Исследование механических и триботехнических свойств композитов на основе двух и трех компонентных смесей СВМПЭ, фторопласта и неорганических частиц и волокон

Исследованы многокомпонентные композиты на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), армированные короткими углеродными волокнами (УВ) и наполненные твердосмазочными частицами мелкодисперсного политетрафторэтилена. Показано, что при умеренных скорости скольжения (V=0,3 м/с) и нагрузке (P=60 Н) рациональным составом композита для обеспечения максимального сопротивления изнашиванию при сухом трении скольжения является “СВМПЭ+5 вес.% флуралита+5 вес. % УВ” (износостойкость повышается вдвое). В жестких условиях трибоиспытаний (P=140 Н?V=0,5 м/с) двукратное увеличение износостойкости показывает композит “СВМПЭ+5 вес. % флуралита+10 вес. % УВ”. В работе обсуждаются механизмы изнашивания многокомпонентных композитов на основе СВМПЭ.

ВВЕДЕНИЕ 8
Глава 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10
1.1 Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) 10
1.1.1 Общие закономерности трения и износа полимеров. Закон 14
трения Кулона
1.1.2 Роль поверхности контакта трущихся тел 15
1.1.3 Виды и механизмы изнашивания полимеров и материалов на 16
их основе
1.1.4 Влияние температуры на механические свойства и 20
износостойкость СВМПЭ
1.2 Наполнители 24
1.2.1 Политетрафторэтилен (ПТФЭ) 24
1.2.2 Углеродные волокна 30
Глава 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ» 39
2.1 Материалы исследований 39
2.2 Методики исследований 40
Глава 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 45
3.1 Композиты на основе СВМПЭ, наполненные 45
мелкодисперсными частицами 5 % ПТФЭ (марки
«Флуралит»), 10 % ПТФЭ, 20 % ПТФЭ
3.1.1 Механические свойства, структура 45
3.1.2 Триботехнические характеристики, упругое восстановление 48
3.2 Сравнение 5 вес.% Ф-4ПН20 и 5 вес.% Ф-4 «Флуралит» 52
3.3 Al203 +5 вес.% Ф-4ПН20 «неорганические частицы» 54
3.4 Композиты на основе СВМПЭ, наполненные 5% короткими 56
углеродными волокнами (КУВ), 10 % КУВ, 20 % КУВ +5
вес.% ПТФЭ (марки «Флуралит»)
3.4.1 Механические свойства, структура 56
3.4.2 Триботехнические характеристики, упругое восстановление 59
3.5 Композиты на основе СВМПЭ, наполненные 10 % (КУВ) + 5 65
% ПТФЭ (марки «Флуралит»)+10% HDPE –g– SMA
3.5.1 Механические свойства, структура 65
3.5.2 Триботехнические характеристики, упругое восстановление 68
Раздел «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и 71
Глава 4
ресурсосбережение»
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования 72
4.2 Разработка устава НИР 73
4.2.1 Цели и результаты проекта 73
4.2.2 Организационная структура проекта 74
4.2.3 Ограничения и допущения проекта 75
4.3 Планирование и график НИР 76
4.3.1 Иерархическая структура работы 76
4.3.2 Календарный план проекта 77
4.4 Составление сметы затрат 79
4.4.1 Затраты на амортизацию оборудования 79
4.4.2 Затраты на основные и вспомогательные материалы 80
4.4.3 Затраты на заработную плату 81
4.4.4 Отчисления на социальные нужды 82
4.4.5 Затраты на электроэнергию 82
4.4.6 Смета затрат на НИР 83
Глава 5 Раздел «Социальная ответственность» 85
Введение 87
5.1 Производственная безопасность 88
Анализ вредных и опасных факторов, возникающих при 88
5.1.1
исследовании полимерных материалов
5.1.1.1 Освещенность 89
5.1.1.2 Зрительное напряжение 93
5.1.1.3 Шум и вибрация 94
5.1.1.4 Факторы электрической природы 96
5.2 Экологическая безопасность 98
5.3 Безопасность при возникновении ЧС 99
5.3.1 Факторы пожарной и взрывной природы 100
Правовые и организационные вопросы обеспечения 102
5.4
безопасности
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 105

Одновременное введение двух микронаполнителей (твердосмазочного и
армирующего) в сверхвысокомолекулярную матрицу позволяет одновременно
обеспечить повышение механических характеристик (модуль упругости, предел
текучести, твердость) и износостойкости трехкомпонентных композитов на
основе СВМПЭ в различных условиях (трибо)нагружения.
При умеренных скорости и нагрузке (P=60 Н×V=0,3 м/с) оптимальным
составом композита для антифрикционных приложений следует считать
«СВМПЭ+5 вес.% флуралита+5 вес. % УВ», поскольку сформированная
структура и отклик поверхности изнашивания на триботехническое нагружение
(за счет формирования пленки переноса) позволяют повысить сопротивление
изнашиванию вдвое. В наиболее жестких условиях трибоиспытаний
(P=140Н×V=0,5 м/с) двукратное увеличение износостойкости показывает
композит «СВМПЭ+ 5 вес. % флуралита + 10 вес. % УВ». Это обусловлено
армирующим действием коротких углеродных микроволокон, которые в
условиях повышенных температур, вызванных фрикционным нагревом,
стимулирующих подплавление и пластификацию поверхностного слоя
трибоконтакта, позволяют лучше защитить поверхность трения от
комбинированного воздействия сжимающих и сдвигающих нагрузок,
передаваемых от стального контртела. К данному композиту «СВМПЭ+ 5 вес. %
флуралита + 10 вес. % УВ» близок по значению износостойкости композит с
добавлением 10 вес. % HDPE-g-SMA, а при высокой скорости (0,5 м/с) даже
показывает результат лучше, однако в связи с не образовавшейся адгезии между
компонентами улучшение прочностных свойств не произошло. Исходя из этого,
имеет смысл обратить внимание на иные методы для создания взаимосвязей на
границах матрица-наполнитель.

1.Клайн Г. (ред.) Аналитическая химия полимеров. Том 1. –М.:
Издательство иностранной литературы. –1963. –592 с.
2.Бортников В.Г. Основы технологии переработки пластических масс:
Учебное пособие для вузов. –Л.: Химия, 1983. –304 с., ил.
3.Lin L. Argon A.S. Review structure and plastic deformation of
polyethylene// Journal of materials science 29. –1994. P. 294-323.
4.Бобович Б.Б. Полимерные конструкционные материалы (структура,
свойства, применение): ученое пособие / Бобович Б.Б. – М.: ФОРУМ: ИНФА-М,
2014. –400 с. –(Высшее образование. Бакалавриат).
5.Panin S.V., Shilko S.V., Kornienko L.A., Chernous D.A., Aleksenko
V.O., et al.Biomechanical Properties of Dispersep Article Reinforced Polymer
Composites on Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE). MOJ App Bio
Biomech, 2017, 1(5): 00030. DOI: 10.15406/mojabb.2017.01.00030.
6.Гоголева О.В., Охлопкова А.А., Петрова П.Н. Износостойкие
композиционные материалы на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена
для эксплуатации в экстремальных условиях // Материаловедение. – 2011. – № 9.
– С.10–13.
7.Бартенев Г.М., Зеленев Ю.В. Физика и механика полимеров: Ученое
пособие для втузов. – М.: Высш. Школа, 1983 –391 с., ил.
8.Белый В.А., Свириденок А.И., Петроковец М.И., Савкин В.Г. Трение
и износ материалов на основе полимеров. Минск, «Наука и техника», 1976, 432
с.
9.Машков Ю.К. Трибология конструкционных материалов: Учеб.
пособие. –Омск: Изд-во ОмГТУ, 1996. – 302 с.
10. Бартенев Г.М., Лаврентьев В.В. Трение и износ полимеров. – М.: Хи-
мия, 1972. – 240 с.
11. Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трение, смазка, износ. Физические
основы и технические приложения трибологии. –М.: ФИЗМАТЛИТ. –2007. –368
с. –ISBN 978-5-9221-0824-9.
12. Juan-Carlos Baena, Zhongxiao Peng Mechanical and tribological
performance of UHMWPE influenced by temperature change // Polymer Testing 62. –
2017. P. 102-109.
13. Машков Ю.К., Овчар З.Н., Суриков В.И., Калистратова Л.Ф.
Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная
модификация. М.: Машиностроение, 2005. 240 с.: ил.
14. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные
композиты. –Спб.: Научные основы и технологии. –2009. –380 с.
15. Машков Ю.К. Трибофизика: учеб. Пособие / Ю.К. Машков, О.В.
Малий; Минобр-науки России, ОмГТУ. –Омск.: Изд-во ОмГТУ. –2015. –256 с.:
ил. ISBN 978-5-8149-2011-9.
16. Панин С.В., Корниенко Л.А., Нгуен Суан Т. и др. Износостойкость
композитовнагибриднойматрицеСВМПЭ-ПТФЭ:механическиеи
триботехнические свойства матрицы // Трение и износ. – 2015. – Т. 36, № 3. – С.
244-251.
17. Qiufeng Wang, Hongling Wang, Na Fan, Yunxia Wang, Fengyuan Yan,
Combined effect of fibers and PTFE nanoparticles on improving the fretting wear
resistance of UHMWPE- matrix composites // Tribology International. – 2016. V. 104,
P. 73-82.
18. Баженов C.Л. Механика и технология композиционных материалов:
Научное издание / С.Л. Баженов – Долгопрудный: Издательский Дом
«Интелект», 2014 – 328 с.
19. Фитцер Э., Дифендорф Р., Калнин И., Ягер Х. Углеродные волокна и
углекомпозиты: Пер. с англ./Под ред. Э. Фитцера. – М.: Мир, 1988. – 336 с.: ил.
20. Panin S.V., Kornienko L.A., Aleksenko V.O., Ivanova L.R., Shilko S.V.,
Buslovich D.G. Comparison of effectiveness of carbon nano- and microfibers for
formation of physical-mechanicaland tribolotechnical parameters of polymer
composites based on high molecular weight matrix // Известия вузов. Химия и
химическая технология. – 2016 (59), вып.9, с. 99-106
21. Ибатуллина А.Р. Обзор производителей и сравнение свойств
сверхпрочных высокомодульных волокон //Вестник КНИТУ. –2014.-Т.17, №19,
-С. 136-139.
22. БобовичБ.Б.Неметаллическиеконструкционныематериалы:
учебное пособие. –М.: МГИУ. –2009. –384 с.
23. Lancaster J.K. The effect of carbon fibre reinforcement on the friction and
wear of polymers // BRIT. J. APPL. PHYS. (J. PHYS. D), 1968, SER. 2, V.1.
24. Hari Shankar Vadivel, Arash Golchin, Nazanin Emami Tribological
behaviour of carbon filled hybrid UHMWPE composites in water // Tribology
International 124. – 2018. P. 169-177.
25. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров. – М.: Химия,
1969.
26. Chukov D.I., Stepashkin A.A., Maksimkin A.V. Investigation of
structure, mechanical and tribological properties of short carbon fiber reinforced
UHMWPE-matrix composites // Composites Part B: Engineering. – 2015. – V.76, P.
79-88.
27. Shangguan Qian-qian, Cheng Xian-hua Friction and wear of rare earths
modified carbon fibers filled PTFE composite under dry sliding condition // Applied
Surface Science 253. – 2007. 9000-9006.
28. Бузник В.М., Тришин М.В., Вопилов Ю.Е. и др. Особенности
строенияпорошковойформыполитетрафторэтиленамарки
«Флуралит»//Перспективные материалы. -2010,№1.
29. Панин С.В., Корниенко Л.А., Алексенко В.О., Буслович Д.Г.. Донцов
Ю.В.Экструдируемыеполимер-полимерныекомпозитынаоснове
сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ)//Сборка в машиностроении,
приборостроении.- 2018,- Т. 19, №1, – С.16-23.
30. Финансовыйменеджмент,ресурсоэффективностьи
ресурсосбережение: учебно-методическое пособие / Н.А. Гаврикова, Л.Р.
Тухватулина, И.Г. Видяев, Г.Н. Серикова, Н.В. Шаповалова; Томский
политехнический университет. − Томск: Изд-во Томского политехнического
университета, 2014. – 73 с.
31. ГОСТ 12.0.003-2015 Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Опасные и вредные производственные факторы. Классификация
32. СанПиН2.2.1/2.1.1.1278-03.Гигиеническиетребованияк
естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и
общественных зданий
33. СП 52.13330.2011 Естественное и искусственное освещение.
Актуализированная редакция СНиП 23-05-95*
34. ГОСТ 12.4.154-85 “ССБТ. Устройства экранирующие для защиты от
электрических полей промышленной частоты”
35. СанПиН2.2.2/2.4.1340–03.Гигиеническиетребованияк
персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы.
36. ГОСТ 12.1.003-83 Система стандартов безопасности труда (ССБТ).
Шум. Общие требования безопасности (с Изменением N 1)
37. ГОСТ 12.1.001 – 89 “ССБТ. Ультразвук. Общие требования
безопасности”
38. ГН 2.2.4/2.1.8.582-96 “Гигиенические требования при работах с
источникамивоздушногоиконтактногоультразвукапромышленного,
медицинского и бытового назначения”
39. СН2.2.4-2.1.8.566Производственнаявибрация,вибрацияв
помещениях жилых и общественных зданий. Санитарные нормы
40. ГОСТ26568-85Вибрация.Методыисредствазащиты.
Классификация (с Изменением N 1)
41. ГОСТ12.1.038-82ССБТ.Электробезопасность.Предельно
допустимые значения напряжений прикосновения и токов.
42. ГОСТ Р 12.1.019-2009. Электробезопасность. Общие требования и
номенклатура видов защиты.
43. ГОСТ 12.1.030-81. Электробезопасность. Защитное заземление.
Зануление.
44. СНиП 2.01.02-85. Противопожарные нормы.
45. НПБ 105-03. Определение категорий помещений, зданий и
наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности.
46. ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общие требования.
47. ГОСТ 12.2.037-78. Техника пожарная. Требования безопасности
48. ГОСТ 30775-2001 Ресурсосбережение. Обращение с отходами.
Классификация, идентификация и кодирование отходов.
49. Трейман М. Г. Полиэтилен как отход: химические свойства, состав,
способы переработки и утилизации // Молодой ученый. — 2010. — №1-2. Т. 1.
— С. 144-146.
50. ЛотошВ.Е.Переработкаотходовприродопользования.
Екатеринбург, Издательство УрГУПС, 2002.