Синергический эффект

СИНЕРГИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Холодников Юрий Васильевич,

Канд.тех. наук, , генеральный директор ООО СКБ «Мысль», г. Екатеринбург

E-mail: sdo_mysl@mail.ru

Таугер Виталий Михайлович,

Канд. тех. наук, ведущий специалист ООО СКБ «Мысль», г. Екатеринбург

E-mail: sdo_mysl@mail.ru

Осинцев Юрий Геннадьевич,

Генеральный директор ООО «Интэкс», г.Екатеринбург

E-mail: ov.plotnikova@mail.ru

Волегжанин Иван Александрович

Инженер-технологг, ООО СКБ «Мысль», г Екатеринбург

SYNERGISTIC EFFECT OF DISPERSE SYSTEMS

АННОТАЦИЯ

Целью работы являются экспериментальные исследования влияния дисперсных наполнителей различного фракционного и объемного состава на прочностные и эксплуатационные свойства полимерных композитов для изделий производственно-технического назначения.

Для достижения поставленной цели проведен большой объем исследо-вательских работ по определению физико-механических, триботехнических характеристик промышленных композитов в увязке с НИОКР по практическому внедрению полученных результатов в конструкции основного технологического оборудования промышленных предприятий различный отраслей деятельности.

Полученные результаты подтвердили существенное влияние грануло-метрического и объемного содержания дисперсных наполнителей на основные функциональные параметры композитов, что позволяет программировать эксплуатационные свойства композитного изделия, оптимизированные под конкретные условия его эксплуатации.

ABSTRACT

The aim of this work is experimental study of the effect of dispersed fillers of different volume fraction and composition on strength and performance properties of polymer composites for products for industrial purposes.

To achieve this goal a large amount of research works on determination of physico-mechanical, tribological characteristics of industrial composites in conjunction with R & d on the practical implementation of the obtained results in the design of the main technological equipment of industrial enterprises in various sectors of activity.

The results confirmed a significant influence of particle size and volume content of dispersed fillers on the main functional parameters of the composites that allows you to program the performance characteristics of composite products, optimized for specific conditions of its operation.

Ключевые слова: Полимерные композиты, минеральные наполнители, физико-механические и эксплуатационные параметры.

Keywords: Polymer composites, mineral fillers, mechanical and operating parameters.

Прогрессирующая тенденция замены стали и алюминиевых сплавов в конструкциях изделий производственно-технического назначения на новые виды промышленных композитов связана с их уникальными свойствами, адаптированными к конкретным условиям эксплуатации, обслуживания и ремонта основного технологического оборудования различных отраслей ре¬аль¬ного сектора экономики.

Одним из эффективных способов регулирования эксплуатационных свойств композитов с полимерной матрицей в широком диапазоне физико-механических, триботехнических, теплофизических, электротехнических, реологических и др. характеристик композитного изделия, является напол¬нение их дисперсными наполнителями различной природы: минеральными, органическими, керамическими, металлическими и другими дисперсиями, с подобранным для каждого конкретного случая, гранулометрическим соста¬вом и объемным соотношением фракций.

При выборе того или иного вида дисперсного наполнителя необходимо соблюдение ряда условий, а именно [1,2]:

 наполнитель должен совмещаться с полимерной матрицей или диспер¬гироваться в ней с образованием однородной композиции;

 поверхность частиц дисперсии должна хорошо смачиваться связующим (матрицей) композита;

 дисперсный наполнитель не должен иметь склонности к агломе-рации частиц;

 различные фракции дисперсии должны иметь однородный со-став, как по виду материала, как и по гранулометрии, предусмотренный нормативной документацией;

 дисперсный наполнитель должен обладать стабильными свой-ствами при хранении, переработке и эксплуатации композитного изделия;

 наполнители не должны растворяться в матрице, выделять летучие (в том числе – токсичные) продукты и разлагаться при температуре переработки и эксплуатации композитного изделия;

 дисперсные наполнители должны обладать химической и термической (в особых случаях – биологической, радиационной и пр.) стойкостью, а также склонностью к изменению не санкционированной окраски композита;

 желательна низкая стоимость и доступность дисперсных напол-нителей в условиях как мелкосерийного, так и массового производств.

Основными свойствами дисперсных наполнителей являются: форма частиц, гранулометрический состав (дисперсность и полидисперсность), удельная поверхность, пористость, насыпная и истинная плотности, максимальная объемная доля, рН поверхности. Для оценки свойств дисперсных наполнителей известны более 40 различных показателей и способов их определения. Еще более впечатляющее количество различных видов наполнителей, которое определяется сотнями вариантов [1,2,3,4], но на взгляд авторов статьи – не все наполнители достаточно изучены в плане влияния на свойства композитного изделия.

Рассмотрим результаты исследований, проведенных в ООО СКБ «Мысль» с дисперсным кварцем, предоставленным ОАО «Кыштымский ГОК». Выбор объясняется такими благоприятными физико-химическими свойствами кварца, как:

 высокие прочностные показатели;

 твердость 7 единиц по шкале Мооса и, следовательно, высокая абразивная стойкость;

 химическая нейтральность к большинству агрессивных жидко-стей;

 хорошая адгезия со связующим.

Кварц химически чистый, колотый, частицы ромбовидной формы. Средний гранулометрический размер образцов составляет ряд: 0,008; 0,025; 0,071; 0,085; 0,100; 0,300; 1,0; 2,0; 3,0 мм.

Исследование включало в себя экспериментальную проверку значимо-сти влияния упрочняющего наполнителя на свойства промышленных композитов путем определения пределов прочности на изгиб σи по ГОСТ 4648 и на растяжение σр по ГОСТ 11262, модуля упругости на изгиб Е по ГОСТ 9550, а также абразивной стойкости по ГОСТ 11012 и ГОСТ 27180.

Исследование проведено на производственно-экспериментальной базе ООО «СКБ «Мысль».

Влияние кварцевого наполнителя на прочностные свойства композита

Выполнено экспериментальное исследование композита, представляю-щего собой смесь винилэфирной смолы (связующее) с кварцевым порошком (наполнителем). Изучению подлежало влияние на прочность и жесткость композита двух факторов – средней крупности и объемной доли наполнителя.

При обработке результатов принято во внимание, что реальные механические характеристики связующего варьируются в широком диапазоне. Для повышения корректности выводов вычислялись не абсолютные, а относительные величины:

σи/σи0; σр/σр0; Е/Е0; (1)

где σи0, σр0, Е0 предел прочности на изгиб, предел прочности на растяжение и модуль упругости на изгиб связующего без наполнителя (базовые значения параметров).

Задача первой серии опытов состояла в выявлении влияния средней крупности наполнителя при фиксированной объемной доле, которая была принята равной 10 %, на предел прочности и модуль упругости на изгиб.

Результаты экспериментов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Влияние средней крупности кварцевого наполнителя на предел прочности и модуль упругости (объемная доля кварца 10%)

Параметр Средняя крупность наполнителя, мм

0,00 0,025 0,071 0,085 0,10 0,30 1,00 2,00

σи/σи0 1,00 1,10 1,10 0,97 0,98 0,85 0,72 0,40

Е/Е0 1,28 1,23 1,24 1,20 1,14 1,12 1,14

Наивысшие показатели прочности и жесткости демонстрирует наполнитель со значениями средней фракции 25 и 71 мкм. С ростом фракции свыше 100 мкм наблюдается снижение предела прочности. Модуль упругости также снижается, однако даже для фракции 2 мм он остается в 1,14 раза выше базового (базовый уровень – матрица без наполнителя).

Значения из табл. 1 иллюстрируются графиками (рис. 1). Фракция наполнителя на рис. 1 ограничена величиной 300 мкм.

Вторая серия опытов была посвящена выявлению влияния малых изменений объемной доли кварца, причем контролировался предел прочности не только на изгиб, но и на растяжение. Результаты первой серии учтены при выборе фракции наполнителя, которая равнялась 25 мкм.

Результаты второй серии экспериментов сведены в табл. 2.

Таблица 2

Влияние объемной доли кварцевого наполнителя на пределы прочности и модуль упругости (средняя крупность кварца 25 мкм).

Параметр Объемная доля, %

0 5 10 15

σи/σи0

1,00

1,18 1,21 1,22

σр/σр0 0,77 0,82 1,08

Е/Е0 1,10 1,20 1,25

Из табл. 2 видно, что предел прочности и модуль упругости на изгиб повышаются с увеличением объемной доли, а предел прочности на растяжение сначала снижается, а затем снова возрастает.

Было сделано предположение о том, что σр слабо зависит от изменения объемной доли кварца, и последующие испытания (их результаты не приводятся) его подтвердили. В дальнейшем испытания образцов проводились только на изгибающую нагрузку.

На рис. 2 показаны графики, построенные по данным табл. 2.

Весьма интересную и важную информацию дала третья серия опытов, задача которой состояла в установлении влияния больших объемных долей кварца на прочность и жесткость композита.

Результаты третьей серии испытаний даны в табл. 3 и показаны в виде графиков на рис. 3.

Таблица 3

Влияние больших объемных долей кварцевого наполнителя на относительный предел прочности и модуль упругости

Объемная доля, % Средняя крупность, мкм

0 8 25 100

σи/σи0 Е/Е0 σи/σи0 Е/Е0 σи/σи0 Е/Е0 σи/σи0 Е/Е0

10

1,00

1,00 1,00 1,20 1,00 1,08 0,91 1,00

30 0,57 1,79 0,64 2,01 1,29 1,41

50 0,62 1,61 1,17 2,95 1,15 1,52

Наилучшие показатели имеет композит, содержащий 30 % кварцевого наполнителя фракцией 100 мкм. Его прочность на изгиб в 1,29 раза, а модуль упругости в 1,41 раза выше базовых значений.

Повышенную прочность продемонстрировали также композиты с наиболее высоким содержанием наполнителя (50 %) фракцией 25 и 100 мкм.

Введение в композит наполнителя фракцией 8 мкм привело к резкому снижению прочности.

Наибольший модуль упругости – почти в три раза выше базового – у композита с наполнителем фракцией 25 мкм в объемной доле 50 %.

Выводы из первой серии экспериментов:

1. Наполнители в виде кварца различного гранулометрического состава и объемной доли в полимерной матрице, оказывают существенное влияние на прочностные параметры композита, а следовательно и на изделие производственно-технического назначения из композиционных материалов.

2. Экспериментально установлено, что при объемной доле кварцевого наполнителя 10%, наивысшие пределы прочности и жесткости (до +30% от базового уровня) достигаются введением в полимерное связующее фракции размерами частиц 25-71 мкм. При этом свойства самого связующего (вязкость, удельный вес, характеристики отверждения) практически не изменились, что может быть использовано в плане модификации винилэфирных смол.

3. Предел прочности и модуль упругости композита на растяжение и изгиб не существенно зависят от объемной доли кварцевого наполнителя.

4. При объемной доле кварцевого наполнителя (30%), наивысшие значения прочности на изгиб (+29%) и модуль упругости (+41%) достигнуты с фракцией кварца - 100мкм. При объемной доле наполнителя в 50%, высокие прочностные качества композита достигнуты при применении фракции кварца 25-100 мкм. (до +300%!).

5. Применение в качестве наполнителя кварца фракцией 8 мкм снижает прочностные характеристики композита, однако при этом достигается эффект получения тиксотропного связующего, что расширяет технологические возможности изготовления изделий из полимерных композиционных материалов.

Влияние кварцевого наполнителя на абразивостойкость и ударную вязкость полимерного композита

Для изделий производственно-технического назначения важными экс-плуатационными критериями является их износостойкость и ударная вяз-кость. Во многих случаях высокие требования к износостойкости и ударной вязкости сочетаются в одном изделии или покрытии.

Влияние дисперсных наполнителей на свойства полимерных композитов слабо изучено. Согласно общим представлениям, введение в композит мелких твердых частиц приводит к повышению, как абразивной стойкости, так и хрупкости материала. Его ударная вязкость зависит от: типа связующего (матрицы) и наполнителя, адгезии связующего к частицам наполнителя и поверхностной активности последнего, способа производства, наличия и типа армирующих материалов и пр.

Фрагментарные и отрывочные сведения, почерпнутые из научных публикаций, не позволяют достаточно уверенно прогнозировать эксплуатационные качества композитов с наполнителями, особенно в той части, которая касается износостойкости и ударной прочности последних.

С учетом выше изложенного выполнен большой объем экспериментов с целью выработки практических рекомендаций по структуре композита для изделий эксплуатируемых в условиях воздействия вышеперечисленных производственных факторов. В качестве наполнителей использовались порошки кварца, купершлака и никельшлака различного фракционного состава, т.к. указанные минералы имеют твердость не ниже седьмой по шкале Мооса, причем связующее композита обладает высокой адгезией к их частицам.

План экспериментов предусматривал изготовление образцов в виде пластин различных размеров. Функцию связующего выполняла винилэфирная смола. Объемные доли и фракционный состав наполнителей варьировались.

Изготовленные образцы подвергались испытаниям на ударную вязкость и абразивный износ.

Для испытания на ударную вязкость был разработан нестандартный способ, позволивший смоделировать реальные условия нагружения изделий производственно-технического назначения.

Схемы испытательных установок показаны на рис. 4.

Установка для испытания на ударную вязкость (рис. 4, а) содержит направляющую 1, установленную на массивной горизонтальной стальной плите 2. В направляющую помещен ударник 3 со сферической головкой. По оси направляющей на плиту укладывается испытуемый образец 4.

Длина и ширина образцов равнялись 150 мм, толщина – 5…9 мм.

Ударник массой т свободно падал на образец с высоты Н. Энергия удара равна исходной потенциальной энергии ударника

Е = тgH, (2)

где g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения.

Конструкция установки позволяла варьировать значение Е за счет изменения т и Н. Методом проб и ошибок для каждого вида плиток была найдена предельная величина Е, Дж, при которой происходило раскалывание четырех образцов в серии из пяти штук, что соответствовало вероятности 0,8. Затем подсчитывался условный коэффициент ударной вязкости

Дж/мм, (3)

где  – толщина образца, мм.

Значения Kу сведены в табл.4 и иллюстрируются диаграммой рис. 5.

Таблица 4

Результаты испытаний образцов плитки из различных материалов

Параметр Кера-мо-гранит Плитка наполь-ная Кварце-вый ком-позит Купер-шлако-вый композит Никель-шлако-вый композит Стек-ло-пла-стик

Толщина, мм 9 7 5 8,5 5,3 -

Плотность, г/см3 2,68 2,07 2,09 2,47 1,95 1,6

Предельная энергия удара, Дж 2,19 0,62 26,6 28,9 41,7 -

Коэффици-ент ударной вязкости, Дж/мм 0,24 0,09 5,32 3,40 7,77 -

Дефект мас-сы, г 0,18 0,20 0,36 0,31 0,49 1,22

Абразивный износ, мм3 67 97 172 126 251 763

Коэффици-ент абра-зивного из-носа, мм3/м 2,50 3,62 6,42 4,70 9,37 28,47

Испытанию на абразивный износ для сравнения был подвергнут образец из стеклопластика, принятый за базовую точку сравнения. В описанном выше испытании на ударную вязкость образцы из стеклопластика не использовались, т.к. состав стеклопластика не является структурно подобным композитам, из которых изготовлены дисперснонаполненные экспериментальные образцы.

Схема установки для испытания на абразивный износ показана на рис. 4, б.

Она содержит укрепленный в патроне фрезерного станка и покрытый наждачной бумагой диск 1 и щетку 2. Образец 3 устанавливается на радиусе R на диск и прижимается к наждачной бумаге силой Fп, после чего включается привод вращения диска. Происходит истирание образца наждачной бумагой, причем ее поверхность постоянно очищается щеткой. Способ подобен описанному в ГОСТ 11012, отличие состоит в том, что стандартом оговаривается контакт образца не с плоской, а с цилиндрической абразивной поверхностью.

Показатель абразивного износа Kи определялся по формуле:

(4)

где ΔV – абразивный износ в виде разности объемов образца до и после испытания, см3; L – перемещение образца по шкурке, м.

Абразивный износ вычислялся по выражению:

(5) где Δт – дефект массы (разность масс образца до и после испытания), г;

ρ – плотность материала плитки, г/см3.

Значения дефекта массы и плотности указаны в табл. 4.

Перемещение образца по шкурке в процессе испытания

(6) где z – число оборотов диска.

Для всех образцов R = 0,142 м, z = 30, следовательно, L = 26,8 м.

Связь абразивной стойкости с коэффициентом Kи обратная: чем меньше Kи, тем более высокой стойкостью обладает образец.

Значения Kи даны в табл. 4 и на диаграмме рис. 6.

Наибольшей ударной вязкостью, иными словами, способностью воспринимать удары без разрушения, обладает образец с никельшлаком, на втором месте образец с кварцевым наполнителем, на третьем – с купершлаком, коэффициент ударной вязкости которого примерно в 2,2 раза меньше, чем у лидирующего ПКМ. Однако даже самый «слабый на удар» образец с дисперсным наполнителем показал на порядок более высокий результат, чем керамогранит, что не позволяет отбраковать его по данному критерию. Кроме того, следует принять во внимание, что исследования дисперснонаполненных композитов находятся в начальной стадии.

Kу, Дж/мм

Рисунок 5. Коэффициент ударной вязкости плитки из различных

композитов

Kи, мм3/м

Рисунок 6. Коэффициент абразивного износа плитки из различных композитов

Наивысшую абразивостойкость показали керамогранитные образцы, затем – образцы из материала напольной плитки, приблизительно на уровне которых образцы с купершлаком, их Kу всего в 1,3 раза больше.

Самая низкая абразивная стойкость из дисперсно-наполненных образцов отмечена у образцов с никельшлаком. В то же время их Kи в три раза меньше, чем у стеклопластика, что свидетельствует о серьезном влиянии наполнителя на износостойкость.

Анализируя результаты экспериментов, необходимо учитывать, что целесообразность промышленного применения конкретного материала определяется, в том числе, на основании экономических расчетов. В свою очередь, экономическая эффективность зависит отнюдь не от одного показателя, а от целого комплекса показателей, в число которых входят себестоимость изготовления, условия эксплуатации и срок службы, трудоемкость монтажа и ремонта. Эксплуатационные свойства керамических изделий обусловливают чрезвычайно узкую область их использования в условиях реального производства. Достоинство дисперсно-наполненных композитов состоит в низкой чувствительности к внешним воздействиям (в частности – химическое воздействие), а также многообразие способов изготовления различных по назначению изделий производственно-техничнского назначения, которое позволяет не только применять их повсеместно.

Подчеркнем, что исследования дисперсно-наполненных композитов находятся в начальной стадии, и полученные результаты весьма обнадежи-вают. Ожидания дальнейшего повышения их качеств можно считать вполне обоснованными.

Выводы.

1. Экспериментальные образцы полимерного композита с дисперсными наполнителями показали весьма высокую ударную вязкость. Наивысшие показатели имеют образцы с наполнением никельшлаком (Ку – 7,7) и кварцем (Ку - 5,5).

2. Образцы с дисперсными наполнителями показали высокую износо-стойкость. Наилучший показатель в данной группе имеют образцы с наполнением купершлаком (Ки – 4,7) и кварцем (Ки – 6,4).

3. Учитывая, во-первых, многообразие эксплуатационных требований к промышленным изделиям, во-вторых, относительно низкие затраты и многообразие способов изготовления композитов, следует считать целесообразным серийный выпуск изделий и широкое использование защитных покрытий из композитов дисперсными наполнителями в виде кварца, купершлака и никельшлака для условий, когда требуется высокая износостойкость и ударопрочность конструкции.

Cписок литературые:

1. Функциональные наполнители для пластмасс/. Под ред. М.Ксантоса. Пер. с англ. под ред. Кулезнева В.Н. – Спб.: Научные основы и технологии. – 2010 г. – 462 с.

2. Наполнители для полимерных композиционных материалов: учеб. пособие/ Л.Г.Панова. Саратов: Сарат гос. тех. ун-т, 2010 г. – 68 с.

3. Холодников Ю.В. Промышленные композиты./ Химическое и нефтегазовое машиностроение. - №12. 2012 г.- с 34-36.

4. Холодников Ю.В., Альшиц Л.И. Защита оборудования листовым композитом / Композитный мир. – №1 – 2010 г.

5. Холодников Ю.В., Альшиц Л.И. Футеровка технологического оборудования и строительных конструкций композиционными материалами: Справочное пособие./ Екатеринбург: Изд-во Урал. Гос. горного ун-та, 2013. – 145 с.