Полный текст

Введение К антифрикционным эпоксидным материалам для машиностроения предъявляются следующие требования: низкий коэффициент трения, отсутствие в составе дорогих компонентов, способность быстро прирабатываться и иметь низкий износ, высокая тепло-, водостойкость, нетоксичность и безопасность в пожарном отношении, высокие прочность и твердость [1]. Исходя из этого в их рецептуре перспективно применять в качестве наполнителя волластонит, обладающий целым рядом ценных свойств, а именно: низкими значениями коэффициента водопоглощения, диэлектрической постоянной, вязкости, высокими износо- и термостойкостью. Это обусловлено его микроармирующими свойствами за счет игольчатой формы частиц [2]. Кроме того, волластонит имеет высокую твердость, низкую токсичность и невысокую стоимость. Его успешно используют в рецептуре антифрикционных эпоксидных материалов [3]. Для увеличения эффективности взаимодействия на межфазной границе полимер - наполнитель традиционным является использование поверхностно-активных веществ (ПАВ) для активации поверхности минеральных твердых добавок [4]. Обработка наполнителей ПАВ значительно улучшает их диспергирование в полимерной матрице и повышает степень совместимости компонентов. Одними из распространенных видов ПАВ, применяемых для активации поверхности минеральных наполнителей, в том числе и волластонита, являются органосиланы [5]. Большой интерес в качестве катионных ПАВ для модификации поверхности волластонита представляют четвертичные аммонийные соли [6]. Соли четвертичных аммониевых оснований с углеводородными радикалами С12-С18 отличаются высокой поверхностной активностью как в кислой, так и в щелочной средах, а также хорошей совместимостью с веществами разной природы [7, 8]. Экспериментальная часть Антифрикционные материалы получали на основе диановой эпоксидной смолы ЭД-20 (ГОСТ 10587-84). В качестве сшивающих агентов использовались для холодного отверждения аминоалкилфенол (АФ-2) (ТУ 2494-052-00205423-2004), горячего - гексаметилендиамин ГМДА (ТУ 6-09-36-73). Как наполнитель использовался природный волластонит марки «Миволл 10-97» (метасиликат кальция (CaSiO3)) (ТУ 577-006-40705684-2003). Дозировка отвердителя определялась исходя из эквимолярного соотношения эпоксидных и аминных групп. В качестве ПАВ применялись четвертичные аммонийные соли (ЧАС) (ТУ 2482-004-04706205-2005 с изм. № 1-5) производства ООО «Научно-производственное объединение НИИПАВ» (г. Волгодонск), а именно: цетилтриметиламоний хлорид 50%-ный раствор в изопропиноле АЛКАПАВ 16С.50, алкилтриметиламоний хлорид 50%-ный раствор в изопропиноле с различной длиной алкильного радикала - АЛКАПАВ 1214С.50 (алкил 12-14) и АЛКАПАВ 1618С.50 (алкил 16-18). Для определения износостойкости эпоксидной композиции применяли установку для испытания материалов на истирание [9]. В качестве контртела использовали бруски из инструментальной стали ХВГ, закаленной до твердости HRC 60-64. Были приняты следующие режимы испытания: удельное давление контртела на испытуемую поверхность образца р = 1 МПа, скорость скольжения vск = 1 м/с, без смазки. Износостойкость образцов из эпоксидной композиции измерялась на вертикальном оптиметре ИЗВ-1 с точностью ±0,001 мм. Антифрикционные свойства определялись на автоматизированной машине трения Tribometer, CSM Instruments (Швейцария), управляемой компьютером, по стандартной схеме испытания шарик - диск (ASTM G99-959, DIN50324 и ISO 20808). Линейная скорость при испытании составляла 8,94 см/с, частота выборки 10 Гц, температура 25 °С, влажность 20 %. Твердость определялась по методу Барколя в модификации «ТПБа» путем внедрения на образец твердосплавного стержня с углом 26° при вершине и минимальным диаметром 0,157 мм (ГОСТ 9013-59, ASTM B648-2000, ASTM D-2583). Суть метода заключается в определении глубины вдавливания стальной иглы в исследуемую поверхность под действием пружины и сравнении ее с твердостью стандартной плиты [10, 11]. Обсуждение результатов Срок службы антифрикционных эпоксидных материалов в узлах трения существенно зависит от износостойкости связующего, на которую влияют как тип отвердителя, так и содержание и активность наполнителя. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что изнашивание эпоксидных композитов с волластонитом существенно уменьшается в результате обработки этого наполнителя исследованными ПАВ (табл. 1, рис. 1 и 2). При этом работоспособность антифрикционных эпоксидных материалов определяется структурой ЧАС, в частности количеством углеродных атомов в их основной цепи. Наблюдается четкая закономерность, что с ростом длины алкильного радикала ПАВ износ наполненных активированным волластонитом эпоксидных материалов закономерно уменьшается [12, 13]. Таблица 1 Износостойкость эпоксидных материалов Отвердитель Тип ПАВ Износ, ´10-6 м АФ-2 без наполнителя 19 неактивированный волластонит 12 АЛКАПАВ 1214С.50 16 АЛКАПАВ 1618С.50 11 АЛКАПАВ 16С.50 13 ГМДА без наполнителя 27 неактивированный волластонит 15 АЛКАПАВ 1214С.50 12 АЛКАПАВ 1618С.50 9 АЛКАПАВ 16С.50 13 Примечание. Содержание волластонита составляет 10 мас. ч на 100 мас. ч ЭД-20. Рис. 1. Зависимость изностойкости эпоксидных материалов, отвержденных АФ-2, от структуры используемых для обработки волластонита ПАВ: 1 - без наполнителя; 2 - волластонит (АЛКАПАВ 1214С.50); 3 - волластонит (АЛКАПАВ 1618С.50); 4 - волластонит (АЛКАПАВ 16С.50); 5 - волластонит Рис. 2. Зависимость изностойкости эпоксидных материалов, отвержденных ГМДА, от структуры используемых для обработки волластонита ПАВ: 1 - без наполнителя; 2 - волластонит (АЛКАПАВ 1214С.50); 3 - волластонит (АЛКАПАВ 1618С.50); 4 - волластонит (АЛКАПАВ 16С.50); 5 - волластонит Этот эффект наблюдается при отверждении обоими типами исследованных аминов. При этом износостойкость материалов существенно ниже при отверждении ГМДА. Это может быть связано с более низкой прочностью отверждаемых им эпоксидных композиций вследствие введения этого отвердителя в растворе пластификатора ЭДОС. Из литературных данных известно, что пластификаторы увеличивают износ эпоксидных материалов [14, 15]. Кроме того, интересно отметить, что степень снижения износа при использовании активированного волластонита значительно больше при применении в качестве сшивающего агента гексаметилендиамина. Так, при использовании АЛКАПАВ 1618С.50 износ эпоксидных материалов с ГМДА уменьшается в три раза (см. рис. 2). В то же время активация поверхности волластонита ЧАС не оказывает положительного влияния на коэффициент статического трения этих эпоксидных композиций (рис. 3) независимо от длины алкильного радикала используемых ПАВ. Наоборот, коэффициент статического трения при обработке поверхности волластонита исследованными ЧАС увеличивается. При применении в качестве отвердителя аминофенола АФ-2 активация поверхности волластонита АЛКАПАВ 1618С.50 и АЛКАПАВ 16С.50 почти вдвое снижает этот важный показатель качества антифрикционных материалов. Рис. 3. Зависимость коэффициента статического трения от времени формирования контакта с эпоксиполимером, отвержденным АФ-2, и наполненным 10 мас. ч волластонита: 1 - без наполнителя; 2 - волластонит (АЛКАПАВ 1214С.50); 3 - волластонит (АЛКАПАВ 1618С.50); 4 - волластонит (АЛКАПАВ 16С.50); 5 - волластонит Рис. 4. Зависимость коэффициента статического трения от времени формирования контакта с эпоксиполимером, отвержденным ГМДА и наполненным 10 мас. ч волластонита: 1 - без наполнителя; 2 - волластонит (АЛКАПАВ 1214С.50); 3 - волластонит (АЛКАПАВ 1618С.50); 4 - волластонит (АЛКАПАВ 16С.50); 5 - волластонит Обработка волластонита ЧАС увеличивает твердость наполненных им эпоксидных композиций по сравнению с использованием в рецептуре природного метилсиликата кальция. Этот эффект наблюдается при отверждении как ГМДА, так и АФ-2 (табл. 2). Причем он существенно выше при применении гексаметилендиамина. Наибольший рост твердости, независимо от структуры аминного сшивающего агента, имеет место при использовании АЛКАПАВ 16С.50. Таблица 2 Твердость эпоксидных материалов, наполненных 10 мас. ч. волластонита Отвердитель Тип ПАВ Твердость, HB АФ-2 без наполнителя 30,8 неактивированный волластонит 41,4 АЛКАПАВ 1214С.50 43 АЛКАПАВ 1618С.50 44 АЛКАПАВ 16С.50 45,6 ГМДА без наполнителя 9,8 неактивированный волластонит 17,2 АЛКАПАВ 1214С.50 24,2 АЛКАПАВ 1618С.50 18,6 АЛКАПАВ 16С.50 32,6 Заключение Активация поверхности природного волластонита ПАВ класса четвертичных аммонийных солей обусловливает улучшение ряда эксплуатационных характеристик наполненных им эпоксидных материалов. Так, растет твердость композиций, увеличивается их износостойкость, а при отверждении АФ-2 также снижается коэффициент статического трения. Можно предположить, что ЧАС действуют как катализаторы отверждения эпоксидных материалов. Уменьшение износа и возрастание твердости, по-видимому, связано с увеличением степени сшивки композиций, а длина цепи ЧАС, возможно, влияет на расстояние между узлами сетки. Больший эффект исследованного класса ПАВ при отверждении ГМДА обусловлен, на наш взгляд, большей активностью ЧАС при повышенных температурах. При этом более перспективно использование алкилтриметиламоний хлорида с более длинным алкильным радикалом.

Об авторах

Е. М Готлиб

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Э. Р Галимов

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ

А. Р Хасанова

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ

Е. С Ямалеева

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 30

PDF (Russian) - 35

Ссылки

• Ссылки не определены.