МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЛУЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ

Голотенко Сергій Миколайович

УДК 667. 64: 678. 026

РОЗРОБКА НОВИХ МАТЕРІАЛІВ ГЕТЕРОГЕННОЇ СТРУКТУРИ НА ОСНОВІ ЕПОКСИПОЛІМЕРІВ І МЕТАЛОВУГЛЕЦЕВОЇ КОМПОЗИЦІЇ

Спеціальність 05.02.01 – матеріалознавство

Автореферат дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Луцьк - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Тернопільському національному педагогічному університеті ім. В.Гнатюка на кафедрі машинознавства та комп’ютерної інженерії

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Кальба Євген Миколайович,

Тернопільський національний педагогічний університет ім. В.Гнатюка, кафедра машинознавства та комп’ютерної інженерії

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Стухляк Петро Данилович,

Тернопільський державний технічний університет ім. І.Пулюя, завідувач кафедри комп’ютерно-інтегрованих технологій, декан факультету комп’ютерних технологій

кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник

Середницький Ярослав Антонович,

Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка НАН України, м. Львів.

Провідна установа : Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України м. Київ

Захист відбудеться 9 листопада 2005 року о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 32.075.02 у Луцькому державному технічному університеті за адресою 43018, м. Луцьк, вул. Львівська, 75.

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Луцького державного технічного університету (вул. Львівська, 75).

Автореферат розісланий 6 жовтня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Гусачук Д.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблеми підвищення експлуатаційної надійності і довговічності роботи деталей машин і обладнання, що працюють в умовах одночасної дії корозії та гідроабразивного зношування, набувають все більшого значення для економії металів, енергоресурсів, ефективного використання сировини та техніки є актуальною задачею сучасного матеріалознавства. Одним з головних напрямків вирішення цих завдань в машинобудівній, харчовій, хімічній та радіотехнічній промисловостях є розробка нових композитних матеріалів (KM). Найбільш перспективним напрямком вирішення цієї проблеми є використання композиційних матеріалів на основі епоксидних смол, які мають високу адгезію до металевої основи, технологічність при формуванні покриттів на деталі складної конфігурації, розвинуту сировинну базу. В створенні композиційних матеріалів на основі епоксиполімерів вже набутий значний науковий і практичний досвід, проте на даний час недостатньо уваги приділено дослідженню процесів структуроутворення і взаємодії компонентів, а також практично не досліджено використання в якості наповнювача дрібнодисперсних металовуглецевих композицій (МВК). На основі реактопластів вони забезпечують необхідний комплекс фізико-механічних властивостей, високу ремонтноздатність за рахунок багаторазового відновлення поверхонь деталей композиціями, що використовуються в якості покриттів. Найбільш перспективним напрямком вирішення цієї проблеми є використання композиційних матеріалів на основі епоксидних смол, які мають високу адгезію до металевої основи, і технологічність при формуванні покриттів. Одним із ефективних шляхів вирішення даної проблеми є направлене регулювання експлуатаційних характеристик за рахунок керування процесами структуроутворення, науково обґрунтованим введенням полідисперсних наповнювачів різної природи та комплексною дією зовнішніх фізичних полів.

Зв’язок роботи з науковими роботами, програмами, планами, темами. Робота виконувалась в рамках держбюджетних тем ТДПУ ім. В. Гнатюка: PH 0108U00040 „Дослідження гетерогенних полімеркомпозиційних структур при формуванні зносо- і корозійностійких покриттів з метою підвищення ресурсу роботи технологічного устаткування”, PH 0100U002410 „Дослідження структури градієнтних полімеркомпозиційних матеріалів на основі модифікованих епоксидних смол і дисперсних наповнювачів з метою підвищення зносо- і корозійної стійкості технологічного устаткування” та PH 0103U003117 „Дослідження впливу зовнішніх фізичних полів на самоорганізацію структур полімеркомпозиційних матеріалів”.

Мета і завдання досліджень. Метою даної роботи є вивчення основних закономірностей формування полімеркомпозиційних матеріалів (ПКМ) гетерогенної структури на основі модифікованих епоксидних смол і полідисперсних наповнювачів пара- і феромагнітної природи при комплексному впливі ультразвукової, магнітної та високочастотної електромагнітної обробки.

Для досягнення мети необхідно було вирішити такі наукові і практичні завдання:

1. Розробити полімерну матрицю з оптимальними фізико-механічними і технологічними властивостями, встановити температурно-часовий режим її полімеризації для умов експлуатації в хімічній, харчовій та радіотехнічній промисловостях.

2. Дослідити вплив природи та роміру зерна наповнювачів на процес структуроутворення матеріалів для захисних покриттів та взаємодію на межі поділу фаз полімер-наповнювач та захисне покриття-металева основа.

3. Встановити вплив наповнювачів на реологічні, фізико-механічні, теплофізичні та експлуатаційні характеристики покриттів.

4. Дослідити вплив ультразвукової, магнітної і високочастотної електромагнітної обробки на процес структуроутворення і технологічні властивості наповнених полімеркомпозиційних матеріалів.

5. Вивчити вплив природи, складу та розміру зерна наповнювачів в композитах для запобігання радіоперешкод, які утворюються внаслідок електромагнітного випромінювання телевізійних установок.

6. Дослідити вплив агресивних середовищ на зносо- і корозійну стійкість захисних полімеркомпозиційних покриттів (ПКП).

7. Провести промислове випробування ефективності розроблених захисних покриттів та здійснити їх впровадження в радіотехнічній і харчовій промисловостях.

Об’єкт дослідження – полімеркомпозиційні матеріали на основі модифікованої епоксидної смоли та феро- і парамагнітних полідисперсних наповнювачів.

Предмет дослідження – процеси структуроутворення та зміна властивостей полімеркомпозиційних матеріалів при комплексному впливі зовнішніх фізичних полів.

Методи дослідження: новий метод і установка для одночасної комплексної обробки композицій ультразвуком і високочастотним електромагнітним полем, визначення поглинаючих властивостей полімеркомпозитів методом надвисоких частот (НВЧ), традиційні методи дослідження адгезійної міцності, внутрішніх напружень у покриттях, методи дослідження міжфазної взаємодії при структуроутворенні композитних матеріалів (КМ), фізико-механічних і теплофізичних характеристик, корозійної та зносостійкості матеріалів, а також метод багатофакторного планування експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено науково-технологічні принципи створення зносо- і корозійностійких полімеркомпозиційних покриттів на основі модифікованої епоксидної смоли та полідисперсних феро- і парамагнітних наповнювачів, які грунтуються на оптимізації гранулометричного складу тугоплавких сполук і металовуглецевої композиції та технологічних параметрів формування при одночасній дії зовнішніх фізичних полів. Показано, що зміна температурно-часових режимів обробки, природи і концентрації наповнювачів дозволяє направлено регулювати фізико-механічні та технологічні властивості матеріалів для захисних полімеркомпозиційних покриттів. Обґрунтовано ефективність використання комплексного впливу ультразвукової і електромагнітної обробки та високочастотного електромагнітного поля з метою підвищення фізико-механічних характеристик композитних матеріалів.

Вперше показано ефективність комплексного використання, в якості наповнювача, МВК та Cr2O3 для захисних покриттів і при цьому встановлено, що за рахунок магнітної взаємодії на границі основа-полімеркомпозит можливе ціленаправлене регулювання фізико-механічних, реологічних, теплофізичних властивостей та зносо- і корозійної стійкості. Встановлено, що введення в полімерну матрицю металовуглецевої композиції і оксиду хрому в кількості 80 і 40 мас.ч. дозволяє підвищити температуру скловання на 17...20К, теплостійкість на 20К, ударну в’язкість на 16%, адгезійну міцність на 18...22 МПа, зменшити товщину та масу покриття в 2.0 ... 2.3; 2,3...3,4 рази, відповідно, в порівнянні з відомими вітчизняними і зарубіжними аналогами.

Різносторонні напрямки досліджень, розробка полімерної матриці з оптимальними властивостями, підбір наповнювачів та комплексний вплив фізичних полів на структуру, адгезійні, теплофізичні та фізико-механічні властивості градієнтних полімеркомпозиційних покриттів. При цьому вперше встановлено, що комплексна обробка покриттів наповнених металовуглецевою композицією і оксидом хрому збільшує взаємодію наповнювача із стальною основою, прискорює початок полімеризації, внаслідок чого покращуються їх фізико-механічні властивості.

В результаті проведених досліджень розроблено методи регулювання адгезійними, зносо- і корозійностійкими, фізико-механічними та поглинаючими властивостями полімеркомпозиційних матеріалів гетерогенної структури шляхом введення полідисперсних наповнювачів різної магнітної природи та дії зовнішніх фізичних полів.

На основі проведених досліджень розроблено нові методи обробки поверхні деталей (А.с. СССР №1782998) та нові полімеркомпозиційні матеріали (А.с. СССР №1793605). Отримано Патент України №39108А.

Практичне значення одержаних результатів. На основі результатів проведених досліджень створено нові полімеркомпозиційні матеріали гетерогенної структури з підвищеними адгезійними, фізико-механічними властивостями, зносо- і корозійною стійкістю та поглинаючими електромагнітні хвилі властивостями. Розроблено технологію їх нанесення на деталі складної конфігурації. Нові матеріали та технологія нанесення захисних покриттів пройшли дослідно-промислову перевірку в сільгосптоваристві СПзОВ „Аграрій” (м. Кременець). Захисне полімеркомпозиційне покриття поглинаючої дії для захисту рефлекторів параболічних антен проходить промислове випробування в КБ “ Промінь-Антени “ м. Тернопіль. Економічний ефект від впровадження результатів роботи в сільгосптоваристві СпзОВ “ Аграрій “ становить 7338 грн. на 100 м2 площі покриття та 12648 грн. на 1 насос у цінах 2000 року.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційну роботу ввійшли наукові результати, отримані автором особисто. Постановка задач, обґрунтування та обговорення результатів наукових досліджень виконано спільно з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень апробовано: на Республіканському семінарі „Композиционные материалы в машиностоении” (м. Тернопіль, 1989 р.); Міжнародній науково-технічній конференції „Математичне моделювання в електротехніці й електроенергетиці” (м. Львів, 1995р.); Міжнародній конференції присвяченій 150-річчю з дня народження І.Пулюя (м. Тернопіль, 1995р.); Українсько-Польському симпозіумі (м. Тернопіль, 1997р.); IV Міжнародній конференції-виставці „Корозія - 98” (м. Львів, 1998р.); І Міжнародній науково-технічній конференції „Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин” (м. Тернопіль, 2004 р.), науково-практичних семінарах Тернопільського національного педагогічного університету ім. В.Гнатюка та Тернопільського державного технічного університету ім.. І.Пулюя.

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 8 статей у наукових фахових журналах, отримано 2 авторських свідоцтва СРСР і 1 патент України на винахід.

Структура та об’єм. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, основних висновків, списку використаних джерел і додатків. Матеріал викладено на 123 стор. машинописного тексту, містить 55 ілюстрацій, 18 таблиць, список використаних джерел з 148 найменувань та 3 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення роботи, приведено інформацію про особистий внесок здобувача та апробацію результатів дисертації.

У першому розділі показано сучасний рівень досягнень в дослідженні нових полімеркомпозиційних захисних покриттів, зокрема на основі реактопластів. Обґрунтовано використання в якості полімерної матриці захисних полімеркомпозиційних покриттів низькомолекулярних епоксидних смол. Для забезпечення зносостійкості та здатності поглинати електромагнітні хвилі, в певному діапазоні частот, доцільно використовувати дисперсні порошки металовуглецевої композиції та карбідооксидної кераміки, які одночасно дозволяють підвищувати адгезійно-міцнісні, фізико-механічні і теплофізичні характеристики полімеркомпозитів. Проаналізовано сучасні теорії та механізми адгезії до різного класу матеріалів. Розглянуто процеси структуроутворення полімеркомпозиційних матеріалів, показано, що розробка й ефективне їх використання можливе за умови комплексного вирішення завдань, як щодо розробки матеріалу з заданими властивостями, так і в сфері технології одержання покриттів на їх основі. В результаті огляду літературних даних і відповідно до поставленої мети сформульовано основні завдання роботи.

В другому розділі обґрунтовано вибір базових компонентів, які використовували в роботі, та методи їх дослідження. За основу полімерної матриці вибрано низькомолекулярні епоксидно-діанові смоли ЕД-16 і ЕД-20 з вмістом епоксидних груп (%) 16,0...18,0; 19,9...22,0 і молекулярною масою 480...640, 390...430 відповідно, що мають високі адгезійні, теплофізичні, міцнісні властивості, а також можливість полімеризаціі при різних температурах в залежності від типу твердника.

Для модифікації і підвищення пластичності полімерної матриці використовували 65%-й розчин ненасиченої поліефірмалеілатної смоли в триетиленгліколевому диефірі метакрилової кислоти марки ПЕ-220 (ТУ-6-10-1335-73), аліфатичну смолу ДЕГ-1 (ТУ-6-05-1645-73) та дибутилфталат ДБФ (ГОСТ 8728-661 ).

Враховуючи великі габаритні розміри і масу, складний профіль поверхні ряду деталей, умов нанесення покриття та з метою зниження енергозатрат при полімеризації епоксидних композицій використовували твердник холодного тверднення поліетиленполіамін (ТУ 6-02-594-86Е).

В якості основних наповнювачів використано порошки карбіду бору В4С, карбідооксидної кераміки ТіС-АL2O3 та металовуглецевої композиції МВК дисперсністю 40...80мкм. Для запобігання седиментації основного наповнювача використовували ультрадисперсні порошки аеросилу (SіО2), оксиду алюмінію (AL2O3) та оксиду хрому (Cr2O3) зернистістю 2-10 мкм.

Описано методики дослідження полімеркомпозитних матеріалів і покриттів на їх основі, які включають вивчення адгезійних, фізико-механічних, реологічних, теплофізичних властивостей; дослідження структури покриттів і міжфазної взаємодії, корозійної, кавітаційної та гідроабразивної зносостійкості композитів.

Адгезійну міцність оцінювали при нормальному відриві та постійній швидкості навантаження 10 Н/c (метод грибків). Механічні характеристики (при розтязі, зсуві і стиску) досліджували за відповідними держстандартами. Дослідження термічного коефіцієнту лінійного розширення проводили на лінійному дилатометрі, теплоємність – на дериватографі системи Ф. Паулік, І. Паулік, Л.Ердей марки “ 3427-1000 C” фірми “ MOM “ (Угорщина ), а теплостійкість визначали за Мартенсом.

Дослідження молекулярної взаємодії, структури та морфології полімеркомпозитів здійснювали методом ІЧ – спектроскопії на спектрометрі марки ИКС – 299.

Оцінку корозійних властивостей полімеркомпозиційних покриттів, нанесених на стальну основу, проводили методом імпедансу в корозійноактивному середовищі NaOH.

Розроблено методику і установку для вивчення комплексного впливу ультразвукової, електромагнітної та високочастотної обробки на властивості полімеркомпозитів.

Третій розділ присвячений розробці оптимального складу полімерної матриці на основі епоксидної смоли ЕД-20, вивченню адгезійних і реологічних властивостей, дослідженню закономірностей формування наповнених полімеркомпозитів, їх структури і характеру взаємодії полімеру і поверхні наповнювачів, комплексного впливу ультразвукової та високочастотної електромагнітної обробки.

З метою покращення фізико-механічних характеристик епоксидної смоли ЕД-20 (100 мас. ч. ) її суміщали з епоксидною смолою ЕД-16 (40мас. ч.) і модифікували аліфатичною смолою ДЕГ-1 (20 мас.ч.). Для покращення модифікуючого і пластифікуючого ефекту попередньо (до введення твердника) проводили етерифікацію при 413 ... 453К протягом 2 ... 3 годин, що забезпечувало краще суміщення компонентів та утворення хімічних зв’язків у в’яжучому. Це дозволяє перевести матрицю в гелеоподібний стан, а додаткова термообробка, за рахунок руйнування хімічних зв’язків між макромолекулами в’яжучого, дозволяє покращити процес гелеоутворення та збільшити ступінь його зшивання.

Для визначення впливу температурно-часових режимів полімеризації на адгезійноміцнісні властивості полімерної матриці застосовували ступінчатий режим тверднення.

Встановлено, що найбільш оптимальним є режим при якому склеєні зразки підлягають технологічній витримці протягом 2 годин при температурі 293К і витримкою 2,5 год. Після цього полімеризацію проводили нагріванням з швидкістю 2 град./ хв.. до температури 353К з подальшою витримкою 2,5 години. На кінцевому етапі зразки нагрівали з швидкістю 5 град/хв. до 423К і витримували 3 год, що дозволяло створити м’які умови для конформаційних перетворень в початковій стадії реакції і прискорити, за рахунок підвищення температури, структуроутворення на початковому і заключному етапах.

На основі попередніх результатів досліджень методом дробних реплік (24-1) отримано адекватне рівняння математичної моделі:

y = 10.7 – 1.71x1 + 1.62x2 + 10,7x3 + 3.14x4 – 1.36x1x4.

Методом крутого сходження за градієнтом знайдено оптимальний склад полімерної матриці (мас.ч.): епоксидно-діанова смола ЕД-20 – 100; епоксидно-діанова смола ЕД-16 ... 40; аліфатична смола ДЕГ-1 ... 20; твердник – поліетиленполіамін ПЕПА ... 14 при ступінчатому режимі полімеризації.

В якості наповнювачів для дослідження процесу формування полімеркомпозиційних захисних покриттів гетерогенної структури використовували порошки тугоплавких сполук карбіду бору В4С, карбідооксидної кераміки ТіС-АL2О3 та металовуглецевої композиції МВК.Досліджено вплив даних наповнювачів на реологічні властивості епоксидних композицій. Встановлено, що в’язкість і тиксотропні характеристики композитів зростають із збільшенням концентрації наповнювача. (Рис. 1)

Рис. 1 Залежність умовної в’язкості композицій від кількості дисперсних наповнювачів зернистістю40 мкм:

1- МВК, 2- КОК, 3- В4С.

Експериментально встановлено перспективність введення в полімерну матрицю, в якості основного наповнювача, порошків металовуглецевої композиції в кількості 60 ...80 мас.ч. зернистістю 40 ... 60 мкм, а для запобігання його седиментації доцільно вводити дрібнодисперсний оксид хрому зернистістю 2 ... 10 мкм в кількості 10... 40 мас.ч.

Досліджено вплив дисперсності і кількості основного та додатково введеного дрібнодисперсного наповнювача на реологічні властивості композиції. Встановлено, що оптимальна умовна в’язкість, яка забезпечує технологічність нанесення покриття повинна бути в межах 60 ... 65%. Показано, що для досягнення оптимальної умовної в’язкості необхідно ввести в полімерну матрицю основного наповнювача МВК і карбідооксидної кераміки в кількості 60 ...80 мас.ч., а дрібнодисперсного Cr2O3 – 30 ...40 мас.ч.

Встановлено, що введення в полімерну матрицю порошків МВК і Cr2O3 в межах 40 ... 60 і 30 ... 40 мас.ч., відповідно, дозволяє підвищити адгезійну міцність композиту на 30% і знизити внутрішні напруження в 2,2 ... 2,5 рази внаслідок рівномірного розподілу наповнювачів в системі, їх магнітної взаємодії з металевою основою та релаксаційних процесів.

Вперше досліджено комплексний вплив ультразвукової (f=22 кГц, А=15 мкм, ?=3хв.) і електромагнітної (f=50 МГц, ?=2хв, Н=100А/м) обробки на процес структуроутворення полімеркомпозиційного покриття, адгезійні характеристики та внутрішні напруження. Встановлено, що підвищення адгезійної міцності на 15 ... 20% та зниження внутрішніх напружень в покриттях до 1.2 Мпа після комплексної обробки (рис.2, рис.3) пов’язано із зміною структури в’яжучого та збільшенням енергії взаємодії феромагнітного наповнювача МВК із стальною основою.

Рис. 2. Залежність адгезійної міцності епоксидної композиції від амплітуди коливань і тривалості ультразвукової обробки (f = 22 кГц).

Рис.3 Залежність адгезійної міцності (1, 2, 3) і внутрішніх напружень (1’, 2’, 3’) від тривалості комплексної обробки композицій наповнених:

1 – МВК; 2 – КОК; 3 - В4С.

При вивченні характеру взаємодії на межі поділу полімер – наповнювач методом ІЧ-спектроскопії встановлено, що для композиції, яка містить частинки МВК, в області частот 3200 ... 3600 см-1 спостерігається три смуги поглинання при 3400, 3480 і 3500 см-1, які характеризують міжмолекулярний водневий зв’язок наповнювача з полімерною матрицею. В композиціях, наповнених карбідом бору, смуга поглинання в області 3580 см-1 залишається без змін, що свідчить про відсутність міжмолекулярного водневого зв’язку на межі розподілу полімер – наповнювач.

У четвертому розділі досліджено теплофізичні та поглинаючі властивості полімеркомпозиційних захисних покриттів (рис.4).

Показано, що введення в епоксидну матрицю карбідооксидної кераміки і металовуглецевої композиції в кількості 120 ... 160 мас.ч. дозволяє на 20...50 % зменшити по відношенню до полімерної матриці

.

Рис. 4. Залежність КТЛР композитів від природи і кількості наповнювачів (дисперсність 40мкм):

1 – ТІС – AL2O3;

2 – МВК;

3 – В4С;

коефіцієнт теплового лінійного розширення і підвищити температуру скловання композицій на 15 ... 20К.

Встановлено, що термодеструкція композитів, наповнених B4C, МВК і TiC – Al2O3 складає відповідно 436, 483, 498К, що пов’язано з характером і величиною міжмолекулярних зв’язків полімерної матриці і частинок наповнювача та розвиненістю їх поверхні.

На основі результатів проведених досліджень встановлено, що при додатковому введенні в композицію дрібнодисперсних порошків оксидів хрому та алюмінію в кількості 30 ... 60 мас.ч. дозволяє підвищити теплостійкість композиту в середньому на 20К (Рис.5).

Вперше встановлено, що використання в якості основного наповнювача металовуглецевої композиції в кількості 40...60 мас.ч. дозволяє зменшити товщину захисного покриття в 2...3 рази в широкому діапазоні поглинання, зменшити масу покриття в 2,3 ... 3,4 рази, збільшити ширину діапазону частот, в якому втрати на відбиття становлять більше 10 дB у 3,8 рази в порівнянні з відомими вітчизняними і зарубіжними аналогами.

Рис.5. Залежність теплостійкості (за Мартенсом) композитів, які містять 80 мас. ч. основного наповнювача ТіС-Al2O3 /1,2/, МВК /3,4/, В4С /5-6/ від кількості додатково введених дрібнодисперсних наповнювачів Cr2O3 /1,3,5/ і Al2O3 /2,4,6/.

П’ятий розділ присвячений дослідженню фізико-механічних властивостей полімеркомпозитів, їх стійкості в умовах гідроабразивного зношування та корозійної стійкості, розробці складу та технології формування захисних покриттів.

При досліджені впливу наповнювачів, на фізико-механічні властивості композитів встановлено, що введення в полімерну матрицю металовуглецевої композиції (60 мас. ч. на 100 мас. ч. матриці) підвищує руйнівне напруження при розтягу на 10 ... 15%, ударної в’язкості на 12%, модуля пружності на 60%. Додаткове введення Cr2O3 зернистістю 10 мкм в кількості 40 мас. ч. сприяє підвищенню механічних властивості на 10 – 15%.

Показано що за рахунок комплексної обробки УЗ ( f = 22 кГц, А = 15-20мкм, = 2хв.) і ВЧЕМП (H = 100A/м, f = 40МГц, = 2хв) полімерної композиції наповненої МВК (60 мас. ч.) і Cr2O3 (40 мас. ч.) дозволяє підвищити міцність, модуль пружності та ударну в’язкість на 8,7 і 16% відповідно внаслідок кращого зшивання гетерогенних полімеркомпозиційних систем і покращення адгезійної міцності.

Додаткове введення в композицію, яка містить 60 мас. ч. МКВ, дрібнодисперсного Cr2O3 в кількості 40 мас. ч. дозволяє підвищити відносну зносостійкість на 42% і знизити інтенсивність зношування на 46% за рахунок рівномірного розподілу наповнювачів в об’ємі композиту (Рис. 6).

Рис 6. Залежність відносної зносостійкості (1) та інтенсивності зношування (2) композиту наповненого МВК (80 мас.ч.) від вмісту дрібнодисперсного Сr2O3 при куті атаки 45о.

Ефективність використання комплексної обробки композицій зовнішніми фізичними полями забезпечує взаємодію феромагнітного наповнювача МВК із стальною поверхнею, розміщенню частинок на границях доменів, що дозволяє активно захищати метали від міжкристалічної корозії.

При дослідженні впливу агресивних середовищ на корозійну стійкість зразків встановлено що витримка зразків при 293 К протягом 720 годин в технічній воді, нафті, бензині, ацетоні і мінеральних маслах відбувається часткове набухання зразків, про що свідчить збільшення маси зразків .У розчинах кислот і лугів відбувається часткове руйнування зразків (зменшення маси до 3%). Зменшення маси зразків Ст. 3 без покриття складає 28%.

Таблиця 1

Корозійна стійкість полімеркомпозитів при 293К після витримки 720 годин

Агресивне середовище | Зміна маси наповнених зразків, % | Полімернa матриця | МВК | КОК | B4C | Al2O3Cr2O3 Вода | 0,16 | 0,01 | 0,02 | 0,02 | 0,03 | 0,02 | Нафта | 0,29 | 0,01 | 0,02 | 0,02 | 0,03 | 0,02 | Бензин | 0,23 | 0,14 | 0,16 | 0,19 | 0,20 | 0,20 | Мінеральні масла | 0,21 | 0,12 | 0,19 | 0,18 | 0,21 | 0,19 | Ацетон | - 0,40 | - 0,25 | - 0,38 | - 0,39 | 0,29 | - 0,40 | HCl 10%

15%

30% | - 0,63

0,72

- 1,10 | - 0,19

- 0,27

- 0,34 | - 0,36

- 0,48

- 0,62 | - 0,41

- 0,97

- 1,23 | - 0,41

- 0,49

- 0,92 | - 0,50

- 0,65

- 0,92 | HNO3 7%

33% | - 1,05

- 1,92 |

- 0,62

-0,89 | - 1,71

- 2,90 | - 0,95

- 1,58 | - 0,78

- 1,54 | - 0,88

- 1,72 | NаOH 5%

10%

20% | - 0,45

- 0,60

- 1,17 |

- 0,24

- 0,32

- 0,80 |

- 0,39

- 0,52

- 0,87 | - 0,32

- 0,46

- 0,84 | - 0,35

- 0,45

- 0,92 | - 0,43

- 0,56

- 1,01 | H2SO410%

20%

50% | - 0,44

- 0,60

- 0,98 | - 0,18

- 0,38

- 0,68 | - 0,32

- 0,47

- 0,80 | - 0,88

- 1,16

- 1,85 | - 0,30

- 0,67

- 1,72 | - 0,39

- 0,55

- 0,81 |

В результаті промислових випробувань підтверджено високу зносо- і корозійну стійкість полімеркомпозиційних покриттів на основі епоксидного в’яжучого і дисперсних наповнювачів металовуглецевої композиції, карбідооксидної кераміки та оксиду хрому.

Таблиця 2

Порівняльні показники зносостійкості різних покриттів при куті атаки гідроабразивного потоку 60°

Показник

ПКП 92-04* |

КЕП** |

Сталь 35Л |

АК-7 |

ГЕС-1*** |

Відносна

зносостійкість |

1 |

0.72 |

0.65 |

0.42 |

0.27 | * – полімеркомпозиційне покриття складу 60 мас.ч. МВК і 40 мас.ч. Cr2O3;

** –композиційне електролітичне покриття на основі нікелю та карбіду титану;

*** – гумований ебонітовий склад.

Застосування захисних покриттів дозволяє збільшити міжремонтний період експлуатації обладнання в 2,5 ...3,0 рази, підвищити корозійну стійкість в 2,0 ... 2,5 рази, підвищити к.к.д. обладнання на 4%. Для нанесення захисних покриттів спроектовано виробничу дільницю, розроблено і передано замовнику технологічну документацію (ТІ 2574-005).

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Оптимізовано склад модифікованої полімерної матриці методом багатофакторного експерименту. Показано можливість направленого регулювання адгезійно-міцнісних властивостей при суміщенні епоксидної смоли ЕД-20 (100 мас.ч.) з епоксидною смолою ЕД-16 (40 мас.ч.) та модифікації їх аліфатичною смолою ДЕГ-1 (20 мас.ч.). Встановлено, що застосування ступінчатого режиму полімеризації згідно розробленої термограми дозволяє підвищити на 15...20 МПа адгезійну міцність в’яжучого та знизити внутрішні напруження на1.7 МПа.

2. Встановлено, що покращення адгезійних і експлуатаційних властивостей захисних покриттів на основі модифікованої епоксидної смоли залежить від магнітної сприйнятливості металовуглецевої композиції і карбідооксидної кераміки і пов’язано із синергізмом у системі полімерна матриця-наповнювач-основа.

3. Показано, що наповнення композиту феро- (МВК) і парамагнітними (КОК) сполуками дозволяє підвищити адгезійну міцність на 30% та знизити внутрішні напруження в 2,2 ...2,5 рази відносно полімерної матриці.

4. Вперше досліджено комплексний вплив зовнішніх фізичних полів при одночасній дії УЗ (f=22 КГц, А=15-20 мкм) і ВЧЕМП (Н=100А/м, f=40 МГц) протягом 2 хвилин, на процес структуроутворення, адгезійну міцність і внутрішні напруження. Встановлено, що підвищення адгезійної міцності на 10...20% та зниження внутрішніх напружень на 20...30% у покриттях наповнених пара- (карбідооксидна кераміка) і феромагнітними сполуками (металовуглецева композиція), пов’язано із зміною структури епоксидного в’яжучого, інтенсивним диспергуванням компонентів, формуванням однорідної структури по товщині композиту, швидким проходженням фізико-хімічних та релаксаційних процесів.

5. Вперше досліджено вплив металовуглецевої композиції запобіганню радіоперешкодам, які виникають внаслідок електромагнітного випромінювання телевізійних установок. Розроблено композиційний матеріал, використання якого дозволяє зменшити товщину покриття в 2...3 рази вагу в 2,3 рази, розширити діапазон поглинання в діапазоні частот від 3 до 9 ГГц при втратах на відбиття більше 10dB.

6. Розроблено методику підвищення фізико-механічних властивостей, теплостійкості, адгезійної міцності, зносо- і корозійної стійкості та зниження внутрішніх напружень, шляхом додаткового введення и полімерну матрицю дрібнодисперсних оксиду хрому та оксиду алюмінію в межах 40 і 60 мас.ч. відповідно.

7. На основі проведених досліджень розроблено нові зносо- і корозійностійкі покриття поглинаючої дії і технологію їх нанесення на устаткування в харчовій промисловості та рефлектори параболічних антен. Впровадження розроблених технологій дозволяє збільшити міжремонтний період експлуатації обладнання в 2,2 рази.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИСВІТЛЕНО У ПУБЛІКАЦІЯХ:

1. Кальба Е.Н ., Кондратюк В.Л. Голотенко С.Н. и др.// Улучшение эксплуатационных характеристик магистральных нефтеперекачивающих насосов. Нефтяное хозяйство.- 1991. С.36,37. Особистий вклад здобувача -проведення випробувань зносостійкості проточних частин нафтоперекачуючих насосів.

2. А.с. 1782998 СССР, МКИ С23С22/10 Кислый П.С., Кальба Е.Н., Голотенко С.Н. и др. (CCCP).-№ 4848129 Заявл. 02.04.90; Опубл. 23.12.92, Бюл. №47.-6с. Особистий вклад здобувача – аналіз кінетики окислення алюмінієвих сплавів.

3. А.с.1793605 СССР, ДСП МКИ В 05D1/38 Кислый П.С., Кальба Е.Н., Голотенко С.Н (CCCP). -№ 4799696; Заявл. 12.12.89; Опубл. 08.10.92.-10с. Особистий вклад здобувача – дослідження стійкості захисного покриття до гіроабразивного зношування. . 4. Кальба Є.М., Савчук П.П., Голотенко С.М. Дослідження антифрикційних властивостей гетерогенних полімерних систем з високим степенем наповнення // Фізика конденсованих високомолекулярних систем. Наукові записки Рівненського педінституту. Випуск 3. – Рівне: РДПІ, 1997. – С.85 – 87. Особистий вклад здобувача – аналіз результатів досліджень фазового складу полімерних систем.

5. Кальба Є.М., Голотенко С.М. Захисні покриття гетерогенної структури на основі полімерів і металовуглецевих композицій. Матеріали 4-ї Міжнародної конференції-виставки “ Проблеми корозії і протикорозійного захисту”. Корозія – 98. – Львів. – 1998. – С.275 – 278. Особистий вклад здобувача – отримання металовуглецевої композиції методом самопоширюючого високотемпературного синтезу.

6. Кальба Є.М., Савчук П.П., Голотенко С.М., Букетов А.В. Структурні зміни та трибохімічні процеси у високонаповнених композитах при терті // Фізика конденсованих високомолекулярних систем. Наукові записки Рівненського педінституту. Випуск 4. – Рівне: РДПІ, 1998. – С.90 – 92. Особистий вклад здобувача – дослідження структури високонаповнених покриттів.

7. Кальба Є.М., Букетов А.В., Голотенко С.М. Адгезійна міцність полімернаповнених захисних покриттів. // Фізико-хімічна механіка матеріалів. – 1999 - №1. – С.103 – 106. Особистий вклад здобувача – проведення випробувань захисних покриттів на адгезійну міцність.

8. Патент № 33108А. Україна, МКИ 6 C 09D 5/00. Полімеркомпозиційне корозійностійке покриття / Є.М.Кальба ., А.В.Букетов., С.М.Голотенко., П.П.Савчук., Р.М.Горбатюк., Б.М.Пастернак., В.Г.Сиротюк., В.С.Пинило (Україна); Заявл. 24.11.98; Опубл 15.02.2001. Бюл. №1.-5с. Особистий вклад здобувача – дослідження формування двошарового покриття в залежності від типу і магнітної природи наповнювача.

9. Кальба Є.М., Букетов А.В., Савчук П.П., Голотенко С.М.. Про механізм впливу магнітної природи наповнювачів на фізико-механічні властивості полімеркомпозиційного покриття. Наукові записки Луцького державного технічного університету. Випуск 8. – Луцьк: ЛДТУ. 2001. – С.161 – 166. Особистий вклад здобувача – дослідження впливу магнітної природи наповнювачів на внутрішні напруження в полімеркомпозиційних покриттях.

10. Кальба Є.М., Голотенко С.М. Дослідження реологічних властивостей полімеркомпозитних матеріалів на розробленому пристрої. Матеріали 1-ї Міжнародної науково-технічної конференції “Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин”. DSR AM – 1. Тернопіль. – 2004. – С.419 – 423. Особистий вклад здобувача – дослідження умовної в’язкості композицій в залежності від типу наповнювача.

11. Голотенко С.М Вплив комплексної дії різнодисперсних наповнювачів та зовнішніх силових полів на експлуатаційні характеристики епоксикомпозитів. // Вісник ТДТУ. Т.10. №2.- Тернопіль.- 2005.-С.35-40.

АНОТАЦІЯ

Голотенко С.М. Розробка нових матеріалів гетерогенної структури на основі епоксиполімерів та металовуглецевої композиції.-Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – матеріалознавство. Луцький державний технічний університет, Луцьк, 2005.

Оптимізовано склад полімерної матриці методом багатофокторного планування експерименту, вивчено вплив наповнювачів на адгезійні,реологічні, теплофізичні, фізико- механічні та поглинаючі властивості захисних полімеркопозиційних покриттів. Досліджено структурні зміни та характер формування покриття під час комплексної дії зовнішніх фізичних полів (ультразвукова і високочастотна електромагнітна обробка), для пояснення механізму структуроутворення, та захисних властивостей полімеркомпозиційних покриттів.

Отримано нові полімеркомпозиційні покриття, які знайшли промислове впровадження в харчовій та радіоелектронній промисловостях. Основні результати праці пройшли промислове випробування в СПзОВ ”Аграрій” м. Кременець.

Ключові слова: епоксидіанова композиція, полімеркомпозиційне покриття, наповнювач, адгезійна міцність, антифрикційні, зносо- та корозійні властивості.

АННОТАЦИЯ

Голотенко С.Н. Разработка новых материалов гетерогенной структуры на основе эпоксиполимеров и металлоуглеродной композиции. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01- материаловедение. Луцкий государственный технический университет, Луцк, 2005.

Оптимизировано состав полимерной матрицы методом многофакторного эксперимента. Обосновано возможность направленного регулирования адгезионно-прочностны свойств композитов за счет совмещения эпоксидных смол ЭД-20 и ЭД- 16 в количестве 100 и 40 масс.ч. соответственно, при модификации алифатической смолой ДЭГ-1 в количестве 20 масс.ч. В качестве отвердителя использовали полиэтиленполиамин ПЭПА. Установлено, что использование ступенчатого режима полимерзации при формировании согласно разработанной термограмы позволяет повысить адгезионную прочность на 15…20 Мпа и снизить величину внутренних напряжений.

Изучено влияние базовых наполнителей на адезионные, реологические, теплофизические, износостойкие свойства материалов, а также снижение внутренних напряжений.

Доказано, что улучшение адгезионных и эксплуатационных свойтв защитных покрытий на основе модифицированой эпоксидной смолы зависят от магнитной восприимчивости металлоуглеродной композиции и карбидооксидной керамики , и связано с синергизмом в системе полимерная матрица-наполнитель-подложка. Установлено, что введение в композит феро- и парамагнитных наполнителей повышает адгезионную прочность на 30% и снизить внутренние напряжения в 2…2,5 раза относительно полимерной матрицы.

Впервые исследовано комплексное влияние внешних физических полей при одновременном воздействии ультразвука ( f=22 KГц, А=15…20 мкм ) и высокочастотного электромагнитного поля (H=100 A/м, f=40 MГц) на процессы структурообразования, адгезионную прочность и внутренние напряжения. Установлено, что повышение адгезионной прочности на 20% и снижение внутренних напряжений на 30% в покрытиях наполненных металлоуглеродной композицией связано с изменением структуры эпоксидной матрицы, интенсивным диспергированием компонентов, формированием однородной структуры по толщине покрытия и композита, быстрым прохождением физико-химических и релаксационных процесов. Экспериментально доказано, что улучшение эксплуатационных характеристик защитных покрытий достигнуто за счет комплексного влияния внешних физических полей.

Впервые исследовано влияние металлоуглеродной композиции на поглощающие свойства защитного покрытия для параболических антенн. Разработан композиционный материал, использование которого позволяет уменьшить толщину покрытия в 2…3 раза, вес в 2,3 раза, расширить диапазон поглощения при потерях больше 10dB.

В результате проведенных исследований разработаны новые износо- и коррозионностойкие покрытия, их технологию нанесения на оборудование в пищевой и радиоэлектронной промышленности. Внедрение разработанных технологий позволяет увеличить межремонтный период эксплуатации оборудования в 2 раза, увеличить межремонтный период эксплуатации оборудования, повысить коэффициент полезного действия работы оборудования на 4-6 %.

Ключевые слова: эпоксидная композиция, полимеркомпозиционное покрытие, наполнитель, адгезионная прочность, антифрикционные, износостойкие и коррозионностойкие свойства.

ANNOTATION

Golotenko S.М. Development of new materials of heterogeneous structure on the basis of oxirane polymers and metallocarbonic composition. - Manuscript

Thesis for obtaining of scientific degree of a candidate of technical science for specialty 05.02.01 – materials science. Lutsk State Technical University, Lutsk, 2005

It was optimized a composition of polymeric matrix by the method of multiple-factor planning of the experiment, studied the influence of fillers on adhesive, rheological, thermalphysic, physical and mechannical and absorbent properties of protective polymeric composition coatings. It was studied structural changes and character of coating forming during complex operation of external physical fields (ultrasound and high-frequency electromagnetic processing), for explanation of the mechanism of structure formation, and protective properties of polymeric composition coatings.

It was received new polymeric composition coatings, which found industrial installation in food and radio electronic industries. The main results of work passed through industrial test at the Joint Venture with limited liability ”Аhrariy”, town of Kremenets, Design Office “Promin-Anteny”.

Key words: epoxide composition, polymeric composition coating, filler, adhesive strength, antifriction, wear – and corrosive properties.