homeRUSENG

ОТДЕЛ 9 "ФИЗИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК"

СУПЕРФЛУВИС – НОВЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ФТОРОПЛАСТА-4 И МОДИФИЦИРОВАННЫХ УГЛЕВОЛОКОН

Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ, фторопласта-4) являются уникальными и незаменимыми для многих узлов трения, особенно работающих в экстремальных условиях – агрессивных средах, вакууме, в контакте с пищевыми продуктами, при низких температурах. Это обусловлено исключительной инертностью ПТФЭ и его низким коэффициентом трения. Однако при получении подобных композитов возникают проблемы, связанные с его инертностью, а также высокой вязкостью расплава: трудно достичь хорошего контакта полимера с поверхностью наполнителя, обеспечить их адгезионное взаимодействие.
Главным недостатком фторопластовых композитов до сих пор остается рыхлая, пористая структура материала, особенно при превышении содержания наполнителя 10%. Она обусловливает снижение разрывной прочности по сравнению с чистым ПТФЭ, а в ряде случаев растрескивание материала.
Поэтому важнейшей проблемой для производителей фторопластовых композитов во всем мире является поиск методов улучшения их эксплуатационных свойств, устранения пор и пустот в межфазных слоях. Перспективное направление решения этой задачи - модифицирование наполнителей.
Среди серийно выпускаемых в СНГ композитов антифрикционного назначения самыми современными материалами длительное время были «Флубон» и «Флувис», представляющие собой фторопласт-4, наполненный измельченными углеродными волокнами (УВ). По своим характеристикам они значительно превосходят выпускаемый с 60-х годов композиционный материал Ф4К20. Применение УВ, существенно более дорогих, чем кокс, помимо более высокой износостойкости и лучшей теплопроводности обеспечило отсутствие износа металлической поверхности контртела. Это многократно снижает затраты на ремонт и оправдывает более высокую стоимость композита..
Организовав в конце 90-х годов серийный выпуск материала Флувис, и проанализировав уровень его свойств, мы пришли к выводу о возможности значительного повышения характеристик композита путем обеспечения технологической совместимости компонентов. Требовалось изменить характер смачивания поверхности углеволокон фторопластом. Для этого разработан оригинальный метод модифицирования УВ путем плазмохимического формирования на их поверхности слоя фторполимера толщиной в десятки нанометров.
Для достижения прочной адгезионной связи полимера с поверхностью наполнителя достаточно сравнительно слабых ван-дер-ваальсовых сил. Лимитирующим фактором является хорошая смачиваемость наполнителя расплавом полимера. Благодаря физической адсорбции макромолекул полимера при полном смачивании поверхности волокна прочность адгезионной связи может быть гораздо выше, чем когезионная прочность полимеров. Особенно актуально это для инертных термопластичных матриц.
Условием хорошей смачиваемости является близость поверхностных энергий полимера и наполнителя. Поэтому нанесение тонких полимерных покрытий на поверхность наполнителя может существенно повлиять на плотность упаковки молекул в межфазных слоях композита и, как следствие, на его физико-механические характеристики. Однако это покрытие, кроме низкой поверхностной энергии, должно обладать еще рядом свойств. Одно из главных – способность выдерживать температуры переработки ПТФЭ (370…380°С), что практически исключает все водородсодержащие органические соединения. Получить подобное покрытие из расплава или раствора ПТФЭ не представляется возможным в силу его неплавкости и нерастворимости.
Нами предложен способ повышения совместимости ПТФЭ с наполнителем, заключающийся в формировании на поверхности наполнителя тонкого покрытия из фторполимера в плазме электрического разряда. Плазменная полимеризация позволяет получать конформные покрытия, проникающие даже в мелкие неровности и углубления на поверхности. Используя различные газовые среды, можно получить на поверхности наполнителя полимеризационные слои самого различного состава и толщины, конформные, свободные от внутренних напряжений.
Установлено, что формирование покрытия нанометровой толщины на поверхности УВ приводит к значительному (от нескольких сотен до 20-23 кДж/м2) снижению поверхностной энергии волокон до уровня ПТФЭ (19 кДж/м2). При этом УВ расплавом ПТФЭ заметно улучшается, угол смачивания низкомолекулярным плавким ПТФЭ уменьшается с 70-80 до 30-40o. (Рис.). Это приводит к формированию лучшего контакта ПТФЭ-матрицы и поверхности УВ при формировании композита, что обусловливает уплотнение его структуры, устранению пор и пустот в межфазных слоях.

Рис. Электронномикроскопические снимки капель расплава ПТФЭ на исходных (а) и модифицированных (б) УВ

Физико-механические свойства фторопластового композита с использованием покрытых ПТФЭ углеродных волокон по сравнению с серийным композитом Флувис резко улучшились. Значительно (до 2030…2080 кг/м3) выросла плотность, что означает что в серийном композите было порядка 3…5% пор, которые удалось убрать. Повышение однородности материала привело к резкому возрастанию твердости (до 62…64 ед. по Бринелю), теплопроводности ( с 0,25-0,44 Вт/м•К до 0,30-0,60 в диапазоне –125…+250oС) и прочности. При разрыве устойчиво воспроизводится величина прочности на разрыв матрицы фторопласта-4 (33-35 МПа). Это опровергает известный тезис, что добавление 1 объемного % любого наполнителя в ПТФЭ приводит к снижению прочности на разрыв на 0,5 МПа, поскольку частицы наполнителя являются зародышами трещин и инородным телом во фторопластовой матрице. Взаимодействие наполнителя и матрицы привело к резкому увеличению жесткости материала, особенно в области повышенных температур (рис). Значительно вырос модуль – с 600…750 МПа для Флувиса до 1100 МПа для Суперфлувиса. Для сравнения модуль Юнга Флубона симферопольского производства из случайной партии составил 500-600 МПа (рис).

Рис. Сжатие при 150oС, скорость 5 мм/мин
1 – Суперфлувис, 2 – Флубон (Симферополь), 3 – Флувис

Рис. Сжатие при 18oС, скорость 5 мм/мин
1-Ф4, 2-Ф4К20, 3-Флубон (Симферополь), 4-Флувис, 5- Суперфлувис

Повышение теплопроводности, твердости и прочности привело к значительному (в 1,5…2 раза) повышению износостойкости, по сравнению с серийным Флувисом. Одновременно снизилось влагоглощение, газопроницаемость на порядок увеличилась электропроводность.
Нами создано и запущено технологическое оборудование, позволяющее полностью обеспечить модифицированной углелентой любые потребности рынка. Применение модифицированной углеленты повышает стоимость композита на 5…8 у.е., что является приемлемой величиной, учитывая выдающиеся характеристики материала. Готовятся ТУ на модифицированную углеленту и новый композит «Суперфлувис»
С 2005 г организован опытно-промышленный выпуск композита, который получил собственное имя – СуперфлувисТМ. В настоящее время его испытания проводятся на полусотне ведущих предприятий СНГ. Первые полученные результаты подтверждают высокие характеристики материала. Заинтересованность промышленности потребовало наращивания объемов выпуска, совершенствование маркетинговой стратегии, что на данном этапе является главным приоритетом нашей работы.



Copyright © 2005-2009 Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Б
Адрес: Республика Беларусь, 246000, г. Гомель, ул. Кирова 32а. тел. +375-232-775-212; факс. +375-232-775-211; e-mail: mpri@mail.ru

Разработка mpri@mail.ru