Optimization of Mechanical Activation Modes for UHMWPE Dry Mixed Powders and Nanomodificators in the Planetary Ball Mill Pulverisette 7

Texto integral

Введение

В настоящее время в различных областях техники бронза, чугун и другие металлы антифрикционного назначения заменяются полимерными композитами, обеспечивающими существенно больший ресурс трибосопряжений¹ [1]. Актуальность задачи повышения их ресурса обусловлена тем, что выход из строя даже одного из многочисленных узлов трения вызывает остановку машины и, как следствие, технологической системы, что приводит к значительным экономическим потерям.

«Перспективным антифрикционным полимером является сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Он обладает высокой ударной вязкостью, влаго- и маслостойкостью, низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью. К недостаткам следует отнести хладотекучесть и относительно невысокие значения упруго-прочностных характеристик, что ограничивает его применение в высоконагруженных узлах трибосопряжений» [1].

«Одним из резервов повышения качества полимерных материалов является применение нанотехнологических подходов» [2]. Применительно к проблеме упрочнения СВМПЭ приоритетным направлением является его модификация нанодисперсными частицами, которые по размеру значительно меньше частиц полимера. В связи с трудоемкостью равномерного диспергирования наноразмерных порошков в высоковязком полимерном объеме из-за сильной тенденции к агрегации смешение их с порошком СВМПЭ проводят, как правило, в планетарно-шаровых мельницах [2–4].

Основной задачей проводимых в настоящее время многочисленных исследований является подбор наиболее эффективных модификаторов, их оптимального содержания в нанокомпозитах СВМПЭ, а также оптимальных режимов совместной обработки СВМПЭ и наномодификаторов в планетарно-шаровых мельницах.

Целью настоящей работы является определение оптимальных удельных энергозатрат на механоактивацию сухосмешанных порошков СВМПЭ и наномодификаторов в планетарно-шаровой мельнице Pulverisette 7, обеспечивающих достижение лучшего комплекса физико-механических и реологических характеристик нанокомпозитов СВМПЭ.

Обзор литературы

Проведены детальные исследования структуры исходного и механоактивированного в планетарной шаровой мельнице MP/0,5×4 порошка СВМПЭ (фирма Ticona, молекулярная масса 2–7 млн г/моль) с использованием электронного микроскопа, рентгеновского дифрактометра XRD-6000 и ИК-спектрометра [4]. Установлено, что «механоактивация приводит к изменению формы и увеличению эффективной поверхности частиц связующего, разрыву и последующей сшивке углеводородных цепей С–О группами; имеет место уменьшение размера кристаллитов и, соответственно, изменение характера укладки углеводородных цепей в полимере (от частично фибриллярного к ламеллярному); наблюдается измельчение и более плотная упаковка структурных элементов полимера, что способствует повышению его триботехнических и деформационно-прочностных характеристик (износостойкость, плотность, модуль упругости, предел текучести, твердость), в частности, росту износостойкости в 4 раза; оптимальное время активации исходных порошков СВМПЭ составляет 20 мин (при более длительной активации перечисленные характеристики не улучшаются)» [4].

Изучены изменения СВМПЭ, происходящие в результате обработки в аттриторной мельнице в течение 8 часов при варьировании скорости вращения в диапазоне 200–600 об/мин [5]. Установлено, что при увеличении скорости вращения происходит морфологическое изменение структуры СВМПЭ.

Исследовано механическое измельчение порошка СВМПЭ в различных планетарно-шаровых мельницах [6]. Обработка выполнялась в мельнице SPEX CertiPrep в течение 1, 4, 8 и 16 часов; в мельнице Pulverisette 6 – при скорости вращения 400 об/мин в течение 1, 2, 4, 8, 16 и 24 часов; в аттриторной мельнице 01-HD (Union Process) – при скорости вращения 500 об/мин в течение 5, 8, 10 и 15 часов. Установлено, что интенсивность структурных изменений в СВМПЭ зависит от интенсивности напряжений сдвига и длительности обработки. Более значимые фазовые превращения достигнуты в аттриторной мельнице.

Изучено влияние многостенных углеродных нанотрубок «Таунит» (МУНТ) в концентрации 2 % на структуру нанокомпозитов СВМПЭ [7]. Изготовление образцов осуществлялось совместной обработкой порошков СВМПЭ и МУНТ в мельнице АПФ-3 с последующим их термопрессованием. Использован следующий режим работы: частота вращения 400 об/мин, время обработки 3 мин, пауза 3 мин. Установлено, что такая обработка распределяет МУНТ только по поверхности частиц полимера и распределение не является однородным из-за агломерации наночастиц.

Для сравнительной оценки вклада углеродных нановолокон (УНВ) и углеродных нанотрубок УНТ исследованы механические и триботехнические характеристики нанокомпозитов СВМПЭ и полиэфирэфиркетона (ПЭЭК). «Перемешивание порошков СВМПЭ, ПЭЭК и наполнителей в концентрациях 1 масс. % проводилось в мельнице МР/0,5×4 с предварительным диспергированием взвеси компонентов в этиловом спирте в ультразвуковой ванне. Установлено, что износостойкость композитов возрастает в 2 раза при сухом трении скольжения» [8].

В другом исследовании МУНТ в концентрациях 0,3, 0,5, 0,7 и 1,0 масс. % встраивали в матрицу СВМПЭ обработкой в высокоэнергетической мельнице Fritsch Mini Mill II в течение 5 мин с частотой вращения 250 об/мин [9]. Данный цикл повторялся по 25 раз для каждого состава. Установлено, что при концентрации МУНТ 1 % имеет место рост модуля упругости, предела текучести композита при снижении относительного удлинения и предела прочности при растяжении.

Исследовано влияние порошка SiO₂ с размером частиц 5 мкм на механические свойства и износостойкость композитов СВМПЭ при сухом трении скольжения [10]. Установлено, что максимальные значения износостойкости и физико-механических характеристик достигаются в диапазоне концентраций 0,5‒1 масс. %. При больших значениях влияние на механические свойства и износостойкость снижалось.

В исследованиях С. В. Панина и коллег совмещение СВМПЭ и наночастиц в мельнице МР/0,5×4 «проводилось с предварительным диспергированием в ультразвуковой ванне взвеси компонентов в этиловом спирте» [11; 12]. Установлено, что твердосмазочные микро- и нанокомпозиты имеют более высокую износостойкость, чем исходный СВМПЭ, что обусловлено формированием микронаполнителями (дисульфид молибдена, графит, стеарат кальция, политетрафторэтилен) и нанонаполнителями (УНТ, SiO₂, AlO(OH)) пленки переноса на контртеле.

Установлено, что «зависимость коэффициентов трения и износа композита на основе СВМПЭ, наполненного TiO₂, имеет вид кривой с минимумом при содержании модификатора 3 масс. %» [13]. При указанной величине наполнения достигается восьми-девятикратное снижение износа и коэффициента трения. Введение модификатора в СВМПЭ осуществлялось в реакционной плазмохимической камере дугового разряда низкого давления в рамках единого технологического процесса.

Исследованы трибологические свойства полученных методом полимеризации in situ нанокомпозитов СВМПЭ с монтмориллонитом, нанопластинами графита, дисульфидом молибдена и шунгитом [14]. Установлено, что при концентрациях 0,4‒7 масс. % модификаторы повышают в 2‒3 раза износостойкость при трении скольжения по стали.

В другой работе процесс смешения МУНТ с СВМПЭ проводился в мельнице АПФ-3 в течение 45 мин при скорости вращения 450 об/мин [15]. Для изготовления смеси использованы чистые и фторированные МУНТ в концентрации 0,1, 0,5 и 1 масс. %. Итоговым результатом явилось увеличение прочности СВМПЭ при растяжении с 21 до 132 МПа, причем преобладающим фактором упрочнения явилась ориентация полимерных цепей при заметном влиянии фторированных МУНТ.

Представлено покрытие из СВМПЭ, усиленное глиноземом с содержанием 0,5, 3, 5 и 10 масс. % [16]. Установлено, что покрытия, содержащие 3‒5 масс. % глинозема, имеют значительно более высокую износостойкость по отношению к покрытию из СВМПЭ. Изготовление композита проводилось сочетанием ультразвукового воздействия и перемешивания в магнитной мешалке.

Описана композиция СВМПЭ и наноразмерного углеродного порошка UM-76, полученная диспергированием в течение 1 ч в турбулентном смесителе-диспергаторе со скоростью 20 000 об/мин в горячем жидком стекле с добавкой поверхностно-активного вещества [17]. Установлено снижение механических свойств композита при повышении содержания углеродного наполнителя сверх оптимального значения.

Для улучшения свойств СВМПЭ группой ученых использован оксид графена (ГО) с последующим упрочнением композита обработкой гамма-лучами [18]. Образцы композитов с различной дозировкой ГО (0,1, 0,5 и 1,0 масс. %) получены смешением ГО в спиртовом растворе в течение 3 минут с ультразвуковой обработкой. Затем суспензия смешивалась с порошком СВМПЭ при обработке ультразвуком в течение 1 часа. После удаления спирта полученные продукты измельчали в мельнице с последующим термопрессованием образцов. Установлено улучшение механических свойств нанокомпозитов.

В другой работе порошок СВМПЭ совмещался с различным количеством УНТ в шаровой мельнице в течение 2 часов при частоте вращения барабана 200 об/мин, после чего порошки подвергали горячему прессованию [19]. Установлено, что УНТ в количестве до 1,5 масс. % улучшает трибологические свойства. При росте концентрации происходило ухудшение данных свойств.

Cравнение эффективности мельниц АГО-2 и Активатор-2SL при активации порошка титана марки ПТОМ-2 показало, что «введение сопоставимых значений энергии в порошок титана разными мельницами приводит к схожим результатам по качеству объемного распределения частиц» [20].

Ю. А. Веригиным и соавторами разработана математическая модель и определены условия оптимизации процесса помола микрочастиц в шаровых мельницах. Установлено, что «предлагаемая математическая модель позволяет управлять процессом измельчения различных материалов и переносить результаты на шаровые мельницы любых конструкций» [21].

В результате энергетического анализа механоактивации порошковых смесей в мельнице АГО-3 сформулированы следующие важные предположения: «максимальная энергонапряженность мелющих тел на холостом ходу достигается в интервале 30–45 % объемного заполнения; большая часть механической энергии двигателя передается водилу и планетарным реакторам от 65 до 70 %, но наблюдается степенной рост (n~2) передаваемой энергии при увеличении частоты вращения; удельная энергонапряженность мельницы растет пропорционально кубической степени свободного объема реактора» [22].

Изложены представления о поведении мелющих тел в планетарной шаровой мельнице Pulverisette 7 [23]. Авторы работы отмечают, что разработанная математическая модель, описывающая энергетические характеристики мельницы, является ориентировочной, однако может быть успешно использована при проведении экспериментальных работ, позволяя оценивать величину подводимой к обрабатываемому материалу энергии.

Различными физическими методами исследованы продукты механоактивации порошковой смеси СВМПЭ и карбида бора, которая провела в мельнице с энергонапряженностью 1,1 Вт/г от 5 до 25 мин [24]. Показано, что в этих условиях при отсутствии окислительной деструкции полимера формируются полимерные частицы чешуйчатой формы размером 100‒160 мкм с хаотичным распределением в них наночастиц размером 1–5 мкм. Авторы отмечают, что основными возможными результатами взаимодействия порошков СВМПЭ и наполнителя являются процессы сшивки при некотором вероятном уменьшении молекулярной массы полимера.

Таким образом, из рассмотренных работ следует, что при создании нанокомпозитов СВМПЭ наиболее часто для совмещения порошков СВМПЭ и наномодификаторов (УНТ, МУНТ, SiO₂, TiO₂ и др.) используют их совместную обработку (механоактивацию) в планетарно-шаровых мельницах. В большинстве работ отмечено позитивное влияние наномодификаторов в диапазоне концентраций 0,1‒1 масс. %. на упруго-прочностные и трибологические характеристики нанокомпозитов. В ряде работ отмечается значительный разброс экспериментальных значений упруго-прочностных и трибологических харктеристик. Причинами являются некачественное распределение и диспергирование наночастиц в объеме полимера из-за их склонности к агломерации. При этом практически отсутствуют публикации, посвященные исследованию влияния механоактивации на реологические свойства полученных нанокомпозитов СВМПЭ.

В качестве технологических параметров, характеризующих интенсивность обработки, принимают частоту вращения барабанов, длительность обработки и температуру механоактивации. Очевидно, что в зависимости от конструкции мельницы при одних и тех же параметрах может достигаться различная интенсивность обработки порошков и, следовательно, различный уровень эксплуатационных и технологических характеристик нанокомпозитов СВМПЭ.

Объективной характеристикой энергонапряженности процесса, однозначно определяющей достигнутый уровень значений физико-механических, реологических и трибологических характеристик нанокомпозитов, может служить показатель удельных энергозатрат на механоактивацию порошков СВМПЭ и наномодификаторов в планетарно-шаровых мельницах.

Материалы и методы

В настоящем исследовании использованы СВМПЭ марки ГУР 4120 Ticona с молекулярной массой 5 млн г/моль и размером частиц 120–150 мкм, концентрат Tuball Matrix Beta активированных углеродных нанотрубок (УНТ) и гидрофобный нанокристаллический диоксид кремния (SiO₂) дисперсностью 20 нм. Концентрации наночастиц, вводимых в СВМПЭ, были приняты в соответствии с работами ряда ученых и составили 0,1 %² [25].

Механоактивация СВМПЭ и сухосмешанных порошков СВМПЭ и модификаторов проводилась в планетарной мельнице Pulverisette 7 (Premium Line), снабженной системой дистанционного (компьютерного) мониторинга давления газов и температуры в размольных стаканах.

Был принят следующий режим работы, исключающий перегрев полимера: «обработка порошка с реверсированием вращения карусели и стаканов, частота вращения водила 1 000 об/мин, время обработки 15 мин, время покоя 15 мин, количество циклов 1–7. Масса загружаемых в каждый контейнер стальных шаров диаметром 3 мм составляла 150 г, порошков СВМПЭ и модификаторов – 20 г» [26].

Исходя из уравнений, полученных ранее, и принятого режима работы, выведена следующая формула для расчета удельной энергии (Дж/г) механоактивации смеси порошков СВМПЭ и модификаторов в мельнице [23]:

$U_{УД}=\mathrm{7,215}\cdot {10}^{-10}{f}^{3}t$ ,      

где f – частота вращения водила и контейнеров мельницы, об/мин; t – полная длительность механоактивации смеси порошков без учета времени покоя, с.

Энергонапряженность процесса (W_уд = U_уд / t) составляла 0,72 Вт/г, что согласуется с результатами предыдущих исследований [24]. Максимальная температура порошков в мельнице в течение времени обработки не превышала 90 °С, величина давления соответствовала атмосферному.

Из полученных порошков для каждого состава и режима механоактивации, в соответствии с ранее разработанной методикой, способом термопрессования получались пластины, из которых штанцами вырубали по 5 лопаток (тип 1) для испытаний по ГОСТу 11262-2017 и дисков диаметром 20 мм для динамических испытаний на реометре HAAKE MARS III³ [26; 27].

«Физико-механические испытания проведены на разрывной машине UAI-7000 М при температуре 23 ± 2 °С и скорости растяжения 10 мм/мин. Истинные значения напряжений (МПа) вычисляли по формуле:

$\sigma =lF/\text{(}{l}_0{A}_0\text{)}$ ,      (1)

где l и l₀ = 25 – значения текущей и рабочей длин образца, мм; А₀ – начальная площадь сечения, мм²; F – текущее значение усилия растяжения, Н.

Деформация растяжения вычислялась в мере Генки по формуле:

${\epsilon }_H=\ln /\text{(l/}{l}_0\text{)}$ .     (2)

Значения начального Е_н и конечного Е_к модулей упругости (МПа) определяли как тангенсы угла наклона касательных соответственно к начальному и конечному прямолинейным участкам кривых σ = f(ε_Н). Значения пределов вынужденной эластичности и предела прочности принимали равными соответственно условному пределу текучести (ГОСТ 11262-2017) и максимальному значению достигнутого напряжения» [26].

Динамические испытания проведены при амплитуде колебаний рифленого ротора 0,001 рад, угловых скоростях 0‒800 с^–1 и температурах 150‒180 °С. Использование принципа температурно-временной суперпозиции позволило расширить диапазон скоростей до четырех десятичных порядков.

Результаты исследования

На рисунке 1 представлен типичный вид кривых растяжения стандартных образцов, сформованных из СВМПЭ и нанокомпозитов СВМПЭ при величине удельных энергозатрат на механоактивацию 3 200 Дж/г.

 

 

Рис. 1. Типичные кривые растяжения образцов СВМПЭ и нанокомпозитов на его основе (a)
и их поведение в области предела текучести (b): 1 – СВМПЭ + SiO2; 2 – СВМПЭ + УНТ;
3 – СВМПЭ с механоактивацией (3 200 Дж/г); 4 – СВМПЭ без механоактивации

 

Fig. 1. Typical stretching curves of samples of UHMWPE and nanocomposites based on it (a)
and their behavior in the yield point region (b): 1 – UHMWPE + SiO2; 2 – UHMWPE + CNT;
3 – UHMWPE with mechanical activation (3,200 J/g); 4 – UHMWPE without mechanical activation

 

 

Из графиков видно, что наличие модификатора значительно повышает пределы прочности (рис. 1a) и текучести (рис. 1b) механоактивированного СВМПЭ из-за образования «поперечно сшитых структур» [24].

На рисунке 2 представлены полученные зависимости физико-механических характеристик образцов пластин СВМПЭ и нанокомпозита СВМПЭ + 0,1 % УНТ от удельных энергозатрат на механоактивацию порошков.

 

 

 

Рис. 2. Зависимость пределов прочности σP и текучести σT(а), конечного Ек модуля
упругости (b) пластин СВМПЭ (1) и нанокомпозита СВМПЭ + 0,1 % УНТ (2) от удельных
энергозатрат на механоактивацию сухосмешанных порошков

 

Fig. 2. Dependence of tensile strength σP and yield strength σT(а), final Eк elastic module (b) of
UHMWPE plates (1) and UHMWPE + 0.1 % CNT nanocomposite (2) on specific energy consumption
for mechanical activation of dry mixed powders

 

 

Как следует из графиков, механоактивация порошка СВМПЭ приводит с ростом удельных энергозатрат от 650 до 4 550 Дж/г к незначительному (в пределах 3–5 %) снижению прочности и конечного модуля упругости полимера, что согласуется с результатами другой работы [4].

В отличие от СВМПЭ весь комплекс упруго-прочностных характеристик образцов нанокомпозита СВМПЭ + 0,1 % УНТ заметным образом зависит от величины удельных энергозатрат на совместную обработку сухосмешанных порошков в планетарно-шаровой мельнице.

При малых (600‒2 000 Дж/г) значениях энергозатрат упруго-прочностные характеристики СВМПЭ заметно превосходят характеристики нанокомпозита, что можно объяснить неудовлетворительным качеством диспергирования УНТ в объеме СВМПЭ. Согласно структурным исследованиям, проведенным Т. А. Охлопковой, в композите в этом случае «присутствуют дефектные области с агломерированными наночастицами наполнителя, которые при приложении внешней нагрузки выступают в качестве концентраторов напряжения, снижающих механические свойства полимерного композиционного материала»⁴. При увеличении удельных энергозатрат до 3 000‒3 200 Дж/г значения всего комплекса упруго-прочностных характеристик достигают максимума, что связано с «формированием в объеме композита устойчивой пространственной сетки физических связей адсорбционного типа c образованием в периферии наночастицы граничного слоя с повышенной степенью упорядоченности в результате действия ее силового поля»⁵.

При дальнейшем увеличении энергозатрат имеет место заметное снижение упруго-прочностных характеристик сформованных образцов нанокомпозитов, обусловленное «агломерацией порошков, вызванной высокой эффективной поверхностью частиц» [7].

Из полученных результатов следует, что оптимальные удельные энергозатраты на механоактивацию порошков СВМПЭ и наномодификаторов в планетарной мельнице составляют 3 000‒3 200 Дж/г. Усредненные значения физико-механических характеристик исследованных нанокомпозитов и результаты их статобработки представлены в таблице.

 

Таблица Физико-механические характеристики нанокомпозитов СВМПЭ при оптимальной энергии механоактивации

Table Physico-mechanical characteristics of UHMWPE nanocomposites with optimal mechanical activation energy

 

Составы согласно рисунку 1 / Compositions according to Figure 1	σр, МПа /σр, MPa	σт, МПа / σт, MPa	Ен, МПа /Ен, MPa	Ек, МПа /Ек, MPa	εH, отн. ед / εH, relative to unit
1	301,7 ± 2,2	22,8 ± 0,8	766,2 ± 28,9	810,5 ± 42,8	1,76 ± 0,01
2	274,3 ± 22,5	23,4 ± 0,9	755,7 ± 47,5	715,7 ± 39,3	1,76 ± 0,03
3	228,4 ± 26,8	21,0 ± 1,4	718,9 ± 61,7	641,9 ± 87,5	1,66 ± 0,03
4	236,7 ± 37,6	21,8 ± 1,8	723,1 ± 32,5	659,8 ± 96,3	1,64 ± 0,06

 

Из таблицы следует, что большее влияние на упруго-прочностные характеристики СВМПЭ оказывает нанокристаллический диоксид кремния SiO₂ (состав 1). Его ввод в сверхмалой концентрации 0,1 % обеспечивает повышение предела прочности СВМПЭ на 27,5 %, конечного Е_к и начального Е_н модулей упругости соответственно на 22,8 % и 6 %, предела текучести на 4,5 %.

Наличие в СВМПЭ активированных углеродных нанотрубок в концентрации 0,1 % обеспечивает рост предела прочности на 15,6 %, предела текучести на 7,3 %, конечного и начального модулей упругости на 8,5 % и 4,5 %.

Кроме этого, установлено, что «в условиях трения со смазкой введение УНТ обеспечивает снижение коэффициента трения СВМПЭ на 6 %, а интенсивности изнашивания на 33 %» [26].

На рисунке 3 представлены частотные зависимости комплексной вязкости η* расплавов нанокомпозитов для трех составов при оптимальном значении энергозатрат на механоактивацию. Результаты в диапазоне четырех порядков изменения угловой скорости ротора реометра описываются с коэффициентом корреляции не ниже 0,99 степенной зависимостью Оствальда – де Ваале:

${\eta }^{\ast }=k{\omega }^{n-1}$ ,                 (3)

где k – коэффициент консистенции, Па×cⁿ; n – индекс течения.

 

 

 

Рис. 3. Зависимость комплексной вязкости расплавов нанокомпозитов от угловой скорости
ротора при температуре 180 °С: 1 – механоактивированный СВМПЭ;
2 – нанокомпозит СВМПЭ + 0,1 % УНТ; 3 – нанокомпозит СВМПЭ + 0,1 % SiO₂

Fig. 3. Dependence of the complex viscosity of nanocomposites melts on the angular velocity
of the rotor at a temperature of 180 °C: 1 – mechanically activated UHMWPE;
2 – nanocomposite UHMWPE + 0.1% CNT; 3 – nanocomposite UHMWPE + 0.1% SiO₂

 

Ярко выраженное неньютоновское поведение можно объяснить очень высокой молекулярной массой СВМПЭ, макромолекулы которого требуют длительного времени релаксации из-за большого количества переплетений.

Из графиков следует, что ввод УНТ в полимер приводит к заметному росту комплексной вязкости расплава СВМПЭ из-за высокой структурности данного модификатора. Лучшие реологические свойства достигаются при вводе в СВМПЭ двуокиси кремния SiO₂.

На рисунке 4 представлена зависимость параметров реологической модели Оствальда – де Ваале от удельных энергозатрат на механоактивацию в шаровой мельнице порошков СВМПЭ (1) и СВМПЭ + 0,1 % УНТ (2).

 

 

 

Рис. 4. Зависимость параметров реологической модели Оствальда при температуре 180 °С
от удельных энергозатрат на механоактивацию порошков СВМПЭ (1) и СВМПЭ + 0,1 % УНТ (2)

Fig. 4. Dependence of the parameters of the Ostwald rheological model at a temperature of 180 °C
on the specific energy costs for the mechanical activation of UHMWPE (1) and
UHMWPE powders + 0.1% CNTs (2)

 

 

Из графиков видно, что механоактивация порошка СВМПЭ практически не оказывает влияния на указанные реологические параметры в исследованном диапазоне удельных энергозатрат 0–4 550 Дж/г.

Как известно, вязкость расплава полимера зависит от размера и числа сегментов, входящих в макромолекулярные цепи⁶. Механоактивация СВМПЭ в исследованном диапазоне удельных энергозатрат видимо не изменяет размеры сегментов, имеющих длину порядка нескольких десятков или сотен мономерных единиц.

В отличие от этого коэффициент k нанокомпозита СВМПЭ + 0,1 % УНТ в диапазоне энергозатрат 650–3 200 Дж/г снижается на 26 %, а индекс течения n возрастает на 23 %. В целом это обуславливает снижение комплексной вязкости для изученного диапазона угловых скоростей на 1,5–36 %.

Близкие результаты получены в работе, в которой при температуре 210 °C изучено реологическое поведение СВМПЭ, модифицированного 1 масс. % УНТ [28]. Установлено, что добавление активированных и не активированных ультразвуком УНТ приводит к росту значений комплексной вязкости в диапазоне угловых скоростей 10^–2–10² c^–1. Необработанные УНТ оказывают более заметное влияние на комплексную вязкость нанокомпозита, вызывая значительное увеличение ее значений по сравнению с чистым полимером. При этом эффект от нанонаполнителей постепенно уменьшается с увеличением времени обработки УНТ ультразвуком, что обусловлено «деградацией структур УНТ и невозможностью формирования перколяционной сети» [28].

Обсуждение и заключение

Из вышеприведенных результатов следует, что использование для модификации СВМПЭ углеродных нанотрубок в составе концентрата Tuball Matrix Beta и гидрофобного нанокристаллического диоксида кремния (SiO₂) дисперсностью 20 нм в оптимальных концентрациях 0,1 % позволяет значимо улучшить физико-механические (эксплуатационные) характеристики СВМПЭ без ухудшения его реологических (технологических) свойств.

Установлено, что лучший комплекс эксплуатационных свойств нанокомпозитов достигается при совместной обработке (механоактивации) сухосмешанных порошков СВМПЭ и наномодификаторов в планетарно-шаровой мельнице в диапазоне удельных энергозатрат 3 000‒3 200 Дж/г. При этом механоактивация порошка СВМПЭ приводит с ростом удельных энергозатрат в диапазоне 650–4 550 Дж/г к незначительному (в пределах 3–5 %) снижению значений прочности начального и конечного модулей упругости полимера, что согласуется с результатами известных работ.

Исходя из полученных значений пределов текучести (22,8 МПа) и прочности (301,7 МПа) нанокомпозита СВМПЭ + 0,1 % SiO₂, можно заключить, что уровень рабочих напряжений для антифрикционных деталей, полученных твердофазным формованием нанокомпозитов СВМПЭ, может быть увеличен в несколько раз.

Динамическими испытаниями установлено, что механоактивация порошка СВМПЭ в диапазоне удельных энергозатрат 0–4 550 Дж/г не изменяет значений параметров (коэффициента консистенции k и индекса течения n) степенной зависимости Оствальда – де Ваале. В отличие от этого коэффициент консистенции нанокомпозита СВМПЭ + 0,1 % УНТ в диапазоне энергозатрат 650–4 550 Дж/г снижается на 26 %, а индекс течения n возрастает на 23 %, что обуславливает снижение комплексной вязкости расплава для изученного диапазона угловых скоростей 10^–1–10³ с^–1 на 1,5–36 %.

Прикладная технико-экономическая значимость полученных результатов заключается в том, что они открывают перспективы использования исследованных нанокомпозитов для изготовления методом твердофазного формования высокоресурсных антифрикционных деталей сельскохозяйственной техники: подшипников скольжения, направляющих, комбинированных уплотнений, грязесъемных колец гидроцилиндров и других деталей аналогичного назначения.

 

 

¹           Машков Ю. К. Трибофизика металлов и полимеров: монография. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. 240 с.

²           Танкова К. И, Ананьева Е. С. Исследование влияния модификации связующего углеродными нанотрубками на свойства однонаправленных образцов // Труды XIV Международной научной школы-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» / под ред. В. Б. Маркина.  Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2017. С. 154–158.

³           ГОСТ 11262-2017. Пластмассы. Метод испытания на растяжение.

⁴           Охлопкова Т. А. Триботехнические материалы на основе СВМПЭ, модифицированного наноразмерными оксидными керамиками: дис. … канд. техн. наук. Томск, 2018. 160 с.

⁵           Авдейчик С. В. Введение в физику нанокомпозиционных машиностроительных материалов. Гродно: ГГАУ, 2009. 439 с.

⁶           Малкин А. Я., Исаев А. И. Реология: концепции, методы, приложения / пер. с англ. СПб.: Профессия, 2007. 560 с.

 

Sobre autores

Vladimir Vodyakov

National Research Mordovia State University

Email: vnvod@mail.ru
ORCID ID: 0000-0002-4687-1798

Professor of Chairs of Mechanization of Agricultural Processing of Institute
of Mechanics and Power Engineering, D.Sc. (Engineering)

Rússia, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Kseniya Kulikovskaya

National Research Mordovia State University

Autor responsável pela correspondência
Email: anata.kulikovckaya@gmail.com
ORCID ID: 0000-0001-9386-0939

Postgraduate Student of Chairs of Mechanization of Agricultural Processing
of Institute of Mechanics and Power Engineering

Rússia, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Bibliografia

Arquivos suplementares