ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ФУРАНО-ЭПОКСИДНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ НА ИХ ОСНОВЕ

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты исследований прочностных и теплофизических свойств разрабатываемых композиционных фурано-эпоксидных полимерных материалов и покрытий на их основе для применения в рабочих  органах машин и механизмов хлопкоперерабатывающих производств.

ABSTRACT

The article presents the results of studies of the strength and thermophysical properties of the developed composite furano-epoxy polymeric materials and coatings based on them for use in the working bodies of machines and mechanisms of cotton processing industries.

Ключевые слова: композиционный полимерный материал, адгезионная прочность, антифрикционная электропроводящая эпоксидная  композиция, органоминеральные ингредиенты,  покрытия, полимер.

Keywords: composite polymer material, adhesion strength, anti-friction conductive epoxy composition, organomineral ingredients, coatings, polymer.

Введение. На сегодняшний день в мире композиции на основе полимерных материалов и органоминеральных наполнителей  широко применяются в различных отраслях промышленности, в том числе и в  машиностроении [1-9]. Композиционные полимерные материалы, наносимые в виде тонких пленок на поверхности металлических изделий, выдерживают большие нагрузки, обеспечивают лучший отвод тепла и в меньшей степени, чем литые полимерные и композитные детали подвержены изменению размеров. Применение композиционных полимерных покрытий с высокими электротеплофизическими и антифрикционно-прочностными свойствами в рабочих органах машин, в частности машинах и механизмов хлопкоперерабатывающих производств, имеет особое значение [10,11,12].

В мире ведутся исследовательские работы по разработке долговечных, недефицитных и недорогих композиционных полимерных материалов для применения в трущихся парах машин и механизмов. Это в свою очередь требует создания композиционных полимерных покрытий, особенно из термореактивных полимеров с наполнителями машиностроительного назначения, с высокими электро-теплофизическими и антифрикционно-прочностными свойствами и низкой себестоимостью [5,6,7].

Целю данной рабаты является исследование важнейших прочностных и теплофизических свойств композиционных фурано-эпоксидных материалов и покрытий на их основе.

Объектами исследования являются: фурано-эпоксидная смола (ФАЭД-20)  и  наполнители: тальк, сажа,  каолин, графит,  волластонит, мел, хлопковый линт и стекловолокно. Для изучения триботехнических и прочнистных свойств фурано-эпоксидных полимерных композиций, работающих в условиях контактного взаимодействия с хлопком-сырцом, в качестве контр тела использовали хлопок-сырец 1-го сорта машинного и ручного сбора с влажностью от 8,0 до 25,0% и засоренностью, соответсвенно, 10-15 и 2-5%.

Методы исследования. При выполнении работы для определения физико-механических свойств композиционных фурано-эпоксидных полимерных материалов применялись общепринятые методы, разрешенные в странах СНГ. Комплекс электро-теплопроводящих антифрикционно-износотойких свойств композиционных фурано-эпоксидных полимерных материалов при взаимодействии с хлопком-сырцом был изучен на дисковом трибометре (O’z DSt 3330:2018), прочностные свойства по ГОСТ 14236-81, а микроструктура образцов самих композиционных материалов изучена с помощью микроскопа ЭМВ-100 БР.

Результаты исследования и их обсуждение. Как известно,  важнейшими прочностными свойствами покрытий является их адгезионная прочность и микротвердость. В связи с этим, нами были проведены исследования по определению адгезионной прочности и микротвердости разрабатываемых антистатических фурано-эпоксидных полимерных и композиционных материалов, наполненных различными органоминеральными наполнителями.

В данной работе было исследовано влияние некоторых наполнителей на свойства фурано-эпоксидных полимеров, таких как каолин и слюдяная мука, окись меди и окиси железа, сажа и железный порошок, являющимися представителями минеральных наполнителей, окислов металлов и электропроводящих наполнителей.

Результаты исследований влияния некоторых наполнителей на адгезионную прочность и микротвердость композиционных фурано-эпоксидных полимерных материалов представлены на рисунках 1 и 2.

1- каолин; 2-окись меди; 3-сажа

Рисунок 1. Зависимость адгезионной прочности (а) и микротвердости (б) фурано-эпоксидных полимерных покрытий от вида и содержания органоминеральных наполнителей

1- железный порошок; 2 – слюдяная мука; 3- окись железа

Рисунок 2. Зависимость адгезионной прочности (а) и микротвердости (б) фурано-эпоксидных полимерных покрытий от вида и содержания органоминеральных наполнителей

Как видно из представленных результатов (рис.1 и 2), зависимость адгезионной прочности и микротвердости от содержания наполнителей имеет экстремальный характер. Адгезионная прочность возрастает при увеличении содержания каолина до 40 мас.ч., окиси меди до 20 мас.ч., сажи до 30 мас.ч., железного порошка до 200 мас.ч., слюдяная мука до 70 мас.ч. и окиси железа до 60 мас.ч. в составе покрытий на основе ФАЭД-20.

Наибольшее увеличение микротвердости покрытий наблюдается при введении таких наполнителей, как окись железа, железный порошок, каолин и слюдяная мука. Это объясняется, очевидно, тем, что вследствие большей подвижности структурных элементов около частиц наполнителя образуется более упорядоченная структура из плотно упакованных полимерных цепей. При дальнейшем увеличении содержания наполнителей наблюдается снижение адгезионной прочности и микротвердости. Такой характер зависимости адгезионной прочности и микротвердости от содержания наполнителей обусловлен, очевидно, тем, что при высоком содержании наполнителей неравномерное их распределение приводит к уменьшению плотности в других.

Кроме того, наличие сильнополярных функциональных групп в составе минеральных наполнителей усиливает взаимодействие их со связующим, что способствует образованию более прочных физических связей между наполнителем и полимером. Увеличение содержания слюдяной муки увеличивает прочность композиции за счет чешуйчатой формы частиц.

Экстремальный характер изменения прочностных свойств можно объяснить также молекулярным взаимодействием между полимером и наполнителем, которое происходит между активными и функциональными группами эпоксидных олигомеров и наполнителей за счет химического взаимодействия с образованием прочных химических связей [9-13].

Далее рассмотрим результаты исследований теплофизических свойств композиционных фурано-эпоксидных полимерных материалов. Исследования, проведенные с помощью дифференциально-термического анализа и представленные на рисунках 3-5, показали, что окись меди, окись железа и сажа смещают экзотермический пик начала термоокислительной деструкции покрытий на основе ФАЭД-20 в сторону больших температур, а каолин в сторону меньших температур.

У покрытий на основе ФАЭД-20 наблюдается меньшее смещение экзотермических пиков при твердении тех же наполнителей. Это, очевидно, объясняется образованием в полимерной матрице более упорядоченной структуры около частиц наполнителя, что в свою очередь обеспечивает более высокую термоустойчивость и стабильность свойств композиций на основе ФАЭД-20 по сравнению с другими композиционными термореактивными полимерами.

1-20 мас.ч.; 2-40 мас.ч.; 3-60 мас.ч.

Рисунок  3. Кривые Дифференциально термического анализа (ДТА) фурано-эпоксидных ФАЭД-20, наполненных окисью меди (а) и сажей (б) полимерных покрытий

а) 1-20 мас.ч.; 2-40 мас.ч.; 3-60 мас.ч; б) 1-150 мас.ч.; 2-200 мас.ч.; 3-250 мас.ч.

Рисунок 4. Кривые Дифференциально термического анализа (ДТА) эпоксидных ФАЭД-20, наполненных каолином (а) и железным порошком (б) полимерных покрытий

      а)                                                             б)

1-20 мас.ч.; 2-40 мас.ч.; 3-60 мас.ч.

Рисунок 5. Кривые дифференциально термического анализа (ДТА) фурано-эпоксидных ФАЭД-20, наполненных окисью железа (а) и слюдяной мукой (б) полимерных покрытий

Анализ кривых ДТА образцов показывает, что увеличение содержания наполнителей сдвигает экзотермические пики в сторону их температур. При этом почти на всех кривых наблюдаются отчетливо выраженные экзотермические пики. Первый экзотермический пик связан с переходом через температуру стеклования полимеров. Некоторые мощные экзотермические пики соответствуют процессам окислительной деструкции, которые сопровождаются двумя временно протекающими процессами: обрезанием радикалов с последующей рекомбинацией их полимерном слое (сшивание) окислением.

Так как при высоких температурах, особенно при наличии сильно развитой поверхности наполнителя, не исключена возможность разрушения макромолекулярных цепей или раскрытия двойных связей фуранового кольца под длительным воздействием высоких температур, которое приводит к образованию более сшитых структур. В то же время, очевидно, преобладающими процессами являются окисления и термодеструкция, а введение наполнителей увеличивает стойкость полимерных покрытий к термоокислению и термодеструкции. Об этом свидетельствует уменьшение площади экзотермических пиков и смещение их в сторону больших температур при увеличении содержания наполнителя.

Таким образом, введение различных наполнителей в состав полимерных покрытий на основе ФАЭД-20 позволяет обеспечить стабильность свойств, при длительном воздействии высоких температур.

Заключение

Введение органоминеральных наполнителей в состав фурано- эпоксидных материалов улучшает их прочностные и теплофизические характеристики.  При этом повышение прочностных и теплофизических свойств на разрыв композиционных фурано-эпоксидных полимеров и покрытий на их основе, по-видимому, можно объяснить за счет улучшения молекулярных и физико-химически взаимодействий между полимером и органоминеральными наполнителями при формировании покрытия, которые происходят между функциональными группами фурано-эпоксидных олигомеров и органоминеральных наполнителей.

Список литературы:

1. Негматов С.С Технология получения полимерных покрытий- Ташкент, Узбекистан, 1975. -232 с.
2. Negmatov, S., Ulmasov, T., Navruzov, F., & Jovliyev, S. (2021). Vibration damping composition polymer materials and coatings for engineering purpose. In E3S Web of Conferences (Vol. 264, p. 05034). EDP Sciences.
3. Negmatov, S., Ulmasov, T., Karshiyev, M., Makhammadjonov, Z., Abdulayev, O., & Matsharipova, M. (2021). Adhesion-strength and tribotechnical properties of machine-building composite polymer coatings. In E3S Web of Conferences (Vol. 264, p. 05032). EDP Sciences.
4. Negmatov S. S. et al. Research and Development of Manufacture Technology of Polymeric Composite Materials of Electrotechnical Purpose Filled with Hydrolytic Lignin //AIP Conference Proceedings. – American Institute of Physics, 2008. – Т. 1042. – №. 1. – С. 238-239.
5. Negamatov, S. S., Mamadalimov, R. M., Latipov, I. X., Babxanova, M. G., Negmatova, K. S., & Salimsakov, Y. A. (2008, August). RESEARCH ADHESION AND PHYSICO‐MECHANICAL PROPERTIES AND DEVELOPMENT OF ANTICORROSIVE COMPOSITE POLYMERIC COVERINGS. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1042, No. 1, pp. 236-237). American Institute of Physics.
6. Negmatov, S. S., Sobirov, B. B., Abdullaev, A. X., Salimsakov, Y. A., Raxmonov, B. S., Negmatova, K. S., ... & Jonuzokov, A. A. (2008, August). Increase of longevity of high filled composite polymeric materials intended for covering of highways. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1042, No. 1, pp. 150-152). American Institute of Physics.
7. Negmatov, S. S., Mamadoliev, K. M., Sobirov, B. B., Latipov, I. K., Ergashev, E., Rakhmanov, B. S., ... & Tajibaev, B. M. (2008, August). Improvement of physico‐mechanical properties of thermoreactive and thermoplastic polymeric coverings by physical methods of modification. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1042, No. 1, pp. 67-69). American Institute of Physics.
8. Makhmetova, A., Negim, E. S., Ainakulova, D., Yeligbayeva, G., & Khatib, J. (2024). An Overview of Epoxy Resins as coating to protect metals from corrosion. Kompleksnoe Ispolzovanie Mineralnogo Syra= Complex use of mineral resources, 328(1), 20-32.
9. Кербер М.Л., Виноградов В.М., Головкин Г.С., Берлин А.А. Полимерные композиционные материалы; структура, свойства, технология. -Санкт Петербург, 2011. -560 с
10. Eshkobilov, K., Negmatov, S., Abed, S., & Gulyamov, G. (2021). Features of contact interaction of composite polymer materials with raw cotton in the process of friction. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 1030, No. 1, p. 012172). IOP Publishing.
11. Негматов С.С. Разработка и исследование композиционных полимерных покрытий для рабочих органов машин и механизмов уборки и переработки хлопка-сырца: Автореф. дис. д - ра техн. наук. – Москва,1980.  – 43с.
12. Сухарева Л. А„ Воронков В. А., Зубов П, И. — Коллоид. ж., 1971, т. 33, с. 592.
13. Абед Н.С. Создание эффективных композиционных   полимерных материалов конструкционного назначения и разработка технологии получения деталей   хлопкоперерабатывающих машин: Автореферат дис. док. техн. наук. – Ташкент, 2015. – 45 с.