Композиционные триботехнические материалы на основе олигомеров сшивающихся смол

Композиционные триботехнические материалы на основе олигомеров сшивающихся смол

Выполнил Будько Юрий Анатольевич

Руководитель Овчинников Е.В.

Зав.кафедрой Струк В.А.

Адрес: [email protected]

Г. Гродно

Содержание

Введение                                                                                                                  5

Глава I. Литературный обзор по теме: ’’Композиционные триботехнические материалы на основе сшивающихся смол ’’        6

1.1. Типы композиционных материалов                                                      6

1.2. Самосмазывающие материалы на основе сшивающихся связующих  8

1.3. Выбор типа сшивающегося связующего для изготовления материала. 11

1.4. Уникальность кремня                                                                              16

1.4.1. Непознанный кремень                                                                             16

1.4.2. Взаимодействие кремня с водой и обнаруженные при этом эффекты 17

1.4.3. Физико-химические и иные свойства кремня                                      18

1.4.4. Исследование термической стабильности кремня методами термогравиметрии и ДТА-анализа                                                                                                                   19

1.4.5. Применение активированной кремнем воды в медицинской практике 21

Глава II. Методы исследования                                                    23

2.1. Метод термического анализа                                                                23

2.2.Определение коэффициента трения и удельного износа              26

2.3. Атомно-силовая микроскопия (АСМ)                                                27

2.4. Определение ударной вязкости                                                             30

2.5. Рентгеноструктурный анализ                                                                31

Глава III. Исследование структуры и свойств полимерных материалов, модифицированных кремнийсодержащими добавками                     33

3.1. Результаты рентгеноструктурного анализа                                     33

3.1.1.Рентгеноструктурный анализ кремня                                                     33

3.1.2. Рентгеноструктурный анализ ПЭНД, модифицированного кремнием 35

3.2. Стойкость полимера к термоокислению (по ДТА и ТG анализу) 40

3.3. Ударная вязкость полимера                                                                   44

3.4. Триботехнические характеристики                                                     44

Глава IY. Технология изготовления триботехнических материалов на основе полимеров                                                                                     45

4.1. Принципы создания композиционных материалов на основе полимеров                                                                                                                                              46

4.2. Изготовление изделий методом контактного формования         49

4.3. Изготовление изделий методами свободного и центробежного литья 52

4.4. Технологический регламент изготовления композиционных материалов на основе ненасыщенных полиэфирных смол                                                          55

4.5. Механическая обработка полиэфирных материалов                   57

Глава Y. Требования техники безопасности при работе с полиэфирными смолами и инициирующими добавками                                               62

5.1. Хранение полиэфирных смол и инициирующих добавок            62

5.2. Переработка полиэфирных смол                                                          64

Литература                                                                                    68

 

Введение

Развитие современного машиностроения невозможно без решения многих проблем в области полимерного материаловедения, играющих роль в обеспечении надежности и долговечности машин и механизмов, приборов и различных устройств.

Существенное снижение материалоемкости производства можно обеспечить за счет массового применения эффективных видов металлопродукции, пластических и других прогрессивных материалов.

Наиболее широкое применение в машиностроении нашли такие крупнотоннажные полимеры, как полиамиды, полиолефины, фенолформальдегидные и эпоксидные смолы. Потенциальные возможности крупнотоннажных полимеров изучены достаточно хорошо, однако реализованы не полностью. Особенно перспективно в качестве связующих композиционных материалов (КМ) конструкционного назначения применение олигомеров низкотемпературного отверждения. При этом наиболее важным является применение ненасыщенных полиэфирных смол (НПЭС), используемых в качестве связующих для стеклопластиков в судостроении, строительстве, машиностроении, в качестве пленкообразующих и компонентов пропиточных и заливочных составов, клеев, замазок, для изготовления товаров народного потребления.

Целью работы являлось изучение структуры и свойств полимеров, модифицированных кремнием. Кремний является дешевым материалом. Кроме того, установлено его уникальное воздействие на воду (происходит активация воды). А активированная кремнием вода оказывает положительное влияние на организм человека, животных [16]. Вот мы и попытались исследовать влияние кремния на структуру и физико-механические свойства материалов. Исследования проводились на полиэтилене низкого давления. Этот материал выбран потому, что он является более технологичным и дешевым, по сравнению с эпоксидными и фенолформальдегидными смолами.

Глава I. Литературный обзор по теме: ’’Композиционные триботехнические материалы на основе сшивающихся смол ’’

Уникальность кремня

Непознанный кремень

Много лет и немало совместных усилий понадобится ученым разных направлений науки для познания кремня – камня, который своими уникальными свойствами положил начало человеческой цивилизации. Не одно тысячелетие длился каменный век, на всем протяжении его кремень оставался непревзойденным материалом для изготовления орудий труда, наконечников для копий и стрел и т.п. Более поздние цивилизации продолжали использовать кремень для производства глазурей, силикатных эмалей, шлифовальных порошков и др. Более четырех столетий кремень исправно служил для поджига пороховых зарядов в пушках и ружьях. Кремневые жернова для помола зерна позволяли получать муку с отменными выпечными и вкусовыми свойствами [16].

В конце 70-х годов XX столетия А.Д.Малярчиков обнаружил, что при естественном воздухообмене, температуре окружающей среды выше +4⁰С, вода при контакте с кремнем приобретает неожиданные свойства и может сохранять их неопределенно долгое время (с кремнем или без него) в закрытом сосуде. Кроме того, при тех же условиях в течение нескольких суток биологически заселенная вода восстанавливает свои питьевые свойства.

Взаимодействие кремня с водой и обнаруженные при этом эффекты

11 Июня 1984 года в сосуд со свежей водопроводной водой был помещен кусочек кремня. Одновременно другой сосуд наполнялся такой же водопроводной водой (контрольной). Сосуды хранились в одной и той же комнате, но были оптически изолированы друг от друга.

Спустя 9 лет после начала эксперимента проведено сравнение качества активированной кремнем воды (АКВ) и контрольной. АКВ продолжает оставаться исключительно прозрачной, не цветет, не имеет запаха, сосуд чистый. Контрольная вода зацвела, протухла, а стенки сосуда покрылись большим количеством водорослей. С помощью универсальной индикаторной бумаги определена кислотность АКВ и контрольной воды. Разницы обнаружено не было, в обоих случаях рН=7.

Научный и практический интерес представляет исследование поведения АКВ в капиллярных системах, в качестве которых выбирались образцы в форме цилиндра высотой 20 мм, изготовленные из одного и того же корня дерева и высушенные в комнатных условиях в течениие8 лет. Пропитывающими жидкостями служили дистиллированная вода, активированная кремнем вода в течение 5 месяцев, и контрольная вода (дистиллированная неактивированная).

Установлено значительное (в 1, 5 – 2, 5 раза) увеличение скорости подъема АКВ по сравнению с неактивированной водой. Первый стример на поверхности образца появился через 4 мин после начала пропитки кремневой водой и только через 10 мин после начала пропитки контрольной водой. Массовое появление стримеров наблюдалось через 7 мин после начала пропитки АКВ и только через 17 мин после начала пропитки контрольной водой, при этом величина электрического сигнала АКВ после его стабилизации в 1, 2 раза превышала аналогичный сигнал контрольной воды.

Проведено сравнение величин коэффициента поверхностного натяжения и косинуса угла смачивания АКВ и контрольной воды.

Найдено, что произведение величины коэффициента поверхностного натяжения на косинус угла смачивания для АКВ и контрольной воды соответственно составляет 0, 11 и 0, 05 Н/м, т.е. измеренные величины отличаются тоже примерно в два раза. Следовательно, эффект подъема активированной кремнем воды можно объяснить влиянием кремня на капиллярно-поверхностные свойства воды.

Глава II. Методы исследования

Метод термического анализа

Термоаналитические методы служат для исследования физических и химических превращений в веществах или системах, протекающих под действием тепла.

Химические или физические процессы, изменение состояния вещества или фазы (плавление, кристаллизация, испарение, горение и т.д.) сопровождается изменением внутреннего теплосодержания системы. Процессы, протекающие с выделением тепла, называются экзотермическими, а с поглощением тепла- эндотермическими. Физико-химические процессы часто сопровождаются изменением массы, которое может быть определено с помощью термогравиметрического метода. [13]

Сущность метода дифференциально-термического анализа (ДТА) заключается в измерении микротоков термопары, помещенной в пробирку, которая нагревает с определенной скоростью.

Термогравиметрия (TG) основана на методе непрерывного взвешивания исследуемого вещества в процессе изменения температуры.

Метод дифференциальной термогравиметрии (ДТG) основан на измерении скорости изменения массы навески исследуемого вещества при данной температуре.

Совмещение методов ДТА, ТG, ДТG позволяет определить направление и величину изменения теплового эффекта реакции (энтальпии), протекающей в веществе под действием температуры, определить характер структурных и фазовых превращений в веществе, определить изменение массы вещества в зависимости от температуры, а также температуры превращений в веществе. Все перечисленные методы совмещены в дериватографе Q-1500.

Принцип действия дериватографа Q-1500:

Дериватограф- комплексное термоаналитическое устройство. Дериватограф Q-1500 позволяет производить измерение температуры (Т), изменение веса (ТG), скорости изменения веса (ДТG) и изменение содержания теплоты (ДТА) исследуемого вещества в зависимости от времени в диапазоне температур от 20 до 1500 С в обычном режиме эксплуатации и до 1000 С для квазиизометрических и изобарных исследований.

В некоторых случаях состав окружающей среды оказывает решающее влияние на кинетику разложения вещества. Поэтому важно установить, какое влияние на процесс разложения оказывает собственная газовая атмосфера, образующаяся при распаде. Для этого процесс разложения вещества проводят в специальном лабиринтном тигле, который препятствует удалению газообразных продуктов, однако сохраняет практически 100% среду продуктов распада. такой режим проведения эксперимента называется квазиизобарныим.

При квазиизотермическом режиме работы в начальной стадии эксперимента температура образца растет с большой скоростью (2-5 С/мин), а затем, начиная с момента распада вещества, поддерживается такая температура, при которой разложение происходит с постоянной, очень малой скоростью.

Прибор Q-1500 состоит из пяти основных блоков:

-блок термовесов;

-сдвоенная печь с рамой;

-шестиканальный регистр с рамой;

-тиристорный блок управления регулировки программ;

-тиристорного блока питания регулирования программ.

Одной из сложных задач кинетики химических процессов является расчет энергии активации, то есть определение избыточного количества энергии, которым должна обладать молекула в момент столкновения, чтобы началась химическая реакция.

Для расчета энергии активации реакции используют методы ДТА, ТG, ДТG.

Энергия активации по кривой ДТА может быть рассчитана из уравнения:

 

LnΔ t = c – E/(RT);                     (1)

где Δ t - изменение температуры, соответствующее глубине пика ДТА при заданной температуре выраженного в мм;

Е - энергия активации кДж/моль, то есть энергия которую нужно сообщить молекуле, чтобы она вступила в реакцию;

R - универсальная газовая постоянная Дж/мольК;

с - константа.

По кривой ТG-анализа энергию активации расчитывают:

Lnm-2 LnT=А-Е/ RT;                     (2)

где m - уменьшение массы вещества, определяется по ТG-кривой, в % или мг;

А -постоянная величина.

Исходя из кривой ДТG-анализа энергию можно вычислить из уравнения:

cV=B-E/RT;                                   (3)

где V - скорость уменьшения массы вещества, мг/мин или мг/ С;

В - константа;

Т - абсолютная температура, К.

Рис.1. Принципиальная схема дериватографа Q-1500

1- керамическая трубка;

2- держатель проб;

3- печь;

4- включатель;

5, 10, 12- усилители;

6- электромагнит;

7- катушка;

8- весы;

9- дифференциальный преобразователь сигнала;

11- регестрирующее устройство.

 

Устройство трибометра.

Структурная схема трибометра содержит испытательный блок и пульт управления, обеспечивающие возможность оценки фрикционных свойств блочных образцов и покрытий в широком диапазоне нагрузок и скоростей.

Испытательный блок включает в себя следующие функциональные узлы:

1. Держатели образцов;

2. Блок датчиков измерения характеристик и параметров трения;

3. Привод вращения нижнего образца;

4. Механизм нагружения образцов.

Указанные узлы монтируются на общей станине. Конструкция испытательного блока обеспечивает надежную виброизоляцию машины при работе в условиях интенсивных динамических нагрузок.

Испытательный блок электрически связан с пультом управления, содержащим:

1. Блок управления скоростью вращения двигателя.

2. Измеритель числа оборотов и скорости вращения вала.

3. Систему измерения силы трения.

4. Систему измерения линейного износа.

5. Аналого-цифровой преобразователь.

6. Блок защиты от перегрузок.

 

Сканирование.

Подготовленный для исследований на САМ образец закрепляют на платформе держателя в аналитическом узле таким образом, что предполагаемый участок сканирования располагается под острием зонда. Платформа устанавливается на направляющие. После чего, осуществляется подвод образца, выбор режима и производится сканирование.

Обработка данных.

В результате экспериментальных исследований были получены САМ-изображения, обработка производится на компьютере с использованием оригинальных программ.

Первичная обработка включает вычисление общей плоскости наклона изображения и фильтрацию шумовых компонентов. Затем методом многократной повторной фильтрации находят длинноволновые составляющие рельефа.

Для полученных изображений производится статистический анализ высот топографии, углов наклона рельефа и ориентационных углов. Кроме того, выполняются профильные сочетания изображений, которые затем обрабатываются по специальной программе для определения параметров шероховатости.

Рентгеноструктурный анализ

Рентгеновские дифрактометры- приборы, использующие ионизационные или инсциляторные методы регистрации дифракционных максимумов. [14]

Современный дифрактометр является сложной установкой, в которой осуществляется фокусировка рентгеновских лучей, отраженных от образца, и измеряется интенсивность дифракционных максимумов с помощью счетчиков. Установка снабжена электронной и интегрирующей схемами и автоматической записью кривых интенсивностей.

В СНГ серийно выпускаются дифрактометры семейства ДРОН (дифрактометр рентгеновский общего назначения) в основе которых используется одна и та же схема фокусировки рентгеновских лучей, названная в честь авторов - фокусировка по Брэггу-Брентано.

Дифракционная картина регистрируется последовательно по мере вращения образца и счетчика. Поэтому необходимо, чтобы интенсивность излучения рентгеновской трубки была постоянной, а геометрическая съемка должна быть фокусирующей при сравнительно больших размерах образца.

Дифрактометры семейства ДРОН состоят из источника высокого напряжения, на котором обычно располагается оперативный стол с реализацией той или иной схемы фокусировки, которая включает рентгеновскую трубку, счетчик рентгеновских квантов. В отдельных стойках (или стойке, в зависимости от модели) размещаются блоки линейного усилителя, дифференциального дискриминатора, пересчетного устройства, его секундомера, устройство вывода информации, дифропечатающего устройства, самопишущего прибора, которые обеспечивают функционирование и возможность реализации той или иной задачи.

РТ- рентгеновская трубка,

Д- детектор,

РГ- регестрирующее устройство,

БФИ- блок формирования импульса,

ПС- пересчетная схема,

ИСПИ- измеритель скорости подачи импульсов,

ЭПП- электронный пишущий потенциометр,

ВУ- высоковольтное устройство,

О- образец.

Рис.3 Принципиальная схема дифрактометра

 

 

 

Термообработ-ки