Введение к работе
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, обеспечиваювде активацию материалов и высокий уровень эксплуатационных характеристик ПКМ. Во многих случаях процессы получения ПКМ и эксплуатации изделий из них осуществляются в условиях фрикционных воздействий и сопровождаются деформационными- и злектрофизическими 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 большие 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 темы 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.ОІд) 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-ризации 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.
О&ьект 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 повьааення 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-дяризационного 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 и 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 антифрикционности 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 интентенсивность 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 алмазообрабатывэощего 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 0П13-0260220-05-89 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 грибоэлектретного 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 грибоэлектретного 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 IKM [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 [12, 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 "ISE7" (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.
