Введение к работе
Актуальность темы: Интерес к созданию полимерных композиционных материалов неуклонно возрастает, поскольку открываются возможности получения новых материалов, сочетающих в себе ряд ценных эксплуатационных и технологических характеристик, а также регулирования свойств получаемых материалов. Композиты на основе полимеров являются незаменимыми материалами в приборостроении и машиностроении, дают возможность замены металлов и сплавов, повышают надежность и долговечность машин.
В этой связи значительно возрастает роль материаловедческих разработок и исследований, связанных с эксплуатационными и технологическими свойствами полимерных материалов и методами их повышения. Известно, что свойства любого материала зависят от его химического состава и структуры, поэтому исследование структурной организации полимеров имеет первостепенное значение при разработке новых композиционных материалов. Используя современные технические средства и методики, можно разрабатывать способы создания в полимерных материалах структур, которые обеспечивали бы получение требуемых по условиям эксплуатации улучшенных служебных характеристик. Это возможно как на этапе синтеза полимерных материалов, так и на этапе их переработки и модифицирования.
Среди полимерных материалов по комплексу эксплуатационных свойств доминирующее положение занимает политетрафторэтилен (ПТФЭ, фторопласт-4). Модифицирование ПТФЭ компонентами различного состава, дисперсности и активности вызвано необходимостью снижения показателей неблагоприятных свойств матрицы и формирования комплекса повышенных служебных характеристик, определяющих нагрузочно-скоростной диапазон применения готовых изделий.
В качестве модифицирующих компонентов для создания новых композиционных материалов на основе политетрафторэтилена большой интерес представляют полимерные смеси типа полу-ВПС (полувзаимопроникающие сетки) на основе ароматических полигетероариленов, что обусловлено их высокой термостойкостью, хорошими механическими и антифрикционными свойствами.
Успешная эксплуатация композиционных материалов возможна только при надежной связи между компонентами, которая обеспечивается в случае достаточной адгезионной прочности в системе связующее-наполнитель. Придание различным материалам адгезионных свойств может быть успешно осуществлено проведением реакций на их поверхности и образованием соответствующих поверхностно-активных химических групп. Эффективным методом повышения адгезии ПТФЭ является химическое модифицирование его поверхности металлароматическими комплексами (МАК), представляющими ион-радикальные соединения, что позволяет сохранить на исходном уровне его ценные объемные свойства.
Изучение закономерностей формирования структуры поверхностного слоя позволит регулировать основные характеристики композиционных материалов на основе ПТФЭ.
С этой точки зрения задача исследования химической модификации ПТФЭ представляется актуальной и отвечает современным требованиям промышленности и развитию представлений о процессах, протекающих на поверхности полимерных материалов.
Связь работы с крупными научными программами. В основу диссертационной работы включены результаты исследований по следующим научно-исследовательским программам: программа президиума РАН 8.17 «Наноматериалы для эксплуатационного функционального, и каталитиче-ского применения, в том числе -фторполимерные порошкообразные, планарные и композиционные материалы, «Композиционные материалы на основе фторопласта»; грант интеграционного проекта ФЦП «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки (ФЦП «Интеграция») №2971 от 16.10.2000, направление 1.5; хоздоговорная работа №93/0212 «Безотходная технология получения металлароматического комплекса для повышения адгезии фторопласта» от 13.07.12.
Цель работы заключается в исследовании механизмов формирования структуры поверхностного слоя ПТФЭ путем химической модификации и создании композиционных материалов на его основе с улучшенными эксплуатационными свойствами.
Для достижения указанной цели решаются следующие основные задачи:
(установление зависимости модифицирующей способности МАК от природы, соотношения исходных компонентов и условий получения и разработка технологии получения модифицирующего раствора;
установление закономерностей формирования структуры
поверхностного слоя ПТФЭ в зависимости от природы, состава и технологических режимов получения модифицирующих компонентов;
исследование физико-механических, структурных, деформационно-прочностных характеристик композиционных материалов на основе политетрафторэтилена в зависимости от природы и состава модифицирующих агентов;
разработка композиционных материалов на основе ПТФЭ с улучшенными эксплуатационными свойствами.
Научная новизна работы. Предложен механизм образования структуры поверхностного слоя ПТФЭ под действием МАК. Показано, что при модификации поверхности ПТФЭ металлароматическими комплексами происходит образование адгезионно-активного слоя (гидроксильные, гидроперекисные и перекисные группы). Установлено, что модифицирующая способность МАК зависит от природы, соотношения исходных компонентов и технологических режимов получения.
Установлены закономерности структурообразования поверхностей
трения композиционных материалов на основе ПТФЭ, предварительно
обработанного Na-нафталиновым комплексом на основе отходов, путем
модифицирования полимер-полимерной смесью состава
полибензимидазол/полиамидоимидная смола (ПБИ/ПАИС). Показано, что повышение износостойкости композиционных материалов связано с изменением надмолекулярной структуры ПТФЭ от ламелярной до сферолитной под влиянием модифицирующего компонента.
Практическая значимость. Разработана новая технология получения металлароматических комплексов, заключающаяся в проведении синтеза в обычных условиях, на воздухе с использованием отходов модификации поверхности ПТФЭ. Установлено, что металлароматические комплексы, полученные с использованием отходов, характеризуются высокой модифицирующей способностью в сравнении с аналогами, синтезированными без отходов.
Технология обработки поверхности ПТФЭ этими соединениями внедрена в Улан-Удэнском приборостроительном производственном объединении (акт внедрения от 05.07.2013 г.).
Разработана новая технология модифицирования поверхности трения ПТФЭ, предварительно обработанного Na-нафталиновым комплексом на основе отходов, ароматическими полигетероариленами и их смесями типа полу-ВПС. Полученные композиционные материалы обеспечивают повышение износостойкости в зоне рабочего контакта в сравнении с чистым ПТФЭ при сохранении коэффициента трения и высоких значений деформационно-прочностных показателей.
Основные положения, выносимые на защиту:
закономерности образования МАК в зависимости от природы, соотношения исходных компонентов и технологии получения;
закономерности формирования структуры поверхностного слоя ПТФЭ в зависимости от природы, состава и технологии получения модифицирующих компонентов;
составы композиционных материалов на основе ПТФЭ с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Личный вклад автора состоит в проведении экспериментов, испытаний, расчетов, обработке полученных результатов и формулировке выводов.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня: Всерос. научно-техн. конф. «Новые химические технологии» (Пенза, 1998), XI Всерос. конф. по хим.реактивам (Уфа, 1998), XII Межд. конф. «Перспективные процессы и продукты» (Москва-Уфа, 1999), Школе-семинаре молодых ученых «Проблемы устойчивого развития региона» (Улан-Удэ, 1999, 2009), III Всерос. науч.-практ. конф. «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2000), XIII Межд. научно-практ. конф. «Химические реактивы, реагенты и процессы в малотоннажной
химии» (Уфа-Тула, 2000), III Межд. научно-практ. конф. «Экономика природопользования и природоохраны» (Пенза, 2000), Всерос. научно-техн. конф. «Новые химические технологии: производство и применение» (Пенза, 2000), III Межд. научно-практ. конф. «Экология и жизнь» (Пенза, 2001), Всерос. научно-техн. конф. «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2001), Всерос. семинаре «Фторполимерные материалы: фундаментальные, прикладные и производственные аспекты» (Улан-Удэ, 2003); ежегодных научно-практ. конф. ВСГТУ (Улан-Удэ, 1999, 2003-2005), Всерос. конф «Полимеры в XXI веке» (Улан-Удэ, 2005), Всерос. научно-техн. конф. «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Тула, 2006), II Межд. форуме «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2006), Всерос. конф. по макромолекулярной химии (Улан-Удэ, 2008), Proceedings of third international symposium in chemistry «Chemistry and Food Safety-2008» (National University of Mongolia, Ulaanbaatar city, 2008), IV Всерос. конф. молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии» (Томск, 2009), VIII Всерос. научно-техн. конф. «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Тула, 2010), II Межд. научно-практ. конф. «Прогрессивные технологии и перспективы развития» (Тамбов, 2010), V Межд. научно-практ. конф. «Приоритеты и особенности развития Байкальского региона» (Улан-Удэ, 2011), Межд. форуме по проблемам науки, техники и образования «III тысячелетие - новый мир» (Москва, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 работ, из них 5 работ в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы, насчитывающего 117 ссылок, и 2 приложений. Полный объем диссертации составляет 119 стр., включая 16 таблиц и 29 рисунков.
