Исследование влияния электрофизической природы и концентрации наполнителей на процесс электризации композиционных полимерных покрытий при взаимодействии с хлопком-сырцом

АННОТАЦИЯ

Приведены результаты влияния электрофизической природы наполнителей на процесс электризации  композиционных полимерных  покрытий  при фрикционном взаимодействии с хлопком-сырцом. Установлены основные закономерности электризации  и изменения их электрофизических свойств. Наиболее эффективно воздействуют на электростатические свойства композиционных полимерных покрытий электропроводящие наполнители  (сажа, графит).

ABSTRACT

The results of the influence of the electrophysical nature of fillers on the electrification process of composite polymer coatings during frictional interaction with raw cotton are presented. The basic laws of electrification and changes in their electrophysical properties are established. The most effective effect on the electrostatic properties of composite polymer coatings is electrically conductive fillers (carbon black, graphite).

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. 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.

Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования выбраны эпоксидная смола ЭД-16, фурано-эпоксидная смола ФАЭД-20 и фурано – эпоксидно- сланцевый олигомер ФАЭИС-30, полиэтиленполиамин (ПЭПА), дибутилфталат (ДБФ), минеральные наполнители –каолин и тальк, углеграфитовые наполнители –сажа и графит, металлические порошковые наполнители - окись меди, железный порошок, алюминиевая пудра, бронзовая мука и окись железа.

В качестве контртела использовали хлопок-сырец селекционного сорта С-6524, ручного и машинного сборов, влажность которого изменялась от 7,0 до 50,0 %

Электризацию и триботехнические свойства композиционных полимерных покрытий определяли на дисковом трибометре в соответствие с O'z DSt 3330: 2018. Электрические свойства композиционных полимерных покрытий оценивали по ГОСТу 6433.1-71 тераомметром Е6-13 и вольтметром-электрометром В7-30.

Полученные научные результаты и их обсуждение. Проведены исследования влияния 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,образованию пространственной сетки [1], 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.

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

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.

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.

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[3].

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.

Выводы. Таким образом, 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. 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.
2. Джалилов Н.Х., Негматов С.С. и др. Электризация композиционных полимерных материалов на основе фурано-эпоксидных олигомеров при трении с хлопком-сырцом //Тез. докл. II Всесоюзн. конф. по композиционным полимерным материалам и их применение в народном хозяйстве.- Ташкент,1983. - Ч. II.-С. 129-130.
3. Джалилов Н.Х., Негматов С.С. и др. Исследование влияния электропроводящих наполнителей на трибоэлектрические процессы при взаимодействии полимерных покрытий с хлопком-сырцом // Тез. докл. YIII Всесоюзн. Симпозиума по механоэмиссии и механохимии твердых тел. -Таллин, 1981. -С. 45-46.