DOI 678.675'126

Fluorine Notes, 2011, 74, 3-4

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МИКРОКОЛИЧЕСТВ 1,1,3-ТРИГИДРОПЕРФТОРПРОПАНОЛА-1 НА ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИ-ε-КАПРОАМИДА, НАПОЛНЕННОГО Na⁺-МОНТМОРИЛЛОНИТОМ И ГРАФИТОМ

И. А. Новаков*, Н. А. Рахимова*, А. П. Краснов**, Я. В. Зубавичус**, С. В. Кудашев*

*Волгоградский государственный технический университет, Россия, 400131, Волгоград, проспект Ленина, 28
**Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук, Россия, 119991 Москва, ул. Вавилова, 28
E-mail: organic@vstu.ru

Аннотация. Впервые проведено исследование влияния 1,1,3-тригидроперфторпропанола-1, сорбированного на графите и монтмориллоните в качестве трибомодификаторов поли-ε-капроамида. Исследование свойств модифицированного поли-ε-капроамида показало, что полифторсодержащие слоистые системы  являются эффективными трибомодификаторами.

Ключевые слова: Поликапроамид, полифторированный спирт, монтмориллонит, графит

Поли-ε-капроамид (ПКА) под маркой полиамид-6 широко известен как один из основных конструкционных полимеров, широко используемых в промышленности в наполненном и не наполненном состоянии [1]. Описаны также и недостатки ПКА как конструкционного, антифрикционного материала и, в первую очередь, активное нежелательное трибоокисление [1, 2].

Ранее было показано, что использование поли- и перфторированных соединений для модификации ПКА перспективно ввиду значительного улучшения гидролитической устойчивости, свето-, термо-, износостойкости и других полезных свойств благодаря уникальной природе поли- и перфторированных групп [3]. При этом введение в ПКА полифторированных спиртов и на их основе полифторалкил-олиго-ε-капроамидов способствует улучшению трибологических характеристик ПКА при микродопировании указанных модификаторов [4, 5].

В данной работе в качестве модификаторов ПКА были использованы композиции 1,1,3-тригидроперфторпропанола-1 (HCF₂CF₂CH₂OH) (ПФС) и таких слоистых систем, как Na⁺-монтмориллонит (ММТ) и графит месторождения Завальского.

Монолитные блочные образцы ПКА с модификатором были получены методом компрессионного прессования порошковой композиции при температуре 210-22°С и давлении 50 МПа. Получение композитов ПФС со слоистыми структурами осуществляли по методике [6].

Исследование трибологических характеристик наполненного ПКА проводили на машине трения торцевого типа И47К54 между двумя металлическими контртелами при условиях испытаний: удельная нагрузка (Р) 0,5 кг/см² при постепенном повышении скорости (V) начиная с 0.5 м/с. Образцы представляли собой втулки размером Ø22×12 мм, контртело – сталь 3Х13. Износ образцов измеряли весовым способом, а температуру фрикционного нагрева – термопарой в металлическом контртеле на расстоянии ≈ 1 мм от поверхности трения.

Работа включала две основные части – исследование влияния ПФС1 на трибологические свойства ПКА, наполненного графитом, а затем и композицией с ММТ. Результаты эксперимента по первой части представлены в табл. 1. Установлено, что трение исходного ПКА при выбранной скорости и нагрузке отличается нестабильностью. Образец при трении достигает температуры 108°С и сильно деформируется, вследствие чего испытания были прекращены. Введение 3% графита способствует некоторому понижению контактной температуры в конце каждого часа при сохранении небольшой деформации образцов.

Таблица 1. Влияние ПФС1 на трение и износ ПКА, наполненного графитом. (Р = 0,5 кг/см², V = 0,5 м/с).

При использовании графита, содержащего 0.1% ПФС1 наблюдалось повышение контактной температуры, причем на 2-ом часе испытаний коэффициент трения резко повысился и произошло "заедание" системы. Снижение содержания ПФС1 в графите до 0,01%, частично способствует снижению коэффициента трения и износа образца на первом часе (табл. 2). Дальнейшие испытания проводились в менее тяжелых условиях при нагрузке 0,25 кг/см².

Таблица 2. Влияние ПФС1 на трение и износ ПКА, наполненного ММТ и графитом

Представлялось целесообразным сравнить полученные результаты с трением той же композиции, но при модификации не 0,1% ПФС1, а 0,01% ПФС1. Результаты трения при различных количествах модификатора свидетельствуют, что определяющим фактором в развитии температурного эффекта при трении является нагрузка, а повышение скорости с 0.25 до 0.5 м/с изменяет контактную температуру незначительно на 1-4°С.

Полученные результаты свидетельствуют о заметной положительной роли ПФС1 при трении композиционных полимерных материалов. Так повышение количества ПФС1 с 0,01% до 0,1% в композициях ПКА с ММТ-ПФС1 и графитом снижает износ композиций в 2-3 раза (образцы #2 и #4). Введение комплексного наполнителя (ММТ-ПФС1 и графит) улучшает трибологическое поведение композиций по сравнению с модифицированным графитом (таблица 2).

Для выяснения характера изменения физико-химического состояния поверхности исследуемых полимерных образцов в процессе трения были определены их краевые углы смачивания (КУС) до и после проведения эксперимента. Измерение КУС проводили на поверхностях образцов (торцы втулок Ø22×12 мм) с использованием микроскопа МИН-2М. Полученные результаты приведены на рис. 1.

Рис. 1. Краевой угол смачивания образцов ПКА.
θ – краевой угол смачивания (град), τ – время (мин).
а – ПКА исходный: 1 – до трения, 2 – после трения;
b – ПКА + 0.1%ПФС1-графит: 1 – до трения, 2 – после трения;
c– ПКА + 1.5% (0.01% ПФС1-ММТ) + 3% графит: 1 – до трения, 2 – после трения.

Из рис. 1а видно, что поверхность образца оказывается неизменной до и после трения. Причина этого в характере трения, которое закончилось очень значительной деформацией образца и практически обновлением всей поверхности. В связи с чем, в данном случае не корректно использовать полученные данные для описания результатов трения.

Возрастание исходного значения КУС при трении с 60° до 70° может быть связано с ролью вводимого, менее полярного графита, и влиянием ПФС1, на поверхности которого находятся (CF₂-CF₂)-группы (рис. 1b). В конце эксперимента образец после трения понижает КУС, что, как правило, свидетельствует об образовании микропор, либо достижением каплей более окисленных участков, образующихся на поверхности в результате трения.

Введение полифторсодержащего ММТ способствует более интенсивному снижению показателя КУС после 5 минут пребывания капли воды на поверхности до значения ~5°. Это довольно необычное изменение  может свидетельствовать, что модифицированный ММТ, как в связи с исходной гидрофильностью, так и благодаря микроколичествам "кислого" ПФС1, в смеси с графитом способствует формированию микропористой поверхности и, возможно, с более активными полярными участками.

Таким образом, слоистые системы, модифицированные микроколичествами ПФС,  являются эффективными трибомодификаторами, способствуя стабилизации процесса трения наполненного ими ПКА.

Список литературы

1. Новаков И.А., Сторожакова Н.А., Краснов А.П., Иванов В.Б., Приймак В.В. Модификация поликапроамида 1.1.5-тригидроперфторпентанолом и свойства полученных волокон // Высокомолек. соед. А и Б. 2005. Т. 47. N 12. С. 2186-2190.
2. Новаков И.А., Сторожакова Н.А., Зубавичус Я.В., Краснов А.П., Приймак В.В. Влияние 1.1.5-тригидрополифторпентанола на структуру неориентированных поли-ε-капроамидных пленок // Высокомолек. соед. А и Б. 2007. Т. 49. N 3. С. 559-565.
3. Сторожакова Н.А. Закономерности модификации поли-ε-капроамида полифторированными соединениями, особенности свойств и применение. Дисс. докт. хим. наук. Волгоград: ВолгГТУ, 2007.
4. Краснов А.П., Сторожакова Н.А., Баженова В.Б., Афоничева О.В., Наумкин А.В., Зубавичус Я.В., Рашкован И.А., Казаков М.Е., Новаков И.А. Влияние химического строения полифторированных спиртов на трибологические свойства поли-ε-капроамида // Трение и износ. 2008. Т. 29. С. 51-57.
5. Новаков И.А., Краснов А.П., Рахимова Н.А., Баженова В.Б., Афоничева О.В., Мить В.А., Наумкин А.В., Косенкова С.А. Влияние полифторалкиловых эфиров олигомеров ε-аминокапроновой кислоты на трибохимические свойства поли-ε-капроамида // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвуз. сб. науч. ст.// ВолгГТУ, Волгоград. 2010. N 1(39). С. 125-129.
6. Рахимова Н.А., Кудашев С.В. Гидрофобизация бентонита полифторированными спиртами // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвуз. сб. науч. ст. // ВолгГТУ, Волгоград. 2010. N 2(62). С. 49-53.

Материал рекомендован к публикации членом редколлегии проф. А.И. Рахимовым

Fluorine Notes, 2011, 74, 3-4