Фрикционные композиционные материалы на основе блок сополимеров

Содержание
Введение…………………………………………………………………………..5
1. Литературный обзор…………………………………………………..……….6
1.1 Композиционные материалы……………………………………….…6
1.2 Стабилизаторы……….…………………………………………….….12
1.3 Пластификаторы………….…………………………………….……13
1.4 Смазки…………………………………………..……………….……14
1.5 Огнезащитные добавки………………………………….…….….…15
1.6 Наполнители………………………………….………………….…...15
1.6.1 Дисперсные наполнители……………………………………...16
1.6.2 Коротковолокнистые наполнители…………………………...21
1.7 Красители и пигменты…………………………………………...….27
1.8 Влияние состава на свойства БСП – композиций………………...27
2. Объекты и методы исследований…………………………………………..31
2.1 Объекты исследования……………………………………………...31
2.1.1 Суспензионный………………………………………………...31
2.1.2 Наполнители……………………………………………………31
2.1.3 Стабилизатор…………………………………………………...32
2.1.4 Пластификатор…………………………………………………32
2.1.5 Хлорированный полиэтилен……………………………….….32
2.1.6 Модификатор……………………………………………….……33
2.2 Методы исследования ……………………………………………..…33
2.2.1 Физико-механические испытания…………………...…...……33
3. Основная часть………………………………………………………………….38
3.1 Разработка рецептуры композиций……...…………………..….38
3.2 Исследование физико-механических свойств………..…….….40
3.4 Технологические свойства БСП – композиций……..……....…58
3.5 Исследование фрикционных свойств ТЭП- композиций. ….…..61
4. Экономическая часть……………………………………………………......67
5. Охрана труда…………………………………………………………..……..79
6. Экологическая часть………………………………………………….……..92
7 Список использованных источников………………………………….…..100
Выводы……………………………………………………………………..….103
Приложения……………………………………………………………….…..104

Содержание монолитных зерен, %

0

16

12

71

77

85

45

58

26
Насыпная масса, кг/м3:
до утряски
после утряски

480

620

550

680

550

670

750

880

570

730

620

810

570

770

460

740

490

670
Суммарная пористость порошка, %

56

52

52

37

48

42

43

50

46

0,92

0,90

0,84

0,56

0,76

0,51

0,52

0,53

0,66
Удельная поверхность см2/г

1000

50

850

560

750

1500

1150

1450

1330
Средний диаметр зерен, мкм

125

170

70

110

75

27

55

29

46
Сыпучесть, г/с
33
33
29
24
30
37
43
50
44
Коэффициент внутреннего трения

0,51

0,50

0,60

0,58

0,58

0,49

0,58

0,58

0,44

На основе ТЭП выпускаются жесткие и мягкие материалы.
Жесткий материал – получается путем пластикации смеси БСП со стабилизаторами, смазывающими веществами, красителями. ФП обладает высокими физическими свойствами, что делает конструкционным материалом, широко применяемый в химической промышленности для изготовления БСП.
Мягкий материал –« пластикат» получается на основе пластифицированного БСП.
...

Введение
Как прикладные, так и чисто научные аспекты полимерного материаловедения развиваются весьма интенсивно в течение двух последних десятилетий. Однако темпы его развития все еще зна­чительно ниже, чем следовало ожидать, исходя из широты тех об­ластей знания, которые оно охватывает, и потенциальной техниче­ской важности полимерных материалов. В Западной Европе, например, по некоторым (хотя и оспариваемым) оценкам исполь­зование полимерных материалов в высоконагруженных узлах тре­ния составляет только 10—20% от общего объема использования в этих узлах металлов и сплавов. Недостаточное развитие при­кладного полимерного материаловедения признается рядом учреж­дений в разных странах, ответственных за научные разработки и их внедрение. Без сомнения оно будет интенсифицироваться, что делает тему настоящей дипломной работы актуальной.
...

1. Литературный обзор.
1.1 Композиционные материалы
При создании новых материалов главной задачей является улучшение комплекса физико–механических свойств. При этом основной показатель свойств – сопротивление материала разрушению, т.е. прочность.
Первый из известных композитов на основе полимеров – это созданный вавилонянами строительный материал из битумной смолы, армированной тростником (2-4 тыс. лет до н.э.).
Под термином полимерные композиционные материалы (КПМ) понимают гетерофазные системы, полученные из двух или более компонентов (составных частей), где один компонент является матрицей, в которой определенным образом распределен (диспергирован) другой компонент (или другие компоненты), отдельный (или отделенные) от матрицы границей раздела. Можно считать, что каждый компонент занимает свой объем, т.е. находится в виде отдельной фазы, и при этом свойства каждой отдельной фазы предполагаются такими же, как свойства компонента, взятого в отдельности.
...

1.2 Стабилизаторы
Под воздействием тепла и света БСП подвержено термо- и фотодеструкции, сущность которых состоит в том, что при температуре переработки, близкой к температуре разложения БСП, от молекул полимера отщепляется хлористый водород и образуются свободные радикалы, после чего под действие кислорода воздуха начинаются окислительные процессы. При деструкции изменяется окраска полимера, и ухудшаются его механические свойства. Для предотвращения деструкции связыванием свободных радикалов в полимер вводят стабилизаторы. Для повышения термостабильности полимеров используют термостабилизаторы.
...

1.3 Пластификаторы
Температура стеклования БСП составляет 70-80 0С. Ниже этой температуры БСП без введения специальных смягчителей обладают сравнительно малой прочностью на удар, что устраняется добавлением веществ, обладающих межмолекулярные силы связи. Эти вещества называют пластификаторами, а процесс введения пластификаторов в материал – пластификацией. Следует отметить, что пластификация – это химический термин и связан он с ведением пластификаторов в отличие от термина “пластикация”, которой ассоциируется с пластичностью, являющейся физико-механическим процессом.
Различают внешнюю, структурную и полимерную пластификацию полимера. Для понижения температуры стеклования и придания полимерным молекулам подвижности используют внешнюю пластификацию. Уменьшение межмолекулярных сил связи путем добавления мономеров другого типа способствует структурная пластификация; при смешении БСП с другими полимерами можно получить полимерную пластификацию.
...

1.5 Огнезащитные добавки
При непосредственном действии пламени происходит плавление БСП, однако после вынесения из пламени дальнейшего изменения материала (например, тления) не происходит. Поэтому БСП считают самозатухающим или трудновоспламеняемым материалом. Пластифицированные композиция менее стойки к действию пламени, и при высоком содержании пластификаторов материал продолжает гореть при вынесении из пламени.
Для повышения огнестойкости изделий из композиций БСП в них вводят специальные огнезащитные добавки – ретарданты или антипирены.
Антипирены уменьшают горючесть полимеров и повышают их теплостойкость.
К антипиренам относят хлорпарафины, гексабромбензол, гидроксид алюминия и др.
Хлорпарафин представляет собой прозрачную масляную жидкость (плотность 1150-1190 кг/м3) или порошок от белого до коричневого цвета (плотность 1180-1700 кг/м3) с содержанием хлора от 12 до 72 %. Растворяются в большинстве органических растворителей; не растворяются в воде.
...

1.6 Наполнители
Наполнители являются особого рода модификаторами, поскольку служат не только для снижения стоимости конечного изделия за счет уменьшения расхода полимера и повышения производительности процесса переработки или для улучшения свето- и радиационной стабильности БСП как стабилизаторы экранирующего действия, но и для придания материалу специальных свойств, например улучшенных физико-механических характеристик, повышенного электрического сопротивления, негорючести. Изменение физико – механических свойств материалов из БСП обусловлено взаимодействием между полимером и наполнителем. Наполнители делятся на природные и синтетические , органические и неорганические , активные и неактивные (по действию на материал). Они могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Наполнители должны хорошо диспергироваться в полимере, не вступать в химическое взаимодействие с другими компонентами рецептуры, быть устойчивыми при переработке и эксплуатации полимерного материала.
...

1.6.1 Дисперсные наполнители.
Карбонат кальция (CaCO3) находит широкое применение в качестве наполнителя полимерных композиционных материалов благодаря ряду ценных свойств, из которых необходимо отметить следующее:
1. низкая стоимость;
2. нетоксичность, безвредность, отсутствие запаха;
3. белый цвет и низкий показатель преломления, позволяющие легко регулировать окраску полимерных материалов;
4. низкая твердость (для стандартных продуктов она равна 3 по шкале твердости по Моосу);
5. относительно низкая жесткость полимерных материалов на его основе даже при высоких степенях наполнения (иногда это может оказаться недостатком);
6. возможность нанесения покрытий на поверхность частиц наполнителя для улучшения реологических свойств расплавов полимерных композиций, причем покрытия легко наносятся на сухой порошок при использовании высокопроизводительных смесителей и т.д.
...

1.6.2 Коротковолокнистые наполнители
В настоящее время термином асбест обозначают все минералы, способные делится на тонкие прочные волокна.
После вовлечения в производство канадского асбеста на рубеже ΧΙΧ и ΧΧ вв. во избежание недоразумений среди минералогов установилась договоренность – канадский асбест, растворимый в кислотах, называть хризотил - асбестом (хризотил – волокно золотистого цвета), относящимся к группе серпентиновых минералов. Нерастворимые в кислотах асбесты относят к группе амфиболовых минералов. Таким образом, имеются две минеральные группы асбестов, которые подразделяются на следующие главнейшие разновидности:
1. Серпентиновая группа-хризотил- асбест, асбофит, пикролит, ишкильдит;
крокидолит (рибекит)- асбест, режикит- асбест, родусит - асбест, актинолит-
тремолит - асбест, амозит - асбест ( монтазит), антофиллит-асбест.
...

2.1 Объекты исследования
Новолачная фенолоформальдегидная смола СФ-010. (П2)
В качестве полимерной матрицы в работе использовали новолачную фенолоформальдегидную смолу СФ-10 ГОСТ 14.332-78.
Таблица 2.1 – Свойства жаростойкого БСП марки Ж9-010-60

Свойства
Показатели
Внешний вид
Однородный порошок белого цвета
Значение текучести по Рашигу, мм.
150
Насыпная плотность, кг/м3
450-550
Сыпучесть, с, не более
20-22
Масса пог/м, не менее
22-25
Массовая доля влаги и летучих веществ, %, не более
0,30-0,35
Удельное объемное электрическое сопротивление при 200С, Ом·см, не менее
5·1013
2.1.1 Наполнители
Для придания повышенных прочностных свойств композиций БСП вводили бинарный наполнитель, состоящий из каолина Алексеевского и асбеста Житигаринского месторождений. В таблицах 2.2-2.5 представлены физико-механические свойства каолина и асбеста соответственно.
Таблица 2.
...

1.6 Наполнители
Наполнители являются особого рода модификаторами, поскольку служат не только для снижения стоимости конечного изделия за счет уменьшения расхода полимера и повышения производительности процесса переработки или для улучшения свето- и радиационной стабильности БСП как стабилизаторы экранирующего действия, но и для придания материалу специальных свойств, например улучшенных физико-механических характеристик, повышенного электрического сопротивления, негорючести. Изменение физико – механических свойств материалов из БСП обусловлено взаимодействием между полимером и наполнителем. Наполнители делятся на природные и синтетические , органические и неорганические , активные и неактивные (по действию на материал). Они могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Наполнители должны хорошо диспергироваться в полимере, не вступать в химическое взаимодействие с другими компонентами рецептуры, быть устойчивыми при переработке и эксплуатации полимерного материала.
...

1.2 Стабилизаторы
Под воздействием тепла и света БСП подвержено термо- и фотодеструкции, сущность которых состоит в том, что при температуре переработки, близкой к температуре разложения БСП, от молекул полимера отщепляется хлористый водород и образуются свободные радикалы, после чего под действие кислорода воздуха начинаются окислительные процессы. При деструкции изменяется окраска полимера, и ухудшаются его механические свойства. Для предотвращения деструкции связыванием свободных радикалов в полимер вводят стабилизаторы. Для повышения термостабильности полимеров используют термостабилизаторы.
...

1.3 Пластификаторы
Температура стеклования БСП составляет 70-80 0С. Ниже этой температуры БСП без введения специальных смягчителей обладают сравнительно малой прочностью на удар, что устраняется добавлением веществ, обладающих межмолекулярные силы связи. Эти вещества называют пластификаторами, а процесс введения пластификаторов в материал – пластификацией. Следует отметить, что пластификация – это химический термин и связан он с ведением пластификаторов в отличие от термина “пластикация”, которой ассоциируется с пластичностью, являющейся физико-механическим процессом.
Различают внешнюю, структурную и полимерную пластификацию полимера. Для понижения температуры стеклования и придания полимерным молекулам подвижности используют внешнюю пластификацию. Уменьшение межмолекулярных сил связи путем добавления мономеров другого типа способствует структурная пластификация; при смешении БСП с другими полимерами можно получить полимерную пластификацию.
...

2.2.1 Физико-механические испытания.
Определение плотности
Пластические массы сравнительно легкие материалы. Их плотность находится в пределах от 0,9 до 2,35 г/см3. Большенство полимеров легче металлов в пять-шесть раз.
2.2.3.Плотность (относительную) d рассчитывают по формуле:

где а - масса образца;
b – масса образца в воде.
Определение теплостойкости по Вика.
Теплостойкость характеризует способность пластмасс сохранять механические свойства при непрерывном повышении температуры и выражается температурой, при которой под действием заданной нагрузки деформация образца достигает определенного значения.
Метод заключается в определении температуры, при которой наконечник прибора, име­ющий цилиндрическую форму, вдавливается в образец на глуби­ну 1 мм под действием постоянной нагрузки.
Для испытания применяются образцы толщиной не менее 3 мм.
Испытания производят на приборе Вика, схема устройства которого приведена на рис. 2 .
...

3. Основная часть.
3.1 Разработка рецептуры композиция методом математического планирования.
На основе предварительных экспериментальных работ и опытных наработок инжиниринговых компаний “Композиционные материалы”, “Полипласт-Восток” и Института химических наук НАН Республики Казахстан с учетом использования бинарных наполнителей, состоящих из асбеста и каолина, были проведены работы по планированию эксперимента для установки рецептурного состава. Планирование эксперимента проводили по методике [].
Рассмотрим процесс получения продукта (пластмассы) в котором выход продукта у1 (разрушающее напряжение при сжатии) у2 (ударная вязкость) зависят от содержания БСП (масс. ч.), асбеста (масс .ч.) и каолина (масс. ч.). Необходимо с помощью полного факторного эксперимента найти математическое описание этого процесса при условии, что экспериментальные данные следуют нормальному закону распределения.
Итак, имеются три параметра:
х1-БСП, масс. ч.;
х2-асбест, масс .ч.;
х3-каолин, масс .ч.
...

3.2 Исследование физико-механических свойств
Физико-механические свойства полимеров и, как следствие, композиций на их основе зависят от свойств полимера, его химического строения и надмолекулярной структуры.
Регулирование свойств полимерной матрицы достигается различными способами – структурной модификацией, легированием, механохимической модификацией. Часто один из методов модификации не исключает возможность другого способа.
Из анализа литературных данных следует, что легирование полимеров несовместимыми с ним олигомерами, способствует повышению подвижности структурных элементов и образованию более совершенной надмолекулярной структуры полимеров.
Известно, что введение в состав композиция полиолефинов термоэластопластов и кремнийорганических олигомеров в значительной мере улучшают технологические, прочностно – деформационные и эксплутационные свойства композиционных материалов.
На наш взгляд, применение комплексных методов модификации является наиболее перспективным.
...

3.4 Исследование фрикционных свойств ТЭП- композиций.
При переработке композиционных полимерных материалов интенсивно протекают процессы износа контактирующих деталей, что объясняется большей собственной подвижностью коротких во­локон и снижением их кинетической энергии вследствие умень­шения массы.
Данные, приведенные на рис. 4.35, позволяют определить наивыгоднейший режим переработки, например, композиции ПЭВП 15803-020 + 25% стекловолокна. В качестве параметра оптимизации режима переработки использовали отношение производительности к удельной скорости изнашивания образ­цов. На рис. 4.37 приведена зависимость производительности экструдера от температуры переработки, используемая для по­лучения зависимости параметра оптимизации от условий пере­работки (рис. 4.38). Оптимальные параметры переработки: р = = 16-4-17 МПа, Г=473 4-483 К.
Несколько иная картина наблюдается при переработке ком­позиции, вызывающей коррозионное изнашивание образцов (см. рис. 4.35, д, е).
...

4. Экономическая часть.
Расчет капитальных вложений
В экономической части отражены технико-экономические и финансовые показатели предлагаемого проекта, необходимые для производства -труб.
В таблице 1 представлена программа цеха по производству -труб.
Таблица 1 – Программа цеха
Изделие
Материал
Способ переработ-
ки
Масса изделия, кг/м
Годовая
программа по перерабаты-
ваемому материалу, т

готового
потери, %

Труба d
Труба d
Труба d
-С-7058-М

экструзия
1,75
2,61
5,47
1,5
2,0

2,5

1000

Объем капитальных вложений рассчитывается по видам основных фондов.
Планирование технологического оборудования
Для производства - труб примем марку машины экструдера ЛТ 90*25-75/160 с мощностью 60 кВт/час.
Количество технологического оборудования определяется по формуле:
,
где Qг- годовая программа по перерабатываемому материалу, т/год;
К – коэффициент , учитывающий потери времени на обслуживание.
...

1. РТМ по расчету и конструирования технологической оснастки для экструзии профиль¬ных изделий из реактопластов: ротапринт / НПО «Пластик». — М., 1983. – 383 с.
2. ЕР Раt. 0659536 В1.
3. Frank P. Apparatus for cooling plastic profiles. Technoplast Kunststofftechnik, Austria. US Pat. 5499507, 19.02.1996, US С1аss 62/63.
4. Kunststoffe Hoechst. Spritzgiessen von Thermoplasten. Руководство по конструированию литьевых форм фирмы Hoechst. – 1971. – С. 160-162.
5. 75 основных правил изготовления из КПМ литьевых прецизионных изделий // Plaste und Kautch. – 1977. – Вd. 24. – № 2. – S. 114-122.
6. Сабсай О. Ю. Технологические свойства пластмасс / О. Ю. Сабсай, Н. М. Чалая // Пластич. массы. – 1999. – № 6. – С. 3-9.
7. Барвинский И. И. Расчет линейной усадки и коробления с использованием коэффициен¬тов усадки. ООО «Инженерная фирма АБ Универсал». Компьютерный анализ. Анализ усадки и коробления в технологии MoldFlow / И. И. Барвинский // httр:// аbuniver.webzone.ru
8. Mеnges G. Определение температуры и времени охлаждения при экструзии с раздувом / G. Mеnges, М. Кulik, F. Rhiel // Plastverarbeiter. – 1973. – Bd. 24. – № 10. – S. 622-624; №11. – S. 685-690.
9. Крейнин Е. Б. Тепловой расчет калибрующих устройств для производства труб / Е. Б. Крейнин, В. В. Швабауэр // Пластич. массы. – 1975. – № 10. – С. 67-70.
10. Влияние комплектующего оборудования на качество экструдируемых изделий / W. Michaeli, P. Junk, J. Wortberg, etc. // Plastverarbeiter. – 1976. – Bd. 27. – № 9. – S. 490-495; №11. – S. 613-615.
11. Kamp W. Калибрование и охлаждение труб из полиолефинов / W. Kamp, Н.-D. Kurz //Kunststoffe. – 1980. Bd. - № 5 – S. 257-263
12. Швабауэр В. В. Исследование и разработка методов расчета процессов калибрования и охлаждения при высокоскоростной экструзии труб из термопластов: Дис... канд. техн. наук/ В. В. Швабауэр; МИХМ. – М., 1981.
13. Michaeli W. Extrusion Dies for Plastics and Rubber: Desing and Engineering Compulations. – Second Edition / W. Michaeli. – Hanser Gardner Publications, 1992. – 340 p.
14. Завгородний В. К. Литьевые машины для термопластов и реактопластов / В. К. Завгородний, Э. Л. Калинчев, Е. И. Марам. – М.: Машиностроение, 1968. – 374 с.
15. Молчанов Ю. М. Физические и механические свойства полиэтилена, полипропилена и полиизобутилена / Ю. М. Молчанов. – Рига: Зинатне, 1966. – С. 99-106.
16. Ноесhst Р1аstics. Ноstalit. Информационные материалы фирмы Ноесhst. – ФРГ, 1971.
17. Пивень А. Н. Теплофизические свойства полимерных материалов: Справ. / А. Н. Пивень, Н. А. Гречаная, И. И. Чернобыльский. – Киев: Вища школа, 1976. – С. 69-111.
18. Теплофизические и реологические характеристики полимеров: Справ. / Под общей ред. акад. АН УССР Ю. С. Липатова. – Киев: Наукова думка, 1977. – С. 6-73.
19. Кипнис П. А., Швабауэр В. В., Гвоздев И. В., Володин В. П. Технологические размеры калибрующего устройства для производства труб из термопластов. Пластические мас¬сы. – 1985. – № 1. – С. 48-50.
20. Новиченок Л. Н. Теплофизические свойства полимеров / Л. Н. Новиченок, 3. П. Шульман; Под ред. член-корр. АН БССР А. Г. Шашкова. – Минск: Наука и техника, 1971. – 117 с.
21. Кleindienst U. Теплопередача при калибровании и охлаждении экструдируемых пласт¬массовых труб / U. Кleindienst. – Plastverarbeiter. – 1977. – Вd. 28. – № 10. – S. 513-520.
22. Grunschloss E. Экспериментальное определение коэффициента теплопередачи при ох¬лаждении трубы / Е. Grunschloss, L. Radtschenko. // Plastverarbeiter. – 1979. – Вd. 30. – №10. – S. 631-639.
23. Новые аспекты переработки ПВХ / W. Faistkorn, J. Breil, B. Gesenhues, etc. // 12 Kunststofftechnisches kolloquim des IKV in Aachen, 21-23 Marz, 1984. – Aachn, 1984. – S. 463-510.
24. Швайгер Майнхард. Машины и инструмент фирмы «Technoplast» для успешного произ¬водства профилей методом экструзии. Семинар «Технопласт – новые технологии в Рос¬сии», фирма Technoplast (Австрия), Москва, 31.01– 01.02, 2001.
25. Gang J. Математическая модель процесса охлаждения движущегося расплава термопла¬ста / J. Gang, М. Charmchi, S. Chen // Ро1уn. Еng. аnd Sci. – 1992. – V. 32. – № 11. – Р. 724-731.
26. Аst W. Простой метод расчета длины зоны охлаждения при экструзии термопластов / W.Ast // Кunststoffe. – 1979. – Вd. 63. – № 4. – S. 186-193; Ind. & Prod. Eng. – 1979. – № 3. – Р. 80, 82-84, 86, 87.
27. Саrrаrа С. Численное моделирование процессов калибрования полимерных материалов при экструзии / С. Саrrаrа, L. Таglifасо, G. Мilano // Тесnopolimeri е resinе. – 1982. – № 6. – С. 25-30.
28. Гаркунов Д.Н. Триботехника: Учебник для студентов.-М.: Машиностроение, 1989.328 с.
29. Иманов А.Н. : Полимерные композиционные материалы: Карагандинский государственный технический университет. –Караганда: Изд-во КарГТУ, 2006.172 с.
30. Мусалимов И.Г., Иманов А.К. «Композиционные материалы на основе полипропилена» - Национальное агенство по делам печати и массовой информации РК.104 с.
31. Мусалимов И.Г., Иманов А.Н. «Термопластичные композиционные материалы» - Национальное агентство по делам печати и массовой информации РК.104 с.
32. Сафонов А.В. Проектирование цехов машиностроительного производства: Учеб. пособие / А.в. Сафонов А.Н., Иманов А.Н., Шарый В.И., Сидорина Е.А.; КарГТУ, 2007.79 с.
33. Стамбурский Е.А., Бейль А.И., Карливан В.П., Беспалов Ю.А. «Износ оборудования при переработке пластмасс» : Химия, 1985.208 с.
34.Д.Н.Гаркунов Триботехника - М.: Машиностроение,1989. 328 с.