ESTABLISHMENT OF CORRELATION DEPENDENCIES OF THE INFLUENCE OF INJECTION MOLDING TECHNOLOGICAL PARAMETERS ON THE PHYSICAL-MECHANICAL AND TRIBOTECHNICAL PROPERTIES OF COMPOSITE POLYMER MATERIALS

УДК: 678.023.001.2(075)

Аннотация

В работе представлены результаты комплексного исследования влияния технологических параметров литья под давлением на физико-механические и триботехнические свойства антифрикционных и антифрикционно-износостойких композиционных полимерных материалов на основе полипропилена. Проведен анализ влияния температуры расплава и удельного давления впрыска на структуру и эксплуатационные характеристики материалов, предназначенных для работы в условиях повышенных нагрузок и трения. Установлены корреляционные зависимости между основными параметрами технологического процесса и такими характеристиками, как модуль упругости при изгибе, твердость по Бринеллю, разрушающее напряжение, коэффициент трения и интенсивность изнашивания.

Показано, что изменение температуры расплава и давления впрыска оказывает существенное влияние на процессы формирования структуры композиционного материала, степень межфазного взаимодействия компонентов и равномерность распределения наполнителей в полимерной матрице. Установлено, что повышение температуры расплава и давления впрыска способствует улучшению физико-механических свойств, повышению прочности и твердости материалов, а также снижению коэффициента трения и интенсивности изнашивания до определенных оптимальных значений. Однако дальнейшее увеличение указанных параметров приводит к ухудшению свойств вследствие термической деструкции полимерной матрицы, возникновения внутренних напряжений и нарушения структуры композиции.

На основании экспериментальных исследований определены рациональные диапазоны технологических параметров литья под давлением (Р = 130–140 МПа, Тр = 513–523 К), обеспечивающие формирование композиционных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками и стабильными показателями износостойкости. Полученные результаты имеют практическое значение при разработке и оптимизации технологических режимов изготовления деталей узлов трения хлопкоперерабатывающих машин, а также могут быть использованы при создании новых полимерных композиционных материалов для различных отраслей машиностроения и промышленности.

Abstract

The paper presents the results of a comprehensive study on the influence of injection molding technological parameters on the physicomechanical and tribotechnical properties of antifriction and antifriction wear-resistant composite polymer materials based on polypropylene. An analysis was carried out on the effect of melt temperature and specific injection pressure on the structure and performance characteristics of materials intended for operation under conditions of increased loads and friction. Correlation relationships were established between the main technological process parameters and such characteristics as flexural modulus of elasticity, Brinell hardness, ultimate strength, friction coefficient, and wear intensity.

It was shown that changes in melt temperature and injection pressure significantly affect the processes of composite material structure formation, the degree of interfacial interaction between components, and the uniform distribution of fillers within the polymer matrix. It was found that increasing the melt temperature and injection pressure contributes to the improvement of physicomechanical properties, enhancement of material strength and hardness, as well as reduction of the friction coefficient and wear intensity up to certain optimal values. However, further increase in these parameters leads to deterioration of properties due to thermal degradation of the polymer matrix, the occurrence of internal stresses, and disruption of the composite structure.

Based on the experimental studies, rational ranges of injection molding technological parameters were determined (P = 130–140 MPa, Tm = 513–523 K), ensuring the formation of composite materials with enhanced performance characteristics and stable wear resistance indicators. The obtained results are of practical importance for the development and optimization of technological regimes for manufacturing friction unit components of cotton-processing machines and can also be used in the creation of new polymer composite materials for various branches of mechanical engineering and industry.

Ключевые слова: композиционные полимерные материалы; литье под давлением; технологические параметры; температура расплава; давление впрыска; корреляционные зависимости; физико-механические свойства; триботехнические свойства; коэффициент трения; износостойкость; полипропилен; антифрикционные материалы.

Keywords: polymer composite materials; injection molding; technological parameters; melt temperature; injection pressure; correlation relationships; physical-mechanical properties; tribotechnical properties; coefficient of friction; wear resistance; polypropylene; antifriction materials.

Введение

Композиционные полимерные материалы (КПМ) широко применяются в узлах трения машин и механизмов благодаря сочетанию высоких антифрикционных и износостойких свойств. Надежность и долговечность деталей, работающих в условиях трения, в значительной степени определяются как эксплуатационными характеристиками материалов, так и технологическими условиями их переработки. Особую актуальность данная проблема приобретает для рабочих органов хлопкоперерабатывающих машин, функционирующих в условиях интенсивного контактного взаимодействия с хлопком-сырцом.

Одним из основных методов переработки полимерных композиционных материалов является литье под давлением, позволяющее получать изделия сложной формы с заданными свойствами. При этом физико-механические и триботехнические характеристики изделий в значительной степени зависят от технологических параметров процесса, к которым относятся температура расплава, давление впрыска, скорость заполнения формы, температура пресс-формы, время выдержки под давлением и условия охлаждения.

Несмотря на обширные исследования в данной области, вопросы количественного установления корреляционных зависимостей между технологическими параметрами литья под давлением и эксплуатационными свойствами антифрикционных композиционных материалов остаются недостаточно изученными, особенно для материалов на основе полипропилена, используемых в хлопкоперерабатывающей промышленности.

В связи с этим целью настоящей работы является установление корреляционных зависимостей между технологическими параметрами литья под давлением и физико-механическими и триботехническими свойствами антифрикционных (АППК-1, АППК-2) и антифрикционно-износостойких (АИППК-1, АИППК-2) полипропиленовых композиционных материалов.

Результаты исследований. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что свойства композиционных полимерных материалов зависят от технологических параметров литья под давлением [3; 5; 8; 10; 11].

Для совместного анализа технологических параметров литья под давлением, влияющих на физико-механические и триботехнические свойства КПМ, нами, по результатам экспериментальных исследований, составлены диаграммы корреляционных зависимостей физико-механических и триботехнических свойств антифрикционных и антифрикционно-износостойких КПМ на основе полипропилена от различных технологических параметров литья, включающих температуру расплава (Т_р) и удельное давление впрыска (Р) [1; 2; 8].

В левом нижнем квадранте диаграмм (рис. 1, 2) показана зависимость модуля упругости при изгибе Е_и, в правом нижнем квадранте — зависимость твердости по Бринеллю, соответственно, от удельного давления впрыска Р и температуры литья Т_р. В верхнем левом квадранте представлена зависимость удельной вязкости от Т_р, а в верхнем правом квадранте — зависимость разрушающего напряжения при изгибе, соответственно, от удельного давления впрыска и температуры расплава.

1-АППК-1, 2 – АППК-2, 3 -  АИППК-1, 4 – АИППК-2

Рисунок 1.  Корреляционная зависимость физико-механических   свойств антифрикционных и антифрикционно-износостойких    полипропиленовых композиционных материалов от давления впрыска

Анализ диаграмм, приведенных на рисунках 1 и 2, показал, что они хорошо иллюстрируют зависимость физико-механических свойств композиционных полимерных материалов от технологических параметров литья под давлением. Так, с увеличением давления впрыска и температуры расплава повышаются как разрушающее напряжение и модуль упругости при изгибе факторы, так и твердость по Бринеллю антифрикционных и антифрикционно-износостойких полипропиленовых композиционных материалов, достигая максимума при Р = 130-140 МПа и Т_р = 513 К, который при дальнейшем увеличении давления впрыска и температуры расплава снижается. Удельная вязкость рассматриваемых материалов с увеличением давления впрыска и температуры расплава постепенно снижается [4; 7; 9; 12].

1 - АППК-1; 2 - АППК-2; 3 - АИППК-1; 4 - АИППК-2

Рисунок 2. Корреляционная зависимость физико-механических свойств антифрикционных и антифрикционно-износостойких полипропиленовых композиционных материалов от температуры расплава

На рисунке 3 представлена корреляционная зависимость триботехнических свойств антифрикционных и антифрикционно-износостойких полипропиленовых композиционных материалов от удельного давления впрыска Р и температуры литья Т_р, откуда видно, что с увеличением давления впрыска и температуры расплава коэффициент трения и интенсивность изнашивания снижаются, достигая минимума при Р = 130-140 МПа и Т_р = 513-523 К. Затем, при повышении технологических параметров литья, триботехнические свойства КПМ повышаются.

В левом нижнем квадранте диаграммы (рис. 3) показана зависимость интенсивности изнашивания, а в левом верхнем квадранте — коэффициента трения от температуры расплава. В правом нижнем квадранте показана зависимость интенсивности изнашивания, а в правом верхнем квадранте — обусловленность коэффициента трения от давления впрыска.

1 - АППК-1; 2 - АППК-2; 3 - АИППК-1; 4 - АИППК-2,

F — коэффициент трения; I · 10¹⁰ — интенсивность изнашивания

Рисунок 3.  Корреляционная зависимость триботехнических свойств  антифрикционных и антифрикционно-износостойких  полипропиленовых композиционных материалов от удельного давления и температуры расплава

Как видно из рисунка 3, с увеличением давления впрыска и температуры расплава коэффициент трения и интенсивность изнашивания снижаются, достигая минимума при Р = 130-140 МПа и Т_р = 523-533 К, соответственно. Затем при повышении технологических параметров литья триботехнические свойства антифрикционных и антифрикционно-износостойких полипропиленовых композиционных материалов повышаются.

Корреляционные зависимости, представленные на диаграммах, во-первых, подтверждают теоретические представления и экспериментальные данные исследований, во-вторых, показывают влияние технологических параметров литья под давлением на физико-механические и триботехнические свойства антифрикционных и антифрикционно-износостойких полипропиленовых композиционных материалов, в-третьих, логическую и физическую взаимосвязь рассмотренных факторов.

Заключение

В результате проведенных исследований установлены количественные корреляционные зависимости между технологическими параметрами литья под давлением и физико-механическими, а также триботехническими свойствами антифрикционных и антифрикционно-износостойких полипропиленовых композиционных материалов. Показано, что изменение температуры расплава и давления впрыска оказывает существенное влияние на структуру и эксплуатационные характеристики материалов.

Выявлено, что повышение давления впрыска и температуры расплава приводит к увеличению модуля упругости при изгибе, твердости по Бринеллю и разрушающего напряжения, а также к снижению коэффициента трения и интенсивности изнашивания до определенного предела. Установлены оптимальные значения технологических параметров (Р = 130–140 МПа, Тр = 513–523 К), при которых достигается наилучшее сочетание прочностных и триботехнических характеристик.

Показано, что дальнейшее увеличение указанных параметров приводит к ухудшению свойств, что связано с изменением структуры материала и возможными дефектами переработки. Полученные корреляционные зависимости позволяют целенаправленно управлять свойствами композиционных материалов и могут быть использованы при разработке рациональных технологических режимов литья под давлением.

Практическая значимость работы заключается в возможности применения установленных закономерностей при проектировании и изготовлении деталей узлов трения хлопкоперерабатывающих машин из композиционных полимерных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Список литературы:

1. Азизов З.А., Негматов Ж.Н., Абед Н.С., Касимов Ш.Б. Требования, предъявляемые к композиционным полимерным материалам для деталей трущихся пар рабочих органов машин и механизмов транспортно-распределительных систем хлопкового комплекса. // Композиционные материалы. — Ташкент, 2024. — № 3. — С 171.
2. Беляева Т.Н., Филоненко В.И. Исследование влияния наномодифицированного наполнителя на свойства полимерных композиций // Пластические массы. — 2009. — № 3. — С.35–37.
3. Гуль В.Е., Акутин М. С. Основы переработки пластмасс. — М.: Химия, 1985. — 400 с.
4. Джабаров Б.Т., Ходжаева Д.Н., Шамсиева С.С., Миркамолов Ж.С. Проблемы повышения надёжности и долговечности эпоксидных текстолитов при использовании местных минеральных наполнителей // Проблемы современной науки и образования. — 2025. — № 12 (211). — С. 23–26.
5. Кахраманов Н.Т. и др. Влияние технологических параметров литья под давлением на физико-механические свойства динамических эластопластов // Kimya Problemleri. — 2018.
6. Козлов Н.А. Митрофанов А.Д. Физика полимеров: учеб. пособие. — Владим. гос. ун-т; Владимир, 2001. — 345 с.
7. Негматова К.С., Бабаханова М.А., Ахмедова Д.У., Бабаханова Д.Р., Дадамухамедова Н.А., Бозоров А.Н. Исследование адгезионной прочности композиционного полимерного покрытия // Universum: технические науки. — 2021. — (8-2 (89)). — С. 76–78. URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/12174 (дата обращения: 05.06.2026).
8. Халилов Э.Н., Кахраманов Н.Т. и др. Влияние технологических параметров литья под давлением на свойства композиционных материалов // Kimya Problemleri. — 2009.
9. Abed Nodira, Malohat Tukhtasheva, Sayibjan Negmatov, Tulyaganova Vasila, Komila Negmatova, Shuhrat Bozorboyev, Djabarov Bekzod. Study on the impact of mineral, fibrous, and carbon-graphite fillers on the physical and mechanical properties of composite friction resistant polymer materials // Universum: технические науки. — 2025. — № 9 (6 (135)). — С. 33–39. doi: 10.32743/UniTech.2025.135.6.20461
10. Kamal M.R., Isayev A.I., Liu S.-J. Injection Molding: Technology and Fundamentals—Munich: Hanser, 2009. — 926 p.
11. Lerma Valero J.R. Plastics Injection Molding: Scientific Molding, Recommendations, and Best Practices. — Hanser Publishers, Munich, 2020. — 395 p.
12. Negmatov Sayibjan, Abed Nodira, Djabarov Bekzod, & Bozorboyev Shuxrat (2024). Influence of organomineral fillers content on electrical-physical properties of developed composite polymer materials. Universum: технические науки. — 2024. — № 12 (11 (128)). — С. 41–45. doi: 10.32743/UniTech.2024.128.11.18494.

References:

1. Gul V.E., Akutin M.S. [Fundamentals of Plastics Processing]. Moscow: Chemistry, 1985. 400 p. (In Russ.). 
2. Kamal M.R., Isayev A.I., Liu S.-J. [Injection Molding: Technology and Fundamentals] – Munich: Hanser, 2009.
3. Lerma Valero J.R. [Plastics Injection Molding: Scientific Molding, Recommendations, and Best Practices] – Elsevier, 2020.
4. Kahramanov N.T. et al. [Influence of Injection Molding Process Parameters on the Physical and Mechanical Properties of Dynamic Elastoplasts]. Kimya Problemleri, 2018. (In Russ.).
5. Khalilov E.N., Kahramanov N.T. and others. [Influence of injection molding process parameters on the properties of composite materials]. Kimya Problemleri, 2009. (In Russ.).
6. Belyaeva T.N., Filonenko V.I. [Study of the influence of nanomodified filler on the properties of polymer composites]. Plastic masses, 2009. - No. 3. - Pp. 35-37. (In Russ.).
7. Azizov. Z.A., Negmatov Zh.N., Abed N.S., Kasimov Sh.B. Requirements imposed on composite polymer materials for parts of rubbing pairs of working bodies of machines and mechanisms of transport and distribution systems of the cotton complex. // Composite materials.-Tashkent, 2024. - No. 3. –P 171. (In Russ.).
8. Kozlov N.A. Mitrofanov A.D. [Physics of polymers]. Textbook / Vladimir state University; Vladimir, 2001, - 345 p. ISBN 5-89368-198-3. (In Russ.).
9. Abed Nodira, Malohat Tukhtasheva, Sayibjan Negmatov, Tulyaganova Vasila, Komila Negmatova, Shuhrat Bozorboyev, & Djabarov Bekzod (2025). [Study on the impact of mineral, fibrous, and carbon-graphite fillers on the physical and mechanical properties of composite friction-resistant polymer materials]. Universum: technical sciences, 9 (6 (135)), 33-39. doi: 10.32743/UniTech.2025.135.6.20461
10. Negmatova K.S., Babakhanova M.A., Akhmedova D.U., Babakhanova D.R., Dadamukhamedova N.A., Bozorov A.N. (2021). [Study of the adhesion strength of composite polymer coating]. Universum: Technical Sciences, (8-2 (89)), 76-78. URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/12174 (In Russ.).
11. Dzhabarov B.T., Khodjaeva D.N., Shamsieva S.S., Mirkamolov Zh.S. Problems of increasing the reliability and durability of epoxy textolites using local mineral fillers. // Problems of modern science and education. - 2025. - No. 12 (211). p. 23-26. (In Russ.).
12. Negmatov Sayibjan, Abed Nodira, Djabarov Bekzod, & Bozorboyev Shuxrat (2024). [Influence of Organomineral Fillers Content on Electrical-Physical Properties of Developed Composite Polymer Materials]. Universum: Technical Sciences, 12 (11 (128)), 41-45. doi: 10.32743/UniTech.2024.128.11.18494.