Органопластика на основе реактопластов и ароматических полиамидных волокон: изучение формирования их свойств тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

• МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

• ил

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВШІЙ ХШІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 1 На правах рукопису

ЧЕРКАСОВА НАТАЛІЯ ГРИГОРІВНА

ОРГАНОПЛАСТИКИ НА ОСНОВІ РЕАКТОПЛАСТІВ ТА АРОМАТИЧНИХ ПОЛІАКіІДНИ^ ВОЛОКОН; ВИВЧЕННЯ ФОРМУВАННЯ IX ВЛАСТИВОСТЕЙ

02.00.06-хімІя високомолекулярних сполук

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дн1пропетровськ-1994р.

Дисертація е рукопис

Робота виконана в Українському Державному хіміко-технологічному університеті

' Науковий керівник: ,

кандидат технічних наук.с?.н.е. МОКІЄШЮ Розалія Леонтіевна

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук ДЗЮРА Євген Антонович Кандидат хімічних наук ТОДО§ІЙЧУК Тамара Тішофієвна -

Провідна організація: Харківський Державний політехнічний університет, кафедра технології полімерних композиційних матеріалів та покрить

Захист відбудеться -А- ЩМІ.-'.'З 1995р. -о їй- _ годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 03.05.02 в Українському Державному хіміко-технологічному університеті за адресою 320005 Дніпропетровськ, гір. Гагарі на, 8.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Українського Державного хіміко-технологічного університету

Автореферат розісланий ’іііі" С/.Рі'ЛІ.. 1935 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат хімічних наук ^- -' В.Л.ДуоІна

ЗАГАЛЬНЛ ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. На цей час полімерні композиційні матеріали (ГПШ) широко використовуються в усіх галузях промисловості як конструкційні матеріали.зокрема триботехнічного призначення. Одним з перспективних видів ПКМ є органопластики (ОП) на основі ароматичних поліамідних (арамідних) волокон та термореактивної матриці, в яких висока зносостійкість поєднується з міцністю, теплостійкістю, ХІМІЧНОЮ стійкістю.

Органопластики-багатокомпонентні системи,які при зберіганні ряду загальних для армованих волокнами систем фізико-хімічних закономірностей поведінки,відрізняються істотною специфікою,обумовленою, з одного боку,низькими поверхневими енергіями,а з другого -полі мерною природою обох фаз, наявністю функціональних груп на поверхнях розподілу,що потребує детального вивчення взаємодії та взаємного впливу компонентїв'у системі,фізико-хімічних закономірностей формування II властивостей. '

При створенні ОП на основі термореактивної матриці виникає потреба у вирішенні ряду питань, пов’язаних з технологією одержання та переробки органоволокнитів,визначенні оптимальних параметрів кожної стадії одержання матеріалу.

На цей час досить детально розроблені основи направленого армування полімерної матриці. Вивчення армуючого ефекту при не-направленій схемі. армування полімерної матриці дискретним волокнистим наповнювачем, яка має ряд переваг,'носить епізодичний характер, що призводить до.емпіризму при створенні ПКМ з хаотичною схемою армування, не дозволяє передбачити та спрямовано регулювати- властивості матеріалу.

Мета роботи. Ставилось завдання розробити органопластики конструкційного,триботехнічного призначення з комплексом високих експлуатаційних характеристик.Вивчити закономірності формування властивостей ОП на основі термореактивної матриці,хаотично армованої дискретними арамідними волокнами, що дозволить науково обгрунтувати оптимальні технологічні параметри процесу одержання та переробки органоволокниті в. підвищити ступінь реанзаші властивостей компонентів в органопластиках.

Наукова новизна. У роботи вперше проречено систематичне дослідження термодинамічних умор одегхянші мі"чого адгезіЬкСго зв’язку тррмореактипноІ матриці з арені дмотц зьйлокнамч у процес/

■ ■ 4'* .

одержання ОП. Показана вплив режиму ствердження на поверхневу енергію плівки зв’язуючого. Вивчено вплив природи розчинника на термодинамічний стан системи на основі епоксидного олігомеру та кінетику отьердження останнього. '

Встановлено факт вибірної сорбції ствердаувача-мегафенілен-діаміну (МІ'ДА) з епоксіаміиного зв’язуючого на поверхні арамід-ігаго волокна.На рівні винаходу визначено оптимальний склад зв'язуючого для органопластикїв на основі арамідного волокна фенілон.

Встановлено стабілізуючий вплив високотемпературної термообробки на структуру та властивості епоксіамінної матриці, яка стверджувалася за різними температурно-часовими режимами. • Вперше вивчено вплив комплексу мікроструктурних та технологічних характеристик волокнистого наповнювача на ефект армування термореактивної матриці. На рівні винаходу визначені оптимальні геометричні параметри армуючого елементу при хаотичній схемі армування полімерної матриці дискретним волокнистим наповнювачем.

Практична цінн1сть. Одержані органопластики з комплексом високих експлуатаційних характеристик, які можуть використовуватись як конструкційний антифрикційний, підшипниковий матеріал. Встановлені закономірності формування властивостей багатокомпонентних систем на основі термореактивного зв’язуючого та арамідних волокон дозволили встановити шляхи підвищення експлуатаційних характеристик 031, спрямованого регулювання властивостей матеріалу. ■

Встановлені оптимальні технологічні параметри процесу одержання та переробки лягли до основи технологічних регламентів по виробництву органоволокнитів та виробництву деталей з них. Розроблені технічні умови на органоволокнити, які узгоджені з базовим підприємством - Нижньодніпровським трубопрокатним заводом (НДТЗ) Ім.К.ЛІбкнехта-

Вироби з органопластик!в пройшли випробування 1 на цей час використовуються у вузлах тертя обладнання ІЩТЗ замість дефіцитних текстоліту та бронзи, що дозволило підвищити термін роботи вузлів обладнання у 2-4 рази.

Дана робота виконувалась аа планом досліджень, які проводились згідно Постановам Президії АН УРСР N 251 від 20.05.01 та ДКНТ СРСР N 172 від 10.05.81, ДКНТ СРСР та АН СРСР І) Б73/137 від 10.11.85, та наказу Мінвузу УРСР N 78 від'21.03.91 за приоритет-ним напрямком розвитку нііуки та техніки "Нові речовини та ма-

теріали".

Апробація роботи-■ Осчовн] результати проведених досліджень докладались та обговорювались на науково-технічних конференціях, і’і га III Всесоюзних з хімії та фізи/о-хімі1 олігомерів (м.Длма-Ата,1979р. та м Одеса,1986р.); V та VI Республіканських з ВМС (м Донецьк,1984р. та м.Київ, 1885р.); XXII Всесоюзній з ВМС ил. Алма-Ата, 1985р.); III Всесоюзній "Композиційн,! матеріали-власти-вості.виробництво та застосування" (м.Москва,1987р.); Московській Міжнародній по композитам (1990р.).Всесоюзній "Нові композиційні .клейові та герметизуючі матеріали" (м.Ни1в,1991р.);Респуб-/(ікаїкігаи "Використання композиційних матеріалів у на£.гос-ві (м.Солігороьк,1992р!), XXI "Фізика та механіка композиційних матеріалів на основі полі мерів"', Гомель, 1993р.); XV Менделс’ївському з’їзді з загальної та прикладної хімії ,м.Мінськ,1993р.).

Робоуа у цілому доповідалась та докладно обговорювалась на раді з наукового напрямку "Розробку теоретичних основ створення сучасних полімерних композиційних матеріалїв,технологій їх переробки застосування" УДХТУ.

; Г

ПуДдІкацЯ. По тем? дисертації опубліковано 19 дрг^ованих робіт.

• Особистий внесок дисертанта полягає у сгліостійному виконанні експериментальної частин1' роооти та обробці даних експерименту, формулюванні висновків роботи.

Структура та об * ем роботи. Дисертація складається із вступу, восьми розділїв,висновків,списку цитованої літератури тё семи додатків Робота викладена на Z35" сторінках*друкованого тексту .містить, 46 Ілюстрацій та 45 таблиць. Бібліографічний список містить 259 найменувань.

. ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІ1 ■ ’

У вступі дано обгрунтування актуальності проблему,викладені мета та основні Напрямки досліджень,дана коротка анотація роботи.

У першому розділі дано огляд та зроблено аналіз експериментальних та теоретичних досліджень у галузі створення та вивчення ІШ.Показано перспективність використання органош- стиків па основі аоамідних волокон та термореактивної матриці як конструкційного матеріалу,в якому високі триботехнічні характеристики поєднуються з міцністю та теплостійкістю.Розглянуті основні фактори, які визначають властивості ОП - багатокомпонентних гетерочозних

систем. Осоолк у увагу приділено особливостям, обумовленим полімерною природою обох фаз глитанням форі^вання адгєзійного контакту, взаємного впливу компоненті В ;УМ0ВҐ'Л проведення реакції ствердження, ефективності процес;- армування волокнистим наповнювачем полімерної матриці. В результаті проведеного аналізу визначені основні напрямки досліджень: .

' -вивчення поверхневих явищ у системі apai.ilдне волокно -термореактивне зв язуюче; ’ .

-дослідження взаємного впливу компонентів;

-вивченья впливу геометрі І армуючого елементу та ступеня заповнення на. ефект зміцнення полімерної матриці при хаотичній схемі армування дискретним волокнистим наповнювачем;

-оптимізація технологічних параметрів процес/ одержання та переробки органоволокнигів;

-вивчення експлуатаційних характеристик, працездатності та галузей використання розроблених ОН як конструкційного підшипникового матеріалу.

Другий розділ містить характеристики об’єктів дослідження, огшс методик виготовлення дослідних зразків та методів експериментальних досліджень.

Об’єктами дослідження були обрані органопластики на основі епоксіамінного (епоксидний олігомер ЁД-20-Г0СТ 10587-8<і .який стверджувався ШДА-ГОСТ Б826-Ь1),фенолоформальдегідного (бакелітовий лак марки А - ЛБС-1 -ГОСТ 901-78) зв’язуючих та. ароматичних йзліамгдних волокон п- та м- структур ( поліпарафениеитерефтал-&.мідне уерлон-ТУ 6-06-31-500-85 та поліметафеніленізофталамідне-фенілон-ТУ 6-ОС-32-117-82, ТУ 6-06-32-406-82). Арам 1 дні волокна сік наповнювач використовували у вигляді штапельного волокна та дискретної технічної нитки різної лінійної густини.

У роботи використовувався ряд незалежних та взаємодоповнюючих методів доел 1дження.Вивчення процесу змочування,вимірювання поверхневого натягу компонентів систе..л проводилось за допомогою /'&тоді в зміненого Bl-йьгельмі .висячої краплі .Ельтона. Для дослідження кінетики ствердження зв’язуючого у блоці,на поверхні волокна використовувались методи:МППВВ ІЧ-спектроскопі1 (спектри реєструвались на 1нф>распектрометр1 UR-20 з використанням приставки МППВВ з елементами з кристалів KRS-5 та Qe)•длференц і ино-скануючої калориметрії (скануючий мікрокалоршетр DSK-4 фірми РєМ.т Еітег), динамо-механічний (тораійний маятник); р€скінетИчш дос^т

лідження (ротаційні віскозиметри ПЛР-1 га "Реотест-2"). Для термодинамічної оцінки розчинників та впливу арамідлих волокон на властивості полімерної матриці використовувався метод конверсійної газової хроматографії (хроматограф "Хром-41").Мікроструктура ОП та_ полімерної матриці досліджувалась методам! оптичної (мікроскоп Neophot-21) та електронної (мікроскоп УЕМВ-100) мікроскопи. Для дослідження структури волокна використовувався метод рептге-ноструктурного аналізу (установка УРС-60). Методи термомеханічно го аналізу використовувались для вивчення температурних областей фазових переході в,параметрі в топологічної структури сітки полімеру, для оцінки властивостей та структури волокна. Термогравіметричні дослідження проводились з допомогою дериватографу системи Паулік-Паулік-Ердей. Фізико-механічні властивості 011 визначались відповідно ГОСТам для пластмас. Дєформаційно-міцностні характеристики волокон та модельних зразків мікропластиків визначались на розривній машині FP-Ю.ТриботехнічнІ характеристики пластиків досліджувались в умовах сухого тертя (на дисковій торцевій машині тертя),та в умовах напіврідкого режиму тертя при мастінні водою (на машині СМЦ-2-ТУ 25.06.813). г

Обробка експериментальних даних проводилась методами математичної статистики.

У третьому розділі аналізуються термодинамічні умови утворення адгєзійного зв'язку термореактивне зв'язуюче- арамідне волокно у процесі одержання ОП. Визначено поверхневий натяг (f ) арамідних волокон,який складає 44,9 мН/м для терлону та 43,0 мії/м для фенілону. Встановлено, що поряд з декілька вищим значенням -J* арамідні волокна . п-структури мають більш дефектну поверхню, що сприяє утворенню міцнішого адгєзійного зв’язку з термореактивною матрицею. Так, адгезійна міцність зв'язку у системі фенілон-епон-сіамінне (фенолоформальдегідне) зв’язуюче складає 15,4 (25) Ша, а у системі терлон-відповідне зв'язуюче-23,3 (ЗО) Ша.

Показано, що використання на стадії просочування розплаву • епоксіамінного зв’язуючого, у якого складає 40,8 мН/м.не забезпечує якісного просочування-плівіса зв’язуючого перервна, схїїадається з великих окремих краплин.Використання просочувальних розчинів зв’язуючого дозволяє підвищити ступінь заповнення при хаотичній схемі армування,забезпечуй якісне просочування вшокнпсто-го наповнювача з низькою поверхневою енергією,утворення неперервної плівки зв’язуючого на поверхні волокна,що створює умови для

- 8- . •мліуванни міцного адгєзійного зв'язку мім noil мерною матрицею та волокнистим наповнювачем,Істотно підвищує експлуатаційні властивості пластику (див.табл.1).

Таблиця 1

Фізико-механічні властивості епоксіорганошіастиків на основі арамідного волокна фенілон -

Вид І Фізико-механічні властивості ,

зв'язу-|-------------------------------------------------------------

ючого І Ударна |Руйнуюче напруження|Теплост1йкість|Тверд1сть І в’язкість,І при: , МПА |за Мартенсом,К|за Брине- ’

І іуік/м2 І стисненні І вигин} І І лем.МПа

-------1 -1---1--:~|---------------1-----------

Розплаві 25,5 І''117,6 І 107,8 І 391 І 294

Розчин І 52,8 І 160,0 І 175,4 | 433 | 392

_____________________________________________________________

Розведення елоксіамінного зв'язуючого до розчинів 65-70Х концентрації значно знижує його поверхневий натяг та крайовий кут змочувашія поверхні волокна (0). Незначне розбавлечіш фенолофор-мальдегідного зв'язуючого до 35-40% концентрації також Істотно покращує умови просочування зв'язуючим волокнистого наповнювача (Є знижуються з 41 до 20 град.-для терлону та з 43 до 22 град.-длн фенілону). •

Дослідження змінення поверхневого натягу термореактивного ’ зв’язуючого у процесі його структурування показало, що з підвищенням ступеня та швидкості ствердження поверхневий натяг плівки еиоксіаі,іншого та фенол^формальдегідного (фор)іюдімеру зменшується. На прикладі епоксидного зліг меру, який стверджувався різними отверджувачами (аліфатичними та ароматичними амінами,ангідридами), показано, що величина поверхневого натягу плівки полімеру та характер його змінення залежить не тільки від хімічної структури полімерне І сітки,а визначається також II топологічною структурою,рівнем внутрішніх напружень в ній.Пластифікація полімерної сітки (введення пластифікатору, надлишку одного з компонентів), зниження швидкості (температури) ствердження, що призводить до зниження рівня внутрішніх напружень,викликає збільшення величини поверхневого натягу плівки полімеру.

Порівняння впливу температурно-часового фактору на поверхне-

вий натяг арамідних волокон та епоксіамінпого зв'язуючого,яке стверджувалось, показало, ідо зниження 2* для останнього значно більше,ніж для волокна.Таким чином, при високих температурах ствердження поверхневий натяг плівки полімеру стає нижчий за волокна й визнатиме термодинамічну роботу адгезії №) полімерної матриці'до наповнювача в ствердженому пластику. Отже в метою підвищення Уа,процес отвердження епоксіамінпого зв'язуючого на поверхні арамідного волокна належить проводити'тривало (для досягнення необхідного ступеня отвердження), але.по-можливості,при більш низьких температурах,а введенням пластифікатору,або надлишку одного з компонентів зв’язуючого.

У четвертому розділі викладені результати досліджень впливу розчинників на формування властивостей органоволокнитів на основі епоксіамінпого зв’язуючого.

Методом конверсійної газової хроматографії оцінена термодинамічна спорідненість розчинників до компонентів зв’язуючого та визначені теплоти сорбції їх парів компонентами органоволсгашту. Зроблено висновок, що з термодинамічної "/очки зору як розчинник доцільно використовувати ацетон, який має близькі значення термодинамічної спорідненості до компонентів зв’язуючого (див.рис.1) та не утримується волокнистим наповнювачем.

Ркс.1.Температурні залежності надлипкової вільної енергії змішування (ЄЕ) розчинників: толуолу (1,2), ацетону .(3,4) та спирту (5,6) з епоксидним одігомером ЕД-20 (1,3,5) та •метафенілендіамінсм (2,4,6).

Аналіз термомеханічних кривих (ТЫК), діаграм розтягу арз-мідних волокон та модельних зразків мікропласідаїв На їх ос/гов! показав, що розчинники не впливають значно на міцностні властивості та структуру арамідних волокон. ,

Дослідження показали, що присутність розчинника впливав на кінетику отвердження епоксидного олігомеру ароматичним діаміном неоднозначно: у залежності від того, чи йде процес у блоці, та у

тонкій плівці на поверхні наповнювача. Присутність розчинника значно уповільнює процес отвердження ненаповненої епоксіамінної композиції. Епоксіорганопрепреги за швидкістю отвердження зв’язуючого можна розташувати у ряд: на основі спирто-ацетонового розчину > толуольного розчину > ацетонового розчину > розплаву зв'язуючого. Вплив розчинника на процес отвердження залежить від його природи.Ацетон-розчинник,присутність якого у системі найменше впливає на кінетику отвердження епоксіамінпого зв'язуючого.

Вивчення впливу природи розчинника на те;.лологічні та фізи-ко-механічні властивості органоволокнитів показало,що найбільша ж-ттездатнїсть,найменша кількість летких у препрегах та найвищі показники міцностних властивостей притамані ОП на основі ацетонових просочувальних розчинів зв'язуючого.

Порівняння технологічних характеристик препрегів.які висушені за різними режимами (низькотемпературне,ступінчате,вакуумне, високотемпературне сушіння), показало, що найменша кількість летких при однаковій масовій частці розчинної фракції зв’язуючого міститься у препрегах,висушених за вакуумним або ступінчатим режимами сушіння (кінцева температура сушіння 353К). Пластики на основі цлх прелрегів мають найвищі показники міцностних властивостей. ...

П'ятий розділ присвячено аналізу результатів вивчення-взаємного впливу компонентів у системі арамідне волокно- елоксіамінне зв’язуюче. ■ . ' '

Рентгеноструктурний аналіз арамідних волокон та мікропласти-ків на їх основі показав, що сумісна дія зв’язуючого (його компонентів) .температури та тиску практично не впливає на структуру терлону, у фенілоні ж відбуваються деякі структурні зміни,про що свідчить збільшення кута розор!оптації кристалітів від 6,5 до 8,8 град, та зниження анізотропії властивостей (еквівалент поперечних розмірів кристалітів змінюється від 31 до 33 А ). Аналіз ТМК також вказує на деякі структурні зміни волокна під впливом ароматичного діаміну, які посилюються ’при підвищенні температури обробки. Обробка ЩДА викликає зміни деформаційно-міцностних ха-рактерисіик фенІлону:розривне подовження (розривна міцність) волокна з підвищенням температури знижуються на 18,5 (4); 31,0 (7) та 74,0 ( 34) X відповідно для 293, 393 та 433 К.Одночасний вплив.

^ епоксидного олігомеру та температури також призводить до деякого зниження розривного подовження (розривної міцності) волокна фені-

’ Л'он-на 11 (4) та 26 (10) X для температур обробки 393 та 433 К.

Аналіз кінетичних кривих отвердження показав, що введення арамідного волокна в епоксіамінну композицію уповільнюй процес П отвердження.Уповільнюючий егі;;ііб фен 1 лону ни процес отверджен-ня зв’язуючого виявляється ефективніше.

Аналіз хроматограм поііазав наявність гра:.ячного шару в епоксидній матриці.структура'та властивості якого відмінні від таких в об'ємі матриці. Порівняння температур переходір залежностей 1п Ув від 1/Т ненаповненого зв’язуючого та отвердженого на поверхні арамідних волокон,протяжності граничних шарів дозволило зробити висновок,що на формування граничного тру зв’язуючого ііа поверхні терлону більше впливає орієнтуюча дія поверхні високомо-дульного волокна (ідо обумовлює 1 більш високу адгезійну міцність , зв’язку терлону з полімерною матрицею), а на поверхні фенілону-вибірна сорбція отверджувача ІЩА. .

Дані,що одержані при обробці спектрів ЫПГШВ підтвердили факт вибірної собцІІ МФДА на поверхні фенілону. Гак, спостерігалось збагачення ароматичним діаміном граничного шару, зформоЕаного на поверхні фенілону,про що свідчило порівняння відносних інтенсивностей смуг Д^/Д нзг та %/6ҐО /Д {{8г на межах з фен 1 лоном та а повітрям.

. Таким чином, вибірна сорбція Ш>ДА на поверхні фенілону викликає сумарний ефект:зміненая властивостей волокна під впливом ароматичного діаміну та порушення стехіометричного співвідношення компоненті!! у плівці зв'язуючого.Встановлено,ЩО ВВеДеіІЛН Над лишку ЫФДА у зв'язуюче ( у межах 1,16-1,25 мас. частин від стехіометрії) призводить до підвищення експлуатаційних характеристик епоксіорганопластику. .

вивчення впливу сорбовано* волокном вологи на формування властивостей системи показало.що видалення вологи з арамідних волокон значно погіршує умови змочування їх поверхні олігомерним зв’язуючим.Крайовий кут змочування поверхні сухого волокна на 2021 град, перевищує б волокна з кондиційним вологовмістом (4-4,5Х для фенілону; 2-2,5 % для терлону). зволоження волокна вище цих значень також погіршує умови змочування.

Наявність сорбційної вологи у волокні прискорює лроцос отвердження епоксіамінпого зв’язуючого.Розрахоїші к нстанш швидкості реЕіКцІ І отвердже :шя складають 0,808 • 10"1 ; 1,534 • 10 та 1,902-1 (^відповідно для вологовм*сту волокна 0;4 та 8Х.КаявнІсть

- 12 - . сороційної ВОЛОГИ у ВОЛОКНІ . ТоКСШ сприяє утворенню полімерної матриці з більш звитою структуро», про що свідчить підвищення II температури склування. , ' .

Як показали дослідження,найменші значення водопоглинання та поруватості, найЕПяЦ показники міцностних характеристик властиві ОП иа основі арамідних волокон з вмістом вологи 2-4% для терло-ну, та 3-6% для фен 1лону,що відповідає кондиційному вологовмісту арамідних волокон. • , . -

У шостому розділі наведені результати досліджень впливу температурно-часового режиму формування на структуру та властивості компоненті в органопластику, кінетику отвердження та технологічні характеристики лрес-матеріалу.на властивості матеріалу у цілому.

Для досліджень було обрано 8 температурно-часових режимів у діапазоні температур 373-433 К. .

Аналіз вплив., режиму отвердаення на властивості епоксиполі-меру показав, що з підвищенням температури та часу отвердження підвищуються ступінь конверсії епоксигруп, температура склування та міцностні властивості полімеру. Найбільш високі значення, цих характеристик відповідають полімеру, отвердоеному за Ьтупінчатш режимом (з кінцево» температурою 433 К). Однак, після проведення сгугіінчатої високотемпературної термообробки параметри топологічної структури, релаксаційні переходи, а також фізико-.механічні властивості епоксіор-аноялаотшу стаО.'лізувться 1 практично не залежать від режиму отвердаення. Ступінь конверсії незалежно від режиму формування після термообробки досягає свозі топологічної межі (94-951) (див.табл.2>.

Таблиця 2

Вплив термообробки на структуру та властивості епоксиполімеру •

Режим отверд-1Ступ 1ньІГусти- |Еве, 1 Мс, 1 ?с, 1 Тс,ІТве,1 Єст

кення Іконвер-Іна.кгДп МПа 1кгД.моль|1/м 1 К 1 К 1 Шіа

Ісі.І Е££| 1 |ХІ0‘Г 1 і _ 1 1

\ 1 373К.30 ХВЯЛ.| 94,4 1 1205 ~ 1 140,4' 1 347 і і 11,40 і431 1 і 1448 | 153

393К.30 хвил.| 94,6 | 1Е06 140,7 і 338 И.43 1435 1451 1 161

413К.20 хвил. І 94,9 і 1205 140.6 1 343 11,41 1434 1450 І 162

433К, 5 хил. | 94,7 | 1205 136.4 1 380 11,27 1134 1451 І 160

433К,отуп.реж.І 95,0 | 1200 130,3 1 359 11.35 1435 |450 | 163

- 13 - .

Аналіз реокінетичних кривих отвердження елоксюрганопренре-гів та температур склування епоксидно! матриці дозволив зробити висновок,що.Для уникнення неравномірної усадки,короблення. утворення тріщин та розшарувань у виробах, їх напресовування необхідно проводити при температурі нижче 423К. '

Встановлено, що оптимальні властивості мають епоксіоргано-пластикл, які одержані при температурі пресування 393-4і$К, при видержці прес-матеріалу у прес-формі,яга забезпечуй перехід матриці у склоподібний стан, з подальшою стуиінчатою високотемг.еі. турною (443-448К) термообробкою відпресованих виробів.

У сьомому розділі проведена оцінка впливу мікроструктурних параметрів армуючого волокнистого наповнювача на ефект зміцнення полімерної матриці лри хаотичній схемі армування.

' Дослідження показали,що максимальні властивості органоплас-тиків забезпечуються вмістом волокнистого наповнювача у медах 55-70 мае.Х. О підвищенням довжини волокна максимум міцностних властивостей зсуваетіся в область* більш високих ( до 70 мас.Х) концентрацій. Анізотропія міцностних властивостей ОП з підвищенням ступеня заповнення зростає тим більше, чим менше довжина та вище модуль пружності волокна. -

Встановлено, ідо при переході від армування скруч<уюю комплексною ниткою до армування елементарним волокном удрона в'язкість, сГвиг. різко анижуються,опір стискуючим навантаженням спас найбільш високим (£15-220 Шіа) (див.рис.2)-. Як показав мікрост-руктурний аналіз,це пов'язано з особливостями розподілення полімерної матриці у композитах з різними армуючими елементами:дискретна комплексна нитка- елементарне волокно-джгут. При армуванні комплексною ниткою полімер (товщина плівки якого між армуючими нитками складає 14-25 мкм),зміцшбє армуючий елемент-блочок скручених елементарних ниток, поміж якими .плівка зв’язуючого тснкіша (2-6 мкм), тобто міцніша, ніж поміж армуючими елеменгами-елемей-та.шіми волокнами (14-15 мкм). Дослідження показали,ідо максимальна теплостійкість,ударна в'язість,руйнуюче напруження при вигині властиві органопластикам,які армовані дискрегноз комплексною ниткою а філаментиістю 300 та ступенем скрученнл 90-120 скруч./м.

Армув’ ння дискретними комплексними нитками знижує анізотропію пластику. ОП на їх основі мають кращі антифрикційні властивості (більш високу зносостійкість при більї низькому коефіцієнті тертя). .

(Я

Чи

т

>9 і гга -1 TS

- 4-ю Ію 6S і ”4

- XV S5 1 і \ \

І9й

1-/00 L т .44

Рис.2. Вплив філаментнос-ті (Ф) комплексної нитки фенілону на властивості феноорганошіастикі в: 1-ударна в'язкість (а); 2~руйнук іе напруження при стисненні ( & ст.);

3-руйнуюче напруження при вигині ( & ВИГ.);

4-теплостійк1сть за Мартенсом (Тм). ,

о too гоо зоо ф

ІІа основ) проведених досліджень вибрано оптимальні геометричні параметри армуючого елементу, які забезпечують максимальні експлуатаційні властивості ОЛ з хаотично».схемою армування дискретним волокнистим наповнювачем.

У восьмому розділі розглянуті результати дослідно-промислових випробувань виробів з розроблених ОП. Як наповнювач використовувались відходи виробництва арамідного волокна фенілон, які відповідали ТУ 6-06-07-13-86,цо розроблені сумісно з Кустанайським БО "Хімволокно".Це.дозволило значно здешевити вироби з орга-новолокнитів, зберігаючи високі експлуатаційні властивості матеріалу. Розроблено технологічні регламенти виробництва органово-локі ітів та деталей з лих, технічні умови на органоволокнити,узгоджені з базовим підприємством- НДТЗ, до основи яких лягли результати проведених досліджень,встановлені оптимальні технологічні параметри процесу одержання та переробки ор’чшоволокнитів.

Для випешт працездатності ОП виготовлялися дослідні зразки та парти виробів, проводились промислові випробування в умовах підприємства-ВДТЗ.Об’єктами для проведення випробувань були обрані середньо- та важконавантажеи1 вузли тертя обладнання,які працюють при мастінні маслом,або у присутності води,а саме:5аш-мак трубовідрізного верстата; втулки (натискна та напрямна) гід-ронлункеру гідронасосу Г-305А; півкуля півмуфти пільїзрстану. Проведені вшфсбувашія показали ефективність заміни деталей в . дефіцитних текстоліту та бронзи у середньо- та вгикконзвантажених в«г.лл>: тертя обладнання на вироби з 011,високу працездатність ос* ганніх. г:г..иле!інл т^р-іну роботи гуглів у 2-4 рази. Відповідна дскумг-Н'Ціпія у додатки.

- 15 -

! ВИСНОВКИ

1.Розроблено конструкційний аптііФ;>!кцій!шй,підшипниковкй ма Те ріал ;,а основі полімерної термореактивної матриці .хаотично армованої дискретними ароматичними поліамідними волокнами, з високими експлуатаційними характеристиками.

2.Установлено закономірності формування властивостей розроО дених органопластиків, що дозволило визначити шляхи пі дві '.ешш ступеня реалізації властивостей компонентів композиту .олтим1зува ти технологічні параметри процесу одержання та переробки оргауо-волокнитів, поліпшити експлуатаційні характеристики маїеріалу.

3.Установлені оптимальні термодинамічні умови формування міцного адгезія ного зв'язку термореактивна матриця-арамідие воло кно у процесі одержання органопластику.

Показано, що характпо змінєння поверхневого натягу плівки полімеру у процесі його структурування та його величина визначаються як хімічною, так 1 топологічною структурою сітки, рівнем внутрішніх напружень в ній. .

4.Установлено факт вибірної сорбції отверджувача-метаф£ні-лендіаміну на поверхні арамідіюро волокна. Оцінено II внесок у властивості органопластику. Визначено оптимальне співвідношення компонентів епоксі змінного зв’язуючого для органопластиків на ос НОВІ фені лону.

5.Визначені оптимальні геометричні параметри волокнистого наповнювача,як! забезпечують максимальне зміцнення полімерної матриці при хаотичній схемі армування, що пов'язується а осооли-востями розподілу зв’язуючого у композитах а різними армуючими елементами:елементарне волокно - комплексна нитка-джгут.

6.Дослідно-лромиелові випробування органопластики на осно-

ві термореактивної матриці та відходів виробництва г локна фенілен у середньо- та ваяконаванталених вузлах тертя обладнання НДТЗ ім.К.Лібкнехта показали їх високу працездатність.Зам і на базових деталей з бронзи та текстоліту на вироби а розроблених ор-ганопластикгв дозволила підвищити термін роботи вузлів тертя обладнання у 2-4 рази. .

Основний зміст дисертаціІ опубліковано у таких роботах:

1 .Органопластики на основе термостойких полиашдних воло-кон/'Р. Л.М0кіюшш, Е. З. Карпова,П. И. Бгштаиник, Т.С. Соколова, Ю. А Тол-

качев.Н.Г.Игнатенко (Черкасова)//Хим.волокна.-1980.-С.34-36.

2.Исследойшга влияния растворителей И а. некоторые свойства

связующего на основе' эпоксидного олигомера/ Р.Л.Мокиенко,Н.Г.Игнатенко ,А.Е.Файнерман,Ю.С.Липатов//Композиц.полимерные материалы.-1082.-Рчп. 14.-С.44-48. .

3.Исследование поверхностных свойств арамидних волокон и термереактивного полимера кгк компонентов оргакопластиков '

?.Л.Мокиенко,Н.Г.Черкасова,0.И.Михайлова, А. Е.Файнермаи!/Компо-зиц.полимерные мап^риалы.-195^.-Вып.53.-С.72-76.

4.А.с.1669845,ССОР.Полимерный ррессматериал / Р.Л.мокис-.'ко, Н.Г.Черкасова А.А.Земляной,О.И.Фетисов, А.Ы.Петренко.А.А.Майман,

B. К. Гулый.-N4656649,заявл. 7.02.89,опубл.15.03.91. йал.ИЗО.

5.Патент СССР 17?0583. Полимерный прессмэтернал/Р.Л.Ыскиен-ко, Н. Г. Черкасова. -114873373/05. заявл. 20.08.90, опубл. 23.01.93. Всш. М3.

6.Изучение процгсса формирования свойств и структуры эпоксидного полимера на низкоэнергетической поверхности /Р.Л.Мэкие'1-ко,Е.А.Липко,Л.В.Леонова,Н.Г.Черкасова,^.В.Гостеминская //III Всес.коиф. по химии и физ1!;:о-химии олигомеров,Одесса,23-25 гент., 1!>?6: Теа. докл. -Черноголовка, 1986. -С. 58.

7.Исследование реологических свойств многокомпонентных систем :а основе гермореакимвного связующего /'Г.Л.Ыокиеико.Н.Г Черкасова,О.Ч Михайлова,Е.А.Лилко//б Респ.конф. по высокомолекулярным соед.,Кие",28 нояб.-2 дек. 19й8:Теэ.докл.Секц.2.-Н1^в,1988.-

C.43-44. .

8.Влияние геометрии армирующего элемента на технологические и прочностные свойства органоволокнитов /Н. Г.Черкасова,Р. Л,Ымш-е1 л,О И.Михайлова,О.А.Федосеева,А.А.Земляной, О .И.Фетисов//Ыоск. междунар.коир. по композитам, 14-16 юябр.,19АО:Тез.докл.4.2.-Москва,1990.-С.49-65.

&.Органопластики конструкционного назначения на основе тер-мореактканой матрицы и арамидних волокон/Р•Л -Мокиенко,Н. Г. Черкасова, А. А. Земля ной ' 'Всес.конф."ГСалимерные,клеевые и герметизирующие материалы”.Киев, 14-15 ноябр..Ш!: Тез. докл.-Киев,1991.-С.58-60.

10.Отходы химических волокон как наполнитель в композиционных мэтер'/'дах/Р. Л. Мокиенко, Н. Г. Черкасова, И. Н. Павлова, А. А. Земля -ной // 15 Менделеев, съезд по общ.и прикл.химии .Минск,1993:Тез. Докл.Т.2.-Минск:Наъука 1 тзхн!ка,1993.-С.340-34)

Черкасова Н.Г.Органопластики на основе реактопластов и ароматических полиамидных волокон;изу"Ш!е ‘формирования их свойств. Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 02.00.06-Химия высокомолекулярных соединений. Украинский Государственный химико-технологический университет, Днепропетровск, 1995.

Разработай конструкционный антифрикционный, подшипниковый материал с высотами эксплуатационными характеристикам! на основе термореактивной матрицы.хаотично армированной дискретными ароматическими полиамидными волокнами.Установлены закономерности фор-мироьания свойств разработанных органопластиков.что позволило определить пути повышения степени реализации свойств компонентов композита, оптимизировать технологические параметры получения и переработки органоволокнитов, улучшить эксплуатационные характеристики материала, который может использоваться в средне- и тя-желонагруженных узлах трения взамен бронзы и текстолита.

• Cherkasova M.G. Organoplastics on the basis r&actoplastics and aromatic polyamide flbres;study of the forming their properties. Manuscript, Dissertation for the taking academic degree of candidate of technical science by speciality 02.00.06-C .emistry of highmolecular substances. Ukrainian State cjiepilcal-t ^chnolo-gical university, Dnepropetrovsk,1995. -

, Constructional antifriction, bearing material with high exploitation’s properties on the basis thermosetting matrices randomly reinforced by discrete aromatic poliamide fibres have been obtained. Regularities of the forming of the properties organo-plastics have been determined,what pemited to define the meanses of the increase of degree of the realization of the properties of composit's components, to optimize / technological parar. iters of organoplastic's manufacture, to improve exploitation’s character of material, which may be used for middle- and highloaded friction’s machinery in exchange for bronze and textolita.

Органопластики, термореактивна матриця .епоксіамінне вв’язуюче, арам дні волокна, поверхневий натяг, вибірна сорбці. . режим формування, технологічні характеристики, армуючі..! єі. мент, ефект зміцнення. '

.д:< ' 7 •