭ+ПА(5%)

№ образца	Максимальная нагрузка, Н	Предел прочности, МПа	Относительное удлинение, %
1	195,1	16,87	459,42
2	215,4	17,93	491,17
3	247,5	19,51	537,86
4	225,9	19,14	531,62
5	210,6	17,42	481,37
6	204,8	17,37	492,53
Среднее значение		18,04	498,79

Результаты исследования образцов на основе фторопласт-4, ПТФЭ+ПА(3%) и ПТФЭ+ПА(5%) свидетельствуют о том, что предел прочности на разрыв и среднее значение показателя механических свойств (относительного удлинения) существенно не изменили свои значения.

4.2. Изучение морфологических особенностей поверхности образцов методом оптической микроскопии

Используя настройки прибора, позволяющие изучать морфологические особенности строения поверхностных слоев образцов под различным увеличением (×50, ×100, ×200 – крат), удалось оценить характер распределения частиц в композиционном материале – ПТФЭ+ПА(3%), ПТФЭ+ПА(5%), а также характерные особенности строения материала, полученного прессованием ПТФЭ. В результате исследования были получены следующие изображения поверхностей материала.

Наличие на стадии формирования композиций отмечено присутствие фазовых включений, которые при термическом разложении в объеме материала могут создать условия для образования зон структурной упорядоченности.

Нужна помощь в написании магистерской?

Подробнее

Повышение концентрационного содержания частиц органического происхождения (полиамида) в составе ПТФЭ отражает увеличение зоны распространения влияния термически разлагаемого компонента на объемные характеристики композиционных материалов.

4.3. Результаты измерения физико-механических свойств материалов методом динамического микроиндентирования

Испытания проводили на установке ИМПУЛЬС-1Р. Образец каждого материала подвергали испытанию в 5 различных точках для получения более точных результатов. На зависимостях, представленных на рисунках 4.5 – 4.7 отображен характер изменения механических параметров от времени воздействия контактного усилия, прилагаемого со стороны индентора.

Аналитический комплекс прибора ИМПУЛЬС-1Р позволил оценить ряд параметров механических свойств исследуемых образцов, которые сведены в таблицах 4.3 – 4.5 соответственно.

Таблица 4.4 – Результаты исследования механических характеристик исходного ПТФЭ

Параметр	Точка 1	Точка 2	Точка 3	Точка 4	Среднее значение
Твердость по Шору А	90,8	91,8	93,4	94,7	92,7
Твердость IRHD	89,3	90,3	91,9	93,2	91,2
Эластичность по отскоку, %	20,8	24,6	22,1	19,0	21,6
Вязкость по модели Фойгта, Н∙с	3,88	3,66	4,54	5,79	4,47
Вязкость по модели Максвелла, Н∙с	137,6	154,5	165,8	142,2	150
Жесткость по моделям Максвелла и Фойгта, Н/м	236503,9	277554,5	358285,8	458380,3	332681,1

Таблица 4.5 – Результаты исследования механических характеристик ПТФЭ+ПА(3%)

Параметр	Точка 1	Точка 2	Точка 3	Точка 4	Среднее значение
Твердость по Шору А	92,5	93,7	93,0	92,5	92,9
Твердость IRHD	91,0	92,2	21,5	91,0	91,4
Эластичность по отскоку, %	33,3	11,8	12	12,3	17,35
Вязкость по модели Фойгта, Н∙с	2,86	7,28	6,79	6,4	5,8
Вязкость по модели Максвелла, Н∙с	275,1	109,7	103,2	95,3	145,8
Жесткость по моделям Максвелла и Фойгта, Н/м	306558,91	381588,4	337045,7	309768,0	333747,8

Таблица 4.6 – Результаты исследования механических характеристик ПТФЭ+ПА(5%)

Параметр	Точка 1	Точка 2	Точка 3	Точка 4	Среднее значение
Твердость по Шору А	92,7	93,2	93,4	94,1	93,35
Твердость IRHD	91,2	91,7	91,9	92,6	91,85
Эластичность по отскоку, %	30,0	35,8	38,1	27,9	32,95
Вязкость по модели Фойгта, Н∙с	3,25	2,80	2,61	3,95	3,15
Вязкость по модели Максвелла, Н∙с	191,5	241,5	263,3	217,2	228,4
Жесткость по моделям Максвелла и Фойгта, Н/м	318647,1	349853,6	656932,4	407507,8	358235,2

Анализ результатов измерения физико-механических свойств композиций методом динамического микроиндентирования свидетельствует о стабильности показателей при изменении составов композиций, а присутствие наполнителей в виде порошкообразных компонентов полиамида не приводит к разупрочнению готовых изделий.

4.4. Результаты триботехнических испытаний

Для исследования триботехнических характеристик образцов материалов была применена схема испытания с вращением трех инденторов по неподвижному диску (n = 60 об/мин; t = 2 мин; N_нач = 20Н). Для испытания использовали микротрибометр FT2.

Для исследования использовали пластинчатые образцы из исходного ПТФЭ, ПТФЭ+ПА(3%), ПТФЭ+ПА(5%).

Изменение коэффициента трения для предлагаемых составов композиций не превышает предела погрешности и находится в диапазоне значения 0,11.

Выводы по главе 4

Применение составов на основе политетрафторэтилена, наполненного малыми концентрациями (до 5 масс.%) криогенноизмельченного порошкообразного полиамида ПА6 210/310 дисперсностью не превышающей 100 мкм., приводит к формированию изделий не отличающихся своими эксплуатационными характеристиками, однако более конкурентоспособных по ценовому критерию.

Анализ морфологических исследований свидетельствует об образовании характерной структуры композиционного состава с наличием межфазного взаимодействия и соответствующей зоной структурирования (рисунки 4.3-4.4).

Триботехнические и физико-механические испытания указывают на стабильность показателей материалов в ходе лабораторных испытаний, которые находятся в пределах значений, соответствующих изделиям на основе чистого ПТФЭ и способны стать альтернативной заменой по техническим характеристикам составам из [8-14].

Глава 5. Технологическая часть

Технологический процесс производства заготовок из ПТФЭ методом компрессионного прессования состоит из следующих основных стадий:

— подготовка сырья;

Нужна помощь в написании магистерской?

Цена магистерской

— прессование;

— термообработка заготовок [15-21].

5.1. Подготовка сырья

Политетрафторэтилен (фторопласт) — гидрофобный, легко комкующийся и легко электризующийся материал. В процессе хранения и транспортировки порошок фторопласта слёживается в комкованную несыпучую массу, которую перед началом прессования необходимо предварительно разрыхлить на дисмембраторе NOSSEN 8255 для разрушения комков и обеспечения равномерной засыпки порошка в пресс-форму. Дисмембратор состоит из литого чугунного корпуса, вставного подшипникового узла, крышки корпуса, подвижного диска измельчителя и электродвигателя с приводом и пусковой аппаратурой. На крышку корпуса смонтирован неподвижный диск и питательное устройство.

Принцип работы: фторопласт подается в питатель и через отверстие в крышке попадает в пространство между подвижным и неподвижным диском дисмембратора, где под действием центробежных сил отбрасывается на периферию к стенке прохода в пространство между молотками. Молотки запрессованы в диски и заглушены с торцевой стороны. Подвижный диск укреплен на валу с помощью гайки. Вал находится в подшипниковом узле и соединен с двигателем посредством ременной передачи через шкив, который укреплен на валу шпоночным соединением. Разрыхление осуществляется за счёт прохождением его через молотки от центра к стенкам.

В процессе транспортировки при низких температурах и при внесении в тёплое помещение на поверхности частиц порошка конденсируется влага, находящаяся в мешке или в помещении цеха. Поэтому порошок фторопласта — 4 перед прессованием должен быть термостатирован при температуре не ниже 21 °С в течение 24 ч или высушен в сушильном шкафу АРСМЗ 009.000 при температуре (150 ± 10)°С до содержания влаги не более 0,02 %.

5.2. Прессование

Технологический процесс таблетирования включает в себя следующие стадии: подготовка пресса и пресс-формы; засыпка порошка в пресс-форму; плавный подъём давления; выдержка при максимальном давлении прессования; снятие давления и извлечение таблетки из пресс-формы.

Перед началом прессования устанавливают необходимое манометрическое давление, зависящее от усилия прессования, КПД пресса и площади плунжера.

На гидравлический пресс-полуавтомат ДБ2432 устанавливают и закрепляют пресс-форму. Во избежание перекосов и выхода из строя пресс-формы необходимо тщательно центрировать матрицу и стержень пресс-формы относительно пуансонов.

При достаточно длительной эксплуатации пресс-формы неизбежно постепенное накопление масла на поверхности верхней плиты, которое может попасть в порошок в процессе засыпки его в пресс-форму и привести к браку.

Во избежание этого масло следует периодически удалять с плиты пресса. Перед засыпкой порошка фторопласта — 4 детали пресс-формы, соприкасающиеся с порошком, протирают растворителем (бензином, ацетоном) и начисто протирают бязью, смоченной в спирте.

Для получения изделий необходимых размеров навеску порошка в граммах определяют в зависимости от объёма изделия и плотности спечённого изделия.

В рамках подготовки лабораторных и производственных испытаний была разработана, спроектирована и изготовлена оснастка для изготовления изделия типа «кольцо» (приложение Б).

Навеска взвешивается на технических весах. После взвешивания навеска порошка засыпается в пресс-форму с помощью совка и разравнивается по площади прессования для получения равноплотной и качественной таблетки без трещин и короблений.

Процесс прессования таблетки состоит из трёх стадий:

Нужна помощь в написании магистерской?

Заказать диссер

— подъём давления;

— выдержка при максимальном давлении;

— снятие давления.

При приложении давления происходит уплотнение порошка за счёт удаления из него воздуха. Наиболее полное удаление воздуха достигается за счёт плавного повышения давления. Прессование заготовки осуществляется при давлении 25 МПа. После достижения максимального манометрического давления осуществляется выдержка заготовки из расчёта 1 минута на 1 кг массы изделия.

Аккумулирующие напряжения сжатия в процессе выдержки таблетки под давлением могут вызвать её растрескивание. Для предотвращения этого давление прессования снимается постепенно в течение (10 — 20) с. После полного снятия давления таблетка увеличивается по высоте на (2-3) % за счёт релаксации в ней упругих напряжений.

Последней операцией прессования является извлечение таблетки из пресс-формы. Операция выталкивания происходит за один непрерывный и плавный ход выталкивателя, исключающий рывки и остановки при движении. В процессе прессования таблетка подвергается радиальным напряжениям, которые не снимаются после снятия давления прессования. Эти напряжения вызывают незначительное увеличение заготовки по диаметру на (1- 2) %, поэтому любая остановка в процессе выталкивания таблетки приводит к преждевременному расширению материала, в результате которого образуются трещины по окружности, которые проявляются при термообработке.

В извлечённой таблетке ещё длительное время остаются остаточные напряжения сжатия, которые приводят к растрескиванию во время термообработки. Для предотвращения этого спрессованную таблетку выдерживают при температуре (20 ± 3) °С в течение 5 ч .

5.3. Термообработка заготовок

Заключительной стадией производства заготовок из фторопласта — 4 является термическая обработка — свободная выпечка в термических печах извлечённых из пресс-форм заготовок.

Для заготовок с толщиной стенки 3 мм термообработку следует проводить по следующему режиму:

— нагрев до температуры (375 ± 5) °С со скоростью нe более 50 град/ч;

— выдержка при температуре (375 ± 5) °С в течение 2 ч;

— охлаждение со скоростью не более 50 град/ч.

При длительном хранении отпрессованных заготовок (более 24 ч) их следует просушить перед термообработкой в течение (6 — 7) ч при температуре (150-160) °С.

Затем из полученной заготовки вырубаются кольца диаметром 32 мм (с внутренним отверстием диаметром 28 мм).

Нужна помощь в написании магистерской?

Заказать диссер

Выводы по главе 5

В ходе разработки технологического процесса производства заготовок из составов на основе ПТФЭ были определены основные стадии: подготовка сырья; прессование; термообработка заготовок. Также были определены основные параметры процесса производства:

1 Давление прессования заготовки 25 МПа.

2 Режим термообработки:

— нагрев до температуры (375 ± 5) °С со скоростью нe более 50 град/ч;

— время выдержки при температуре (375 ± 5) °С в течение 2 ч;

— охлаждение со скоростью не более 50 град/ч.

Заключение

В ходе выполнения работы был изучен состав, свойства и технология изготовления герметизирующих материалов, применяемых в запорной арматуре. Определены основные достоинства и недостатки основных герметизирующих материалов.

При проведении патентного обзора особое внимание было уделено технологическим особенностям производства герметизирующих материалов и применяемым функциональным наполнителям, для повышения деформационно-прочностных характеристик. Широкое распространение получила технология прессования с последующим спеканием заготовок. Среди функциональных наполнителей наибольшее распространение получили углеродсодержащие (углеродные нанотрубки, порошок шунгита, фуллереновая сажа и др.).

В главе 3 приведён обзор методов проведения исследования физико-механических характеристик герметизирующих материалов (оптическая микроскопия, метод динамического микроиндентирования, определение прочности и относительного удлинения при разрыве, определение триботехнических характеристик). Для проведения исследования физико-механических характеристик были использованы образцы фторопласт-4, ПТФЭ+ПА(3%), ПТФЭ+ПА(5%).

При переработке композита в межфазных слоях образуется гибридная структура, состоящая из химически связанных между собой сеток — сшитых структур исходного полимера.

Предложен технологический процесс получения заготовок из фторопласта-4, полученных по следующим технологическим режимам прессования с последующим спеканием:

— нагрев до температуры (375 ± 5) °С со скоростью нe более 50 град/ч;

— время выдержки при температуре (375 ± 5) °С в течение 2 ч;

— охлаждение со скоростью не более 50 град/ч.

Нужна помощь в написании магистерской?

Подробнее

Разработана, спроектирована и изготовлена оснастка для изготовления изделия типа «кольцо» (приложение Б).

Проведена апробация результатов испытаний на ОАО «Гродно Азот» (приложение В).

Предполагаемая экономическая эффективность от использования в качестве наполнителей политетрафторэтилена полиамида 6 может составить более 130 миллионов белорусских рублей на 1 тонну используемого сырья.

Результаты работы апробированы на конференциях в Республике Беларусь и опубликованы в сборниках материалов конференций (приложение Г).

Список использованных источников

1. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник/Л. А. Кондаков, А. И. Голубев, В. В. Гордеев и др.; Под общ. ред. А. И. Голубева, Л. А. Кондакова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1994. – 448 с.: ил.
2. Машков Ю.К. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная модификация. М.: Машиностроение, 2005. 240 с.: ил.
3. Авдейчик, С.В. Машиностроительные фторкомпозиты: структура, технология, применение: монография / С.В. Авдейчик, [и др.] ; под науч. ред. В.А. Струка. – Гродно : ГрГУ им. Янки Купалы. – 339 с.
4. Материаловедение в машиностроении и промышленных технологиях: Учебно-справочное руководство / В.А. Струк, JI.C. Пинчук, Н.К. Мышкин, В.А. Гольдаде, П.А. Витязь — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2010. — 536 с.
5. Пугачев, А.К. Переработка фторопластов в изделия: Технология и оборудование / А.К. Пугачев, О.А. Росляков. – Л.: Химия, 1987. – 168 с.
6. Федеральная служба по интеллектуальной собственности патентам и товарным знакам (Роспатент) [Электронный ресурс]: – Режим доступа: http://www.fips.ru/ – Дата доступа: 10.09.2015.
7. Национальный центр интеллектуальной собственности [Электронный ресурс]: – Режим доступа: http://www.belgospatent.org.by/ – Дата доступа: 10.09.2015.
8. Патент 2269550 RU, МПК C 08 L 27/18, C 08 K 3/04. Состав для получения композиционного герметизирующего материала / В.А. Струк, Г.А. Костюкович, В.И. Кравченко, Е.В. Овчинников, Г.Н. Горбацевич — № 2004104434/04 ; заявл. 17.02.04; опубл. 10.02.2006// Бюл. № 4.
9. Нанокомпозиционный антифрикционный и уплотнительный материал на основе политетрафторэтилена: пат. 2467034 Российская Федерация, МПК C 08 J 7/18, C 08 J 5/16, C 08 J 3/28, B 82 B 3/00, C 08 F 2/46, C 08 L 27/18 / С.А. Хатипов, Д.И. Селиверстов, Ю.Р. Жутаева ; заявитель ФГУП НИФХИ им. Л.Я. Карпова — № 2011135280/04 ; заявл. 24.08.11; опубл. 20.11.12 / Бюл. №32.
10 Антифрикционный композиционный полимерный материал: пат. 2290416 Российская Федерация, МПК C 08 J 5/16, B 29 B 11/14 / Б.М. Гинзбург, Н.В. Дьяченко, А.К. Пугачев, Д.Г. Точильников ; заявитель ИПМаш РАН — № 2004136782/04 ; заявл. 27.05.06; опубл. 27.12.06.
11 Нанокомпозиционный конструкционный материал на основе политетрафторэтилена : пат. 2467033 Российская Федерация, МПК C 08 J 5/16, B 82 B 3/00, C 08 J 3/28, C 08 L 27/18, C 08 F 2/46 / С.А. Хатипов, Д.И. Селиверстов, Ю.Р. Жутаева, А.В. Терешенков, Е.М. Конова, Н.В. Садовская ; заявитель ФГУП НИФХИ им. Л.Я. Карпова — № 2011135277/04 ; заявл. 24.08.11; опубл. 20.11.12.
12 Антифрикционный полимерный материал: пат. 2216553 Российская Федерация, МПК C 08 L 27/18, C 08 J 5/16 / Д.Г. Точильников, В.П. Будтов, А.К. Пугачев, Б.М. Гинзбург, В.П. Булатов ; заявитель Институт проблем машиноведения — № 2001121512/04 ; заявл. 31.07.01; опубл. 20.11.03.
13 Полимерная антифрикционная композиция: пат. 2242486 Российская Федерация, МПК C 08 J 5/16, C 08 L 27/18, C 08 K 3/04, C 08 K 3/40 / Л.М. Данюшин, И.В. Павлов, Е.И Павлов, С.А. Шумков, Н.Л. Игнатенко ; заявитель ООО Научно-производственный комплекс «ЕНА» — № 2003107314/04 ; заявл. 17.03.03 ; опубл. 20.12.04.
14. Патент 2484107 RU, МПК C08J 5/16, C08L 27/18, C10M 103/00. Полимерная композиция триботехнического назначения/ Слепцова С.А., Охлопкова А.А., Кириллина Ю.В., Афанасьева Е.С. — № 2011151589/05; Заявл. 16.12.2011; Опубл. 10.06.2013// Бюл. № 16.
15. Патент 2495886 RU, МПК C08J 5/16, B82B 3/00, C08L 27/18, C08K 3/04, C08K 9/00. Способ получения полимерного композита антифрикционного назначения на основе политетрафторэтилена/ Кощеев А.П., Терешенков А.В., Зарипов Н.В., Петровская А.В., Хатипов С.А. — № 2011135283/05; Заявл. 24.08.2011; Опубл. 20.10.2013 Бюл. № 29.
16. Способ радиационно-химического модифицирования политетрафторэтилена и материал на его основе : пат. 2304592 Российская Федерация, МПК C 08 J 7/18, C 08 J 5/16 / Н.А. Артамонов, С.А. Хатипов ; заявитель ФГУП «Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова» — № 2006110287/04 ; заявл. 31.03.06 ; опубл. 20.08.07.
17. Способ получения износостойкого политетрафторэтилена : пат. 2207351 Российская Федерация, МПК C 08 J 5/16, C 08 J 7/18, C 08 L 27/18 / Н.М. Больбит, В.Р. Дуфлот, И.В. Добров, Н.В. Ломоносова, В.Г. Плотников ; заявитель ГНЦ РФ филиал НИФХИ им. Л.Я. Карпова — № 2000132341/04 ; заявл. 10.02.03 ; опубл. 27.06.03.
18. Способ получения изделий из вторичного спеченного фторопласта-4: пат. 2296140 Российская Федерация, МПК C 08 J 11/04, B 29 B 17/00, B 29 C 67/04 / А.В. Сеземин, В.А. Самара,Н.В. Кудрявцев ; заявитель ООО «Композит» — № 2005139068/04 ; заявл. 14.12.05 ; опубл. 27.03.07.
19. Способ получения износостойкой композиции: пат. 2421480 Российская Федерация, МПК C 08 J 5/16, C 08 L 27/18, B 29 B 11/12, B 29 B 11/16, B 29 C 71/00 / А.А. Охлопкова, П.Н. Петрова, А.Л. Федоров, Л.Я. Морова, Л.А. Никифоров ; заявитель Учреждение Российской академии наук Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения РАН — № 2009132447/05 ; заявл. 27.08.09 ; опубл. 20.06.11.
20. Экструдер для изготовления фторопластовых изделий: пат. 2082609 Российская Федерация, МПК B 29 C 47/30 / С.С. Комаров, И.Ю. Глобус, Б.А. Беляев, В.П. Байбулатов ; заявитель Научно-производственное объединение «Автоматика» — № 94001110/25 ; заявл. 13.01.94 ; опубл. 27.06.97.
21. Технические требования ТТ 04/9−01 на изготовление заготовок из фторопласта-4, ОАО «Гродно Азот», 2004. – 7 с.
22. Фторопласт-4. Технические условия. ГОСТ 10007-80. — Введ. 01.07.81. — Минск : Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации : Белорус. гос. ин-т стандартизации и сертификации, 2008. – 15 с.
23. Инструкция РМП-149. Прессовщику изделий из пластмасс цеха комплектующих изделий ремонтно-механического производства. – 2013. — 20с.

Список публикаций соискателя
24. Подмаско, И.В. Технологические особенности формирования функциональных покрытий из ионизированного псевдоожиженного слоя / И.В. Подмаско, А.В. Ситак; науч. руков. А.С. Воронцов // Актуальные вопросы физики и техники: материалы IV Республ. науч.-конф. студентов, магистрантов и аспирантов, Гомель, 15 апр. 2015 г.; в 3-х частях.; под общ. ред. А.В. Рогачева. – Гомель: ГГУ им. Ф.Скорины, 2015. – Ч. 1 – С. 98–101.

Предыдущий пример

Следующий пример