Физико-механические характеристики нанокомпозитов на основе Ф-4 в условиях интенсивной пластической деформации

УДК 620.2-022.532

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ Ф-4 В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

© Д.О. Завражин, В.М. Бузник, Г.С. Баронин

Ключевые слова: интенсивная пластическая деформация; наномодифицированные полимеры; фторопласт-4. Исследованы пластические характеристики наномодифицированных материалов на основе Ф-4 в режиме твердофазной плунжерной экструзии.

В настоящее время значительное внимание уделяется проблеме получения высокопрочных полимерных материалов и изделий. Приоритетным направлением исследований в этой области является получение нано-структурированных и наномодифицированных материалов. Модификация свойств полимерных материалов введением в них органических и неорганических наполнителей открывает большие перспективы для создания композиций с принципиально новыми технологическими и эксплуатационными свойствами.

В работе использовались композиты на основе фторопласта-4, полученные смешением порошкообразного ПТФЭ с наноразмерным наполнителем и последующим таблетированием и спеканием.

Наноразмерные наполнители были получены двумя способами.

1. Г омогенные нанокомпозиты на основе фторопласта-4, имеющие в своем составе соединения кремния (кремний-фторорганический порошок (КФП)) были получены пиролизом шихты, содержащей блочный фторопласт-4, и легко разлагаемые неорганические аммонийные фториды (NH4)2SiF6 с последующей конденсацией продуктов пиролиза.

По аналогичной технологии перегонкой шихты фторопласта-4 97 % мас. и (МИ4)2КР6 3 % мас. при температуре 575 °С с последующей десублимацией раствором аммиака получают молекулярную смесь фторопласта-4 и фторидов титана. Использование особого технологического приема, состоящего в осаждении композита на аммиачном растворе, можно получить композит фторопласта-4 с TiO2 (ТФП).

2. Посадкой на микрочастицы фторполимерных порошков наноразмерных кобальтсодержащих кластеров получены кобальт-фторорганические порошки (КоФП). Использовался термохимический способ разложения кобальтсодержащих соединений.

Полученные нанокомпозиты КоФП, КФП и ТФП использовались в качестве модификатора фторопласта-4 для оценки влияния нанокомпозитов на свойства фторопласта-4 в условиях интенсивной пластической деформации материала в твердой фазе (плунжерная твердофазная экструзия - ТФЭ) [1].

В качестве полимерной матрицы использовали суспензионный фторопласт-4 (ГОСТ 10007-80). Были приготовлены композиты в режиме механического смешения, таблетирования и спекания по традиционной тех-

нологии. Содержание модифицирующей добавки (КФП, ТФП и КоФП) составляет 0,05; 0,1; 0,5; 1,0; 5,0 мас. част. на 100 мас. част. фторопласта-4.

Переработка материалов в твердой фазе позволяет устранить недостатки традиционной жидкофазной технологии.

В основе всех процессов переработки полимеров в твердом состоянии лежит пластическая (вынужденноэластическая) деформация, которая носит обратимый характер.

О роли схемы напряженного состояния можно судить на основании работ [2-4], в которых показано резкое увеличение деформируемости различных материалов в условиях высокого гидростатического давления. Из анализа этих работ следует, что наибольшая пластичность материала имеет место при наложении напряжений по схеме всестороннего сжатия; при всестороннем растяжении пластичность наименьшая, т. к. вероятность отрыва велика. Чем меньшую роль в схеме главных напряжений играют растягивающие напряжения и чем большую роль играют сжимающие, тем большую способность к пластической деформации проявляют металлические материалы. Наивысшей пластичностью обладает материал в условиях всестороннего сжатия с деформацией растяжения по одной из осей. Такая схема имеет место при твердофазной (плунжерной) и гидростатической экструзии материалов через капилляр. Наивысшая пластичность в этих условиях объясняется тем, что при всестороннем сжатии затрудняется образование и развитие трещин, и поэтому возможности пластического течения полимера используются полнее [5].

Интенсивная пластическая деформация при повышенной температуре переработки имеет значительно сниженное необходимое давление формования, а в результате ИПД возрастают прочностные и эксплуатационные характеристики экструдатов.

Образцы диаметром 5 мм и длиной 15 мм, полученные литьем под давлением, подвергли твердофазной плунжерной экструзии (ТФЭ) при температурах Тэкс = 298 К, 363 К и 473 К на экспериментальной установке типа капиллярного вискозиметра с загрузочной камерой диаметром 5 мм (рис. 1) [1]. Мерой деформируемости при ТФЭ является экструзионное отношение Хэкс (степень обжатия). В работе использовались 3

1984

фильеры с экструзионными отношениями Хэкс = 2,52; Хжс = 2,07; Хэкс = 1,52.

Измерялось давление, необходимое для твердофазной экструзии исследуемых наномодифицированных полимеров в зависимости от состава. Необходимое давление формования Рф определяли делением усилия формования Fф на площадь поперечного сечения заготовки. Скорость перемещения плунжера при выдавливании составляла 50 мм/мин.

На рис. 2 представлены диаграммы зависимости необходимого давления формования исходных и модифицированных материалов на основе фторопласта-4. Хорошо прослеживается влияние вносимых добавок на изменение необходимого давления формования.

Рис. 1. Ячейка высокого давления: 1 - пуансон; 2 - матрица; 3 - основание; 4 - термопара; 5 - заготовка композиционного материала; О - диаметр загрузочной камеры; С - диаметр фильеры

РФ.

МПа

f\

\y

0 1 2 3 4 С, мае с. част, моднф.

Рис. 2. Диаграмма изменения необходимого давления формования Рф образцов модифицированного фторопласта-4,экструдированных при 1экс = 2,07 и температуре 473 К: Ф-4 + КФП (1), Ф-4 + ТФП (2) и Ф-4 + КоФП (3) в зависимости от содержания модификатора

При оценке качества поверхности экструдатов необходимо отметить, что метод ТФЭ при больших экструзионных отношениях позволяет получить экструда-ты с более гладкой глянцевой поверхностью. Использование значительных степеней обжатия ведет к развитию механизма пластической деформации матрицы полимера во всем объеме образца [6].

Одним из качественных технологических параметров, которые необходимо учитывать при проведении ТФЭ, является коэффициент разбухания экструдата (а), равный отношению диаметра экструдата к диаметру фильеры. Одной из основных задач при производстве изделий из полимерных материалов является достижений высокой размерной точности изделий. Проведенные исследования показали, что изменения коэффициента разбухания экструдата от внесения модификатора и от температуры экструзии минимально и составляет <0,5 %.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баронин Г.С., КерберМ.Л., Минкин Е.В., Радько Ю.М. Переработка полимеров в твердой фазе. Физико-химические основы: монография. М.: Машиностроение-1, 2002. 320 с.

2. Пью Г.Л., Иэндлер Э.Ф. Механические свойства материалов под давлением // Успехи механики деформируемых сред. М.: Наука, 1975. 480 с.

3. Бриджмен П.В. Исследование больших пластических деформаций и разрыва. М.: Иностр. лит., 1955. 164 с.

4. Бурштейн А.И. Молекулярно-кинетические аспекты химической физики конденсированного состояния // Успехи химии. 1978. Т. 47. № 2. С. 212-233.

5. Береснев Б.И., Верещагин Л.Ф., Рябинин Ю.И., Лифшиц Л.Д. Некоторые вопросы больших пластических деформаций металлов при высоких давлениях. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 80 с.

6. Завражин Д.О., Баронин Г.С. Исследование процесса интенсивной пластической деформации материалов на основе ПА-6 // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. 2012. Спец. выпуск № (43) / 2012. С. 20-23.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках Госзадания ФГБОУ ВПО «ТГТУ» на 2012-2014 гг. (код проекта 3.4037.2011).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Zavrazhin D.O., Buznik V.M., Baronin G.S. PHYSICS MECHANICAL CHARACTERISTICS OF NANOCOMPOSITES ON THE BASIS OF F-4 IN CONDITIONS OF INTENSIVE PLASTIC DEFORMATION

Plastic characteristics of the nanomodified materials on the basis of F-4 in a mode of solid-phase plunger extrusion are investigated.

Key words: intensive plastic deformation; nanomodified polymers; fluoroplastic-4.

1985