Введение к работе
Актуальность работы. На сегодняшний день создание нанокомпозитов на основе слоистых силикатов – одна из наиболее бурно развивающихся областей науки о материалах. Такой высокий интерес вызван способностью слоистых силикатов к эксфолиации, т.е. расслоению на отдельные алюмосиликатные слои с толщиной порядка нескольких нанометров, равномерно распределенных в полимерной матрице.
Одним из перспективных термопластичных полимеров, выбираемых в качестве матрицы при создании триботехнических материалов, является сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), обладающий оптимальными деформационно-прочностными свойствами, низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью, химической стойкостью к агрессивным средам. Однако, в отличие от нанокомпозитов на основе полярных полимерных матриц, в случае неполярного СВМПЭ не происходит значительных изменений эксплуатационных характеристик при наполнении силикатами. Причиной этого является недостаточная совместимость неполярных полимеров со слоистыми силикатами и трудностью реализации высокой степени эксфолиации слоистых силикатов в полиолефиновой матрице.
Поиск путей формирования эксфолиированных систем на основе СВМПЭ и слоистых силикатов является актуальной задачей. Разработка технологических приемов, способствующих усилению межфазного взаимодействия в гетерогенной системе и направленной трансформации структуры композита, является эффективным подходом для расширения номенклатуры ПКМ и улучшения служебных свойств.
Степень разработанности темы исследования. Проблеме модифицирования слоистых силикатов ПАВ в последнее время уделяется большое внимание. В большинстве работ (Слепцова С.А., Навроцкий А.В., Демиденок К.В. и др.) модифицирование слоистых силикатов проводилось обработкой раствором ПАВ. Однако подобный способ обладает рядом недостатков: сложная технологическая схема; большой объем растворителя; необходимость дополнительного измельчения слоистого силиката после обработки ПАВ; возможность эффективной обработки силикатов, только при наличии катионов обмена в межслоевом пространстве.
Цель работы - создание нанокомпозитов с эксфолиированными в объеме СВМПЭ слоистыми силикатами путем модификации поверхности силикатов и установление влияния технологических, рецептурных и структурных факторов на межфазные взаимодействия наполнителя и полимера и свойства композитов.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
-
Разработка технологии модифицирования поверхности слоистых силикатов, для получения нанокомпозитов на основе СВМПЭ с эксфолиированными в его объеме слоями силиката.
-
Установление связи между методами модифицирования поверхности наполнителя и деформационно-прочностными и триботехническими характеристиками ПКМ на основе СВМПЭ, наполненного слоистыми силикатами.
-
Исследование влияния метода модифицирования поверхности слоистых силикатов и их структуры на процессы структурообразования в объеме и поверхностях трения ПКМ.
-
Исследование особенностей изнашивания СВМПЭ, наполненного модифицированными силикатами.
-
Исследование влияния модифицированных слоистых силикатов на термодинамические характеристики ПКМ.
-
Оптимизация технологии создания ПКМ на основе СВМПЭ с высокими триботех-ническими показателями.
Научная новизна.
1. Показано, что обработка поверхности слоистых силикатов поверхностно-
активным веществом без использования жидкой фазы путем механохимической акти
вации приводит к усилению адгезионного взаимодействия полимерной матрицы и на
полнителя. Установлено, что при наполнении СВМПЭ модифицированным силикатом
образуются новые формы организации надмолекулярной структуры, отличные от ис
ходного полимера и ПКМ, полученных стандартными методами. Показано уменьшение
размеров элементов надмолекулярной структуры ПКМ, увеличение плотности их упа
ковки, что свидетельствует об интенсификации процессов зародышеобразования и кри
сталлизации СВМПЭ при введении модифицированных силикатов.
2. Установлена возможность управления структурой, деформационно-
прочностными и триботехническими характеристиками ПКМ путем варьирования со
держания слоистых силикатов в объеме полимера и способов их модифицирования с
целью получения композитов с повышенными эксплуатационными характеристиками.
3. Впервые установлена возможность создания нанокомпозитов с эксфолиирован-
ными в объеме СВМПЭ слоистыми силикатами путем их совместной механической ак
тивации с поверхностно-активными веществами (ПАВ), что подтверждено методами
просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), атомно-силовой микроскопии,
рентгеноструктурного анализа (РСА), дифференциального термогравиметрического
анализа (ДТА). Установлено, что композиты с эксфолиированными наполнителями об-
ладают способностью приспосабливаться к условиям трения за счет образования вторичных лабильных структур на поверхностях трения ПКМ.
4. Установлены закономерности изнашивания СВМПЭ, модифицированного силикатами, базирующиеся на снижении интенсивности трибоокислительных процессов при трении за счет участия функциональных добавок (ПАВ и компатибилизаторов) в их ин-гибировании. Показано, что при использовании модифицированных ПАВ силикатов в качестве наполнителей СВМПЭ образуются вторичные лабильные структуры, снижающие интенсивность процессов трибодеструкции.
Методы, методология и достоверность полученных результатов. Научная методология исследований заключается в использовании системного подхода к изучаемой проблеме и комплексном рассмотрении взаимосвязи технологии переработки, состава, структурных, физико-механических и триботехнических свойств ПКМ. На основе парадигмы современной науки о материалах, проводится анализ и установление зависимости между технологией, составом, структурой и свойствами ПКМ.
Инфракрасные спектры получали на ИК-Фурье степ-скан-спектрометре FTS 7000 Varian (США), с использованием приставки НПВО. Рентгеноструктурный анализ проводили на рентгеновском порошковом дифрактометре ARL X’Tra фирмы Thermo Fisher Scientific (Швейцария) с длиной волны рентгеновского излучения 1,54056 . Первичную обработку данных проводили по программе WinXRD, количественный анализ методом Ритвельда по программе Siroquant. Степень кристалличности определяли по программе Crystallinity. Надмолекулярную структуру ПКМ исследовали на сканирующем электронном микроскопе JSM-6480 LV и JSM-7800F (JEOL, Япония), идентификацию эксфолиации силикатов в объеме полимера проводили с использованием атомно-силовой микроскопии (NTEGRА-PRIMA, Россия), просвечивающей электронной микроскопии (CM200, Philips) и дифференциального термогравиметрического анализа на приборе STA 449С Jupiter (NETZSCH, Германия) в ИГАБМ СО РАН (образцы нагревали со скоростью нагрева 10К/мин в инертной среде аргона от 30С до 1000С). Термодинамические характеристики композитов исследовали на дифференциально-сканирующем калориметре «Netzsch 204 F1 Phoenix» (погрешность не более 0,1%).
Достоверность результатов и выводов обеспечена не противоречащими между собой экспериментальными данными, полученными различными методами исследования с использованием сертифицированного оборудования. Полученные закономерности не противоречат данным, описанным в работах российских и зарубежных исследователей.
Теоретическая и практическая значимость полученных результатов. Разработаны технологические приемы поверхностного модифицирования слоистых силикатов, базирующиеся на их механической активации совместно с ПАВ и использовании ком-
патибилизаторов, обеспечивающее полную эксфолиацию силикатов в СВМПЭ и улучшение деформационно-прочностных и триботехнических свойств. Разработаны новые составы материалов конструкционного назначения на основе СВМПЭ и модифицированных слоистых силикатов с улучшенными физико-механическими и триботехниче-скими характеристиками для эксплуатации в экстремальных условиях: высоких нагрузках и скоростях скольжения, агрессивных средах, низких температурах. Материалы внедрены в качестве подшипников для узлов трения ограночных станков ООО «Якутская алмазная компания». Опытные испытания самосмазывающихся материалов на основе СВМПЭ в реальных условиях работы станков при огранке природных алмазов показала повышение производительности оборудования на 40% за счет повышения износостойкости и прочности подшипников из разработанных материалов. Разработанные материалы внедрены в качестве подшипников рабочего колеса ВВУ Якутской ГРЭС ОАО «Якутскэнерго» и подшипников скольжения конвейерной линии ОАО «ДСК». Использование разработанных материалов позволило увеличить ресурс работы, уменьшить эксплуатационные затраты и издержки на время простоев.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Технологии модифицирования поверхности слоистых силикатов, базирующиеся на механоактивации наполнителя в присутствии поверхностно-активных веществ и использовании компатибилизаторов.
-
Закономерности формирования структуры ПКМ в зависимости от химической природы, концентрации и методов модифицирования поверхности частиц слоистых силикатов и их влияния на свойства триботехнических полимерных материалов.
-
Новые рецептуры полимерных композиционных материалов триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и природных слоистых силикатов с повышенными физико-механическими и триботехническими характеристиками.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих межд. конференциях и симпозиумах: «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике» (г. Санкт-Петербург, 2012); «МИКМУС-2011» (г. Москва); «Поликомтриб-2013; 2015» (г. Гомель); «Наука. Инновации. Техника и технологии: проблемы, достижения и перспективы» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2015); «Полифункциональные химические материалы и технологии» (г. Томск, 2015); молодежном науч. форуме «ЛОМОНОСОВ-2011, 2012» (г. Москва); форуме научной молодежи «ЭРЭЛ-2012» (г. Якутск). Кроме того, основные результаты работы доложены на следующих всероссийских конференциях: «Проблемы и перспективы управления энергетическими комплексами и сложны-6
ми техническими системами в Арктических регионах» (г. Якутск, 2012); «Живые системы и конструкционные материалы в условиях криолитозоны» (г. Якутск, 2011); «Высокие технологии в современной науке и технике» (г. Томск, 2013).
Личный вклад автора: Автор лично участвовал в постановке задач, планировании экспериментов, получении, обработке и анализе экспериментальных данных, систематизации и интерпретации результатов, формулировке научных положений и выводов, написании статей и тезисов докладов.
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, 1 статья в журнале, индексируемом в базе Web of Science и 16 тезисов и докладов в сборниках материалов российских и международных конференций.
Связь работы с крупными научными программами: работа выполнена при фи
нансовой поддержке по следующим научно-исследовательским программам: ФЦП
"Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 – 2011 го
ды"; РФФИ 09-03-98504-р_восток_а «Разработка самоорганизующихся полимерных на-
нокомпозитов на основе природного минерального сырья», 2009-2011 гг., Госзадание
Минобрнауки РФ в сфере научной деятельности в рамках проектной части
№ 11.512.2014/К, проект «Разработка технологий создания структурированных компо
зитов с адаптивными к условиям эксплуатации свойствами» на 2014-2016 гг,; междуна
родный проект, поддержанный Национальным фондом Республики Кореи
№ 2014048348 «Study on Nano-ceramic-polymer composite for low temperature
applications» на 2014-2016 гг.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 177 наименований. Работа изложена на 153 страницах и включает 44 рисунка, 15 таблиц, 3 приложения.