WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Корабельников Дмитрий Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ ФРИКЦИОННЫХ КОМПОЗИЦИЙ ДОБАВКАМИ ПОЛИМЕТИЛЕН-П-ТРИФЕНИЛОВОГО ЭФИРА БОРНОЙ КИСЛОТЫ

Специальность 05.17.06 – Технология и переработка полимеров и композитов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Бийск – 2012

Работа выполнена в Бийском технологическом институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова».

Научный руководитель кандидат химических наук, доцент Ленский Максим Александрович

Официальные оппоненты: Ишков Алексей Владимирович, доктор технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный университет» Хвостов Станислав Александрович, кандидат технических наук, с.н.с.

ООО «Научно-исследовательская организа- ция СИБУР-Томскнефтехим» Ведущая организация Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук

Защита диссертации состоится «29» мая 2012 года в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.08 в Бийском технологическом институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу:

659305, Алтайский край, г. Бийск, ул. Трофимова, 27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Бийского технологического института (филиала) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» Автореферат разослан « 26 » апреля 2012 года.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета Верещагин А.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. С развитием техники растут средние скорости движения транспортных (автомобильных, железнодорожных и авиационных) средств, что приводит к увеличению количества циклов торможения. В процессе торможения кинетическая энергия переходит в тепло, при этом температура внутри тормозной накладки (колодки) повышается до 800 °С и более.

В связи с этим поиск новых компонентов, способных улучшать физикомеханические и трибологические характеристики полимерных фрикционных композиций, работающих в высоконагруженных узлах трения в процессах торможения, является весьма актуальным.

Фрикционные композиции используются достаточно широко. В основополагающих работах российских ученых Бартенева, Балжина и др. ученых предложены различные теории трения полимерных композиций.

К фрикционным композиционным материалам предъявляют ряд жестких требований с целью обеспечения правильной и бесперебойной работы тормозных систем, в частности: высокие значения коэффициента трения и малая его зависимость от температуры; высокая термостойкость; высокие прочность и упругость; хорошая теплопроводность; высокая износоустойчивость; стойкость к действию гидравлических жидкостей (бензина и воды); бесшумность в процессе эксплуатации; низкая токсичность компонентов и низкая стоимость. В связи с этим практический интерес представляет получение таких материалов с прогнозируемым комплексом свойств.

В состав современных тормозных накладок (колодок) входит большое количество различных компонентов: полимерное связующее (синтетические каучуки, фенольные смолы), минеральные наполнители (асбест, волластлонит, минеральная вата), технологические добавки (углерод, графит, барит, стружки металлов, глинозем и другие) и система вулканизации.

Основными недостатками используемых фрикционных композиционных материалов, применяемых для изготовления тормозных накладок (колодок), являются относительно низкие физико-механические характеристики при повышенных температурах, что вызвано малой термостойкостью полимерного связующего, а также значительное изменение коэффициента трения в зависимости от температуры, что зачастую приводит к снижению тормозной эффективности накладки (колодки) или вовсе к отказу тормозной системы.

Эти недостатки можно устранить двумя способами: созданием принципиально новых термостойких связующих либо модифицированием уже известных полимерных фрикционных композиционных материалов. Создание новых связующих является отдельной самостоятельной задачей. В данной работе рассмотрен способ модификации полимерных фрикционных композиций.

В связи с этим целью настоящей работы является увеличение прочностных характеристик, износо- и термостойкости полимерных фрикционных композитов, работающих в высоконагруженных узлах трения, добавками полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

- исследовать кинетику вулканизации полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты, определить параметры процесса, при которых достигается максимальное содержание гель-фракции;

- определить содержание полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты в модельной композиции на базе синтетических каучуков СКИ-3 и СКД, при котором прочностные характеристики (изгибающее напряжение в момент разрушения, f, модуль упругости при поперечном изгибе Еf и разрушающее напряжение при сжатии, ср) достигают максимальных значений;

- исследовать влияние полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты (при содержании, определенном на модельной композиции) на прочностные характеристики серийно-выпускаемых полимерных фрикционных композиций марок БАТИ 231 и 143-63;

- изучить изменение эксплуатационных характеристик модифицированных полимерных фрикционных композиций, в частности, трибологических (коэффициент трения , износ и интенсивность изнашивания) на машине трения типа СИАМ, термостойкости методом дифференциального термогравиметрического анализа (ДТГА), прочности после воздействия высоких (300–450 С) температур и при циклической нагрузке методом динамического механического анализа (ДМА).

Объекты, предметы и методы исследования. Объектами исследования являются полимерные фрикционные композиционные материалы. Предметы исследования: полиметилен-п-трифениловый эфир борной кислоты, отвержденный серной системой, а также полимерные фрикционные композиционные материалы, модифицированные данным борорганическим полимером, представляющие собой гетерогенные высоконаполненные полимерные системы, которые состоят из твердых порошкообразных наполнителей и отверждаемого связующего.

В работе применялись методы исследования отверждения полиметиленп-трифенилового эфира борной кислоты золь-гель методом. Изучение высоконаполненных полимерных композиционных материалов осуществлялось методами исследования на изгиб (ГОСТ 4648-71 и ГОСТ 25.604-82) и на сжатие (ГОСТ 4651-82), динамического механического анализа, а также дифференциального термогравиметрического анализа.

Научная новизна. Впервые показана возможность повышения износоустойчивости, величины коэффициента трения и стабильности его значений при повышении температуры, прочностных и термомеханических характеристик полимерных фрикционных материалов как на основе каучуков (марок СКН-26, СКМС-30, СКИ-3 и СКД), так и на основе фенольного связующего (марки СФП) модификацией полиметилен-п-трифениловым эфиром борной кислоты. Проведена оценка изменений термической стойкости и температуры стеклования методами ДТГА и ДМА.

Практическая значимость и реализация работы состоит в том, что исследуемый полиметилен-п-трифениловый эфир борной кислоты может быть использован при изготовлении тормозных накладок (колодок) в качестве добавки-модификатора, повышающей прочность, термостойкость и износоустойчивость фрикционной композиции. В условиях производства (ОАО «Барнаульский завод асбестовых технических изделий») показана возможность получения фрикционных тормозных накладок марок БАТИ 231 и 143-63 с улучшенными эксплуатационными характеристиками путем введения борорганического полимера.

Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, Федеральная программа «У.М.Н.И.К.», государственные контракты № 7353р/10217, 8985р/14031.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались: на I Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных энергетических материалов» (Бийск, 2006 г.); на III и IV Всероссийских научнопрактических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Прикладные аспекты химической технологии, полимерных материалов и наносистем» (Бийск, 2009, 2010 гг.); на XI Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2010 г.); на III Научно-технической конференции молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных высокоэнергетических материалов» (Бийск, 2010 г.); на XII Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых с международным участием «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2011 г.); на V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Прикладные аспекты химической технологии, полимерных материалов и наносистем» (Бийск, 2011 г.).

Основные положения, выносимые на защиту:

- исследования кинетики вулканизации полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты при температурах 190–220 С;

- результаты по повышению прочностных характеристик полимерных композиционных материалов на основе каучуков СКИ-3 и СКД за счет добавления полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты;

- результаты по повышению термо- и износостойкости модифицированных полимерных композиционных материалов на основе каучуков СКИ-3 и СКД, а также серийно-выпускаемых фрикционных композиций, применяемых при изготовлении тормозных накладок для автомобилей семейства МАЗ и БелАЗ, по сравнению с немодифицированными;

- результаты по исследованию коэффициента трения, износостойкости, снижения интенсивности истирания полимерных фрикционных композиций, применяемых при изготовлении тормозных накладок для автомобилей семейства МАЗ и БелАЗ на машине трения типа СИАМ;

- результаты динамического механического исследования полимерных фрикционных композиций в диапазоне температур от минус 80 С до плюс 250 С;

- результаты дифференциального термогравиметрического анализа исследуемых полимерных фрикционных композиций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 работы в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационных исследований.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 120 страницах машинописного текста и состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы, включающего 126 наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертации, сформулированы цель, задачи, показаны объекты исследования, основные положения, выносимые на защиту, оценены научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава является обзором литературы, где изложены сведения о связующих полимерных композиций, показаны основные методы и принципы модификации полимерных материалов, описано применение борорганических соединений в качестве связующих и модификаторов прочности полимерных композиций на основе каучуков СКИ-3 и СКД. Показана возможность использования различных наполнителей полимерных фрикционных композиций, описаны основные теории прочности полимерных композиций, рассмотрены вулканизация и основные компоненты серной системы, приведены взаимодействие фенолов и серы и вулканизация каучуков в присутствии фенольных смол. Глава заканчивается обоснованием выбора направлений исследований.

Во второй главе описаны основные материалы, использовавшиеся в работе и методы испытаний полимерных фрикционных композиций.

Третья глава посвящена описанию результатов экспериментов и их обсуждению. Исследование температурных и временных режимов отверждения полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты с серной системой проводили золь-гель методом. На рисунке 1 показана кинетика отверждения полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты с серной системой при температурах 190–220 С.

1 – при 180 °С; 2 – при 190 °С;

3 – при 200 °С; 4 – при 210 °С;

5 – при 220 °С.

Рисунок 1 – Влияние температуры и времени вулканизации полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты серной системой на содержание гельфракции с Установлено, что при 180 С максимальное значение содержания гельфракции достигается при 6 часах вулканизации и составляет 90 %. При этом свыше 6 часов вулканизации наблюдается «плато» на кинетической кривой.

Период индукции при данной температуре составляет около 1 часа.

При 190 С максимальное значение содержания гель-фракции также достигается при 6 часах вулканизации и составляет 99,5 %, а период индукции – 30 минут. В ходе вулканизации при температурах 200 С и выше максимальное значение гель-фракции составляет 99,5 % и достигается при 1,5–2 часах отверждения. Период индукции – 15 минут.

Для оценки влияния добавок борорганического модификатора была выбрана модельная композиция, наиболее простая в изготовлении в лабораторных условиях, которая имеет следующий состав, % масс.: волластонит («Воксил 100») – 53,90; барит – 22,60; каучуков СКИ-3 – 5,53; каучук СКД – 5,53; сера – 3,50; графит – 3,00; индустриальное масло (И-20) – 1,94; углерод технический – 1,70; тиурам – 1,50; оксид цинка – 0,50; каптакс – 0,03. В данной композиции асбест заменен волластонитом.

Основными характеристиками данной композиции являются разрушающее напряжение при изгибе f и при сжатии ср. Полученные зависимости f и ср модельной базовой композиции (без введения модификатора) от температуры и времени отверждения представлены на рисунках 2 и 3.

Указанные характеристики достигают высоких значений в течение 30 минут отверждения. Увеличение времени вулканизации до 60 минут не приводит к значительному изменению прочности как при сжатии, так и при изгибе, а при дальнейшем увеличении времени вулканизации до 90 и 120 минут происходит незначительная термодеструкция, что приводит к снижению прочности полимерной композиции на 5–10 %.

Рисунок 2 – Влияние температуры Рисунок 3 – Зависимость вулканизации t на разрушающее разрушающего напряжения при напряжение при изгибе f (1) и при сжатии изгибе f (1) и при сжатии ср (2) ср (2) модельного композиционного модельной композиции от времени материала (таблица 1) отверждения при температуре 230 °С Влияние содержания полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты на прочностные характеристики и термостойкость модельной полимерной композиции изучали при времени отверждения 30 минут (рисунок 3) и температуре 230 °С (рисунок 2). Результаты представлены на рисунке 4.

а б 1 – 190 C; 2 – 200 C; 3 – 210 C; 4 – 220 C; 5 – 230 C Рисунок 4 – Зависимость разрушающего напряжения при изгибе f (а) и при сжатии ср (б) модельной композиции от содержания модификатора n при температуре отверждения 190–230 С Из данных (рисунок 4, а) видно, что при температурах 190 С и 200 С максимальное значение изгибающего напряжения в момент разрушения f достигается при содержании модификатора 2 % и 3 %, и составляет 21,0 и 22,0 МПа соответственно. При более высоких температурах отверждения (210–230 С) максимальное увеличение прочности наблюдается при содержании модификатора 5 % масс., при 210 С прочность возрастает с 16,4 до 22,9 МПа (на 40 %), при 220 С прочность модельной композиции возрастает с 16,7 до 26,7 МПа (на 60 %), а при температуре отверждения 230 С повышение прочности при изгибе составляет 75 % (с 17,9 до 31,5 МПа) относительно немодифицированной композиции.

При сжатии (рисунок 4, б) максимальное увеличение прочности, при температурах вулканизации 190 С и 200 С, как и при испытаниях на изгиб, наблюдается в области содержания полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты 2–3 % масс. и составляет 15 % и 21 % соответственно. В ходе вулканизации полимерной композиции при более высоких температурах (210–230 С) максимальное увеличение прочности достигается при введении 5 % масс. борорганического модификатора. При температуре 210 С прочность увеличивается на 25 % (с 40,0 до 50,2 МПа), при 220 С на 24,5 % (с 42,до 52,5 МПа), а при 230 С прочность при сжатии возрастает на 33 % (с 43,до 58,3 МПа) относительно немодифицированной композиции.

Полученные данные свидетельствуют о том, что при температурах вулканизации 190–200 С борорганический модификатор взаимодействует с серой в незначительной степени, следовательно, его влияние как модификатора связующего не достигается, и он выступает в роли наполнителя. Это явление вполне согласуется с результатами по кинетике вулканизации борорганического полимера (рисунок 1).

На рисунке 5 представлено влияние времени вулканизации на прочностные характеристики базовой и модифицированной (5 % масс.) модельной композиции. Из данных рисунка видно, что максимальное значение прочности (рисунок 5) базовой модельной композиции достигается за время вулканизации 30 минут и составляет 17,9 МПа. Дальнейшее увеличение времени вулканизации до 120 минут приводит к незначительному (5–10 %) снижению прочности композиции. Для модифицированной композиции максимальное значение прочности достигается при времени вулканизации 90 минут и составляет 41,6 МПа. При 120 минутах вулканизации прочность модифицированной композиции начинает снижаться, вероятно, за счет термодеструкции каучуковой основы. При этом значения прочности при изгибе композиции, модифицированной борорганическим полимером, в 1,75–2,50 раза выше по сравнению с немодифицированной.

1 – база; 2 – с 5 % масс.

борполимера Рисунок 5 – Зависимость разрушающего напряжения f при изгибе базовой и модифицированной модельной композиций от времени отверждения при 230 °С Оценку износоустойчивости модельных полимерных композиций определяли на машине трения 2070 СМТ 1, пара трения стальной ролик и пластина полимерного композиционного материала. Оценку износостойкости производили по площади лунки износа Sср модифицированной и базовой композиций.

Для базовых образцов средняя площадь лунки износа Sср составила 5,395 мм2, а для модифицированных образцов Sср составила 3,946 мм2. Таким образом, износостойкость полимерной композиции, модифицированной полиметиленп-трифениловым эфиром борной кислоты, на 25 % выше относительно базовой.

В результате изучения модельной композиции установлено, что при содержании 5 % масс. полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты достигаются максимальные прочностные характеристики.

В условиях производства ОАО «Барнаульский завод асбестовых технических изделий» (ОАО «Бз АТИ») была проведена модификация серийновыпускаемых тормозных накладок БАТИ 231 (предназначены для обеспечения необходимой эффективности торможения в тормозных устройствах грузовых автомобилей семейства МАЗ-5440 и автобусах МАЗ-103, ТУ 2571-00205759706-2006) и асбестовой композиции (а/к) 143-63 (предназначена для обеспечения необходимой силы трения в тормозных устройствах грузовых автомобилей БелАЗ и Могилевского автозавода, ТУ 38.114160-88), компонентный состав которых представлен в таблице 1. Модификацию композиций проводили путем введения 5 % масс. полидисперсного порошка полиметиленп-трифенилового эфира борной кислоты сверх 100 % состава, указанного в таблице 1, при этом технология изготовления накладок не изменялась. Модифицированные композиции обозначали буквенным символом «М».

Таблица 1 – Компонентный состав тормозных накладок БАТИ 231 и 143-Содержание, % масс.

Номер Наименование компонентов п/п БАТИ 231 143-1 СКМС-30АРКМ-15, ГОСТ 11138-79 - 19,2 СКН-26СМ, ТУ 229491-057-05766793-05 10,00 - 3 СФП-011Л, ТУ 2257-111-05015227-2006 5,00 - 4 Асбест, ГОСТ 12871-93 - 39,5 Концентрат баритовый, ГОСТ 4682-84 52,65 32,6 Углерод технический, ГОСТ 7885-86 10,00 5,7 Базальтовая вата, ГОСТ 4640-93 15,00 - 8 Медесодержащий наполнитель 5,00 - 9 Тиурам Д, ГОСТ 740-76 0,05 0,10 Сера, ГОСТ 127.1-93 2,00 3,11 Каптакс, ГОСТ 739-74 0,30 - Серийно-выпускаемые полимерные композиции, как базовые, так и модифицированные, были подвержены испытаниям на прочность, результаты которых представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Прочностные характеристики композиций Композиция Увеличение модифиХарактеристика прочноисходная цировансти, % ная Безасбестовая композиция БАТИ Разрушающее напряжение f при изги36,6±0,4 44,9±0,5 22,бе, МПа Модуль упругости Ef при поперечном 401,9±471,8±16,2 17,изгибе, МПа,Разрушающее напряжение ср при сжа69,7±1,6 94,6±2,4 35,тии, МПа Асбестсодержащая композиция 143-Разрушающее напряжение f при изги23,0±0,3 40,2±0,5 74,бе, МПа Модуль упругости Ef при поперечном 302,2±420,5±14,1 39,изгибе, МПа,Разрушающее напряжение ср при сжа40,6±1,1 62,0±1,5 52,тии, МПа Из данных таблицы видно, что модификация безасбестовой фрикционной композиции (БАТИ 231) полиметилен-п-трифениловым эфиром борной кислоты приводит к повышению прочностных характеристик. При введении борорганического полимера увеличивается значение разрушающего напряжения при изгибе на 22,7 %, а при сжатии на 35,7 % относительно немодифицированной композиции.

При модификации асбестсодержащей полимерной фрикционной композиции (143-63) наблюдается значительное увеличение прочности: при изгибе на 75 %; а при сжатии на 50 % относительно немодифицированной. Такое повышение прочности после модификации асбестсодержащей полимерной композиции можно объяснить образованием дополнительной сетки борорганического полимера в структуре композита либо повышением адгезионной прочности на границе раздела «полимер–наполнитель» за счет наличия в структуре модификатора атома бора, имеющего высокую адгезию к силикатам.

Трибологические характеристики базовых и модифицированных композиций марок БАТИ и 143-63 проводились на машине трения типа СИАМ при различных температурах (результаты представлены на рисунке 6 и в таблице 3).

а б 1 – база; 2 – с 5 % масс. борполимера Рисунок 6 – Зависимость коэффициента трения от температуры t для безасбестовой (а) и асбестсодержащей композиции (б) Из данных рисунка 6, а видно, что на начальных этапах, при температуре в зоне трения 50 С, коэффициент трения для обоих образцов составляет 0,6.

Для базовой композиции дальнейшее увеличение температуры до 250 С приводит к практически линейному снижению коэффициента трения до 0,15. При более высоких температурах значение коэффициента стабилизируется и остается неизменным до конца испытаний (350 С).

В отличие от базовой для образца модифицированной композиции высокое значение коэффициента трения сохраняется от начала испытаний до 200 С и составляет приблизительно 0,65. Начиная с 200 С до 300 С наблюдается линейное снижение значения коэффициента трения до 0,24. При этом значения коэффициента трения в контрольных точках для образцов БАТИ 2М в 1,5–2 раза выше, чем для образцов базовой композиции. Свыше 300 С образцы БАТИ 231 М нагреть не удалось, что, вероятно, вызвано увеличением теплоемкости композиции за счет добавки борполимера, имеющего высокую термостойкость.

Для асбестсодержащих композиций (рисунок 6, б) при начальных температурах в зоне трения (до 150 С) сохраняются стабильные значения коэффициента трения. Однако образцы, модифицированные полиметилен-птрифениловым эфиром борной кислоты (143-63 М), имеют более высокое значение коэффициента трения (0,65), что на 16 % выше относительно немодифицированной композиции (0,56). Следует отметить, что в отличие от безасбестовых композиций при испытаниях тормозных накладок марок 143-63 и 143-63 М количество циклов торможения не одинаково. Так, базовая композиция (143-63) выдержала 30 циклов нагружений, после чего разрушилась, а композиция, модифицированная борполимером сохраняет характеристики при 90 циклах нагружений, данное обстоятельство обусловлено низкой прочностью и термостойкостью образцов базовой композиции.

Данные таблицы 3 показывают, что модифицированные композиции в раза более устойчивы к истиранию. Кроме того, для модифицированных композиций интенсивность износа в 2 раза ниже по сравнению с образцами серийно-выпускаемых тормозных накладок БАТИ 231 и 143-63.

Таблица 3 – Износ и интенсивность износа композиций марок БАТИ и 143-Обозначение Линейные Интенсивность износа, Коэффициент образца износ, мм 10-12 м3/Дж трения, БАТИ 231 0,26 0,13 0,БАТИ 231 М 0,12 0,05 0,143-63 0,12 0,12 0,143-63 М 0,07 0,06 0,Также все исследуемые полимерные фрикционные композиции (модельная, БАТИ и 143-63) были подвергнуты динамическим механическим испытаниям в диапазоне температур от минус 70 С до плюс 250 С. На рисунке показаны динамические механические испытания базовой и модифицированной модельной композиции.

Из данных рисунка 7 видно, что введение борорганического модификатора с увеличением температуры приводит к снижению скорости падения модуля упругости приблизительно в два раза. Значения модуля упругости после модификации в 2 раза выше (при температуре 20 С) относительно немодифицированной композиции. Модификация композиции приводит к незначительному снижению величины тангенса угла механических потерь с 90 С до 85 С. Таким образом, модификация модельной композиции полиметилен-п-трифениловым эфиром борной кислоты в количестве 5 % масс. повышает и стабилизирует значение модуля упругости.

1 – E’ (база); 2 – tg (база);

3 – E’(с 5 % масс.

борполимера); 4 – tg (с 5 % масс. борполимера) Рисунок 7 – Зависимость модуля упругости E’ и тангенса угла tg механических потерь от температуры t модельной полимерной композиции при частоте колебаний 1 Гц Для безасбестовых композиции марки БАТИ (рисунок 8) введение борорганического модификатора приводит к увеличению модуля упругости на 80 % (температура минус 50 С). С увеличением температуры до 20 С модуль упругости модифицированной композиции превышает значение модуля немодифицированной на 65 %, при этом происходит одновременное снижение значения тангенса угла механических потерь, характеризующего отношение модуля упругости потерь к модулю упругости, т.е. наблюдается динамическое демпфирование (повышается доля эластической деформации модифицированной композиции). Стоит отметить, что скорость изменения модуля упругости модифицированной композиции выше, чем базовой.

1 – E’ (база); 2 – tg (база);

3 – E’(с 5 % масс.

борполимера); 4 – tg (с 5 % масс. борполимера) Рисунок 8 – Зависимость модуля упругости E’ и тангенса угла tg механических потерь от температуры t композиций марки БАТИ при частоте колебаний 1 Гц Динамические механические испытания асбестсодержащих композиций марки 143-63 представлены на рисунке 9.

1 – E’ (база); 2 – tg (база);

3 – E’(с 5 % масс.

борполимера); 4 – tg (с 5 % масс. борполимера) Рисунок 9 – Зависимость модуля упругости E’ и тангенса угла tg механических потерь от температуры t композиций марки 143-63 при частоте колебаний 1 Гц Из данных рисунка 9 видно, что модификация асбестсодержащей полимерной композиции борорганическим полимером не приводит к значительному изменению модуля упругости. Однако в интервале температур (от минус 70 С до плюс 70 С) значение модуля упругости модифицированной композиции на 25 % выше относительно композиции без модификатора.

Резкое падение значений модуля упругости начинается с первых циклов нагружения, которое прекращается у базового образца после завершения стеклования (65 °C), а у модифицированной композиции непосредственно в области температуры стеклования (95 °C), что свидетельствует о повышении термостойкости модифицированной композиции.

Термостойкость полученных композиций определяли по данным термогравиметрического анализа, кинетические кривые представлены на рисунке 10.

Из данных рисунка 10 видно, что термодеструкция всех композиций протекает в три стадии: на первой стадии снижения массы образцов практически не наблюдается; на второй стадии происходит наиболее интенсивное разложение образцов, которое характеризуется высокими скоростью снижения массы и степенями превращения; третья стадия сопровождается небольшой степенью превращения.

а б 1 – модельная; 2 – модельная с 5 % масс. борполимера;

3 – БАТИ 231; 4 – БАТИ 231 М; 5 – 143-63; 6 – 143-63 М Рисунок 10 – Кинетические кривые термодеструкции (а) и термоокисления (б) полимерных фрикционных композиций Для модельной композиции, как для базовой, так и для модифицированной, начало интенсивного разложения наблюдается при 205 С и завершается при 680 С, остаточная масса образцов при прогреве до 900 С составляет для базовой – 86,5 %, для модифицированной – 84,6 %. Для безасбестовых композиций начало интенсивного разложения обоих образцов начинается при 300 С и завершается для базовой при 740 С и модифицированной при 770 С, остаточная масса образцов составляет 73,0 %. Для асбестсодержащих композиций начало интенсивного разложения наблюдается при 230 С и завершается при 470 С, остаточная масса образцов 71,5 %.

При термоокислении образцов модельной и асбестсодержащей композиций наблюдается две стадии. Первая стадия является высокоскоростной, сопровождается высокими степенями превращения. Термоокисление происходит с начального момента нагрева, что, вероятно, связано с окислением каучукового связующего. Для безасбестовой композиции при термоокислении наблюдается три стадии, при этом для модифицированной композиции не наблюдается потери массы до 300 С, в то время как немодифицированная теряет около 5 % от начальной массы, остаточная масса модифицированной композиции на 7 % больше относительно немодифицированной. Таким образом, введение модификатора не оказывает значительного влияния на термостойкость образцов как при термодеструкции, так и при термоокислении.

С целью изучения влияния высоких температур на прочностные характеристики образцы исследуемых композиций выдерживались при температурах 300–450 С от 7 до 60 минут. Результаты представлены на рисунке 11.

Из данных рисунка видно, что после температурной обработки модельной композиции, при температуре 300 С с увеличением времени воздействия от 7 до 60 минут, происходит снижение значения изгибающего напряжения в момент разрушения с 14,4 до 11,1 МПа, а для модифицированной композиции прочность остается неизменной и составляет приблизительно 30,0 МПа. С увеличением температуры до 350 С наблюдается значительное снижение изгибной прочности, для немодифицированной композиции с 12,0 до 2,2 МПа, в то время как для модифицированной – с 27,5 до 9,3 МПа. При этом после минут температурного воздействия прочность модифицированной композиции в 4,5 раз выше немодифицированной (рисунок 11, а).

а б в Рисунок 11 – Зависимость значения разрушающего напряжения при изгибе f от температуры t при различном времени выдержки, для модельной (а), асбестсодержащей марки 143-63 (б) и безасбестовой марки БАТИ (в).

Дальнейшее увеличение температуры обработки приводит к значительному снижению прочности, а также к самовоспламенению полимерных композиций даже при минимальном времени воздействия. Вместе с тем как при 400 С, так и при 450 С прочность при изгибе модифицированной композиции значительно (в 3–4 раза) выше, чем немодифицированной.

Температурная обработка (350 С) асбестсодержащей композиции (рисунок 11, б) в течение 7–30 минут приводит к линейному снижению прочности (с 23,0 до 3,9 МПа). В то время как композиция, модифицированная борорганическим полимером, сохраняет исходные высокие значения прочности (40,0 МПа) при времени выдержки 7–15 минут. Дальнейшее увеличение времени обработки до 30 минут приводит к снижению прочности модифицированной композиции на 45 %, при этом значение прочности модифицированной композиции в 4,75 раза выше, чем немодифицированной.

Для безасбестовой композиции (рисунок 11, в) модификация борполимером не приводит к значительному увеличению прочности после высокотемпературного воздействия. Однако модифицированная композиция более устойчива к термическому воздействию на протяжении всего испытания.

Данный факт объясняется наличием в составе безасбестовой композиции фенольного связующего, имеющего более высокую термостойкость по сравнению с каучуками.

Следует отметить, что согласно данным термогравиметрического анализа различия в термостойкости модифицированных и немодифицированных образцов незначительны. При этом прочность модифицированных образцов после температурной обработки значительно выше, чем у контрольных. Данный факт можно объяснить термической деструкцией поперечных связей (как С–S, так и S–S) сшитых каучуков на начальных стадиях деструкции.

ВЫВОДЫ 1. Золь-гель методом установлено, что полиметилен-п-трифениловый эфир борной кислоты отверждается серной системой при температурах 180–2С. Максимальное содержание гель-фракции достигается при температурах выше 200 С за 1 час и составляет 99 %, время индукции при этом – 15 минут.

2. Модификация композиции на основе каучуков СКИ-3 и СКД полиметилен-п-трифениловым эфиром борной кислоты (5 % масс. сверх 100 % композиции, температура отверждения 230 °С, время 30 минут) приводит к повышению разрушающего напряжения при изгибе на 75 %, при сжатии – на 33 % и износоустойчивости на 25 % относительно немодифицированной композиции.

3. Модификация (5 % масс. сверх 100 % композиции) серийновыпускаемых тормозных накладок марок БАТИ 231 и 143-63, изготовленных в промышленных условиях ОАО «Барнаульский завод асбестовых технических изделий», приводит к повышению разрушающего напряжения при изгибе и сжатии готового изделия для безасбестовой на 22,7 и 35,7 %, а для асбестсодержащей на 75 и 50 % соответственно.

4. Впервые установлено, что введение полимера-модификатора в состав тормозных накладок марок БАТИ 231 и 143-63 снижает износ и интенсивность изнашивания композиций в 2 раза, значения коэффициента трения для композиции БАТИ при температурах 150–300 С в 1,5–2,0 раза выше относительно немодифицированной.

5. Методом ДМА показано, что добавка полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты в композиции на основе каучуков СКИ-3 + СКД и БАТИ 231 приводит к увеличению значения модуля упругости в области температур от минус 70 С до плюс 20 С в 1,5–2 раза относительно немодифицированых. Модификация асбестсодержащей композиции марки 143-63 приводит к расширению области температуры стеклования в 2 раза, что может свидетельствовать в пользу образования взаимопроникающих трехмерных сеток.

6. Установлено, что модификация полимерных композиций полиметиленп-трифениловым эфиром борной кислоты приводит к сохранению прочностных характеристик после температурного воздействия, при 300 С – 60 минут, при 350 С – 15 минут, при 400 С – 7 минут. Показано, что снижение термостойкости немодифицированных композиций обусловлено термической деструкцией поперечных связей сшитых каучуков на начальных стадиях деструкции.

7. На примере асбестсодержащей и безасбестовой композиций показано, что полиметилен-п-трифениловый эфир борной кислоты является модификатором эксплуатационных и прочностных характеристик полимерных фрикционных композиций ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1 Корабельников, Д.В. Повышение физико-механических характеристик композиционных материалов добавками борорганических полимеров / Д.В. Корабельни-ков, М.А. Ленский, А.А. Андрощук // Прикладные аспекты химической технологии полимерных материалов и наносистем («Полимер 2009»): материалы III Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Бийск: АлтГТУ, 2009. – С. 113–116.

2 Корабельников, Д.В. Разработка модифицированного полимерного композиционного материала на основе волластонита с повышенными физикомеханическими характеристиками и термостойкостью / Д.В. Корабельников, М.А. Ленский, А.А. Андрощук // Новые материалы и технологии в машиностроении: материалы XI Международной научно-технической конференции. – Брянск: БГИТА, 2010. – С. 62–65.

3 Корабельников, Д.В. Исследование кинетики отверждения полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты / Д.В. Корабельников, М.А. Ленский, А.А. Андрощук // Прикладные аспекты химической технологии полимерных материалов и наносистем («Полимер 2010»): материалы IV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Бийск: АлтГТУ, 2010. – С. 75–77.

4 Корабельников, Д.В. Разработка модифицированного полимерного композиционного материала с повышенными физико-механическими характеристиками и термостойкостью / Д.В. Корабельников, М.А. Ленский // Перспективы создания и применения конденсированных высокоэнергетических материалов: III Научно-техническая конференция молодых ученых. – Бийск:

АлтГТУ, 2010. – С. 112–115.

5 Корабельников, Д.В. Пути регулирования физико-механических характеристик фрикционных композиций / Д.В. Корабельников, М.А. Ленский, А.В. Ожогин // Химия и химическая технология в XXI веке: материалы XII Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых с международным участием. – Томск: ТПУ, 2011. – С. 164–165.

6 Корабельников, Д.В. Повышение трибологических характеристик фрикционных композиционных материалов добавкой борорганического полимера / Д.В. Корабельников, М.А. Ленский // Прикладные аспекты химической технологии полимерных материалов и наносистем («Полимер 2011»):

материалы V Юбилейной Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Бийск: АлтГТУ, 2011. – С. 92–94.

7 Нартов, А.С. Пути повышения прочностных характеристик фрикционных композиций модификацией полиметилен-п-трифениловым эфиром борной кислоты / А.С. Нартов, М.А. Ленский, Д.В. Корабельников // Прикладные аспекты химической технологии полимерных материалов и наносистем («Полимер 2011»): материалы V юбилейной Всероссийской научнопрактической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Бийск: АлтГТУ, 2011. – С. 103 – 105.

8 Корабельников, Д.В. Изучение модифицирующего влияния добавок полиметилен-п-трифенилового эфира борной кислоты в полимерных композиционных материалах на основе каучуков / Д.В. Корабельников, М.А. Ленский, А.В. Ожогин // Каучук и резина. – 2011. – № 5. – С. 19–22.

9 Корабельников, Д.В. Повышение физико-механических характеристик, термо- и износостойкости тормозных накладок модификацией борорганическим полимером / Д.В. Корабельников, М.А. Ленский, В.Н. Беляев, А.В.

Ожогин // Ползуновский вестник. – 2011. – № 4-1. – С. 217–222.

10 Корабельников, Д.В. Увеличение прочности и износостойкости фрикционных композиционных материалов модификацией полиметилен-птрифениловым эфиром борной кислоты / Д.В. Корабельников, М.А. Ленский, М.С. Некрасов, Р.Н. Кондратьев, И.Е. Картавых // Пластические массы. – 2011. – № 10. – С. 39–42.

11 Пат. 2442802 РФ, МПК С08J 5/14, С08K 3/06, С08K 5/40, С08L 9/00, С08K 3/22, С08K 5/47, С08L 61/04, С08K 3/24, С08K 3/04, С08K 3/34. Полимерная фрикционная композиция / М.А. Ленский, Д.В. Корабельников, А.А. Андрощук; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». – № 2010111309/05; заявл. 25.08.2010; опубл. 20.02.2012, Бюл. № 5.

Подписано в печать 16.04.20Формат 60х84/16. Заказ 2012-Печать – ризография Усл. п. л. 1,0. Тираж 100 экз.

Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ 659305, Алтайский край г. Бийск, ул Трофимова,






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.