Особенности прочностных и теплофизических свойств нанокомпозитов на основе птфэ, прошедших равноканальную многоугловую твердофазную экструзию

УДК 539.3

ОСОБЕННОСТИ ПРОЧНОСТНЫХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПТФЭ, ПРОШЕДШИХ РАВНОКАНАЛЬНУЮ МНОГОУГЛОВУЮ ТВЕРДОФАЗНУЮ ЭКСТРУЗИЮ

© С.А. Иванов, Г.С. Баронин, Ю.В. Мещерякова

Ключевые слова: нанокомпозиты на основе фторполимера; температура экструзии; прочностные и теплофизические свойства; интенсивные пластические деформации.

Исследованы прочностные и теплофизические свойства фторполимерных композитов обработанных равноканальной многоугловой твердофазной экструзией.

В настоящее время одним из самых широко распространенных материалов являются полимеры. Известные полимерные материалы не всегда в полной мере соответствуют требованиям бурно развивающейся промышленности. Одним из современных методов создания полимерных материалов с улучшенным комплексом свойств является модификация свойств и разработка новых методов обработки полимерных материалов, что, в свою очередь, ускоряет развитие отраслей промышленности, пользующейся полимерной продукцией.

В настоящей работе в качестве полимерной матрицы использовался суспензионный политетрафторэтилен (ПТФЭ) (ГОСТ 10007-80) в виде сыпучего порошка.

В роли модифицирующих добавок для создания композитных полимерных материалов использовались:

- кремний-фторорганический порошок (КФП) -продукт конденсации пиролиза шихты, содержащей блочный ПТФЭ и легко разлагаемые неорганические аммонийные фториды (ЫНО", (КИЛ И" 2, (Кн4)2 SiF6 [1];

- продукт полученный перегонкой шихты ПТФЭ 97 % масс и (ЫН^Т^ 3 % масс при температуре 575 °С с последующей десублимацией раствором аммиака - композит ПТФЭ с ТЮ2 (ТФП);

- продукт, полученный путем посадки на микрочастицы фторполимерных порошков наноразмерных кобальтсодержащих кластеров (КоФП) [2].

Композиты были приготовлены традиционным способом, включающим стадию смешения порошкообразного ПТФЭ с наноразмерным наполнителем с последующим таблетированием и спеканием полученной заготовки. Содержание модифицирующей добавки (КФП, ТФП и КоФП) составило 0,05; 0,1; 0,5; 1 и 5 мас. част. на 100 мас. част. ПТФЭ.

Последующая обработка полученных композитных заготовок проводилась одним из методов интенсивной пластической деформации (ИПД) - равноканальной многоугловой твердофазной экструзией (РКМУТФЭ). На рис. 1а представлена ячейка высокого давления для реализации РКМУТФЭ. Ячейка, основание и толстостенные рабочие втулки образуют пять пересекающихся каналов с углами пересечения ©! - ©5 = 160° и

©2 - ©4 = 150° одинакового по размеру сечения. Канал основания на выходе имеет небольшое сужение с сечением на 5 % меньшим рабочего, что обеспечивает получение образцов для повторных циклов экструзии. Цилиндрическая заготовка продавливается через деформирующий блок ячейки, состоящий из нескольких пар каналов одного диаметра, пересекающихся под заданными углами (рис. 1Ь) [3].

Рис. 1. Схема экспериментальной ячейки (а) и угловых каналов (Ь) для реализации равноканальной многоугловой твердофазной экструзии: 1 - пуансон; 2 - ячейка; 3 - нагревательный элемент; 4 - основание; 5 - деформирующий блок; 6 - образец; 7 - термопара

Величина эквивалентной деформации при одном цикле РКМУТФЭ рассчитывается по формуле:

^ 2Ё^

'=1 ^3 ,

где ©' - половинный угол пересечения сегментов канала; п - число углов пересечения каналов. При многократном циклировании накопленная деформация составляет:

ем = 2Ме .

Здесь N - число циклов деформирования [3].

1986

Для определения эксплуатационных характеристик использовались образцы с величиной степени эквивалентной деформации 8 = 1,3, 8 = 2,6 и 8 = 3,9, что соответствует 1, 2 и 3 циклам деформирования в ячейке для реализации РКМУТФЭ.

Оценка прочностных характеристик модифицированных образцов ПТФЭ, обработанных РКМУТФЭ, проводилась в условиях срезывающих напряжений на специально разработанной оснастке.

Определение удельной скорости поглощения энергии в зависимости от температуры образцов проводилось на модернизированном дифференциальном сканирующем калориметре на базе прибора DSC-2, который позволяет регистрировать тепловые эффекты при линейном изменении температуры образца. Для определения теплостойкости и внутренних ориентационных напряжений использовался метод построения диаграмм изометрического нагрева (ДИН) [4].

При оценке прочностных характеристик образцов модифицированного ПТФЭ отмечено положительное влияние модифицирующей добавки в области малых концентраций (0,05; 0,1 мас. част. на 100 мас. част. ПТФЭ) на сопротивление композитных образцов срезывающим поперечным напряжениям. Это свидетельствует о равномерном распределении модификатора в полимерной матрице ПТФЭ. Обработка модифицированных образцов равноканальной многоугловой твердофазной экструзией приводит к увеличению прочности в условиях срезывающих напряжений. Максимальной прочностью обладают образцы ПТФЭ, модифицированные ТФП со степенью эквивалентной деформации, равной 8 = 1,3 (рис. 2).

МПа

42

39

36

33

30

27

24

21

1 2 =г

Пт

0,05 0,1 0,5 1 5

Рис. 2. Диаграмма изменения прочностных характеристик в условиях срезывающих напряжений образцов полимерного композита ПТФЭ + ТФП при разной эквивалентной деформации. Условные обозначения: 1 - є = 1,3; 2 - є = 2,6; 3 - є = 3,9

Дальнейшее увеличение эквивалентной деформации (є = 2,6 и є = 3,9) приводит к уменьшению прочностных характеристик модифицированных образцов ПТФЭ в условиях поперечных срезывающих напряжений.

По результатам полученных данных теплофизических исследований можно определить, что содержание в полимерной матрице ПТФЭ модификаторов КоФП, КФП и ТФП в малых концентрациях приводит к снижению теплопроводности образцов, а также к повышению теплостойкости.

б)

Рис. 3. Концентрационные зависимости максимальной скорости поглощения энергии Wmax, снятой на приборе DSC-2 (а), теплопроводности X (б), полимерного композита ПТФЭ + + ТФП от содержания модификатора ТФП

На основании полученных данных теплофизических исследований можно предположить, что наномодификаторы КоФП, КФП и ТФП в концентрации до 1,0 мас. част. на 100 мас. част. ПТФЭ резко повышают межцепное взаимодействие полимерной матрицы, ужесточают структуру металлополимерных и керамополи-мерных комбинированных нанокомпозитов, снижают теплопроводность, повышают деформационную теплостойкость системы.

Равноканальная многоугловая твердофазная экструзия полимеров повышает прочностные характеристики материала, а в сочетании с модифицированием свойств полимеров позволяет улучшать и другие эксплуатационные характеристики, отвечающие требованиям современной промышленности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бузник В.М., Фомин В.М., Алхимов А.П. и др. Металлополимерные нанокомпозиты. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. Интеграционные проекты СО РАН. Вып. 2. 260 с.

2. Ломовский О.И., Политов А.А., Дудина Д.В., Корчагин М.А., Бузник В.М. Механохимические методы получения композитных материалов металл-керамика-политетрафторэтилен // Химия в интересах устойчивого развития. 2004. № 12. С. 619-626.

3. Белошенко В.А., Бейгельзимер Я.Е., Варюхин В.Н. Твердофазная экструзия полимеров: монография. К.: Наукова думка, 2008. 208 с.

4. Радько Ю.М., Минкин Е.В., Кербер М.Л., Акутин М.С. Установка для определения остаточных напряжений в ориентированных термопластах // Заводская лаборатория. 1980. № 7. С. 669-670.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ РФ, код проекта НШ-3550.2012.3 и Госзадания (код проекта 3.4037.2011).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Ivanov S.A., Baronin G.S., Meshcheryakova Y.V. PECULIARITIES OF STRENGTH AND THERMO-PHYSICAL PROPERTIES OF NANOCOMPOSITES BASED ON PTFE AFTER EQUAL CHANNEL MULTI-ANGLE SOLID-PHASE EXTRUSION

The strength and thermo-physical properties of fluoropolymer composites processed by equal-channel multi-angle solidphase extrusion are researched.

Key words: nanocomposites based on fluoro-polymer; extrusion temperature; strength and thermo-physical properties; severe plastic deformations.

1987