Особенности использования нанокомпозитов Na+-монтмориллонит полифторированный спирт в качестве антифрикционного твердого смазочного материала

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 678. 684. 82. 04
И. А. Новаков* Н. А. Рахимова'-, А. П. Краснов& quot-, В. Ф. Желтобрюхов'-,
Я. В. Зубавичус, С. В. Кудашев, О. А. Барковская
ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАНОКОМПОЗИТОВ Na-МОНТМОРИЛЛОНИТ — ПОЛИФТОРИРОВАННЫЙ СПИРТ В КАЧЕСТВЕ АНТИФРИКЦИОННОГО ТВЕРДОГО СМАЗОЧНОГО МАТЕРИАЛА
'-Волгоградский государственный технический университет Институт элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова Российской академии наук, г. Москва
E-mail: kudashev-sv@yandex. ru
Рассмотрено влияние химического строения полифторированных спиртов в составе их нанокомпозитов с Na-монтмориллонитом на изменение трибологических характеристик в процессе их работы как антифрикционного твердого смазочного материала. Методом малоуглового рентгеновского рассеяния изучены особенности формирования полифторалкильных органофильных слоев на поверхности и во внутрислоевых пространствах Na-монтмориллонита и их влияние на коэффициент трения и фрикционную температуру используемых антифрикционных материалов.
Ключевые слова: нанокомпозиты, полифторированные спирты, монтмориллонит, антифрикционные материалы.
В жестких условиях эксплуатации, характерных для большей части современных машин и механизмов, наличия маслорастворимых присадок в смазочных материалах, как жидких, так и пластичных, часто недостаточно для образования и сохранения прочного и устойчивого граничного слоя, который в течение длительного времени надежно исключал бы металлический контакт между поверхностями трибосоп-ряжений [1−3].
Достаточно универсальным, высокоэффективным и экономичным способом улучшения работы узлов трения (трибосопряжений), практически при всех условиях эксплуатации машин, в том числе тяжелонагруженных и энергонапряженных, является применение в смазочных материалах высокодисперсных твердых добавок, к числу которых могут быть отнесены графит, нитрид бора, дисульфид молибдена, а также наноалмазы и фуллерены [1−7]. Такие добавки многофункциональны, поэтому их все шире применяют для улучшения антифрикционных, противоизносных и противозадирных свойств.
Основными требованиями, предъявляемыми к антифрикционным твердым смазочным материалам являются прежде всего стабилизация коэффициента трения во времени и малый расход смазки. В большинстве случаев такие эффекты весьма затруднительно достичь при использовании немодифицированных слоистых материалов [1].
Цель работы — изучение трибологических характеристик органофильных нанокомпозитов Ка -монтмориллонит — полифторирован-ный
спирт в процессе их работы как антифрикционного твердого смазочного материала.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве антифрикционного твердого смазочного материала были использованы коммерческий высокодисперсный слоистый алюмосиликат Ка-монтмориллонит (ММТ, нанопластины толщиной ~ 1 нм и длиной 20−250 нм) производства ТОО «В-С1ау» (Казахстан) и его нанокомпозиты с полифторированными спир-тами-теломерами типа Н (СР2СР2)пСН2ОН со степенью теломеризации п = 2−5 — 1,1,5-три-гидроперфторпентанол-1 (ПФС2), 1,1,7-тригид-роперфторгептанол-1 (ПФС3), 1,1,9-тригидро-перфторнонанол-1 (ПФС4) и 1,1,11-тригидро-перфторундеканол-1 (ПФС5), получение которых описано в работе [8].
Предельное содержание органического модификатора в ММТ-композитах составляло, % масс.: ММТ-ПФС2(22,3), ММТ-ПФС3(33,3),
ММТ-ПФС4(40,0), ММТ-ПФС5(44,0) [8, 9].
Исходные высушенные органофильные нанокомпозиты ММТ-ПФС представляли собой тонкодисперсную фракцию в виде отдельных частиц диаметром ~ 50−100 нм (10% масс.), конгломератов с варьируемыми размерами & lt- 1 мкм (до 80% масс.) и крупных частиц в виде пластинок с размерами & lt- 10 мкм (10% масс.) [8, 9].
Трибологические испытания были проведены на машине трения И47К54 между двумя металлическими контртелами (сталь 3Х13). Условия испытаний были следующими: удельная нагрузка 0,5 МПа, скорость — постепенное повышение начиная с 0,5 до 2 м/с, нагрузка —
0,5 МПа, время эксперимента — 1 ч, расход ММТ-ПФС составлял не более 10−2% масс. Температура в зоне трения измерялась термопарой в металлическом контртеле на расстоянии ~ 1 мм от поверхности трения.
Структурные исследования нанокомпозитов ММТ-ПФС были проведены методом малоуглового рентгеновского рассеяния при синхро-тронном излучении на станции «Структурное материаловедение» Курчатовского источника синхротронного излучения (НИЦ «Курчатовский институт»). Измерения дифрактограмм проводили в геометрии пропускания (метод Дебая-Шеррера), длина волны составляла А=1,04 А.
В качестве калибранта угловой шкалы использовался бегенат серебра (^ш=58,38 А).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБУЖДЕНИЕ
На рис. 1 изображена временная (частотная) зависимость изменения коэффициента трения во времени для ММТ и его нанокомпозитов с ПФС. Установлено, что трение немодифициро-ванного ММТ приводит к резкому подъему на третьей минуте эксперимента коэффициента трения и повышению фрикционной температуры до 35 °C [10]. Дальнейшие трибологические испытания привели к заеданию узла трения. Использование ММТ, модифицированного ПФС,
а
б
в
г
д
Рис. 1. Временная зависимость коэффициента трения для фторсодержащих нанокомпозитов ММТ-ПФС: /- коэффициент трения, т — время (мин) — а — ММТ, б — ММТ-ПФС2 (22,3%), в — ММТ-ПФС3 (33,3%), г — ММТ-ПФС4 (40,0%), д — ММТ-ПФС5 (44,0%)
способствует характерному слоистому струк-турообразованию с наличием на поверхности органофильных перфторалкильных слоев, что необходимо для генерирования самовосстанав-ливающейся поверхностной пленки на трущихся поверхностях в целях обеспечения высоких антифрикционных свойств твердого смазочного материала.
Особенно низкое значение коэффициента трения образцов ММТ-ПФС4 (40,0%) и ММТ-ПФС5 (44,0%) связано с формированием особенно тонкого поверхностного полифторал-кильного органофильного слоя, обогащенного большим числом (СР2СР2)-групп, играющих основную роль в трении, а также влиянием по-лифторалкильной органофильной упаковки в приповерхностных слоях в кристаллической структуре ММТ-ПФС путем их поэтапного истирания в процессе трения. В тоже время для нанокомпозита ММТ-ПФС5 (44,0%) характерно несколько меньшее по продолжительности трение.
Для выяснения характера влияния длины перфторуглеродной цепи ПФС в составе нанокомпозитов с ММТ на трибологические характеристики были проведены структурные иссле-
Можно видеть, что трение нанокомпозита ММТ-ПФС2 (22,3%) резко отличается от исходного ММТ. Особенно важно, что на первом этапе трения коэффициент трения необычно низок и превосходит показатели, которые были достигнуты в слоисто-полимерных композициях с фторопластами различных марок (Ф-4, Ф-4НТД) (см. таблицу) [11].
дования методом малоуглового рентгеновского рассеяния в условиях синхротронного излучения, наиболее часто использующегося для изучения надатомной структуры разупорядочен-ных систем (рис. 2).
Существенная особенность экспериментальных кривых заключается в наличии двух слабовыраженных перегибов, соответствующих межплоскостным расстояниям около 6 и 3 нм (кривые 2 и 4). Наиболее четко эта структура проявляется в нанокомпозитах с четной степенью теломеризации спирта-теломера — ММТ-ПФС2 (22,3%) и ММТ-ПФС4 (40,0%), а наименее четко — с нечетной степенью теломери-зации — в ММТ-ПФС3 (33,3%) и ММТ-ПФС5 (44,0%). Такой результат связан прежде всего с различной полифторалкильной органофильной упаковкой ПФС в межслоевых пространствах
Сравнительная характеристика сухих смазочных материалов
Сухая смазка Описание и состав Условия применения Недостатки Коэффициент трения (фрикционная температура)
Разработанные материалы
ММТ-ПФС2 (22,3%) Серо-коричневый порошок, 50−100 нм — 10% масс., & lt- 1 мкм — 80% масс., & lt- 10 мкм — 10% масс. Рабочие температуры: +20…+ 300 °C Интенсивное дегидрофторирование при 300−500 °С 0,15−0,41 (28−53 °С)
ММТ-ПФС3 (33,3%) 0,75 (с заеданием узла трения)
ММТ-ПФС4 (40,0%) 0,01−0,15* (28−50 °С)
ММТ-ПФС5 (44,0%) 0,01−0,09** (29−45 °С)
Известные материалы
ОКБ-Ш Черный порошок МоБ2, 3−15 мкм Рабочие температуры: −185… +450 °С Работает только в сочетании с маслами и консистентными смазками 0,42−0,56 (108−126 °С) заедание узла трения
9200 Л1та8о1 Серо-черная пленочная смазка Затвердевает в течение 30 мин Воспламеняется выше +400 °С, срок годности 1 год 0,11−0,15*** (64−82 °С) заедание узла трения в конце 1-го часа)
ФОРУМ Нанопленки фторопласта-4, растворитель Рабочие температуры: +196. 500 °C Высокая адгезия к металлу, препятствующая снятию смазки 0,05−0,10**** (50−57 °С)
Примечание. * - V = 0,5−2 м/с, Р = 0,5 МПа- ** - V = 0,5−2 м/с, Р = 0,5 МПа- *** - V = 0,1−0,5 м/с, Р = 0,5 МПа- **** - V = 0,1−3 м/с,
Р = 0,5 МПа.
ММТ, их геометрией и долей ассоциативных взаимодействий, обеспечивающих стабильность органоминеральных структур [12].
I
Рис. 2. Кривые малоуглового рентгеновского рассеяния в условиях синхротронного излучения нанокомпозитов ММТ-ПФС. I — нормализованная интенсивность (усл. ед.), 5 — вектор (координата) рассеяния (А-1):
1 — ММТ, 2 — ММТ-ПФС2 (22,3%), 5 — ММТ-ПФС3 (33,3%),
4 — ММТ-ПФС4 (40,0%), 5 — ММТ-ПФС5 (44,0%)
Результаты, полученные методом рентгеновской дифракции на малых углах рассеяния, свидетельствуют о том, что упорядоченных слоистых систем с фиксированным межслоевым расстоянием в случае ММТ-ПФС не формируется, а наблюдается образование нанокомпозитов с явным смешаннослойным характером, который наиболее проявляется для ММТ, модифицированного спиртами с четной степенью теломери-зации. Указанные структурные особенности оказывают преимущественное положительное влияние на повышение антифрикционных характеристик используемых материалов [12].
Таким образом, проведенные испытания позволили установить, что оптимальными трибологическими свойствами обладают образцы ММТ-ПФС4 и ММТ-ПФС5, что связано с особенностями формирования плотноупакованной органоминеральной кристаллической структуры и генерированием в процессе трения граничной поверхностной пленки на трущихся поверхностях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рахимова, Н. А. Гидрофобизация бентонита поли-фторированными спиртами / Н. А. Рахимова, С. В. Куда-
шев // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 2 / ВолгГТУ. — Волгоград, 2010. — С. 49−53. (Сер. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов. Вып. 7).
2. Новаков, И. А. Рентгеновское фотоэлектронное исследование графита, модифицированного 1,1,3-тригидро-перфторпропанолом-1, и его влияние на трибологические характеристики поли-е-капроамида / И. А. Новаков [и др.] // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 2 / ВолгГТУ. -Волгоград, 2011. — С. 140−145. (Сер. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов. Вып. 8).
3. Новаков, И. А. Разработка новых материалов на основе полисульфидных олигомеров, модифицированных полифторированными соединениями. Сообщение 1. Влияние полифторированных добавок на процесс отверждения и структуру наполненных вулканизатов полисульфидных олигомеров / И. А. Новаков [и др.] // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 2 / ВолгГТУ. — Волгоград, 2011. -С. 114−121. (Сер. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов. Вып. 8).
4. Новаков, И. А. Разработка новых материалов на основе полисульфидных олигомеров, модифицированных полифторированными соединениями. Сообщение 2. Влияние полифторированных добавок на свойства наполненных вулканизатов полисульфидных олигомеров / И. А. Новаков [и др.] // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 2 / ВолгГТУ. — Волгоград, 2011. — С. 121−127. (Сер. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов. Вып. 8).
5. Новаков, И. А. Разработка новых материалов на основе полисульфидных олигомеров, модифицированных полифторированными соединениями. Сообщение 3. Модификация материалов на основе полисульфидных олигомеров полифтор- и медьсодержащим Ка±монтморил-лонитом / И. А. Новаков [и др.] // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 2 / ВолгГТУ. — Волгоград, 2011. -С. 127−133. (Сер. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов. Вып. 8).
6. Пат. 2 194 742 РФ, МПК7 С 10 М 141/08. Противоиз-носная, антифрикционная присадка с модификатором трения, смазочный материал и способ получения модификатора трения / В. И. Беклемышев, В. Ю. Болгов, И. И. Ма-хонин. — Заявл. 12. 02. 2007- опубл. 10. 04. 2008, Бюл. № 4.
7. Рахимова, Н. А. Исследование адсорбции диацета-та-ди-е-капролактама меди на бентоните / Н. А. Рахимова, С. В. Кудашев // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 2 / ВолгГТУ. — Волгоград, 2010. — С. 53−57. (Сер. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов. Вып. 7).
8. Рахимова, Н. А. Органофилизация Ка±монтморил-лонита полифторированными спиртами / Н. А. Рахимова, С. В. Кудашев // Журнал прикладной химии. — 2010. -Т. 83. — Вып. 11. — С. 1905−1910.
9. Кудашев, С. В. Конструирование нанокомпозитов полифторированный спирт/Ыа -монтмориллонит / С. В. Кудашев, Н. А. Рахимова // Наноинженерия-2010: сб. тр. III Всерос. школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия». — М., 2010. — С. 66−70.
10. Рахимова, Н. А. О возможности использования немодифицированного природного слоистого алюмосиликата монтмориллонита в качестве антифрикционного триботехнического материала / Н. А. Рахимова, А. П. Краснов, С. В. Кудашев // Инновационные технологии в обучении и производстве: матер. VII Всерос. науч. -практ. конф. — Волгоград, 2011. — С. 67−68.
11. Кудашев С. В. Влияние полифторированных модификаторов на структуру и свойства гетероцепных полимеров: автореф. дисс. канд. хим. наук / С. В. Кудашев. -Волгоград, 2011. — 24 с.
12. Рахимова, Н. А. Исследование методом малоугло- органические соединения и функциональные материалы:
вого рентгеновского рассеяния композитов слоистого ми- сб. матер. Всерос. конф. с элементами науч. школы для
нерала монтмориллонита с полифторированными спирта- молодежи. — Казань, 2Q1Q. — C. 1Q5.
ми / Н. А. Рахимова, Я. В. Зубавичус, С. В. Кудашев // Не-
I. A. Novakov*, N. A. Rakhimova*, A. P. Krasnov**, V. F. Zheltobryuhov*
Y. V. Zubavichus**, S. V. Kudashev*, and O. A. Barkovskaya*
FEATURES OF NANOCOMPOSITES N a±MONTMORILLONITE — POLYFLUORINATED ALCOHOL AS ANTIFRICTION SOLID LUBRICANT
*Volgograd State Technical University ** Institute of Organoelement Compounds Nesmeyanov Russian Academy of Sciences, Moscow
Abstract. The influence of chemical structure of polyfluorinated alcohols in the composition of the nanocomposites with Na±montmorillonite modified on tribological characteristics of their work as antifriction solid lubricant. By small-angle X-ray scattering study peculiarities of polyfluoroalkyl organophilic layers on the surface and intralayer spaces in Na±montmorillonite and its influence on friction coefficient of friction and temperature used in antifriction material.
Keywords: nanocomposites, polyfluorinated alcohols, montmorillonite, antifriction material.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой