Исследование свойств нанокомпозитов на основе ароматического полиамида и фуллереновой сажи
В работе рассматриваются характеристики нанокомпозитов на основе фенилона С-2, наполненных наноструктурированным углеродом. Показано влияние концентрации наполнителя на свойства разработанных композиционных материалов....
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2012
|
| Назва видання: | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75222 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Исследование свойств нанокомпозитов на основе ароматического полиамида и фуллереновой сажи / А.И. Буря, О.Ю. Кузнецова // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 1. — С. 185-191. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-75222 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-752222015-01-28T03:02:33Z Исследование свойств нанокомпозитов на основе ароматического полиамида и фуллереновой сажи Буря, А.И. Кузнецова, О.Ю. В работе рассматриваются характеристики нанокомпозитов на основе фенилона С-2, наполненных наноструктурированным углеродом. Показано влияние концентрации наполнителя на свойства разработанных композиционных материалов. В роботі розглядаються характеристики нанокомпозитів на основі фенілону С-2, наповнених наноструктурованим вуглецем. Показано вплив концентрації наповнювача на властивості розроблених композиційних матеріялів. The characteristics of properties of nanocomposites based on the С-2 phenylon filled with nanostructured carbon are considered in a given paper. The influence of fillers’ concentration on the properties of the designed composite materials is shown. 2012 Article Исследование свойств нанокомпозитов на основе ароматического полиамида и фуллереновой сажи / А.И. Буря, О.Ю. Кузнецова // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 1. — С. 185-191. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 62.20.fg, 62.20.Qp, 62.23.Pq, 81.05.ub, 81.40.Jj, 81.40.Pq, 82.35.Np http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75222 ru Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
В работе рассматриваются характеристики нанокомпозитов на основе фенилона С-2, наполненных наноструктурированным углеродом. Показано влияние концентрации наполнителя на свойства разработанных композиционных материалов. |
| format |
Article |
| author |
Буря, А.И. Кузнецова, О.Ю. |
| spellingShingle |
Буря, А.И. Кузнецова, О.Ю. Исследование свойств нанокомпозитов на основе ароматического полиамида и фуллереновой сажи Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| author_facet |
Буря, А.И. Кузнецова, О.Ю. |
| author_sort |
Буря, А.И. |
| title |
Исследование свойств нанокомпозитов на основе ароматического полиамида и фуллереновой сажи |
| title_short |
Исследование свойств нанокомпозитов на основе ароматического полиамида и фуллереновой сажи |
| title_full |
Исследование свойств нанокомпозитов на основе ароматического полиамида и фуллереновой сажи |
| title_fullStr |
Исследование свойств нанокомпозитов на основе ароматического полиамида и фуллереновой сажи |
| title_full_unstemmed |
Исследование свойств нанокомпозитов на основе ароматического полиамида и фуллереновой сажи |
| title_sort |
исследование свойств нанокомпозитов на основе ароматического полиамида и фуллереновой сажи |
| publisher |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/75222 |
| citation_txt |
Исследование свойств нанокомпозитов на основе ароматического полиамида и фуллереновой сажи / А.И. Буря, О.Ю. Кузнецова // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 1. — С. 185-191. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| series |
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| work_keys_str_mv |
AT burâai issledovaniesvojstvnanokompozitovnaosnovearomatičeskogopoliamidaifullerenovojsaži AT kuznecovaoû issledovaniesvojstvnanokompozitovnaosnovearomatičeskogopoliamidaifullerenovojsaži |
| first_indexed |
2025-07-05T23:30:51Z |
| last_indexed |
2025-07-05T23:30:51Z |
| _version_ |
1836851660558696448 |
| fulltext |
185
PACS numbers: 62.20.fg, 62.20.Qp,62.23.Pq,81.05.ub,81.40.Jj,81.40.Pq, 82.35.Np
Исследование свойств нанокомпозитов на основе
ароматического полиамида и фуллереновой сажи
А. И. Буря, О. Ю. Кузнецова
Днепропетровский государственный аграрный университет,
ул. Метростроевская, 4/28,
49018 Днепропетровск, Украина
В работе рассматриваются характеристики нанокомпозитов на основе фе-
нилона С-2, наполненных наноструктурированным углеродом. Показано
влияние концентрации наполнителя на свойства разработанных компо-
зиционных материалов.
В роботі розглядаються характеристики нанокомпозитів на основі фені-
лону С-2, наповнених наноструктурованим вуглецем. Показано вплив
концентрації наповнювача на властивості розроблених композиційних
матеріялів.
The characteristics of properties of nanocomposites based on the С-2 phe-
nylon filled with nanostructured carbon are considered in a given paper. The
influence of fillers’ concentration on the properties of the designed compo-
site materials is shown.
Ключевые слова: фенилон, фуллереновая сажа, нанокомпозит, проч-
ность, износостойкость.
(Получено 26 октября 2011 г.)
1. ВВЕДЕНИЕ
Перспективы использования и области применения материалов
определяются в первую очередь комплексом присущих им свойств.
Обширный диапазон ценных свойств ароматических полиамидов-
фенилонов позволяет создавать изделия для работы при больших
статических и динамических нагрузках в широком температурном
интервале в условиях интенсивного трения.
Ароматические полиамиды (АПА) являются полярными соеди-
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2012, т. 10, № 1, сс. 185—191
© 2012 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
186 А. И. БУРЯ, О. Ю. КУЗНЕЦОВА
нениями с сильным межмолекулярным взаимодействием за счет
водородных связей. Эти особенности макромолекул и обуславлива-
ют особенности эксплуатационных свойств материалов на основе
данных полимеров. Фенилоны негорючие и химически устойчивые
к действию топливных масел, их работоспособность сохраняется
при 153—553 К, при этом АПА обладают большой жесткостью,
твердостью, способностью к пластическим деформациям [1, 2]. Тем
не менее, для улучшения основных триботехнических характери-
стик, в частности, снижения коэффициента трения в условиях ра-
боты без смазки и повышения износостойкости весьма целесообраз-
ным является введение в состав полиамидных связующих различ-
ного рода наполнителей (НП).
В настоящее время существенный практический интерес пред-
ставляет применение в качестве НП нанокластерных углеродных
материалов (НУМ): фуллеренов, фуллереновой сажи (ФС), фулле-
реновой черни (ФЧ). Причем благоприятное воздействие на свой-
ства полимерных нанокомпозитов отмечается даже при незначи-
тельных добавках фуллереновых материалов [3].
В связи с вышеизложенным, цель настоящей работы заключа-
лась в разработке и исследовании свойств новых композиционных
материалов конструкционного назначения на основе термостойкого
ароматического полиамида фенилон С-2 (ФС-2) с использованием в
качестве наполнителя наноструктурированного углерода – фулле-
реновой сажи.
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исходная полимерная матрица ФС-2 – линейный гетероцикличе-
ский сополимер, содержащий в основной цепи макромолекулы
амидную группу —HNCO—, соединенную с обеих сторон фенильны-
ми фрагментами, получена эмульсионной поликонденсацией ме-
тафенилендиамина с дихлорангидридами изофталефой и терефта-
левой кислот, взятых в соотношении 3:2.
В качестве наполнителя была выбрана фуллереновая сажа (ФС)
– сажа, полученная дуговым испарением графита. Черный поро-
шок, не растворим, насыпная плотность 0,25 г/см
3, содержание
фуллеренов – 11%. Содержание ФС в композициях составляло 0,5,
1,5, 3 масс.%.
Методика получения композитов заключалась в смешивании
компонентов пресскомпозиции во вращающемся электромагнит-
ном поле с последующей переработкой в изделия методом компрес-
сионного прессования при температуре 598 К и давлении 40 МПа.
Определение предела текучести, относительной деформации и
модуля упругости при сжатии выполняли согласно ГОСТ 4651-78 и
ГОСТ 9550-81 на испытательной машине FР-100 (Германия).
ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИАМИДА И САЖИ 187
Для испытаний использовали образцы диаметром ∅10±0,5 мм и
высотой 10±0,5 мм и 15±0,5 мм.
Относительную деформацию при сжатии (ε) рассчитывали по
формуле:
ε = Δhр.с100/h0,
где Δhр.с – уменьшение высоты образца при разрушении, мм; h0 –
начальная высота образца, мм.
Для определения модуля упругости при сжатии (Е) по диаграмме
определяли значения нагрузок, соответствующие величинам отно-
сительной деформации 0,1 и 0,3% (ГОСТ 9550-81). Расчет произво-
дили согласно соотношению:
−
=
Δ − Δ
2 1 0
0 2 1
( )
,
( )
F F h
E
A h h
где F1 – нагрузка, соответствующая относительной деформации
0,1%, Н; F2 – нагрузка, соответствующая относительной деформа-
ции 0,3%, Н; A0 – площадь поперечного сечения образца, мм; Δh1
– изменение высоты, соответствующее нагрузке F1; Δh2 – измене-
ние высоты, соответствующее нагрузке F2.
Скорость траверсы 0,222 мм/мин, скорость бумаги 10 мм/мин,
шкала – 40 кН.
Испытание на абразивное изнашивание выполняли на машине
трения СМЦ-2 в соответствии с ГОСТ 23.208-79. Сущность метода
состоит в том, что при одинаковых условиях производилось изна-
шивание образцов исследуемого и эталонного (ст. 45, ГОСТ 1050-74
в отожженном состоянии с твердостью HV 190—200) материалов аб-
разивными частицами (электрокорунд № 16-Н, ГОСТ 3643-71), ко-
торые подавались в зону трения и прижимались к образцу враща-
ющимся резиновым роликом согласно схеме; рис. 1.
Рис. 1. Схема испытания материалов на абразивное изнашивание при тре-
нии о нежестко закрепленные абразивные частицы.
188 А. И. БУРЯ, О. Ю. КУЗНЕЦОВА
Износ испытываемых и эталонных образцов определялся путем
взвешивания до и после испытаний с погрешностью не более 0,2 мг.
Относительную износостойкость исследуемого материала Kи иссле-
дуемого материала вычисляли по формуле:
э и и
и
э и э
g r N
K
g r N
= ,
где ρэ, ρи, Nэ, Nи, gэ, gи – плотность (кг/м
3), количество оборотов ро-
лика при испытаниях, износ (кг) эталонного и исследуемого мате-
риалов.
Микротвердость (Нμ) измеряли на приборе ПМТ-3 (ГОСТ 9450-
76).
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Анализируя поведение материалов при сжатии (рис. 2), отмечено,
что характер зависимости «напряжение—деформация» подобен та-
ковому у исходной матрицы. А именно, на кривой имеется прямо-
линейный участок, соответствующий упругой деформации; уча-
сток, где наблюдается некоторое отклонение от закона Гука, свя-
занное с проявлением сегментальной подвижности макромолекул,
предел текучести, после которого развивается пластическая дефор-
мация; стадия деформационного упрочнения и разрушения.
Варьирование содержания ФС в исследованном диапазоне пока-
зало, что при степени наполнения 0,5 масс.% наблюдаются мини-
мальные значения, а при дальнейшем увеличении концентрации
наполнителя в композициях (1,5 и 3 масс.%) монотонное повыше-
ние таких показателей как модуль упругости и предел текучести
Рис. 2. Типичная кривая σ—ε для нанокомпозитов, содержащих фуллере-
новую сажу.
ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИАМИДА И САЖИ 189
при сжатии. Наряду с этим для данных композиций отмечается
тенденция к возрастанию хрупкости образцов с повышением кон-
центрации наполнителя. Так, доля случаев хрупкого разрушения
составляет 0% для образцов, содержащих 0,5 масс.% ФС, и 30 и
60% – со степенью наполнения 1,5 и 3 масс.% соответственно.
Концентрационная зависимость относительной деформации про-
ходит через максимум при содержании ФС 1,5 масс.%; рис. 3.
Значения микротвердости нанокомпозитов остаются в целом на
уровне исходного фенилона С-2; табл.
Анализируя результаты исследований трибологических свойств
нанокомпозитов на основе фенилона С-2, следует отметить, что
наилучший эффект для ПКМ, наполненных фуллереновой сажей,
отмечается при содержании наполнителя 1,5 масс.%. В данном
случае наблюдаются наиболее высокие значения относительной аб-
разивной износостойкости (Kи); рис. 4.
При этом содержании наполнителя материал, имея достаточно
высокий модуль упругости (2884 МПа), превосходит по относи-
Рис. 3. Влияние процентного содержания фуллереновой сажи на значения
модуля упругости (1), предела текучести при сжатии (2) и относительной
деформации (3) образцов нанокомпозитов.
ТАБЛИЦА. Свойства полимерных композиций.
Связующее фенилон С-2
Наполнитель фуллереновая сажа
Содержание наполнителя,масс.% 0 0,5 1,5 3
Микротвердость, МПа 320 332 329 296
190 А. И. БУРЯ, О. Ю. КУЗНЕЦОВА
тельной износостойкости базовый полимер, наполненный углерод-
ными нанотрубками, в 1,8 раза.
Достигнутый позитивный эффект, по-видимому, обеспечивается
активным влиянием наполнителя на структуру полимерной матри-
цы.
Положительные результаты лабораторных исследований позво-
лили перейти к производственным испытаниям нанокомпозитов в
различных отраслях промышленности.
Детали показали хорошую работоспособность в узлах трения
зерноуборочных комбайнов «Славутич», «Dominator», успешно от-
работали один уборочный сезон и оставлены для дальнейших испы-
таний.
Еще одной областью применения нанокомпозитов на основе ФС-2
являются ролики и втулки цепей ПР 38.1-12700 полотен выгрузно-
го и поперечного транспортеров корнеуборочной машины РКМ-6.
Свеклоуборочная техника работает в особо сложных эксплуата-
ционных условиях, поддаваясь огромным вибрационным и дина-
мическим нагрузкам.
Транспортеры свеклоуборочных машин кроме транспортирова-
ния корнеплодов выполняют их сепарацию, поэтому детали узлов
трения, которыми они укомплектованы, постоянно работают в аб-
разивной среде.
Основной износ приходится, в этом случае, на рабочие органы,
вместе с тем значительное влияние частицы грунта оказывают и на
подшипниковые узлы, независимо от их типа (шариковые, ролико-
вые, игольчатые и т.п.).
Результаты полевых испытаний деталей, установленных на
корнеуборочных машинах, свидетельствуют об их хорошей работо-
способности, высокой износостойкости и надежности при эксплуа-
тации в жестких условиях и абразивных средах, при значительном
перепаде температур (от −5 до +20°С). Замена серийных деталей
Рис. 4. Относительная износостойкость нанокомпозитов, наполненных
фуллереновой сажей со степенью наполнения: (1) 0,5, (2) 1,5, (3) 3 масс.%,
а также углеродными нанотрубками (4).
ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИАМИДА И САЖИ 191
экспериментальными обеспечила снижение веса транспортера на
23 кг.
4. ВЫВОДЫ
Разработаны новые композиционные материалы на основе арома-
тического полиамида фенилон С-2 и наноструктурированного угле-
рода – фуллереновой сажи.
Установлено, что нанокомпозиты, обладая высокой прочностью,
превосходят по относительной износостойкости ФС-2, наполнен-
ный углеродными нанотрубками в 1,3—1,8 раза.
Полученные результаты указывают на перспективность выполне-
ния дальнейших исследований в данном направлении и дают осно-
вание рекомендовать ПКМ для изготовления деталей узлов трения
машин и механизмов, работающих в экстремальных условиях экс-
плуатации.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Справочник по пластическим массам (Ред. В. М. Катаев, В. А. Попов, Б. И.
Сажин) (Москва: Химия: 1975), т. II, с. 254.
2. А. И. Буря, Н. Т. Арламова, Композиционные материалы на основе аро-
матических полиамидов: Деп. статья (Реф. № 41-Ук00 от 22.02.2000,
опубл. в РЖ «Депоновані наукові роботи», № 1 (2000); библ. описание в
ВИНИТИ РАН «Депонированные научные работы», № 7 (341): № 17
(2000)).
3. М. Г. Поталицин, А. А. Бабенко, О. С. Алехин, Н. И. Алексеев, О. В. Ара-
пов, Н. А. Чарыков, К. В. Некрасов, В. И. Герасимов, К. Н. Семенов Журнал
прикладной химии, 79, № 2: 308 (2006).
|