Электрофизическая активация полимерных материалов при фрикционных и электрических воздействиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.19 ВАК РФ

НСТИТУТ МЕХАНИКИ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМ им. В. А. БЕЛОГО НАЦИОНАЛЬНО» АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ

УДК 537.2:621.319.2:678.02 Г Г I ОДМИРОНОВ Владимир Сергеевич

- п г:;; '933

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ФРИКЦИОННЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность 01.04.19—„ФИЗИКА ПОЛИМЕРОВ"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Гомель 1998

Работа выполнена б Институте механики металлополимерных систем им.В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси.

Научный консультант - член-корреспондент HAH Беларуси, доктор технических наук, профессор Плескачевский Ю.М.

Официальные оппоненты: академик HAH Беларуси

доктор технических наук, профессор Свириденок А. И.

доктор физико-математических наук, профессор Сажин Б.И.

доктор технических наук, профессор Неверов A.C.

Оппонирующая организация - Московская государственная

академия приборостроения и информатики

ее

Защита состоится " ^ " 1998 г. в часов на

заседании совета по защите диссертаций Д 01.14.01 при Институте механики металлополимерных систем им.В.А.Белого НАН Беларуси по адресу: 246652, г.Гомель, ул.Кирова 32а, т.52-55-52.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института механики металлополимерных систем им.В.А.Белого НАН Беларуси

Автореферат разослан " ^ " М _ 1998 г.

Ученый секретарь

совета по защите диссертаций

Ростанина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время для модифицирования полимеров и наполнителей при получении и переработке полимерных композиционных материалов (ПКМ) все шире используют физические методы воздействия, обеспечивающие активацию материалов и высокий уровень эксплуатационных характеристик ПКМ. Во многих случаях процессы получения ГОШ и эксплуатации изделий из них осуществляются в условиях фрикционных воздействий и сопровождаются деформационными- и электрофизическими явлениями, которые приводят к электризации и изменению свойств полимерной системы. Возникновение избыточного некомпенсированного заряда и электрической поляризации обусловливает переход системы в злектретное состояние, которое существенно влияет на электрические, механические и другие свойства полимеров. Это позволяет рассматривать фрикционное воздействие как эффективный физический метод регулирования характеристик компонентов и модифицирования ПКМ. Известны экспериментальные факты, свидетельствующие о существенном влиянии электризации полимерных материалов на контактные физико-химические процессы, параметры трения и изнашивания полимеров и ПКМ. Поэтому в рациональном использовании электретного состояния как средства регулирования взаимодействия компонентов при получении композитов и эксплуатационных свойств ПКМ заключены болвшие резервы повышения эффективности применения полимерных материалов в технике.

Однако недостаток экспериментальных данных и отсутствие единого физического подхода к рассматриваемым процессам ограничивают возможности улучшения свойств ПКМ и управление параметрами фрикционного взаимодействия полимерных материалов с помощью электрофизических процессов. Поэтому исследования взаимосвязи электрофизических процессов трибоакгивации, протекающих при переработке ПКМ и эксплуатации изделий из них, физико-химической структуры и свойств композитов, формируемых, в частности, при воздействии электрических полей, являются актуальными. Развитие исследований в этом направлении способствует научному обоснованию электрофизических методов управления структурой и свойствами ПКМ, развитию физических представлений о механизмах процессов трения и изнашивания полимерных материалов, что составляет основу для разработки новых технологических методов получения ПКМ и улучшения их физико-механических и триботехнических характеристик.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа

выполнена в соответствии с заданиями: темы ГКНТ СССР на 1984-1985 г.г. (гос.per.N 01.84110.0 70060, п.1.3), дополнительной теш ГКНТ СССР на 1987-1989 г.Г. (ГОС.per. N 01.87.0 089782, п.6), республиканских естественно-научной программы "Композиты" на 1981-1985 г.г. (гос.per. N 81012868, п.01д) и научно-технических программ "Машиностроение" на 1992-1993 г.г. (Постановление СМ БССР N205 от 29.07.88, п.5.39), "Триботехника" на 1994-1996 г.г. (Постановление СМ РБ N408 от 21.06.93 и Решение комиссии Президиума СМ РБ N1(124) от 16.02.94, п.3.13), проекта Т7-098 Фонда Фундаментальных исследований РБ на 1994-1996 г.г.

Цель и задачи исследования. Цель работы заключается в создании научных основ управления структурой и свойствами полимерных композитов методами трибо- и злектроактивации диэлектрических компонентов при их контактном взаимодействии.

Для достижения поставленной цели были определены следующие основные задачи:

- экспериментально изучить и установить механизмы трибоэлект-ризаиии и релаксации зарядов, формирования трибоэлектретного состояния в полимерных материалах и композитах;

- изучить влияние методов создания и параметров злектретного состояния на физико-химическое взаимодействие компонентов, структуру и свойства полимерных композитов;

- установить закономерности формирования полимерных композитов на основе компонентов, активированных с помощью фрикционных воздействий и внешних электрических полей;

- разработать полимерные композиты конструкционного, трибо-технического и электротехнического назначения, методы их получения и модифицирования с учетом электрофизических свойств и злектретного состояния компонентов.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются полимерные материалы и композиты на основе термопластичных дисперсных полимеров с различным химическим строением, физической структурой и свойствами. Предметом исследования является изучение процессов электрофизической активации полимерных материалов, включающих электризацию и формирование элекгретных состояний в диэлектрических компонентах при получении ПКМ и эксплуатации изделий из них в условиях фрикционного воздействия и воздействия внешних электрических полей.

Гипотеза. Интенсивность физико-химического взаимодействия компонентов при их совмещении, структура и свойства получаемых по-

лимерннх композитов в значительной мере определяются параметрами электретных состояний, воникающих в результате трибо- и электроактивации диэлектрических компонентов ПКМ. Это предположение основано на экспериментальных фактах длительного сохранения значительных по величине остаточных зарядов активированных дисперсных полимеров и наполнителей, модифицирования структуры и свойств ПКМ при трении и воздействии внешних электрических полей. Гипотеза объясняет эффекты повышения адгезионной и адсорбционной активности полимерных связующих и наполнителей при их электризации, улучшения прочностных и триботехнических характеристик ПКМ, получаемых из заряженных компонентов или модифицированных путем создания в материалах электретных состояний.

Методология и методы проведенного исследования. Использованы известные методы оценки интенсивности электризации по величине остаточного удельного заряда дисперсного материала, определяемого с помощью цилиндра Фарадея, потенциала металлического контртела и тока, стекающего с контртела на землю; компенсационный метод оценки эффективной плотности поверхностного заряда; методы термодепо-дяризавдонного анализа, зондовой электрометрии и декорирования поверхности; методы термического и рентгеноструктурного анализа, ИК-спектроскопии, оптической и электронной микроскопии, гель-золь анализа, термостимулированной десорбции; разработанный автором метод оценки активности (дальнодействия поля) поверхности частиц дисперсных и волокнистых материалов по толщине граничных слоев в тестирующей жидкокристаллической среде нематика; методы оценки текучести расплава полимерного материала, краевого угла смачивания расплавом полимера поверхности слоя наполнителя, пропитки слоя наполнителя жидкостью, оценки адгезионной прочности соединений полимерное покрытие-подложка, полимерная матрица- волокнистый наполнитель (отслаиванием и сдвигом); методы физико-механических испытаний, оценки электрических и триботехнических характеристик полимерных материалов.

Научная новизна к значимость полученных результатов. Разработаны научные основы электрофизической активации компонентов полимерных композитов на базе дисперсных полимеров с помощью фрикционных и электрических воздействий, заключающиеся в установлении закономерностей влияния электретного состояния компонентов и внешних электрических полей на процессы формирования, структуру и свойства композитов и покрытий из них.

Установлены закономерности электризации диэлектрических ком-

понентов полимерных композитов и формирования в них трибоэлектрет-ного состояния (ГЭС). Экспериментально обнаружен и теоретически обоснован механизм инверсии тока электризации и трибозаряда полимерных материалов при фрикционном взаимодействии с металлами и диэлектриками. Впервые установлены закономерности изменения параметров трибоэлектретного состояния полимерных материалов в зависимости от структуры и электрофизических свойств полимера и контртела, окружающей среды и условий фрикционного взаимодействия. Предложена физическая модель формирования трибоэлектретного состояния в полимерных материалах и оценена его роль в процессах трения ПКМ.

Обнаружено, что трибоактивированные полимерные частицы обладают большим дальнодействием силового поля поверхности, чем частицы многих неорганических наполнителей. Это связано с более высокими значениями электретного заряда частиц полимера и обусловливает их повышенную активность в реакциях взаимодействия с молекулами окружающей среды, в частности, в реакциях термоокисления кислородом воздуха. Впервые предложен метод оценки дальнодействия силового поля частиц дисперсных и волокнистых материалов по толщине граничных слоев в тестирующей жидкокристаллической среде. Экспериментально показано существенное увеличение (в 1.4-3,2 раза) этого параметра для частиц трибоактивированных дисперсных и волокнистых материалов.

Установлены закономерности усиления адгезионного взаимодействия компонентов и улучшения физико-механических и триботехничес-ких характеристик полимерных композитов в результате трибо- или электроактивации компонентов. Обнаружено, что увеличение заряда полимерного связующего и наполнителя приводит к улучшению смачивания, росту адгезионной прочности в системе связующее-наполнитель, прочностных характеристик, износостойкости и антифрикционное™ композитов.

Впервые установлены закономерности электретно-трибоэлектриза-ционной суперпозиции, заключающейся в конкурирующем влиянии на триботехнические характеристики полимерных материалов электретного состояния и трибоэлектризации полимеров. Обнаружено, что предварительное создание в полимерах электретного состояния с оптимальными параметрами в зависимости от метода создания позволяет существенно уменьшить силу трения и ингентенсивность изнашивания полимерных материалов в парах полимер-металл. Развиты новые представления о роли электретных состояний при трении и изнашивании полимеров, составляющие основу электретного аспекта электрофизики трения по-

лимеров.

Практическая (экономическая, социальная) значимость полученных результатов. Предложены технологические принципы формирования ПКМ и управления их эксплуатационными характеристиками. Они основаны на учете и направленном использовании физических эффектов трибо- и электроактивации компонентов в процессах их совмещения, конструировании структуры композитов с использованием ориентирующего воздействия внешних электрических полей. Разработаны новые ПКМ триботехнического, конструкционного и электротехнического назначения, методы их модифицирования и получения. Предложен способ регулирования триботехнических характеристик полимерных материалов, основанный на предварительном создании в них электретного состояния. Разработаны оригинальные способы получения непрерывных и дискретных полимерных покрытий, в частности, с электретными свойствами, используемые в электротехнической промышленности.

Установлена связь параметров электрофизических процессов в зоне трения с интенсивностью механической обработки природных диэлектрических кристаллов и износом инструмента, а также работоспособностью антифрикционных материалов при трении по диэлектрической основе абразивной ленты. Предложены высокоэффективные технология и конструкция инструмента с электретными элементами для обработки природных кристаллов, а также способ получения и материал для абразивного алмазообрабатывающего инструмента, используемые в бриллиантовом производстве. Оптимизированы электрофизические факторы, влияющие на износостойкость полимерного материала прижимной балки ленточно-шлифовальных станков мебельного призводства. С использованием полученных результатов разработаны технические условия (ТУ СТО3-0260220-05-89 и ТУ 13-00276392-1-92) на антифрикционные ленты для прижимных балок шлифовальных станков, позволяющие заменить импортные материалы.

Опытно-промышленная проверка, внедрение и использование новых материалов, способов их получения и конструкций из них осуществлены на предприятиях Министерства приборостроения, средств автоматизации и систем управления, Министерства электротехнической промышленности бывшего СССР, а также на других промышленных предприятиях Беларуси, России и Китая с документально подтвержденным экономическим эффектом, составляющим в долларовом эквиваленте около 500 тыс. долларов США. Эффект достигнут за счет повышения качества материалов, технического ресурса изделий из них, повышения призводи-тельности технологических процессов и снижения потерь дорогостоя-

щего сырья. Ожидаемый эффект от использования разработок превышает 1 млн. долларов США. Долевое участие автора в получении экономического эффекта составляет около 50 %.

Разработанные материалы и технологии получения полимерных композитов и покрытий, способы обработки природных кристаллов, а также материал, способ изготовления и конструкция абразивного ал-мазораспиловочного инструмента являются коммерческим продуктом, могут быть объектом лицензионных соглашений и рекомендуются к использованию в радио- и электротехнике, в машиностроении, производстве мебели и строительных материалов, в технологическом оборудовании мебельного и бриллиантового производств.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- закономерности создания многофункциональных полимерных композитов с использованием трибоактивации дисперсных и волокнистых компонентов и воздействия внешних электрических полей;

- экспериментально установленные закономерности и физическая модель формирования трибоэлектретного состояния в диэлектрических дисперсных и блочных (конструкционных) материалах, позволяющие оптимизировать технологические процессы формирования композитов;

- результаты экспериментального изучения влияния электризации поверхности при фрикционных и электрических воздействиях на адгезионное взаимодействие дисперсных и волокнистых компонентов и эксплуатационные свойства композитов;

- результаты комплексного рассмотрения адгезионного, кинетического и электретного аспектов электрофизики трения полимерных материалов, применение которых позволило установить закономерности, механизмы и роль процессов электризации и формирования трибоэлектретного состояния при трении полимерных материалов и композитов;

- механизм и закономерности реализации обнаруженных эффектов инверсии тока электризации и остаточного заряда при трении полимерных материалов;

- закономерности влияния предварительно созданного электретного состояния на процессы трения и изнашивания полимерных материалов по механизмам трансформации структуры и электретно-трибоэлектриза-ционной суперпозиции.

Личный вклад соискателя наиболее полно проявляется в работах, посвященных изучению электризации и ТЭС в полимерных материалах С2, 4, 8, 9, 11, 15, 19, 20, 22, 23, 283, влияния электретного состояния на процессы трения и изнашивания ПКМ [3, 10, 13, 16, 25, 34], закономерностей создания ПКМ с использованием трибоактивации

компонентов и воздействия внешних электрических полей [1, 17, 26, 27, 29, 30, 33, 35-39], практическому использованию разработок 112, 48-50, 54-58, 60-64, 66, 69, 70] и заключается в формулировании основных направлений исследований, проведении экспериментов, обобщении полученных результатов, написании рукописей печатных работ. В остальных публикациях [5-7, 14, 18, 21, 24, 31, 32, 51-53, 59, 65, 67, 68] личный вклад соискателя связан с участием в экспериментах, обсуждении результатов и формулировании выводов.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на международном симпозиуме по злект-ретным материалам "15Е7" (Берлин, 1991), международных конференциях по механике композиционных материалов (Рига, 1993; 1995) и достижениям в области материалов и технологических процессов (АМРТ'93- Дублин, 1993; АМРТ'97-Гуимарес, 1997), по коллоидной химии (Минск, 1994), на научных конференциях по трибологии: международных (Высокие Татры, 1990; Крагуевац, 1991; Минск, 1992; Ныо-кастл, 1993) и всесоюзных (Гомель, 1982; Кишинев, 1985; Ростов-на Дону, 1989; Нижний Новгород, 1991), на всесоюзных симпозиумах по механоэмиссии и механохимии твердых тел (Ташкент, 1979; Таллин, 1981; Ростов-на Дону, 1986; Чернигов, 1990), на всесоюзных научных конференциях по электретам и электронике органических материалов (Москва, 1988; 1990), по полимерным композитам (Москва, 1989; Ленинград, 1990; Ташкент, 1990) и по адгезионным соединениям (Рига, 1989), на всесоюзных научно-технических семинарах по новым материалам (Москва, 1989; Ленинград, 1991), на республиканских научно-технических конференциях по применению полимерных композиционных материалов в промышленности (Минск, 1980; 1984; 1988; Соли-горск, 1992).

Опубликованность результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 70 работах, в том числе в 1 монографии, 25 статьях в научных журналах, 13 статьях в сборниках, 8 тезисах докладов на конференциях, 23 описаниях изобретений. Общий объем опубликованных материалов составляет 389 стр.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, 6 глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Полный объем диссертации составляет 337 стр., включая 89 рис. на 61 стр., 57 табл. на 29 стр., 10 приложений на 40 стр. и список использованных источников из 416 наименований на 33 стр.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Приведены обзор и анализ основных этапов исследований электрофизических процессов и явлений, сопровождающих механические, фрикционные и электрические воздействия на полимеры. Систематизированы данные об основных электрофизических свойствах полимеров, дан анализ современных представлений об электретном эффекте в полимерах. Подробно рассмотрены закономерности и механизмы статической электризации при контактном взаимодействии полимеров с твердыми телами. Проанализировано влияние электризации на процессы трения и изнашивания в металлополимерных парах трения. Отмечены проблемы, связанные с исследованием процессов электризации полимерных материалов и ПКМ при фрикционных воздействиях. Обоснована необходимость развития системного физического подхода к изучению трибоэ-лектризации, описанию процессов трения и изнашивания ПКМ и разработке методов управления ими. Систематизированы данные об использовании механических и электрофизических методов воздействия для активации и модифицирования ПКМ и их компонентов. Проанализированы механизмы активации поверхности, эффекты модифицирования физико-химической структуры и свойств полимерных материалов и неорганических наполнителей ПКМ в результате обработки вышеуказанными методами.

На основании проведеного анализа работ в области электрофизики трения, активации и модифицирования ПКМ и их компонентов сформулированы цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования служили дисперсные частично-кристаллические и некристаллизующиеся полимерные материалы: термопластичные -полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), полипропилен (ПП), политриф-торхлорэтилен (ПТФХЭ), поликапроамид (ПКА), поликарбонат (ПК), пентапласт (ППл), поливинилбутираль (ПВБ), поливинилхлорид (ПВХ), политетрафторэтилен (ПТФЭ)- и термореактивные эпоксидные порошковые композиции на основе смол ЭД-5, ЗД-20 (ЭС). Использовали следующие наполнители: порошки графита, сажи, никеля, мусковита, талька, кварцевый песок (БЮг), опилки древесины, хлопчатника и бамбука, армирующие волокнистые материалы- дискретные (рубленые) и

непрерывные углеродные (УВ), стеклянные (СВ) и полиамидные (ПВ) волокна, ткани и ленты. В качестве материалов контртела использовали металлы: сталь-45, латунь (Л62), медь, алюминий, а также кадмий и хром, наносимые на поверхность стальных тел в виде гальванопокрытия, и неметаллические материалы- стекло, пластмассы (ПЗВП, ПКА, ПТФЗ), основа абразивной ленты и природные кристаллы алмаза.

Композиции на основе дисперсных полимеров в основном готовили смешением дисперсных компонентов. В отдельных экспериментах композиции получали путем введения дисперсных и волокнистых наполнителей в расплав полимерного связующего с последующим измельчением смеси в гранулы или порошок. Образцы покрытий и препрегов слоистых пластиков в большинстве экспериментов получали путем нанесения электрозаряженных частиц из псевдоожиженного слоя дисперсных полимерных материалов на субстрат (подложку из стального или алюминиевого проката, наполнитель) в электрическом поле с последующей термообработкой. Армированные дискретными волокнами пленки изготавливали путем последовательного электроосаждения заряженных частиц полимерного связующего и рубленых волокон на промежуточную технологическую подложку с последующей термообработкой под давлением, охлаждением и отслаиванием от подложки. Слоистые пластики получали "горячим" прессованием препрегов, полимерные ролики- литьем под давлением. Образцы переводили в электретное состояние (электризовали) путем термообработки в электрическом поле (термоэлектреты), облучения потоком ускоренных электронов (радиоэлектреты), обработки в поле коронного разряда (короноэлектреты) и трения о контртело (трибозлектреты).

Электрические свойства полимерных материалов-удельное объемное электрическое сопротивление и диэлектрическую проницаемость определяли стандартными методами. Электретное состояние в образцах оценивали по эффективной поверхностной плотности заряда (ЭППЗ), току термостимулированной деполяризации (току ТСД) и распределению заряда на поверхности. ЭППЗ и ток ТСД регистрировали в соответствии с ГОСТ 25209-82. а распределение заряда на поверхности- методами декорирования и зонда.

Трибоактивацию (фрикционное взаимодействие дисперсных материалов с металлами и диэлектриками) осуществляли с помощью циркуляционной установки замкнутого типа, специально разработанной струйной установки и скоростного лопасного смесителя-трибоактиватора. Трибоэлектризацию и триботехническяе характеристики полимерных материалов и покрытий изучали на машинах трения МИ-1М, СМЦ-2 и спе-

циально разработанных стендах трения по схемам "вал-частичный вкладыш", "вал-пластина" и "торец цилиндра-торец цилиндра". Процесс электризации образцов характеризовали током короткого замыкания- ТКЗ (током электризации), стекающим с металлического контртела (электрода) на землю, потенциалом контртела и удельным зарядом дисперсного материала, оцениваемого методом цилиндра Фарадея. Большинство экспериментов проводили при комнатной температуре и относительной влажности воздуха 60±7%.

Исследования физико-химической структуры полимеров и физико-химического взаимодействия компонентов композитов осуществляли методами оптической и электронной микроскопии, ИК-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, дериватографии и гель-золь анализа. Поверхностную активность и дальнодействие поля частиц дисперсных и волокнистых материалов оценивали с помощью предложенного нами метода измерения толщины граничных слоев (ГС) в тестирующих жидкокристаллических средах (ЖКС). Энергетическое состояние поверхности полимерных образцов и покрытий оценивали по значению краевого угла смачивания, а дисперсных материалов- по скорости пропитки слоя заданной 'толщины жидкостями разной полярности- водой и бензолом. Донорно-акцепторные (кислотно-основные) характеристики поверхности дисперсных и волокнистых материалов оценивали методами потенциометрического титрования.

Адгезионную прочность полимерных покрытий характеризовали усилием отслаивания подложки, а дискретных покрытий- методом сдвига фрагмента покрытия. Адгезионную прочность в системе полимерная матрица-волокнистый наполнитель оценивали методом фрагментации моноволокна при растяжении в матрице. О взаимодействии полимерного связующего с дисперсным наполнителем судили по краевому углу смачивания при плавлении полимерной таблетки на поверхности сдоя наполнителя. Физико-механические характеристики пленочных композитов, покрытий, препрегов и слоистых пластиков оценивали по стандартным методикам.

Экспериментальные данные обрабатывали методами математической статистики с использованием компьютерной техники и соответствующих программ.

ГЛАВА 3. ПРОЦЕССЫ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ И ИХ КОМПОНЕНТОВ ПРИ КОНТАКТНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ

Единая физическая природа процессов фрикционного взаимодейс-

твия твердых тел обусловливает общность основных закономерностей электризации дисперсных и конструкционных материалов. Это, в частности, позволяет эффективно использовать дисперсные полимеры для моделирования электрофизических и физико-химических процессов, сопровождающих трение полимерных материалов и ПКМ.

Электризация дисперсных компонентов ПКМ. При электризации дисперсных полимерных связующих и наполнителей наиболее высокими значениями ТКЗ (до 0,3-0,6 мкА) и потенциала электризации (до 70-100 кВ), а также стабильностью этого процесса характеризуются полярные полимеры (ПВБ, ПММА, ПТФХЭ и др.), а среди неорганических наполнителей- песок (ТКЗ до 0,5-1,6 мкА). С уменьшением размера частиц интенсивность электризации возрастает, что обусловлено увеличением удельной поверхности дисперсных материалов. Электризация неорганических наполнителей характеризуется низкими значениями остаточного удельного заряда, что вероятно связано с экранирующим действием адсорбированных пленок атмосферной воды. Для песка показана возможность управления величиной и знаком заряда частиц путем регулирования электрического потенциала металлического контртела. Установлено, что в процессе динамического контактирования с металлом дисперсных полимеров и минеральных наполнителей (мусковит) наблюдаются изменения направления (инверсии) ТКЗ. Стабильность этого явления позволяет считать инверсии тока одной из общих закономерностей процессов трибоэлектризации диэлектрических материалов. В зависимости от природы контактирующих материалов реализуются единичные или множественные инверсии ТКЗ (рис.1), обусловленные структурными и физико-химическими превращениями дисперсного материала и изменением условий контактирования.

Выполнены экспериментальные и теоретические исследования трибоэлектризации дисперсной двухкомпонентной полимерной композиции. Установлено, что зависимости интенсивности электризации композиции от содержания компонентов характеризуются инверсией удельного заряда. Последняя имеет место при смешении как разнополярно электризующихся компонентов, так и при униполярном их заряжении. Удельный заряд такой композиции

ц/т = АС^/иг + ВСгэг/шг, где ш- масса композиции;

А= еОх ), В= еЮг №1+1^3^2)- коэффициенты;

СЬ Сг - концентрация связующего и наполнителя, С1-+Сг=1;

J, нА

18,0 t, кс

Рис.1. Кинетика изменения тока электризации дисперсных мусковита (1), ПКА (2), блочных образцов ПКА СЗ) и ПЭВП (4) при фрикционном взаимодействии с металлом

si/mi, S2/m2 - удельная поверхность связующего и наполнителя;

mi, mz - масса связующего и наполнителя, Ш1+шг=гп;

Di, Bz~ плотность поверхностных состояний связующего и наполнителя;

Wi, W2 и W3-работа выхода электрона для связующего, наполнителя и

материала рабочих органов смесителя.

При критической концентрации наполнителя

Cz- Asim2/(Asim2-Bs2tni)

реализуется инверсия удельного заряда смеси, что хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Влияние условий фрикционного взаимодействия на параметры электризации полимерных материалов и покрытий исследовали при варьировании режима контактирования (скорости, удельного давления), окружающей среды, природы материала контртела, электрической схемы контактирования и температуры контактирующих материалов. Кинетика электризации блочных образцов полимеров характеризуется явлением инверсии тока электризации (ТКЗ) (см. рис.1). Для ПКА, ЭС и ПЭВП зарегистрирована зависимость длительности стабильного периода электризации до первой инверсии от мощности (скорости) трения, что свидетельствует о термоактивационном характере этого явления.

С увеличением скорости, удельного давления и температуры при

трении интенсивность электризации полимеров изменяется экстремально с прохождением через максимум, что обусловлено конкурирующим влиянием процессов генерирования и рассеяния (утечки) трибозаряда.

Параметры электризации (ТКЗ, ЭПГО) существенно зависят от электрофизической природы материала контртела и электрической схемы контактирования. На примере трибосистемы ПЭВП покрытие-металл показано, что с уменьшением величением работы выхода электрона из металла контртела (ростом контактной разности потенциалов- КРП) наблюдается тенденция к возрастанию интенсивности электризации полимера. Экспериментальные зависимости ЭПГО покрытий от величины при трении на воздухе носят экстремальный характер, что обусловлено главным образом фрикционным массопереносом. Обнаружено, что электрически изолированные полимерные пленки электризуются меньше, чем полимерные покрытия, адгезионно связанные с металлической подложкой. Заземление металлического контртела приводит к изменению установившейся величины КРП, интенсивности электронного обмена и фрикционного переноса в системе полимер-металл.

Характер и закономерности электризации систем полимер-диэлектрик в основном аналогичны установленным для систем полимер-металл. В этом случае интенсивность электризации полимерного материала несколько меньше, чем при контактировании с металлом, определяется сочетанием электрофизических и фрикционных свойств контактирующих материалов, условиями трения и сопровождается инверсиями тока электризации и остаточного трибозаряда. На примере трибосис-тем ПЭВП покрытие-полимерный диэлектрик показано, что изменение преимущественной полярности заряда ПЭВП покрытий с увеличением скорости (мощности) фрикционного взаимодействия обусловлено сменой доминирующего механизма электризации и в значительной степени связано с процессами фрикционного массопереноса и разогрева контактирующих материалов. В практически важных случаях фрикционного взаимодействия ПКМ с диэлектриками (например, при трении по диэлектрической основе абразивной ленты и при распиливании диэлектрических кристаллов алмаза) установлена зависимость параметров электризации от физико-химической природы и электрофизических характеристик полимерного связующего и от состава ПКМ. Показана возможность реализации инверсии ТКЗ.

Кинетика трибозлектризации. В результате анализа экспериментальных данных и теоретического рассмотрения процесса электризации при трении полимерных материалов составлена эквивалентная электрическая схема фрикционного контакта полимер-металл и выделены ос-

новные составляющие тока электризации. Определены возможные механизмы инверсии тока электризации и получены общие уравнения для временной зависимости ТКЗ, качественно объясняющие экспериментально установленные закономерности инверсии ТКЗ при фрикционном взаимодействии дисперсных и конструкционных полимерных образцов с контртелом. Показано, что при трении диэлектриков одновременно действуют несколько различных механизмов электризации. При взаимодействии полимерных материалов с контртелом из металла доминирующим является механизм контактного заряжения, а из диэлектрического материала- электролитический механизм.

Показана взаимосвязь параметров электризации с триботехничес-кими характеристиками ПКМ в узлах трения и резания. Рассмотрен адгезионный аспект влияния зарядового состояния полимерного материала на параметры трения и изнашивания трибосистемы полимер-металл. Экспериментально установлено увеличение силы трения и интенсивности изнашивания с ростом интенсивности электризации (ТКЗ, ЭППВ) при заземлении контртела в системах полимер-металл и изменении состава ПКМ в системах полимер-диэлектрик. Обнаружена экстремальная зависимость производительности распиливания диэлектрических кристаллов алмаза от величины тока электризации в системе металлополимерный инструмент-алмаз.

ГЛАВА 4. РЕЛАКСАЦИЯ ЗАРЯДА И ТРИБШЛЕКТРЕТНОЕ СОСТОЯНИЕ В ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛАХ И ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТАХ

При трении в диэлектрических материалах вследствие интенсивно протекающих электрофизических процессов формируется трибоэлектрет-ное состояние ("ГЭС). Накопление инжектированных из контртела носителей заряда приводит к электрической поляризации диэлектрика. Экспериментально установлено возникновение ТЭС в частицах дисперсных диэлектриков- полимерных связующих и наполнителей.

Влияние структуры и электрофизических характеристик на параметры ТЭС в полимерных материалах и наполнителях изучали при трении в системах дисперсный полимер-металл и полимерное покрытие-металл, а также дисперсный наполнитель-металл. Установлено, что ТЭС в дисперсных и блочных полимерных образцах характеризуется медленной релаксацией и длительным сохранением значительных по величине поверхностных, зарядов (ЭПГО=10~5-10~6 Кл/м2), наличием, как правило, нескольких пиков тока ТСД, сменой знака заряда в полярных полимерах и восстановлением заряда при изменении относительной влаж-

ности воздуха. Отличительной особенностью ТЭС в дисперсных материалах, связанной с их порошкообразным состоянием, являются меньшие значения остаточного заряда и времени его релаксации. Это обусловлено меньшей глубиной захвата носителей заряда, более высокой интенсивностью процессов нейтрализации и рассеяния генерируемых при трении зарядов, а также экранированием остаточного заряда пленками адсорбированной атмосферной влаги.

С помощью методов термодеполяризационного анализа установлено, что независимо от химической структуры, физического состояния и полярности (диэлектрической проницаемости) полимеров формирование ТЭС сопровождается образованием как инжектированного гомозаря-да, так и гетерозаряда, формируемого по механизмам дипольной и миграционной поляризации. Релаксация трибоэлектретного заряда в основном происходит в температурной области релаксационных переходов, в частности при температуре стеклования полимеров. Это свидетельствует о взаимосвязи электрической и молекулярной релаксации в полимерах. Установлено, что ТЭС в значительной мере определяется параметрами объемного заряда (гомозаряда), высокотемпературная релаксация которого в частично-кристаллических полимерах связана с молекулярной подвижностью на границах раздела некристаллической и кристаллической фаз, на поверхности кристаллитов (ссс-релаксацией), с движением цепей макромолекул при плавлении кристаллитов (а'-релаксацией) и повышением электропроводности полимера (максвелловс-кой релаксацией). Показано, что по параметрам и характеру релаксации ТЭС отличается от электретного состояния термо- и короноэлект-ретов для каждого индивидуального полимера. Эти отличия наиболее существенны для частично-кристаллических полимеров, что обусловлено особенностями трибоэлектризации.

ТЭС в диэлектрических неорганических наполнителях (песок, тальк, мусковит и др.) характеризуется низкими значениями остаточного заряда, наличием остаточной поляризации и спектров тока ТСД (в исходном состоянии ток отсутствует). Низкие значения остаточного заряда обусловлены экранирующим действием ионов и воды, адсорбированных из атмосферы поверхностью гидрофильных наполнителей.

На примере ПЭВП покрытий исследовано влияние концентрации, дисперсности и электропроводности наполнителя на параметры ТЭС. При введении металлического наполнителя (Ni) в количестве 1-3 об.% обнаружен эффект увеличения остаточного заряда (в 1,3-1,5 раза) и времени его релаксации, усиливающийся с увеличением дисперсности наполнителя (рис.2). Аналогичный эффект имеет место при введениии

а^е, мкКл/м2

10

15

5

10 20 С, об.% ПТФХЭ (3) и ПТФЭ (4)

Рис.2. Зависимость отношения ЭППЗ к диэлектрической проницаемости три-боэлектризовакных наполненных ПЭВП покрытий от содержания наполнителя: никеля (1), графита (2),

0 2 4

в полимер диэлектрического наполнителя в области концентраций 4-15 об.%, но отсутствует при введении электропроводящего графита. Обнаруженный эффект вызван увеличением концентрации центров захвата носителей заряда в результате роста площади межфазных границ, увеличения молекулярной дефектности композита и плотности поверхностных состояний. Эти же причины наряду с поляризацией Максвелла-Вагнера и возможным влиянием трибомодифицирования частиц наполнителя ответственны за вызванные наполнением изменения в спектрах тока ТСД полимера.

Условия трения - материал контртела, режим и среда трения существенно влияют на ТЭС полимерных материалов. Показано, что для систем полимер-диэлектрик характерны более низкие, чем для систем полимер-металл, значения и возможна инверсия величины ЭППЗ. В результате исследования кинетики релаксации трибозаряда и термодепо-ляризационного анализа трибоэлектретов обнаружено, что увеличение мощности трения сопровождается экстремальным ростом ЭППЗ, энергии активации и времени релаксации электретного заряда, глубины ин-жекции (захвата) носителей заряда (рис.3, табл.1). Это приводит к сдвигу максимумов тока ТСД на 7-25 К в сторону более высоких температур деполяризации. Для неполярных полимеров (ПЭВП) характерно возникновение гетерозаряда вследствие дипольной поляризации, образующейся при трении в результате накопления и ориентации в поверхностном слое образца полярных продуктов термоокисления и механо-деструкции макромолекул. Установлено, что при трении в жидких средах ЭППЗ имеет более низкие значения, чем на воздухе, уменьшается с ростом электропроводности среды и работы адгезии среды к конт-

a Je, мкКл/м'

Рис.3. Зависимость ЭППЗ ШВП покрытий от скорости трения по стали на воздухе (1), в воде

(2), вазелиновом масле

(3), 0,1 н.' растворе KCl (4) и глицерине (5)

V, м/с

Таблица 1

Влияние режима трения на параметры ТЭС в полимерных покрытиях (Р=0,1 МПа, t= 0,6 кс)

Полимер

Скорость|Темпера-трения ,|тура при м/с | трении, К

т-г

ЭППЗ, мкКл/м2

Значения Т(К) и Wa(sB) для пиков тока ТСД

I

II

III

ПЭВП (s=2,3)

0,5 | 300 1,0 t 31? 2,0 1 340

-30,7 -39,4 -47,6

351/1,4?! - / - |408/ 353/1,65|400/ - |413/ 358/1,96(400/ - |415/

ПТФХЭ 0=2,7)

0,3 1,0 2,4

298 320 358

-17,7 -38,7 -58,6

315/ - |391/1,59|425/2,64

- / - 1394/1,86|435/2,91

- / - |393/1,51|451/2,72

ртелу, а значения параметров релаксации злектретного заряда с ростом электропроводности среды возрастают.

Обнаружена корреляция между временем релаксации т при стабилизированном спаде трибозаряда и работой силы трения Етр:

х = х0 ехр (ВЕтр/кТ),

где значения коэффициентов х0 и В определяются по кинетическим кривым релаксации трибозаряда (табл.2).

Таблица 2

Расчетные значения коэффициентов х0 и В для полимерных покрытий, трибоэлектризованных при разных режимах трения

1 | Полимер 1 | Изменяемый ¡параметр ре-|жима трения I 1 | Диапазон |изменения |параметра I Т0, MC 1 В -1025 |

I ПЭВП V, м/с 0,3- 3,2 12,835 2,41 1

1 _1 »_ Р, МПа 0,05-0,5 24,742 2,33 |

1 _у >_ t, КС 0,06-1,8 17,157 4,38 |

I ПКА » —>'— V, м/с t, КС 0,3- 2,6 0,01-1,8 0,167 0,272 42,1 | 5,26 | |

Определены основные механизмы и предложена физическая модель формирования ТЗС при трении диэлектрических материалов и полимерных композитов.

Вследствие трибозлектризации в поверхностном слое образцов из диэлектрика аккумулируются носители заряда, инжектированные из контртела (или среды в зоне контакта) и генерируемые при деформировании поверхностного слоя материала. Часть из них захватывается "мелкими" ловушками в поверхностном слое, а часть диффундирует вглубь образца и локализуется на более высокоэнергетических центрах захвата. В условиях фрикционного разогрева, повышающего подвижность макромолекул, под действием поля образовавшегося объемного гомозаряда происходит ориентационная поляризация полимера. Она вызвана ориентацией полярных групп и сегментов макромолекул, смещением и фиксацией в материале свободных носителей заряда (ионная миграционная поляризация, поляризация Максвелла-Вагнера), а также ориентацией квазидиполей дефектов структуры. Кроме того в результате ориентации элементов молекулярной структуры материала в поле механических сил, действующих при трении, может возникать нормально ориентированная к поверхности трения компонента электрической поляризации. Интенсивность указанных процессов и параметры ТЗС определяются природой контактирующих материалов и условиями трения.

На формирование и поддержание ТЭС в полимерных элементах трения затрачивается часть- подводимой при трении механической энергии. Формирование ТЭС в полимерных материалах сопровождается фрикционным массопереносом при воздействии неоднородных полей- теплового и механических напряжений. Это обусловливает градиент электропроводности по толщине образца, изменение молекулярной и надмолекулярной структуры поверхностного слоя, образование и изменение энергетических параметров центров захвата. Поэтому характеристики ТЭС и других электретных состояний полимерного материала могут существенно отличаться.

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРЕТНОГО СОСТОЯНИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ

Формирование электретного состояния в дисперсных компонентах является эффективным средством модифицирования структуры и улучшения эксплуатационных характеристик ПКМ. Среди широко применяемых методов электризации наиболее технологичными являются трибо- и термоэлектризация, электризация в поле коронного разряда и потоком электронов.

Модифицирование структуры и свойств дисперсных компонентов ПКМ при трибоздектризации происходит в результате многократного динамического контактирования частиц с контртелом, приводя к возникновению ТЭС, изменению структуры, свойств и активности поверхностных слоев обрабатываемых материалов. Термографические, рентге-ноструктурные, ИК-спектроскопичесские и микроскопические исследования термопластичных дисперсных полимеров показали, что при длительном (t>l,8 ко) фрикционном взаимодействии с металлом наблюдается деформация и увеличение плотности полимерных частиц, частичная аморфизация и механохимическая деструкция, перестройка кристаллической структуры и образование новых полиморфных кристаллических форм, рост химической активности полимеров, в частности, в реакциях термоокисления на воздухе.

Установлено, что трибоздектризация дисперсных неорганических наполнителей приводит к изменению концентрации кислотных (основных) центров в поверхностном слое и увеличению адсорбционной активности частиц. Возрастание адсорбционной активности проявляется в изменении кинетики и энергии активации адсорбционно-десорбцион-ных процессов и зависит от соотношения донорно-акцепторных свойств дисперсного наполнителя и молекул адсорбента.

Исследовано влияние электретного состояния на поверхностную энергию и адгезионное взаимодействие компонентов ПКМ. С помощью метода оценки дальнодействия силового поля поверхности по толщине граничного с образцом слоя тестирующей жидкокристаллической (ЖК) среды установлено существенное увеличение радиуса действия поля поверхностных сил дисперсных и волокнистых материалов после трибо-обработки: толщина индикаторного слоя возросла в 1,4-3,2 раза. Для трибозлектризированных частиц полимера характерна большая толщина слоя, чем для частиц неорганического наполнителя с большей поверхностной энергией. Этот эффект связан, по-видимому, с ориентирующим влиянием на молекулы ЖК поля трибозаряда, который значительно больше для частиц полимерных материалов. На основании полученных результатов трибоэлектризацию можно рассматривать как средство электроактивации дисперсных материалов. Механизм активации связан с возникновением ТЭС и его влиянием на поверхностную энергию частиц активируемого материала.

Экспериментально установлено, что предварительная активация частиц полимерного связующего и диэлектрического наполнителя путем их трибоэлектризации или электризации в коронном разряде приводит к уменьшению краевого угла смачивавания 8 наполнителя расплавом полимера и росту адгезии в системах полимерная матрица-волокнистый наполнитель (табл.3). Для композиционных материалов с наполнителем, характеризующимся низкими (порядка 10""?-10~8 Кл/кг) значениями остаточного трибозаряда (гидрофильные песок, тальк, мусковит и

Таблица 3

Влияние метода электризации стекловолокна на адгезионную прочность его соединения с полимерами (МПа) (режим формирования: для 1ГЭВП-Т=453 К, 1=0,9 кс; для ПК-Т=543 К, t=0,9 кс)

Полимер I Метод электризации СВ

I-,-,-

| Без |Трибоэлек-1 Электризация в коронном разряде

|обработки|тризация |-:-

| | | положительном [ отрицательном

_1_I_:__

ПЭВП 35,7 44,2 40,4 42,3

ПК 87,8 118,5 117,6 120,1

др.), наиболее значительное снижение 8 и, соответственно, усиление адгезии происходит при трибоэлектризации полимерного связующего. В системах с наполнителем, отличающимся высокими значениями остаточного заряда (например, древесные опилки), существенное уменьшение 8 наблюдается в результате трибоэлектризации наполнителя и связующего, особенно значительное при их разнополярном заряжении.

Влияние злектретного состояния на физико-механические и три-ботехнические характеристики полимерных материалов исследовали, используя методы термоэлектризации и электризации потоком ускоренных электронов полимерных пленок и покрытий. Установлено, что при термоэлектризации прочность полярных полимеров экстремально возрастает (на 11-17% для ПТФХЭ и ПКА), а у неполярных полимеров (например, ПЭВП) остается практически без изменения (табл.4). Деформационные характеристики злектретных покрытий резко ухудшаются.

Таблица 4

Зависимость предела прочности при растяжении бр полимерных покрытий, подвергнутых термоэлектризации, от напряженности электрического поля Еэ

1......... | Материал 1 1 1 бр (МПа) при Еэ (МВ/м) 1

! 1 0 1 ( 3,5 | 1 1 6,0 I 1 1 10 | 20 1 1 1 1 30 | > 1 40 | 1 55

| ПЭВП 22,8 23,8 24,5 23,2 22 ,2 22,3 23,3 23, 1 I

| ПТФХЭ 37,6 37,4 37,8 41,3 41 ,6 39,7 39,6 33, 8 I

| ППл 40,7 43,8 42,6 42,2 41 ,7 40,7 39,4 38, 7 I

| ПКА | 53,8 54,6 55,4 56,6 59 ,0 62,8 59,4 53, 7 I 1

Анализ результатов механических испытаний и термодеполяризационно-го анализа покрытий привел к заключению, что наблюдаемые изменения связаны с влиянием поля гомозаряда на процесс дипольно-сегментального движения, приводящего к ориентации сегментов макромолекул. По данным рентгеноструктурного анализа и ИК-спектроскопии в результате термоэлектризации при Е3 =3,5-60 МВ/м происходит некоторое увеличение степени кристалличности полимерных материалов (на 2-7%). Создание злектретного состояния приводит к существенному изменению поверхностной энергии покрытий, о чем свидетельствует уменьшение краевого угла смачивания водой (для ПЭВП и ПТФХЭ на 10-15%).

Обнаружено, что предварительная термоэлектризация полимерных деталей трибосистем полимер-металл приводит к уменьшению силы трения в период приработки на Ю-ЗОХ и интенсивности изнашивания в 1,5-3 раза. Зависимости силы трения и интенсивности изнашивания от величины и знака ЭППЗ покрытий имеют преимущественно экстремальный характер с минимумом при значениях ЭППЗ, близких к плотности три-бозаряда при данных условиях трения, и удовлетворительно аппроксимируются параболическими уравнениями регрессии четвертого порядка. Определены два основных аспекта влияния предварительно созданного злектретного состояния на процессы трения и изнашивания полимеров: трансформация структуры и электретно-трибозлектризационная суперпозиция, т.е. наложение полей полимерного электрета и генерируемого трибозаряда, приводящее к снижению или увеличению электрических сил взаимодействия контактирующих поверхностей, а следовательно, адгезионной составляющей силы трения.

Установлено, что электризация при обработке потоком электронов полимерных покрытий (пленок) из полярных (ПТФХЭ, ПКА, ППл) и неполярных (ПЗВП, ПТФЭ) полимеров в зависимости от длительности электронной обработки и энергии электронов приводит к увеличению (на 8-21%) степени кристалличности исследованных полимеров (кроме ППл), уменьшению интенсивности изнашивания всех исследованных материалов (для ПЗВП и ПТФЭ-в 13-180 раз), росту микротвердости сшивающихся ПЭВП, ПКА и ПТФЭ (на 20-30%) и ее снижению у деструктиру-ющих ПТФХЭ и ППл (на 10-25%). Показано, что основной вклад в изменение структуры и свойств полимерных материалов, заряженных потоком электронов, вносит радиационно-химическое модифицирование поверхностного слоя образцов (сшивание, деструкция, окисление и др.) при значительно более слабом влиянии злектретного заряда.

Исследована трансформация предварительно созданного злектретного состояния при фрикционном взаимодействии с металлом. Экспериментально установлена реализация электретно-трибоэлектризационной суперпозиции при трении полимерных электретов в паре с металлом. Оценено время жизни злектретного состояния при разных температурах эксплуатации полимерных электретов. Показано, что в зависимости от условий трения электретное состояние, предварительно созданное в полимерной детали трения, способно длительно сохраняться и обеспечивать более высокие триботехнические характеристики полимерного материала.

ГЛАВА 6. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ТРИБО- И ЭЛЕКТРОАКТИВАЦИИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ И ОБРАБОТКЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

С позиций развиваемого электрофизического подхода к оптимизации технологии и улучшению ПКМ наиболее важным является изучение закономерностей трибоактивации компонентов и силового воздействия внешних электрических полей при формировании композитов.

Совмещение и свойства ПКМ, получаемых с использованием трибоактивации компонентов, исследовали при кратковременном (0,1- -10 с) и длительном (10-104 с) режимах многократного фрикционного взаимодействия с контртелом. Это позволило получать разные степень активации и толщину модифицированного слоя на частицах исследуемого дисперсного материала. Установлено, что длительная раздельная трибоактивация ПЭВП и наполнителей (песка или древесных опилок), обеспечивающая их разнополярное заряжение, при последующем смешении компонентов приводит к образованию порошковых композитов (премиксов) с высокой долей частиц композиционного состава и повышенной насыпной плотностью. Полученные из них ПКМ отличаются более однородной структурой, повышенными прочностью (в 1,2-1,6 раза) и вязкостью расплава (для ПКМ с песком) по сравнению с ПКМ из неактивированных компонентов. Показаны возможности получения премиксов путем кратковременной трибоактивации наполнителя и совмещения компонентов в газодисперсном потоке, что обеспечивает усиление взаимодействия компонентов ПКМ. Изделия из них обладают большей лроч-. ностью, чем изделия из аналогичных композиций, полученных традиционным смешением. Разработаны экологически чистая древесно-наполненная пластмасса (ЭДНП) и способ ее получения (Пат. РФ 2081135). В качестве наполнителя полимерного связующего использована трибо-активированная дисперсная древесина. Это позволило достигнуть рекордного содержания наполнителя- до 92 мае.7. и, соответственно, повысить физико-механические характеристики ЭДНП. Материалы ЭДНП предназначены для производства изделий машиностроения, мебели и строительных деталей. Они используются в России и КНР взамен фор-мальдегидсодержащих материалов (ДСП, ВДФ, ДВП и др.).

Методы электроактивации дисперсных полимеров использованы при получении покрытий, препрегов и слоистых пластиков в условиях воздействия внешних электрических полей. Внешние электрические поля с напряженностью Е применяли для управления процессами активации

компонентов и получения ПКМ методами электроосаждения (электрофло-кирования) компонентов и премиксов.

Экспериментально показано, что подача потенциала определенной полярности от внешнего источника высокого напряжения на металлическое контртело обеспечивает резкое увеличение (более, чем на порядок) трибозаряда на частицах наполнителя, а на распылительное сопло- заряжение частиц полимера и создание электрического поля в зоне совмещения компонентов.

Условия трибоактивации и совмещения компонентов дисперсных композиций определяют величину и полярность заряда однокомпонент-ных и композиционных частиц, существенно влияют на параметры электроосаждения, состав и свойства композиционных покрытий. На примере ПЭВП и ЭС композиций с полиамидными волокнами ПВ (концентрация ПВ -от 20 до 80 мас.Х), полученных высокоскоростным смешением, показано, что при содержании ПВ, соответствующем инверсии остаточного трибозаряда, наблюдается уменьшение интенсивности электроосаждения в 3-5 раз. При этом изменяется содержание наполнителя в осажденном слое, что влияет на структуру и прочность покрытий. Электроосаждение композиций ПЭВП-сажа, полученных механическим смешением, показало, что от величины и направления Е зависят состав и электропроводность осажденного слоя. Это связано с изменением в камере псевдоожижения доли частиц композиционного состава, получаемых при предварительном смешении компонентов.

Полученные результаты позволяют оптимизировать смешение дисперсных композиций и условия переработки их в изделия с использованием методов электротехнологии. Разработаны порошковые композиции для переработки в изделия (покрытия, препреги и др.) методами электроосаждения (А.С.1516484, 1688579), которые отличаются элект-ретным состоянием частиц компонентов и порядком их смешения. Предложены способы нанесения покрытий с злектретными свойствами и развитой (дискретной) поверхностью (А.С.839599, 1071150, 1653252), способы получения препрегов слоистых пластиков и слоистых композитов (A.C. 1524270, 1577216, 1631993 и др.), согласно которым для повышения адгезии используют процессы электризации в коронном разряде и последующего злекгроосаждения частиц связующего.

Исследованы закономерности формирования, структура и свойства пленочных армированных ПКМ, получаемых электроосаждением дисперсных полимерных связующих и дискретных волокнистых наполнителей, в частности УВ, и разработана электронно-ионная технология (ЭИТ) электропроводящих пленочных углепластиков. Она включает операции

2а

последовательного нанесения на промежуточную технологическую подложку тонкого слоя дисперсного полимерного связующего, злектроо-сажцения (злектрофлокирования) слоя, состоящего из вертикально ориентированных короткорубленых УВ, и основного слоя дисперсного полимера, а затем термоформования полученной системы. Показано, что с увеличением концентрации и плотности осаждения УВ прочность и проводимость углепластиков на основе ПЭВП и ПП экстремально возрастают (рис.4). Оптимальные значения концентрации и плотности осаждения УВ находятся соответственно в области значений 10-20 мас.% и 25-35 г/м2. Повышение дисперсности связующего приводит к улучшению эксплуатационных характеристик пленочных композитов.

ру,мОм-м

ар>МПа

О 10 20

30

50

40

30

20

10

0

Рис.4. Зависимость удельного объемного электрического сопротивления (1, 2, 3) и прочности при растяжении (4, 5, 6) пленок ПЭВП углепластика от концентрации УВ при плотности осаждения волокон 15 (1, 4), 35 (2, 5) и 60 г/и2 (3, 6)

40 С, мас.%

Высокий уровень эсплуатационных свойств ПКМ с относительно низким содержанием УВ в основном обусловлен гомогенностью их структуры и высокой адгезией компонентов. Он реализуется при взаимодействии заряженных частиц полимера и УВ с внешним электрическим полем. Исходя из этого, предложены методы повышения однородности, равнотолщинности и физико-механических характеристик пластиков за счет усиления адгезионного взаимодействия компонентов, обеспечиваемого дополнительным заряжением компонентов в коронном разряде (A.C. 1609713,1650378) и наложением на подложку вибрационных колебаний (А.С.1729784). Получаемые по такой технологии пленочные углепластики толщиной 0,1-0,4 мм обладают удельным электрическим сопротивлением 2-5 мОм.м, прочностью при растяжении до 49 МПа (на основе ПЭВП), свойством экранировать электромагнитное излучение и предназначены для изготовления деталей радио- и электротехники.

Исследованы триботехнические характеристики полимерных материалов, сформированных в условиях электризации и электростатического взаимодействия компонентов. Злектретное состояние частиц полимерного связующего, напряженность внешнего электростатического поля и условия термообработки препрега (однослойного материала-полуфабриката), получаемого электроосаждением заряженных частиц связующего на непрерывный волокнистый наполнитель по ЭИТ, оказывают влияние на триботехнические характеристики слоистых ПКМ. В частности, для ПКМ на основе термопластов (ПК, ПТФХЭ), УВ и СВ показано, что электростатическое совмещение заряженных частиц связующего с волокнистым наполнителем на стадии получения препрега методами ЭИТ приводит к повышению плотности, теплопроводности, нагрузочной способности, снижению интенсивности изнашивания, температуры и коэффициента трения ПКМ. С увеличением заряда связующего улучшаются триботехнические характеристики композитов (табл.5), особенное ужесточением режима трения. Это связано с формированием более плотного слоя, связующего, уменьшением дефектности ПКМ и усилением адгезионного взаимодействия компонентов.

Изучены возможности технологии электроосаждения дискретных волокон как средства регулированиия триботехнических характеристик

Таблица 5

Триботехнические характеристики композитов на основе дисперсного поликарбоната (У=0,5 м/с)

Г.................... ч (Наполнитель | Метод 1 X, 1 1 Р, Пь-ю91 ., f Ттр. 1 Рпр, 1

1 ! полу- |Вт/м К| МПа 1 1 к МПа I

1 I 1 1 чения 1 1 1 1 | 1

1 1 ЭИТ 0,5 1,0 1,88 0,18 321 15 (

|Углеткань ЭИТ 0,5 5,0 4,81 0,05 346 - |

|(С=50 мас.%) ТНЧ 0,4 1,0 2,44 0,28 330 10 |

1 1 ТНЧ 0,4 5,0 9,84 0,12 375 1

( 1 ЭИТ - 1,0 9,84 0,23 344 6 I

|Стеклоткань ЭИТ - 4,0 - 0,11 366 - |

I(С=40 мас.%) ТНЧ - 1,0 17,01 0,50 355 4 I

1 1 ТНЧ - 4,0 - 0,14 380 . . 1

Примечание. ТНЧ- технология препрегов из незаряженных частиц ПК.

ПКМ. Показано, что дополнительное армирование препрегов коротко-рублеными волокнами путем электроосаждения их на непрерывную волокнистую основу позволяет существенно повысить межслоевую прочность и износостойкость гибридных ПКМ. Для ПКМ на основе ПК-СВ и ПК-УВНМ установлено, что электроосаждение дискретных УВВМ (до 5 мас.%) на препреги обеспечивает повышение износостойкости и антиф-рикционности ПКМ в 1,5-3 раза по сравнению с базовым материалом. На основе полученных результатов предложен способ регулирования триботехнических характеристик полимерных материалов (А.С.913147), позволящий повысить износостойкость метагшшолимерных узлов трения. Его сущность заключается в предварительном создании электрет-ного состояния в полимерных деталях. Поле электрета взаимодействет с трибозарядом, обеспечивая снижение силы трения и износа в паре.

Разработаны методы повышения эффективности технологической обработки диэлектрических материалов. Предложены способы обработки природных диэлектрических кристаллов (А.С.1104769,1230065), в которых для управления процессом используют внешнее электрическое поле, создаваемое пластинами из полимерного электрета, и поддерживают оптимальную величину тока электризации в системе "кристалл-инструмент". Предложены высокоэлектризующийся материал, конструкция и способ шаржирования абразивного инструмента. Применение этих разработок на Гомельском и Смоленском заводах "Кристалл" позволило увеличить производительность распиливания алмазов, повысить износостойкость инструмента при одновременном повышении качества обработанных поверхностей.

Предложены злектретные фильтрующие материалы и способы их получения из полимерных волокон (A.C.915891, 929206, 1434737), отличающиеся высокой эффективностью при очистке газовых сред.

Результаты опытно-промышленного использования разработок. Разработанные материалы и технологии прошли опытно-промышленную проверку и используются на ряде предприятий бывших Министерства приборостроения, средств автоматизации п систем управления СССР, Министерства электротехнической промышленности СССР, Министерства строительных материалов РВ, а также промышленных предприятиях Российской Федерации и КНР с документально подтвержденным экономическим эффектом в долларовом эквиваленте около 500 тыс. долларов США. Ожидаемый годовой экономический эффект составляет свыше 1 млн. долларов США. Эффект достигнут за счет повышения качества материалов, технического ресурса изделий из них, призводительности технологических процессов и снижения потерь дорогостоящего сырья.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании результатов теоретического обобщения и экспериментальных исследований развиты новые представления о закономерностях трибоэлектризации и процессах формирования трибоэлектретно-го состояния в диэлектрических материалах и полимерных композитах, модифицирующем влиянии трибоэлектризации на структуру и свойства полимерных материалов. Разработаны научные основы трибо- и электроактивации компонентов полимерных композитов на базе дисперсных полимеров для управления структурой, технологическими и эксплуатационными характеристиками композитов.

1. Установлены закономерности трибоэлектризации полимеров, дисперсных наполнителей и композитов на их основе, зависимости параметров электризации от природы контактирующих материалов и условий контактирования. Теоретически обоснованы и экспериментально обнаружены эффекты инверсии тока электризации и остаточного трибо-заряда полимерных и неорганических материалов. Установлены зависимости инверсии от условий фрикционного взаимодействия и десорбции низкомолекулярных веществ из полимерных материалов, приводящей к смене доминирующего механизма электризации. Обоснованы адгезионный, кинетический и электретный аспекты влияния трибоэлектризации на процессы трения и изнашивания полимерных материалов [2, 3, б, 8, 9, 203.

2. Определены закономерности и предложена физическая модель формирования трибоэлектретного состояния в диэлектрических материалах и композитах при фрикционном взаимодействии с металлами и диэлектриками на воздухе я в жидких средах. Показано, что параметры трибоэлектретного состояния определяются молекулярной структурой, электрофизическими и триботехническими характеристиками контактирующих материалов, режимом и средой трения. На примере полимерных покрытий установлено, что повышение натрузочно-скоростного режима трения в парах с металлами приводит к экстремальному росту плотности остаточного трибозаряда, изменению спектра тока термостиму-лированной деполяризации, увеличению времени, температуры и энергии активации процесса релаксации трибозаряда, а в случае контактирования с диэлектриками- к возможному изменению полярности остаточного трибозаряда покрытий. Для наполненных полимеров в области концентраций электропроводящего и диэлектрического наполнителя 1-15 об.% обнаружен эффект аномального увеличения плотности трибозаряда и времени его релаксации, усиливающийся с увеличением дис-

персности наполнителя С4, 11, 14, 15, 19, 22, 23, 28, 42].

3. Предложена модель контактной электризации двухкомпонентных дисперсных полимерных композиций, связывающая величину и полярность суммарного заряда композиции с электрофизическими свойствами, удельной поверхностью и концентрацией компонентов. Теоретически обосновано и экспериментально установлено, что инверсия остаточного заряда композиции может происходить (в зависимости от концентрации) при смешении не только разнополярно, но и униполярно заряжающихся компонентов. На примере покрытий, получаемых электроосаждением из таких полимерных композиций, показано, что в зависимости от величины и знака заряда компонентов существенно (в 3-5 раз) изменяется интенсивность процесса электроосаждения, состав осажденного слоя и свойства покрытий С29, 43].

4. Изучены закономерности влияния методов создания и параметров электретного состояния на физико-механические характеристики, процессы трения и изнашивания полимерных материалов. Установлено увеличение прочности покрытий из полярных полимеров в результате формирования электретного состояния методом термоэлектризации. Обнаружено, что путем создания электретного заряда определенной полярности при гермозлектризации полимерных покрытий можно уменьшить силу трения в парах с металлами (на 10-30 X) и интенсивность изнашивания полимерных материалов (в 1,5-3 раза). Электризация полимерных покрытий потоком ускоренных электронов позволяет повысить износостойкость полимерного материала на 1-2 порядка. Определены два аспекта влияния электретного состояния на процессы трения полимеров: трансформация структуры и электретно-трибоэлектризацион-ная суперпозиция. На основе обнаруженных эффектов предложен способ регулирования триботехнических характеристик полимерных материалов путем предварительного создания в них электретного состояния [3, 6, 8, 10, 13, 16, 25, 34, 40, 50].

5. Показано, что в результате фрикционного взаимодействия дисперсных полимеров и металлов происходят изменения физико-химической структуры и электрофизических характеристик полимерных частиц. Установлено повышение физико-химической активности диэлектрических компонентов при трибоактивации, зависящее от их донорно-ак-цепторных свойств. Предложен метод оценки дальнодействия силового поля поверхности частиц дисперсных и волокнистых материалов, основанный на регистрации толщины граничного слоя в контакте с жидкокристаллической средой и использованный для оценки увеличения физико-химической активности частиц полимерных связующих и наполни-

телей С5, 17, 37-39, 46].

6. Изучены закономерности влияния электрофизической активации компонентов на процессы их физико-химического взаимодействия при получении полимерных композитов, физико-механические и триботехни-ческие характеристики полимерных композитов. Установлено, что создание электрегного состояния в диэлектрических компонентах методами трибо- и электроактивации приводит к существенному повышению адгезионной прочности соединений полимерная матрица-волокнистый наполнитель (в 1,2-1,6 раза), плотности дисперсных композиций-премиксов (на 10-20%) и их гомогенности, физико-механических и трибо-технических характеристик (в 1,3-2,5 раза) композитов [1, 24, 27, 31, 32, 35-37, 39, 41, 44-47].

7. Предложены методы электрофизической активации дисперсных и волокнистых компонентов путем трибоэлектризации и воздействия внешних электрических полей для создания полимерных композитов с повышенными эксплуатационными характеристиками. Разработаны составы и способы получения покрытий, препрегов слоистых материалов, армированных композитов и высоконаполненных пластмасс триботехни-ческого, конструкционного и электротехнического назначения. Разработана электронно-ионная технология получения электропроводящих пленочных углепластиков, базирующаяся на осажденнии и совмещении дискретных углеродных волокон и дисперсных полимерных связующих в сильных электрических полях [1, 21, 26, 30, 33, 48, 49, 51, 52, 55, 59-70].

8. Исследованы электрофизические процессы в промышленных три-босистемах полимерный композит-диэлектрик. Установлено, что при обработке природных диэлектрических кристаллов с увеличением интенсивности электризации в системе "металлополимерный инструмент-кристалл" скорость распиливания кристаллов алмаза экстремально возрастает, а максимум зависимости определяется составом полимерного покрытия инструмента. На базе установленных закономерностей электризации предложены способы обработки природных кристаллов, способ шаржирования абразивного инструмента, высокоэлектризу-ющийся теплостойкий материал и конструкция инструмента с полимерными электретными элементами для обработки кристаллов, позволяющие повысить скорость распиливания алмазов, стойкость инструмента, снизить потери сырья и повысить качество распиленных полуфабрикатов. Для трибосистемы полимерный композит-основа абразивной ленты установлено, что работоспособность антифрикционного композита снижается с ростом величины генерируемого трибозаряда и времени его

релаксации. С использованием полученных результатов разработаны технические условия (ТУ 01113-0260220-05-89 и ТУ 13-00276392-1-92) на антифрикционные ленты для прижимных балок шлифовальных станков мебельного производства [7, 12, 18, 53, 54, 56-58].

9. Результаты работы прошли опытно-промышленную проверку и используются на предприятиях Министерства приборостроения, средств автоматизации и систем управления, Министерства электротехнической промышленности бывшего СССР, а также на других промышленных предприятиях Беларуси, России и КНР. Документально подтвержденный суммарный экономический эффект от использования результатов работы составил в долларовом эквиваленте около 500 тыс. долларов США, а ожидаемый экономический эффект превышает 1 млн. долларов США. Эффект достигнут за счет повышения качества материалов, технического ресурса изделий из них, призводительности технологических процессов и снижения потерь дорогостоящего сырья.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Миронов B.C. Электропроводящие полимерные композиты: материалы, технология, применение.- Минск: БелНИИНТИ, 1991.- 64 с.

2. Климович А.Ф., Миронов B.C. О кинетике электризации при фрикционном взаимодействии полимеров с металлами // Трение и износ.-- 1981,- Т.2, N 3.- С.556-559.

3. Климович А.Ф., Миронов B.C. Влияние злектретнсго состояния на трение и изнашивание полиэтилена // Трение и износ.-1981.-Т.2, N 4.- С.713-718.

4. Климович А.Ф., Миронов B.C. Электретный эффект в дисперсных полимерах при механическом воздействии //VII Всесоюзный симпозиум по механоэмиссии и механохимии твердых тел: Доклады симп.: В 3 т.- Ташкент: Укитувчи, 1981.- Т.2.- С.77-81.

5. Белый В.А., Климович А.Ф., Миронов B.C. Физико-химические изменения в дисперсных полимерах при динамическом контактировании с металлом // Доклады АН БССР,- 1982,- Т.26, N 1,- С.39-42.

6. Климович А.Ф., Миронов B.C. О влиянии предварительной злектре-тизации на фрикционные и физико-механические свойства полиэтилена и фторопласта // Сб. Производство и переработка пластмасс и синтетических смол.- М.: НИИТЭХИМ, 1982,- Вып.9.- С.5-6.

7. Контактная электризация в процессе распиливания кристаллов алмаза / А.Ф.Климович, В.С.Миронов, А.М.Бочаров, П.В.Сысоев // Алмазы и сверхтвердые материалы.- 1983.- N 3.- С.1-2.

8. Климович А.Ф., Миронов B.C. Электрические явления при трении полимеровЛ. Некоторые закономерности и роль процессов электризации // Трение и износ,- 1985.- Т.6, N 5.- С.796-806.

9. Миронов B.C., Климович А.Ф. Электрические явления при трении полимеров.II. Кинетика электризации // Трение и износ.- 1985.-Т.6, N 6.- С.1026-1033.

10.Влияние электронной обработки на свойства фторполимерных покрытий / Б.И.Камильджанов, В.С.Миронов, Д.С.Рассказов, А.П.Гусев // Сб. Физика диэлектрических материалов.- М.: МИРЭА, 1985.-С.71-76.

И.Миронов B.C. Электризация наполненных полиэтиленовых покрытий при фрикционном взаимодействии с металлом // Известия АН БССР, Сер. физ.-техн. наук.- 1985.- N 1.- С.38-42.

12.Миронов B.C., Бочаров A.M., Климович А.Ф. Влияние тока электризации на производительность распиливания кристаллов алмаза // Сверхтвердые материалы.- 1985.-Т.36, N 3.- С.61-64.

13.Миронов B.C., Климович А.Ф., Лучников А.П. Изменение фрикционных свойств полимерных покрытий в результате обработки потоком электронов // Трение и износ.- 1986.-Т.7, N 1.- С.57-62.

14.Климович А.Ф., Миронов B.C., Гузенков С.И. 0 проявлении элект-ретного эффекта при трении полимеров в жидких средах // Доклады АН БССР.- 1986.- Т.30, N 6.- С.517-520.

15.Миронов B.C., Климович А.Ф. Исследование трибоэлектретных свойств металлонаполненных композитов на основе полиэтилена // Доклады АН БССР.- 1986.- Т.30, N 8.- С.724-727.

16.Климович А.Ф., Миронов B.C. Об электретно-трибозлектризационной суперпозиции при трении полимеров // VIII Всесоюзный симпозиум по механоэмиссии и механохимии твердых тел: Доклады симп.- Таллин: Валгус, 1986,- С.153-156.

17.Миронов B.C., Климович А.Ф. Исследование фрикционно-активиро-ванных дисперсных полимеров термографическим методом // Высокомолекулярные соединения.- 1987.-Т.(А)29, N 10,- С.2206-2211.

18.Антифрикционный материал для прижимных элементов ленточных шлифовальных станков / П.Н.Богданович, П.В.Сысоев, Э.К.Дятко, В.С.Миронов, А.И.Бардонова // Вестник машиностроения.- 1987.-N 6.- С.35-38.

19.Миронов B.C. О проявлении трибоэлектретного эффекта в полимерных материалах // Сб. Электрофизика диэлектрических материалов." М.: МИРЭА, 1987.- С.69-74.

20.Миронов B.C., Климович А.Ф. Исследование электризации полиэти-

леновых покрытий при фрикционном взаимодействии с полимерными диэлектриками // Трение и износ.- 1988.- Т.9, N 3.- С.481-488.

L.Марков Е.М., Миронов B.C., Рейнвальд O.E. Влияние условий формирования на адгезионные свойства дискретных эпоксидных покрытий // Известия АН БССР. Сер. физ.-техн. наук.- 1988,- N 4.-С.46-49.

2.Миронов B.C. Влияние скорости трения на параметры трибозлект-ретного состояния в полимерных покрытиях // Трение и износ.-1989.- Т.10, N 1,- С.85-89.

3.Лучников A.n., Миронов B.C. Закономерности формирования трибоз-лектретного состояния в полимерных материалах // Сб. Электрические поля и электретяые свойства диэлектриков.- М. : ЩЗМ, 1989.- С.81-90.

4.Электромассоперенос дисперсных электропроводящих полимерных композиций / В.А.Довгяло, В.С.Миронов, И.Л.Копаев, Л.Й.Тарасен-ко, О.Р.Юркевич // Инженерно-физический журнал.- 1989.- Т.57, N 4.- С.639-644.

5.Миронов B.C. Влияние обработки потоком электронов на фрикционные свойства полимерных покрытий // 4th International Sympozium "Intertribo-90": Proceedings of the Symp.- Vysoke Tatry, 1990.-Part F.- P.73-76.

6.Миронов B.C., Скрябин О.Б., Юркевич O.P. Пленочные материалы на основе дискретных углеродных волокон и порошковых полимерных связующих // Полимерные композиты--90: Материалы Всесоюзн. научно- практич.конф: В 3 Т.- Л.: ЛДНТП, 1990.- Т.1.- С.42-47.

.7.Миронов B.C., Довгяло В.А., Юркевич O.P. Повышение триботехни-ческих характеристик полимерных волокнистых композитов при электростатическом совмещении компонентов // Грение и износ.-1991.- Т.12, N 2.- С.326-332.

:8.Mironov V.S. Triboelectret State of Polymer Composites // 7th International Symposium on Electrets (ISE7): Proceedings of the Symp.- Berlin, 19Ô1.- P.310-315.

,'9.Миронов B.C., Юркевич O.P. Особенности электризации в процессах получения дисперсных полимерных композиций с волокнистым наполнителем // Коллоидный журнал.- 1991.- Т.53, N 3.- С.577-581.

Ю.Миронов B.C., Скрябин О.Б., Юркевич O.P. Пленочные материалы на основе дискретных углеродных волокон и порошковых полимерных связующих // Полимерные пленки и покрытия: Материалы семинара.-Л.: ДДНТП, 1991,- С.64-67.

J1.Влияние условий термообработки на свойства препрегов / В. С. Ми-

ронов, Л.В.Заборская, И.Л.Копаев, О.Б.Скрябин, О.Р.Юркевич // Известия АН Беларуси. Сер. физ.-техн.наук.-1993.-N 1,- С.61-65.

32.Влияние электрических полей и зарядов на адгезионное взаимодействие компонентов в полимерных волокнистых композитах / С.Ф.Еандаров, В.А.Довгяло, Е.В.Писанова, В.С.Миронов // Механика композитных материалов.- 1993.- Т.29, N 2,- С.267-273.

33.Mironov V.S., Skryabin О.В., Yurkevich O.R. Technology and Properties of Composite Films based on Powder Polymers and Discrete Carbon Fiber // Int. Conf. on Advances in Materials and Processing Technologies (AMPT-93): Proceedings of the Conf.: In 3 Vol.- Dublin, 1993.- Vol.1.- P.435-441.

34.Mironov V.S. Increase of Polymer Coating Wear Resistance by Electrophysical Modification // Surface Engineering Volume II: Engineering Applications / Ed. P.Datta and J.Gray.- Cambridge: The Royal Society of Chemistry, 1993.- P.80-90.

Зб.Электрофлокирование как метод формирования гибридных полимерных волокнистых композитов триботехнического назначения / В.С.Миронов, О.Б.Скрябин, В.А.Довгяло, О.Р.Юркевич // Трение и износ.-1995.- Т.16, N 2.- С.367-370.

36.Миронов B.C., Довгяло В.А., Юркевич О.Р. Технологическое управление триботехническими характеристиками слоистых полимерных композитов // Трение и износ.- 1995,- Т.16, N 3.- С.527-536.

37.Миронов B.C., Жандаров С.§., Довгяло В.А., Юркевич О.Р. Влияние электрофизической активации компонентов на адгезионное взаимодействие в полимерных композитах // Механика композитных материалов.- 1995.- Т.31, N 6.- С.734-741.

38.Миронов B.C., Плескачевский Ю.М. Об определении дальнодействия поверхностных сил частиц дисперсных и волокнистых материалов // Доклады АН Беларуси,- 1996.- Т.40, N 4.- С.73-77.

39.Mironov V.S., Dovgyalo V.A., Yurkevich O.R. Polymer Composites Technique: Methods of Dispersed Components Electrical Activation // Advances in Materials and Processing Technologies: Proceedings of Int. Conf. AMPT'97: In 2 Vol. / Ed. M.Andritschky.-Suimaraes, 1997.- Vol.1.- P.238-243.

40.Климович А.Ф., Миронов B.C. Об злектретно-трибозлектризационной суперпозиции при трении полимеров // VIII Всесоюзн. симпозиум по механозмиссии и механохимии твердых тел: Тез. докл.- Таллин, 1981.- С.48.

41 Релаксация зарядов в полимерном слое на твердой поверхности / В.А.Довгяло, B.C.Миронов, О.Р.Юркевич, И.Л.Копаев // X юбилейн.

симп. по механозмиссии и механохимии твердых тел: Гез. докл.-М., 1986,- С.59-60.

42.Миронов B.C. Закономерности формирования трибозлектретного состояния в полимерных покрытиях // Электреты и их применение в радиотехнике и электронике: Тез. докл. научно-техн. конф.- М.: МИЭМ, 1988.- С.50.

43.Миронов B.C. Исследование электризации при получении дисперсных полимерных композиций с волокнистым наполнителем // XI Всесо-юзн. симп. по механозмиссии и механохимии твердых тел: Тез. докл.: В 2 т.- Чернигов, 1990.- Т.1.- С.194-195.

44.Dovgyalo V.A., Mironov V.S., Yurkevich O.R. Technological Control Triboengineering Properties in Laminated Composites // New Materials and Technologies in Tribology: Abstracts of papers of the Joint Sov.- American Conf.- Minsk, 1992.- P.124.

45.Влияние электрических полей и зарядов на адгезионное взаимодействие компонентов в полимерных волокнистых композитах / С.Ф.Жандаров, В.А.Довгяло, Е.В.Писанова, В.С.Миронов // VII Международная конф. по механике композиционных материалов: Тез. докл.- Рига, 1993.- С.66.

46.Миронов B.C., Довгяло В.А., Юркевич О.Р. О влиянии активации на электрическое состояние и адсорбционную активность частиц порошковых материалов // Коллоидная химия в решении проблем охраны окружающей среды: Тез. докл. международной конф.- Минск,

1994.- С.83-84.

47.Effect electrophysical activation of components of polymer composites on their adhesional interaction / V.S.Mironov, S.F.Zhandarov, V.A.Dovgyalo, 0.R.Yurkevich // 9th Int.Conf. on Mechanics of Composites Materials: Abstracts of reports.-Rig-a,

1995,- P.33.

48.A.C. 689742 СССР, МКИ2 В 05 D 7/22. Способ получения полимерных покрытий / Ю.М.Плескачевский, В.С.Миронов, С.В.Копылов, В.В.Смирнов (СССР).-N2479395/23-05; Заявлено 25.04.77; Опубл. 05.10.79, Вюл. N 37.- 5 с.

49.А.С. 839599 СССР, МКИ3 В 05 D 1/04. Способ получения полимерного покрытия /А.Ф.Климович, В.С.Миронов (СССР).- N2713517/23-05; Заявлено 10.11.78; Опубл. 23.06.81, Бюл. N 23,- 3 с.

50.А.С. 913147 СССР, МКИ3 G 01 N 3/56. Способ регулирования фрикционных характеристик полимерных материалов / А.Ф.Климович, В.С.Миронов (СССР).-N2917662/25-28; Заявлено 25.04.80; Опубл.15.03.82, Бюл. N 10.- 2 с.

51.А.С. 915891 СССР, МКИ3 В 01 D 29/26. Фильтрующий патрон и способ изготовления его элементов / А.Ф.Климович, В.С.Миронов, П.В.Сысоев (СССР).- N2851820/23-26; Заявлено 14.12.79; Опубл. 30.03.82, Бол. N 12.- 6с.

52.А.С. 929206 СССР, МКИ3 В 01 J 20/00. Электрически заряженный фильтрующий материал / А.Ф.Климович, П.В.Сысоев, В.С.Миронов (СССР).- N2776404/23-26; Заявлено 07.06.79; Опубл.23.05.82, Бюл. N 19.- 3 С.

53.А.С. 947168 СССР, МКИ3 С 09 К 3/14. Материал для абразивного инструмента /А.Ф.Климович, П.В.Сысоев, В.С.Миронов, А.М.Бочаров, Г.А.Василюк, Э.А.Марцинкевич, Н.И.Тимофеев (СССР).-N3215736/23--26; Заявлено 05.12.80; Опубл. 30.07.82, Бюл. N 28,- 4 с.

54.А.С. 1027982 СССР, МКИ4 В 24 D 5/12. Инструмент для обработки природных кристаллов / В.С.Миронов, А.Ф.Климович, П.В.Сысоев, А.М.Бочаров, М.Г.Певзнер, Г.А.Василюк (СССР).- N3382702/25-08; Заявлено 21.01.82; Опубл. 1983.- 8 с.

55.А.С. 1071150 СССР, МКИ4 Н 01 6 7/02. Способ получения полимерных пленочных электретов / В.С.Миронов, Ю.М.Плескачевский, А.Ф.Климович (СССР).- N2686733/18-21; Заявлено 10.11.78; Опубл.

1983.- 4 с.

56.А.С. 1104769 СССР, МКИ4 В 28 D 5/00. Способ обработки кристаллов /А.М.Бочаров, П.В.Сысоев, В.С.Миронов, М.Г.Певзнер,

• А.Ф.Климович (СССР).-N3351981/29-33; Заявлено 06.11.81; Опубл.

1984.- 6 с.

57.А.С. 1230065 СССР, МКИ4 В 28 D 5/00. Способ обработки кристалла / В.С.Миронов, А.Ф.Климович, А.М.Бочаров, Н.И.Тимофеев (СССР).-N3763434/29-33; Заявлено 26.06.84; Опубл.1986,- 2 с.

58.А.С. 1241602 СССР, МКИ4 В 24 В 57/00. Способ шаржирования абразивного инструмента / М.Т.Балабеков, В.С.Миронов, А.Ф.Климович, Ш.Т.Балабеков, А.М.Бочаров, Г.А.Василюк (СССР).-N3763313/25-08; Заявлено 03.07.84; Опубл.1986.- 7 с.

59.А.С. 1337924 СССР, МКИ4 Н 01 В 19/00. Устройство для нанесения порошкообразного, полимерного материала / Б.й.Камильджанов, А.П.Лучников, В.С.Мироков, Е.А.Дорофеева, В.И.Семенов, А.Д.Па-рашин (СССР).- N3985299/24-07; Заявлено 09.12.85; Опубл. 15.09.87, Бюл. N 34.- 8 с.

60.А.С, 1434737 СССР, МКИ4 С 068 J 5/18. Способ получения фильтрующего материала из полимерных волокон / Ю.В.Громыко, B.C. Миронов, А.Ф.Климович, Л.С.Пинчук, В.П.Шустов, Т.В.Ставрова (СССР).- N3881208/23-05; Заявлено 08.04.85; Опубл. 1988,- 3 с.

31.А.С. 1516484 СССР, МКИ4 С 08 L 23/02. Способ получения электропроводящей термопластичной композиции / В.С.Миронов, С.А.Комиссарова, Л.И.Тарасенко, О.Р.Юркевич (СССР).- N4274355/23-05; Заявлено 01.07.S7; Опубл. 23.10.89, Бюл. N 39.- 3 с.

52.А.С. 1524270 СССР, МКИ4 В 05 D 1/04. Способ получения металло-полимерного материала / В.С.Миронов, В.А.Довгяло, О.Р.Юркевич (СССР).-N4226518/23-05; Заявлено 10.04.87; Опубл. 1989.- 3 с.

53.А.С. 1577216 СССР, МКИ5 В 29 С 43/20. Способ получения слоистых пластиков / В.А.Довгяло, В.С.Миронов, О.Р.Юркевич (СССР).-N4401348/23-05; Заявлено 31.03.88; Опубл. 1990,- 4 с.

64.А.С. 1609713 СССР, МКИ5 В 32 В 27/12. Способ получения листового армированного полимерного композита / В.С.Миронов, С.А.Комиссарова, О.Б.Скрябин, О.Р.Юркевич (СССР).- N4659068/23-05; Заявлено 04.01.88; Опубл. 30.11.90, Бюл. N 44.- 4 с.

65.А.С. 1631993 СССР, МКИ5 С 08 J 5/06. Способ получения препрега / В.А.Дсвгяло, В.С.Миронов, Ю.А.Мулин, О.Р.Юркевич, В.И.Пайма, И.Н.Моргунов (СССР).- N4682239/05; Заявлено 19.04.8941; Опубл. 1990." 4 с.

66.А.С. 1650378 СССР, МКИ5 В 23 В 27/12. Способ получения армированного пластика / В.С.Миронов, О.Б.Скрябин, О.Р.Юркевич (СССР).- N4705898/05; Заявлено 19.06.89; Опубл. 23.05.91, Бюл. N 19.- 3 с.

67.А.С. 1653252 СССР, МКИ5 В 05 D 5/00. Способ получения покрытия / О.Е.Рейнвальд, Ю.А.Усович, В.С.Миронов (СССР). - N4458200/05; Заявлено 11.07.88; Опубл. 1991.- 5 с.

68.А.С. 1688579 СССР, МКИ5 С08 L 79/08. Порошкообразная композиция для электростатического нанесения / В.А.Довгяло, И.Л.Копаев, В.С.Миронов, О.Р.Юркевич (СССР).- N4648145/05; Заявлено 07.02.89; Опубл. 1991." 3 с.

69.А.С. 1729784 СССР. МКИ5 В 29 D 9/00. Способ получения пленочного композиционного материала / В.С.Миронов, О.Б.Скрябин, О.Р.Юркевич (СССР).- N4790693/05; Заявлено 13.02.90; Опубл. 30.04.92, Бюл. N 16.- 4 с.

70.Пат. 2081135 РФ, МКИ6 С 08 L 97/02. Экологически чистая древес-но-наполненная пластмасса и способ ее получения / Т.Д.Жданова, В.С.Миронов, Г.В.Коташевская, 0.А.Коршун, О.Н.Быкова (СНГ).-N95111069/04; Заявлено 12.07.95; Опубл.10.06.97, Бюл.Ы 16.-7 с.

РЭЗЮМЕ

М^ронау Уладз1м1р Сяргеев1ч Электраф1з1чнал актывацыя пашмерных матэрыялау пры фрыкцыйных! элеюрычных уздзеяннях

Пал1мерныя матэрыялы, кампазпы, электрызацыя, элекгрэтны ста{ трыбаактывацыя, уздзеянне элеьсгрычных палеу, ф1зЬса-мехашчныя улас цшасщ, трыбатэхшчныя харакгарыстыкь

Аб 'ект даследавання- пал1мерныя матэрыялы I кампазпы.

Прадмет даследавання- вывучэнне электрызацьп { элекхрэтных ста нау кампанентау пры атрыманш пал1мерных кампазггау 1 эксплуатаць вырабау з и ва умовах трыба-1 электраактывацьп.

Мэта работы- сгварэнне навуковых асноу мравання структурай уласщвасцямх гшймерных кампазхтау метадалп трыба- \ электраактываць дыэлектрычных кампанентау пры IX кантактным узаемадзеянш.

У рабоце прымяняш метады тэрмадэпалярызацыйнага анализу, зо* давай элекграметрьп, метады рэнгенаструюурнага 1 тэрм1чнага анал!з] 1К-спектраскапп, аптычнай 1 электроннай мцсраскапи. Выкарыстоуваг дыфрактамер Дрон-2,0, дэрыватограф ОД-Ю2, спекграфатомегр 1Л1-2( электронны мшраскоп ДБМ-ЗОА.

Распрацаваны навуковыя асновы электрафЫчнай актывацьи ды< персных I валакшсггых кампанентау для юравання структурай I ула< щвасцям! пап1мерных кампазггау з дапамогаю фрыкцыйных I электры1 ных уздзеянняу. Упершыню установлены заканамернасщ трыбаэлектрь задьи пал!мерных матэрыялау 1 фаркправання у ¡х трыбаэлектрэтнага стг ну. Выяулена, што стварэнне электретнага стану у дыэлектрычных как панентах прыводзщь да узмаднення ix адгезшнага узаемадзеяння, а та! сама к паютшэнню ф1з!ка-мехашчных 1 трыбатэхшчных характарысты пашмерных кампазггау на ¡х аснове.

Распрацаваны пашмерныя кампазпы на аснове актыв^раваных кап панентау 1 метады атрьгаання вырабау з ¡х. Распрацоуга выкарь сгоуваюцца у электратэхшцы, вытворчасщ будаушчых матэрыялау, ш( левай 1 брыльянтавай вытворчасцях.

РЕЗЮМЕ

МИРОНОВ ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ Электрофизическая активация полимерных материалов при фрикционных и электрических воздействиях

Полимерные материалы, композиты, электризация, злектретное состояние, трибоактивация, воздействие электрических полей, физико-механические свойства, грибогехнические характеристики.

Объект исследования- полимерные материалы и композиты.

Предмет исследования- изучение электризации и электретных состояний компонентов при получении полимерных композитов и эксплуатации изделий из них в условиях трибо- и электроактивации.

Цель работы- создание научных основ управления структурой и свойствами полимерных композитов методами трибо- и злектроактива-ции диэлектрических компонентов при их контактном взаимодействии.

В работе применяли методы термодеполяризационного анализа, зондовой электрометрии, методы рентгеноструктурного и термического анализа, ИК-спектроскопии, оптической и электронной микроскопии. Использовали дифрактометр Дрон-2,0, дериватограф ОД-102, спектрофотометр Ш?-20, электронный микроскоп JSM-50A.

Разработаны научные основы электрофизической активации ■ дисперсных и волокнистых компонентов для управления структурой и свойствами полимерных композитов с помощью фрикционных и электрических воздействий. Впервые установлены закономерности трибоэ-лектризации полимерных материалов и формирования в них трибоэ-лектретного состояния. Обнаружено, что создание злектретного состояния в диэлектрических компонентах приводит к усилению их адгезионного взаимодействия, а также к улучшению физико-механических и триботехнических характеристик полимерных композитов на их основе.

Разработаны полимерные композиты на основе активированных компонентов и методы получения изделий из них. Разработки используются в электротехнике, производстве строительных материалов, мебельном и бриллиантовом производствах.

SUMMARY

MIRONOV VLADIMIR SERGEEVICH Electrophysical activation of polymer materials at frictional and electrical treatment

Polymer materials, composites, electrization, electret state, triboactiva-tion, electric field effect, physico-mechanical properties, triboengineering characteristics.

Object of investigation. - polymer materials and composites.

Subject of investigations - study of electrized and electret states of components at polymer composite production and their article operation under tribological and electrical activation.

Aim of the work is the creation of scientific grounds to control polymer composite structure and properties by the methods of tribologicai and electrical activation of dielectric components at their contact interaction.

The methods of thermodepolarization analysis, probe electrometry, X-ray diffraction and thermal analyses have been used in investigations. Diffractometer «Dron-2.0», derivatograph OD-102, spectrometer UR-20 and electronic microscope JSM-50A have been employed in experiments.

The basis of electrophysical activation of dispersed and fibrous components have been developed aimed at regulating structure and properties of polymer composites using frictional and electrical effects. For the first time regularities have been established of triboelectrization for polymer materials and mechanism of triboelectret state formation in them. It was found out that electret state in dielectric components leads to enhanced adhesive interaction and improved physico-mechanical and triboengineering characteristics of polymer composites on their base.

Polymer composites based on activated components and methods for their production, have been elaborated. The results of investigations are used in electric technology, construction materials manufacturing, furniture and diamond works.