Введение к работе
Актуальность проблемы. Энергетические параметры, надежность и долговечность оборудования, машин и механизмов во многом определяются качеством и эксплуатационными характеристиками так называемых узлов или элементов трения: подшипников, направляющих и т.д. Трение сопровождается энергетическими потерями и износом трущихся поверхностей. Большинство машин (85-90%) выходят из строя по причине износа деталей. Энергетические потери на трение лучших образцов оборудования составляют 30-35%, а для сложного технологического оборудования - до 80-85%. Затраты на мероприятия по предотвращению преждевременного износа исчисляются в развитых странах миллиардами долларов, евро, рублей и т.д. Все это говорит об актуальности продолжения научных исследований и разработок, связанных с совершенствованием узлов трения и антифрикционных материалов. Энергетические потери в подшипниковых узлах напрямую определяют коэффициент трения применяемых материалов, особенно актуально это для подшипников скольжения. Последние весьма распространены и часто работают в условиях недостатка смазки, без смазки, в абразивных и агрессивных средах. В таких условиях хорошо зарекомендовали себя подшипники скольжения из полимерных антифрикционных материалов, например, полиамидные подшипники, обладающие уникальным комплексом физико-механических и антифрикционных свойств. Однако процесс совершенствования полимерных антифрикционных материалов далеко не окончен. Это, в первую очередь, относится к узлам трения, работающим в условиях недостатка смазки, без смазки, в воде, водных растворах, повышенной влажности, абразивных и агрессивных средах, других сложных условиях.
Другой проблемой узлов трения является относительно высокая стоимость применяемых материалов. При многочисленности таких узлов их удешевление приносит весьма значительный экономический эффект. Одним из путей такого удешевления является использование в технологии антифрикционных материалов продуктов, полученных из отходов производства и вторичного сырья. В этом случае одновременно решается экологическая проблема отходов производства.
Все вышеперечисленное свидетельствует об актуальности темы исследования – разработка составов, изучение структуры и свойств антифрикционных композиционных материалов с добавками из термически и электрохимически модифицированного гидролизного лигнина – многотоннажного отхода.
Цель работы – разработка технологии подготовки дисперсных добавок из продуктов термически и электрохимически модифицированного лигнина, составов антифрикционных композитов материалов с этими добавками, обладающих улучшенными физико-химическими и антифрикционными свойствами, изучение структуры и свойств разработанных композитов.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
– исследование возможности использования продуктов термического и электрохимического модифицирования гидролизного лигнина в качестве добавок в антифрикционные композиты с полиамидной матрицей;
– исследование влияния природы, дисперсности и структуры добавок из продуктов термического и электрохимического модифицирования гидролизного лигнина, технологических факторов на их маслопоглощение;
– исследование влияния составов композитов и дисперсности добавок на триботехнические характеристики композитов, их физико-химические и механические свойства, характер взаимодействия компонентов композитов;
– исследование структуры, свойств и характеристик разработанных композитов;
– разработка рекомендаций по технологии получения дисперсных добавок из продуктов термически и электрохимически модифицированного лигнина, пропитке их пластификаторами, выбору составов композитов.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
– показана возможность использования продуктов модифицирования гидролизного лигнина: искусственного графита, бисульфата графита и терморасширенного графита, полученных путем последовательного модифицирования гидролизного лигнина, в качестве добавок в антифрикционные композиты с полиамидной матрицей;
– установлено, что искусственный графит и бисульфат графита из лигнина являются эффективными антифрикционными добавками, а терморасширенный графит из лигнина является лучшей антифрикционной добавкой, служит эффективным аккумулятором масляных пластификаторов, обеспечивает низкий и стабильный коэффициент трения композитов по стали в широком диапазоне содержания пластификатора, повышает нагрузочную способность композитов;
– установлены зависимости свойств и триботехнических характеристик антифрикционных композитов с полиамидной матрицей и добавками из термически и электрохимически модифицированного гидролизного лигнина от состава композитов; зависимости маслопоглощения добавок от их дисперсности и температуры пропитки;
– установлены закономерности водопоглощения разработанных композитов, рассчитаны характеристики этого процесса, показано, что водопоглощение в исследованных композитах носит диффузионный характер, определены константы скорости водопоглощения и их зависимости от температуры, а также энергии активации этого процесса;
– получены новые данные о трибологических, физико-химических и физико-механических свойствах добавок из термически и электрохимически модифицированного лигнина и антифрикционных композитов с полиамидной матрицей и этими добавками.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
– предложена технология подготовки добавок из термически и электрохимически модифицированного гидролизного лигнина для антифрикционных композитов с полиамидной матрицей, даны рекомендации по выбору дисперсности порошков и параметров пропитки добавок маслом для использования в антифрикционных композитах;
– разработаны оптимальные составы композитов с добавками из термически и электрохимически модифицированного лигнина;
– снижено водопоглощение разработанных композитов на 30-52% по отношению к «маслянитам», соответственно, снижены набухание и изменение размеров разработанных композитов при работе в воде и среде с повышенной влажностью.
Материалы диссертации внедрены в опытное производство НПК «Триболог», используются в учебном процессе для студентов химико-технологических и экологических специальностей.
Достоверность и обоснованность научных положений и полученных результатов базируются на применении комплекса современных независимых химических, физико-химических и физических методов исследований, методов физического моделирования, математического планирования экспериментов и обработки их результатов, на применении современного научно-исследовательского оборудования, метрологического обеспечения экспериментов. Достоверность полученных результатов подтверждена достаточным объемом выполненных экспериментов, совпадением теоретических и экспериментальных результатов.
Публикации и апробация работы. По теме исследований опубликовано 9 работ, в том числе 2 статьи в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VIII Международной научно-практической конференции «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике», г. Новочеркасск, 2009, Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологии», г. Тула, 2009; 10-й Международной конференции «Актуальные проблемы современной науки», г. Самара, 2009; Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества «Эврика-2009», г. Новочеркасск, 2009, Международной научно-практической кластер-конференции «Модернизация индустрии рекреации, санаторно-курортного дела и туризма», г. Геленджик, 2010; Региональной научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Весна-2010», г. Новочеркасск, 2010 ежегодных вузовских научных конференциях и семинарах.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложений.
