Исследование процесса электризации волокнистой массы при фрикционном взаимодействии с композиционными полимерными покрытиями

АННОТАЦИЯ

Приведены результаты изучения процесса электризации композиционных полимерных покрытий при фрикционном взаимодействии с хлопком-сырцом в зависимости от вида и природы полимеров и органоминеральных наполнителей. Установлены основные закономерности электризации и изменения электрофизических свойств композиционных полимерных покрытий при скольжении с хлопком-сырцом. Показано, что наиболее эффективно воздействуют на электростатические свойства композиционных полимерных покрытий электропроводящие наполнители, обеспечивающие их оптимальные физико-механические свойства.

ABSTRACT

The results of studying the process of electrification of composite polymer coatings during frictional interaction with raw cotton depending on the type and nature of polymers and organic-mineral fillers are presented. The basic laws of electrification and changes in the electrophysical properties of composite polymer coatings when sliding with raw cotton are established. It has been shown that the most effective effect on the electrostatic properties of composite polymer coatings is electrically conductive fillers, ensuring their optimal physical and mechanical properties.

Ключевые слова: полимер, хлопок-сырец, покрытие, композиционное полимерное покрытие, процесс электризации, кинетика, электростатические свойства, плотность, поверхностная плотность заряда, электростатический заряд, наполнитель, скольжение.

Keywords: polymer, raw cotton, coating, composite polymer coating, electrification process, kinetics, electrostatic properties, density, surface charge density, electrostatic charge, filler, slip.

Введение. Известно, что процессы взаимодействия композиционных полимерных покрытий с хлопком-сырцом имеет сложную природу [4]. При этом специфика контактирующих тел (композит-хлопок-сырец) обуславливается процессами электризации воздействующих на поверхностные слои композиционных полимерных покрытий и тем самым влияющих на их электрофизические и физико-механические свойства. Кроме того выявлено, что уменьшение электризации композиционных полимерных покрытий способствует улучшению их антифрикционных свойств. Это позволяет целенаправленно изменять и регулировать антиэлектростатические и антифрикционные свойства композиционных полимерных покрытий, работающих при взаимодействии с хлопком-сырцом.

Так, возникновение электростатического заряда в контактной зоне композит-хлопок-сырец отрицательно влияет на коэффициент трения, износостойкость и долговечность композиционных полимерных покрытий, а также усиливает пожароопасность в процессе переработки хлопка-сырца.

Устранение этих явлений, возможно, будет путем глубокого изучения и целенаправленного, регулирования электрофизических и прочностных свойств материала и созданием эффективных составов антиэлектростатически-антифрикционных композиционных полимерных материалов, обеспечивающие низкие коэффициент трения и изнашивание, увеличение долговечности покрытий для рабочих органов хлопковых маши и механизмов, эксплуатируемых в хлопкоочистительных заводах, при переработке и транспортировке хлопка-сырца.

 В работах [7; 5; 1; 6] отмечены, что машины и механизмы, применяемые для переработки хлопка-сырца, имеют конструктивные, технологические и целый ряд специфических недостатков, к которым относятся:

- повреждение хлопковых волокон и дробленности хлопковых семян, возникновение шума и пожароопасности;

-  высокий коэффициент трения;

- острые кромки и заусенцы, шероховатость и субмикронеровности;

- повышенное пожароопасность, возникающая при соударении деталей рабочих органов машин с твердыми включениями, находящимися в хлопке-сырце.

Применение композиционных полимерных покрытий в рабочих органах машин и механизмов способствует устранению или сведению до минимума целого ряда указанных недостатков. При этом покрытия работают в условиях статических и динамических нагрузок, а также вибрации, под воздействием климатических факторов и агрессивных сред.

В соответствие с вышеизложенным выбор полимерных материалов в качестве основы антиэлектростатических полимерных композиций осуществлялся последующим критериям:

- технологичность и экономичность используемого полимерного материала, методики и аппаратуры для нанесения покрытий на поверхности деталей рабочих органов машин;

- комплекс необходимых для условий эксплуатации электрофизических и физико-механических свойств, сохраняющих стабильность при температурах от -20 до +80°С и влажности окружающей среды до 80%, а также при воздействии климатических факторов и агрессивных сред;

- при работе в условиях трения они должны обладать высокими антифрикционными свойствами в диапазоне скоростей до 8м/с (иногда до 25 м/с) и нагрузок от 0,005 до 0,05 МПа и сравнительно низкой электризуемостью.

Наиболее полно удовлетворяют общим и специальным требованиям и условиям эксплуатации такие полимеры как ЭД-16, ФАЭД-20 и ФАЭИС-30 которые и были выбраны в качестве основы для создания антиэлектростатических композиционных полимерных материалов функционального назначения. Эти полимерные материалы обладают наилучшими антифрикционными свойствами, высокой теплостойкостью, технологичностью получения покрытий.

Для качественной оценки процессов электризации полимерных пок­рытий были выполнены исследования кинетики электризации, которые показали, что наиболее быстро электризуются полярные фурано-эпоксидные олигомеры (таблица 1).

Таблица 1

Кинетика изменения поверхностной плотности заряда композиционных полимерных покрытий при их взаимо­действии с хлопком-сырцом со скоростью скольжения V = 6 м/с и удельным давлением Р = 0,05 МПа

При этом, отмечено, что сте­пень электризации полимерных покрытий определяется как скоростью образования, так и скоростью утечки зарядов и зависит от природы полимера.

Установлено, что после прекращения фрикционного взаимо­действия полимерных покрытий с хлопком-сырцом, заряды длительное время сохраняются на поверхности покрытий (таблица 2).

Таблица 2.

Кинетика изменения поверхностной плотности заряда композиционных полимерных покрытий после прекращения фрикционного взаимо­действия с хлопком-сырцом со скоростью скольжения V = 6 м/с и удельным давлением Р = 0,05 МПа

Исследования процессов электризации показали, что под действием температуры в зоне трения композиционные полимерные покрытия на основе ЭД-16, ФАЭД-20 и ФАЭИС-30 незначительно изменяют элеткропроводность с увеличением температуры в контактной зоне композит-хлопок.

Такой характер электропроводности от температуры определяет процессы установления равновесного состояния между образованием и утечкой электростатических зарядов.

Показано, что объяснить зависимость электризации от вида и природы полимерных покрытий только с точки зрения современной тео­рии донорно-акцепторного взаимодействия не представляется возмож­ным, так как в стабильном режиме трения, композиционные полимерные покрытия всегда приобретают положительный знак зарядов, а хлопок-сырец - отрицатель­ный знак. При этом выявлена зависимость электризации от степени "сшив­ки” для термореактивных полимеров.

С увеличением степени сшивки макромолекул термореактивных полимеров при взаимодействии с хлопком-сырцом возрастает образование электризации в контактной зоне трущихся пар.

Boзрастание электризации при увеличении содержания отвердителя ПЭПА до 25-30 мас.ч. у ФАЭД-20 и ФАЭИС-30 и до 12 мас.ч. у ЭД-16 связано с возрастанием степени структурирования и сшивки макромолекул и, соответственно, уменьшением электропроводности и возрастанием микротвердости. При этом уменьшается утечка зарядов и изменяется характер контактного взаимодействия полимерных покрытий с хлопком-сырцом. Дальнейшее увеличение содержания ПЭПА приводит к снижению поверхностной плот­ности электростатических зарядов, что объясняется пластифицирующим воздействием избыточного количества отвердителя на полимерную систему, в результате чего увеличивается гибкость полимерной цепи и, соответственно, электропроводность.

При увеличении концентрации пластификатора ДБФ в составе ЭД-16, ФАЭД-20 и ФАЭИС-30 электриза­ция вначале уменьшается и при содержании 10-15 мас.ч. возрастает. Дальнейшее увеличение содержания ДБФ в покрытиях снижает их элек­тризацию. Такую зависимость электризации от содержания ДБФ можно объяснить эффектом «антипластификации», в результате которой при малых концентрациях ДБФ за счет более плотной упаковки цепей и физического «сшивания» полимера уменьшается электропроводность и возрастает электризация покрытий. Увеличение концентрации ДБФ бо­лее 15 мас.ч. способствует усилению подвижности цепей макромоле­кул полимера и, соответственно, к возрастанию утечки зарядов за счет увеличения электропроводности.

Таким образом, результаты исследований позволили установить основные закономерности электризации композиционных полимерных покрытий при трении скольжения с хлопком сырцом в зависимости от вида и природы термореактивных материалов. Как видно из полученных результатов термореактивные полимеры при трении с хлопком-сырцом наиболее быстро 0,04-0,06 с электризуются и значение плотности заряда находится в пределах 64-75 q ·10⁶ Кл/м², а полимерных покрытий с хлопком-сырцом электрические заряды длительное время сохраняются на поверхности покрытий. Так, у покрытий из ФАЭД-20, ЭД-16 и ФАЭИС 30 плотность заряда после 6,0 с находится в пределах 28-10 q ·10⁶ Кл/м².

Одним из путей регулирования электрофизических, электростатических и антифрикционных свойств композиционных полимерных материалов является введение в их состав электропроводящих и полупроводниковых органоминеральных наполнителей. Кроме того введение органоминеральных наполнителей позволяет улучшить триботехнические свойства полимерных покрытий за счет оптимального регулирования их физико-механических свойств - микротвердости, температуры стеклования и др.

Исследовано влияние электрофизической природы и концентрации выбранных наполнителей на процесс электризации полимерных покрытий с хлопком-сырцом.

Результаты исследований показали, что при введении наполнителей, независимо от вида полимера и наполнителя, положительная полярность покрытия и отрицательная хлопка-сырца, сохранялись в установившемся режиме трения скольжения. На рисунках 1-3 представлены результаты экспериментальных исследований по влиянию содержания наполнителей на электризацию выбранных полимерных материалов при трении скольжения с хлопком-сырцом разновидности С-6524. Как видно, введение минерального наполнителя каолина несколько увеличивают электризацию композиционных полимерных покрытий при содержании 20-40 мас.ч. у ЭД-16, ФАЭД-20 и ФАЭИС-30 и при более высоких концентрациях лишь незначительно уменьшает поверхностную плотность зарядов. Такое влияние каолина на электризацию полимерных покрытий, очевидно, связано с их достаточно высокими электроизоляционными свойствами. Содержание каолина до 20-40 мас.ч. в составе ЭД-16, ФАЭД-20 и ФАЭИС-30 не изменяет электрофизических свойств композиционных полимерных покрытий и в то же время влияет на физико-механические свойства (рисунки 1-3), что и вызывает некоторый рост поверхностной плотности зарядов. Уменьшение электризации композиционных полимерных покрытий при дальнейшем увеличении содержания каолина, очевидно, связано с уменьшением удельного объемного электрического сопротивления _v и удельного поверхностного электрического сопротивления  _s композиции, так как электрофизические свойства самих наполнителей ниже, чем связующего.

1-каолин; 2-окись меди; 3-железный порошок; 4-алюминиевая пудра; 5-сажа; 6-тальк; 7-графит, 8-бронзовая мука; 9-окись железа

Рисунок 1. Зависимость поверхностной плотности заряда композиционных полимерных покрытий на основе ЭД-16 от вида и содержания наполнителей

При введении каолина в состав эпоксидных и фурано-эпоксидных полимеров, в процессе термообработки образуются продукты термодеструкции, которые абсорбируясь на поверхности каолина, способствуют образованию пространственной сетки [8], что в значительной мере влияет на электропроводность композиции и соответственно электризацию покрытий. Наибольшее снижение поверхностной плотности зарядов, как и следовало ожидать, наблюдается при введении таких электропроводящих наполнителей, как железный порошок, алюминиевая и бронзовая пудра, сажа и графит.

Причем наиболее эффективно снижают электризацию полимерных покрытий сажа и графит, что обусловлено ее высокой электропроводностью вследствие чего удельное поверхностное и удельное объемное сопротивления полимерных покрытий резко снижается уже при 5 мас.ч. сажи у ПНП и 10 мас.ч. сажи у ФАЭД-20, ФАЭИС-30 и ЭД-16.

1-каолин; 2-окись меди; 3-железный порошок; 4-алюминиевая пудра; 5-сажа; 6-тальк; 7-графит, 8-бронзовая мука; 9-окись железа

Рисунок 2. Зависимость поверхностной плотности заряда полимерных покрытий на основе ФАЭИС-30 от вида и содержания наполнителей

При этом увеличивается пути утечки зарядов и, соответственно, снижается электризация покрытий. Высокая электропроводность полимерных покрытий при введении электропроводящих наполнителей обусловлено образованием цепочечной структуры в объеме полимера.

При этом общий характер уменьшения поверхностной плотности зарядов с увеличением содержания электропроводящих наполнителей, очевидно, связан с тем, что в трехкомпонентной системе хлопок-сырец-полимер-наполнитель, участки контактирования хлопка-сырца с наполнителем увеличиваются, вследствие чего образующиеся заряды на поверхности полимерного покрытия отводятся по цепочке, образованной электропроводящим наполнителем. Более эффективное воздействие сажи по сравнению с графитом на процессы электризации полимерных покрытий, несмотря на ее большее удельное электрическое сопротивление, связано с взаимодействием полимеров с активной поверхностью частиц сажи вследствие наличия на их поверхности функциональных групп, содержащих двойные связи [2] и способных образовывать химические связи, особенно с полярными полимерами.

1-каолин; 2-окись меди; 3-железный порошок; 4-алюминиевая пудра; 5-сажа; 6-тальк; 7-графит, 8-бронзовая мука; 9-окись железа

Рисунок 3. Зависимость поверхностной плотности заряда полимерных покрытий на основе ФАЭД-20 от вида и содержания наполнителей

Результаты исследований показали, что сажа эффективнее снижает электризацию ФАЭД-20 и ФАЭИС-30 по сравнению с ЭД-16. Это обусловлено, очевидно, лучшей их совместимостью сажи с ФАЭД-20 и ФАЭИС-30, так как эти смолы менее вязкие и распределение частиц наполнителя происходит более равномерное объему покрытия [3].

Введение алюминиевой пудры в состав полимерных материалов, несмотря на снижение электризации полимерных покрытий, приводит к ухудшению антифрикционных свойств покрытий. При этом ухудшение физико-механических свойств обусловлено способностью алюминиевой пудры комковаться и образовывать микродефекты. В то же время меньшая способность алюминиевой пудры снижать электризацию по сравнению с сажей связана с ее более высоким электрическим сопротивлением и меньшей активностью взаимодействия с полимерной матрицей.

Окись меди по своим электрофизическим свойствам является полупроводником и поэтому введение ее в состав полимерного покрытия приводило к небольшому снижению электризации и по способности воздействия на электростатическое покрытие занимает промежуточное положение между каолином и алюминиевой пудрой.

Анализ полученных результатов (рисунки 1-3) показывает, что удельное электрическое сопротивление железного порошка выше, чем у сажи, графита и меньше, чем у алюминиевой пудры. При этом поверхностная плотность электростатических зарядов полимерных покрытий, наполненных железным порошком, также несколько выше, чем у покрытий, наполненных сажей и алюминиевой пудрой. И только при высоких наполнениях полимерных покрытий железным порошком, наблюдается резкое снижение поверхностной плотности электростатических зарядов. Очевидно, это объясняется тем, что при одном и том же содержании наполнителя в объеме полимерного покрытия образуется неодинаковое объемное распределение частиц наполнителя за счет различной плотности. Так при содержании наполнителей (каолин, алюминиевая пудра, сажа и окись меди) и до 50 мас.ч. железного порошка, их распределение наблюдается в виде отдельных не связанных между собой частиц. При дальнейшем увеличении содержания наполнителя, очевидно, образуется пространственная цепочечная структура, и утечка электростатических зарядов происходит как по поверхности, так и по объему покрытия. Вследствие высокого удельного веса железного порошка, его распределение по объему полимер происходит неравномерно. Так, в композициях на основе ЭД-16, ФАЭД-20 и ФАЭИС-30 в процессе их отверждения железный порошок оседает в слое полимера, вблизи подложки образуется цепочечная структура, а около поверхности трения железный порошок распределен в виде отдельных частиц. Такое распределение частиц железного порошка приводит к тому, что электризация полимерных покрытий значительно снижается лишь при высоких наполнениях.

Природа полимерных материалов также оказывает влияние на распределение частиц наполнителя в объеме покрытия. Так, у менее вязких фурано-эпоксидных покрытий наблюдается более равномерное распределение частиц наполнителей, за исключением железного порошка. Это приводит к более значительному снижению электризации ФАЭД-20 и ФАЭИС-30 по сравнению с ЭД-16.

Таким образом, изучены процессы электризации полимерных и композиционных полимерных материалов и покрытий на их основе при фрикционном взаимодействии с хлопком-сырцом в зависимости от вида и природы полимеров и органоминеральных наполнителей. Установлены основные закономерности электризации композиционных полимерных покрытий при скольжения с хлопком-сырцом.

Исследована кинетика электризации полимерных покрытий при фрикционном взаимодействии с хлопком-сырцом. Показано, что период приработки пары трения характеризуется инверсиями тока электризации, обусловленными изменениями энергетических состояний поверхностных слоев полимерных покрытий.

Изучены закономерности изменения электрофизических свойств полимерных покрытий в зависимости от вида и содержания наполнителей. Показано, что наиболее эффективно воздействуют на электростатические свойства полимерных покрытий электропроводящие наполнители (сажа, графит) обеспечивающие оптимальные физико-механические свойства антиэлектростатических композиционных полимерных покрытий.

Список литературы:

1. Амиров Г.А. Исследование влияния средств механизации и пневмотранспортных установок на качество волокна: Автореф. дис. … канд. техн. наук. – Ташкент, 1976. – 26 с.
2. Исследование влияния электропроводящих наполнителей на трибоэлектрические процессы при взаимодействии полимерных покрытий с хлопком-сырцом / Н.Х. Джалилов, С.С. Негматов [и др.] // Тез. докл. VIII Всесоюзн. симпозиума по механоэмиссии и механохимии твердых тел. – Таллин, 1981. – С. 45–46.
3. Исследование влияния электрофизической природы и концентрации наполнителей на процесс электризации композиционных полимерных покрытий при взаимодействии с хлопком-сырцом / Ш.О. Эминов, Д.Н. Абдукаримова // Universum: Технические науки: электрон. научн. журнал. – 2020. – № 6 (75).
4. Негматов С.С., Джумабаев А.Б., Джалилов Н.Х. Физико-химические процессы при фрикционном взаимодействии композиционных полимерных материалов с волокнистой массой // «Триботехника-87»: сб. докл. конф. – Бухарест, 1987. – С. 159–166.
5. Раджапов У.Р. Исследование пневмотранспорта хлопковых семян в горизонтальном трубопроводе: Автореф. дис. … канд. техн. наук. – Ташкент, 1974. – 23 с.
6. Тихомиров Г.А. Влияние влажности хлопка-сырца на процесс джинирования. Обзорная информация. – Ташкент : УзНИИНТИ. – 32 с.
7. Шполянский Д.М. Комплексная механизация уборки хлопка. – М. : Высшая школа, 1972. – 319 с.
8. Электризация композиционных полимерных материалов на основе фурано-эпоксидных олигомеров при трении с хлопком-сырцом / Н.Х. Джалилов, С.С. Негматов [и др.] // Тез. докл. II Всесоюзн. конф. по композиционным полимерным материалам и их применению в народном хозяйстве. – Ташкент, 1983. – Ч. II. – С. 129–130.