Оптимизация режимов механоактивации сухосмешанных порошков СВМПЭ и наномодификаторов в планетарно-шаровой мельнице Pulverisette 7

В настоящее время в различных областях техники бронза, чугун и другие металлы антифрикционного назначения заменяются полимерными композитами, обеспечивающими существенно больший ресурс трибосо-пряжений1 [1]. Актуальность задачи повышения их ресурса обусловлена тем, что выход из строя даже одного из многочисленных узлов трения вызывает остановку машины и, как следствие, технологической системы, что приводит к значительным экономическим потерям.

«Перспективным антифрикционным полимером является сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Он обладает высокой ударной вязкостью, влаго- и маслостойкостью, низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью. К недостаткам следует отнести хладотекучесть и относительно невысокие значения упруго-прочностных характеристик, что ограничивает его применение в высоконагруженных узлах трибосопряжений» [1].

«Одним из резервов повышения качества полимерных материалов является применение нанотехнологических подходов» [2]. Применительно к проблеме упрочнения СВМПЭ приоритетным направлением является его модификация нанодисперсными частицами, которые по размеру значительно меньше частиц полимера. В связи с трудоемкостью равномерного диспергирования наноразмерных порошков в высоковязком полимерном объеме из-за сильной тенденции к агрегации смешение их с порошком СВМПЭ проводят, как правило, в планетарно-шаровых мельницах [2–4].

Основной задачей проводимых в настоящее время многочисленных исследований является подбор наиболее эффективных модификаторов, их оптимального содержания в нанокомпозитах СВМПЭ, а также оптимальных режимов совместной обработки СВМПЭ и наномодификаторов в планетарно-шаровых мельницах.

Целью настоящей работы является определение оптимальных удельных энергозатрат на механоактивацию сухосмешанных порошков СВМПЭ и наномодификаторов в планетарно-шаровой мельнице Pulverisette 7, обеспечивающих достижение лучшего комплекса физико-механических и реологических характеристик нанокомпозитов СВМПЭ.

Обзор литературы

Проведены детальные исследования структуры исходного и механоак-тивированного в планетарной шаровой мельнице MP/0,5×4 порошка СВМПЭ (фирма Ticona, молекулярная масса 2-7 млн г/моль) с использованием электронного микроскопа, рентгеновского дифрактометра XRD-6000 и ИК-спек-трометра [4]. Установлено, что «механоактивация приводит к изменению формы и увеличению эффективной поверхности частиц связующего, разрыву и последующей сшивке углеводородных цепей С-О группами; имеет место уменьшение размера кристаллитов и, соответственно, изменение характера укладки углеводородных цепей в полимере (от частично фибриллярного к ламеллярному); наблюдается измельчение и более плотная упаковка структурных элементов полимера, что способствует повышению его триботехнических и деформационно-прочностных харак-

Vol. 30, no. 4. 2020 теристик (износостойкость, плотность, модуль упругости, предел текучести, твердость), в частности, росту износостойкости в 4 раза; оптимальное время активации исходных порошков СВМПЭ составляет 20 мин (при более длительной активации перечисленные характеристики не улучшаются)» [4].

Изучены изменения СВМПЭ, происходящие в результате обработки в ат-триторной мельнице в течение 8 часов при варьировании скорости вращения в диапазоне 200-600 об/мин [5]. Установлено, что при увеличении скорости вращения происходит морфологическое изменение структуры СВМПЭ.

Исследовано механическое измельчение порошка СВМПЭ в различных планетарно-шаровых мельницах [6]. Обработка выполнялась в мельнице SPEX CertiPrep в течение 1,4, 8 и 16 часов; в мельнице Pulverisette 6 - при скорости вращения 400 об/мин в течение 1, 2, 4, 8, 16 и 24 часов; в аттриторной мельнице 01-HD (Union Process) – при скорости вращения 500 об/мин в течение 5, 8, 10 и 15 часов. Установлено, что интенсивность структурных изменений в СВМПЭ зависит от интенсивности напряжений сдвига и длительности обработки. Более значимые фазовые превращения достигнуты в аттриторной мельнице.

Изучено влияние многостенных углеродных нанотрубок «Таунит» (МУНТ) в концентрации 2 % на структуру нанокомпозитов СВМПЭ [7]. Изготовление образцов осуществлялось совместной обработкой порошков СВМПЭ и МУНТ в мельнице АПФ-3 с последующим их термопрессованием. Использован следующий режим работы: частота вращения 400 об/мин, время обработки 3 мин, пауза 3 мин. Установлено, что такая обработка распределяет МУНТ только по поверхности частиц полимера и распределение не является однородным из-за агломерации наночастиц.

Для сравнительной оценки вклада углеродных нановолокон (УНВ) и углеродных нанотрубок УНТ исследованы механические и триботехнические характеристики нанокомпозитов СВМПЭ и полиэфирэфиркетона (ПЭЭК). «Перемешивание порошков СВМПЭ, ПЭЭК и наполнителей в концентрациях 1 масс. % проводилось в мельнице МР/0,5х4 с предварительным диспергированием взвеси компонентов в этиловом спирте в ультразвуковой ванне. Установлено, что износостойкость композитов возрастает в 2 раза при сухом трении скольжения» [8].

В другом исследовании МУНТ в концентрациях 0,3, 0,5, 0,7 и 1,0 масс. % встраивали в матрицу СВМПЭ обработкой в высокоэнергетической мельнице Fritsch Mini Mill II в течение 5 мин с частотой вращения 250 об/мин [9]. Данный цикл повторялся по 25 раз для каждого состава. Установлено, что при концентрации МУНТ 1 % имеет место рост модуля упругости, предела текучести композита при снижении относительного удлинения и предела прочности при растяжении.

Исследовано влияние порошка SiO₂ с размером частиц 5 мкм на механические свойства и износостойкость композитов СВМПЭ при сухом трении скольжения [10]. Установлено, что максимальные значения износостойкости и физико-механических характеристик достигаются в диапазоне концентраций 0,5 - 1 масс. %. При больших значениях влияние на механические свойства и износостойкость снижалось.

В исследованиях С. В. Панина и коллег совмещение СВМПЭ и наночастиц в мельнице МР/0,5х4 «проводилось с предварительным диспергированием в ультразвуковой ванне взвеси компонентов в этиловом спирте» [11; 12]. Установлено, что твердосмазочные микро- и нанокомпозиты имеют более высокую износостойкость, чем исходный СВМПЭ, что обусловлено

ETS)

формированием микронаполнителями (дисульфид молибдена, графит, стеарат кальция, политетрафторэтилен) и нанонаполнителями (УНТ, SiO2, AlO(OH)) пленки переноса на контртеле.

Установлено, что «зависимость коэффициентов трения и износа композита на основе СВМПЭ, наполненного TiO2, имеет вид кривой с минимумом при содержании модификатора 3 масс. %» [13]. При указанной величине наполнения достигается восьми-девяти-кратное снижение износа и коэффициента трения. Введение модификатора в СВМПЭ осуществлялось в реакционной плазмохимической камере дугового разряда низкого давления в рамках единого технологического процесса.

Исследованы трибологические свойства полученных методом полимеризации in situ нанокомпозитов СВМПЭ с монтмориллонитом, нанопластинами графита, дисульфидом молибдена и шунгитом [14]. Установлено, что при концентрациях 0,4 ‒ 7 масс. % модификаторы повышают в 2 ‒ 3 раза износостойкость при трении скольжения по стали.

В другой работе процесс смешения МУНТ с СВМПЭ проводился в мельнице АПФ-3 в течение 45 мин при скорости вращения 450 об/мин [15]. Для изготовления смеси использованы чистые и фторированные МУНТ в концентрации 0,1, 0,5 и 1 масс. %. Итоговым результатом явилось увеличение прочности СВМПЭ при растяжении с 21 до 132 МПа, причем преобладающим фактором упрочнения явилась ориентация полимерных цепей при заметном влиянии фторированных МУНТ.

Представлено покрытие из СВМПЭ, усиленное глиноземом с содержанием 0,5, 3, 5 и 10 масс. % [16]. Установлено, что покрытия, содержащие 3 ‒ 5 масс. % глинозема, имеют значительно более высокую износостойкость по отношению к покрытию из СВМПЭ. Изготовление композита проводилось сочетанием ультразвукового воздей-

Том 30, № 4. 2020

ствия и перемешивания в магнитной мешалке.

Описана композиция СВМПЭ и наноразмерного углеродного порошка UM-76, полученная диспергированием в течение 1 ч в турбулентном смесителе-диспергаторе со скоростью 20 000 об/мин в горячем жидком стекле с добавкой поверхностно-активного вещества [17]. Установлено снижение механических свойств композита при повышении содержания углеродного наполнителя сверх оптимального значения.

Для улучшения свойств СВМПЭ группой ученых использован оксид графена (ГО) с последующим упрочнением композита обработкой гамма-лучами [18]. Образцы композитов с различной дозировкой ГО (0,1, 0,5 и 1,0 масс. %) получены смешением ГО в спиртовом растворе в течение 3 минут с ультразвуковой обработкой. Затем суспензия смешивалась с порошком СВМПЭ при обработке ультразвуком в течение 1 часа. После удаления спирта полученные продукты измельчали в мельнице с последующим термопрессованием образцов. Установлено улучшение механических свойств нанокомпозитов.

В другой работе порошок СВМПЭ совмещался с различным количеством УНТ в шаровой мельнице в течение 2 часов при частоте вращения барабана 200 об/мин, после чего порошки подвергали горячему прессованию [19]. Установлено, что УНТ в количестве до 1,5 масс. % улучшает трибологические свойства. При росте концентрации происходило ухудшение данных свойств.

Cравнение эффективности мельниц АГО-2 и Активатор-2SL при активации порошка титана марки ПТОМ-2 показало, что «введение сопоставимых значений энергии в порошок титана разными мельницами приводит к схожим результатам по качеству объемного распределения частиц» [20].

Ю. А. Веригиным и соавторами разработана математическая модель и определены условия оптимизации процесса помола микрочастиц в шаровых мельницах. Установлено, что «предлагаемая математическая модель позволяет управлять процессом измельчения различных материалов и переносить результаты на шаровые мельницы любых конструкций» [21].

В результате энергетического анализа механоактивации порошковых смесей в мельнице АГО-3 сформулированы следующие важные предположения: «максимальная энергонапряженность мелющих тел на холостом ходу достигается в интервале 30–45 % объемного заполнения; большая часть механической энергии двигателя передается водилу и планетарным реакторам от 65 до 70 %, но наблюдается степенной рост (n~2) передаваемой энергии при увеличении частоты вращения; удельная энергонапряженность мельницы растет пропорционально кубической степени свободного объема реактора» [22].

Изложены представления о поведении мелющих тел в планетарной шаровой мельнице Pulverisette 7 [23]. Авторы работы отмечают, что разработанная математическая модель, описывающая энергетические характеристики мельницы, является ориентировочной, однако может быть успешно использована при проведении экспериментальных работ, позволяя оценивать величину подводимой к обрабатываемому материалу энергии.

Различными физическими методами исследованы продукты механоактивации порошковой смеси СВМПЭ и карбида бора, которая провела в мельнице с энергонапряженностью 1,1 Вт/г от 5 до 25 мин [24]. Показано, что в этих условиях при отсутствии окислительной деструкции полимера формируются полимерные частицы чешуйчатой формы размером 100‒160 мкм с хаотичным распределением в них наночастиц размером 1–5 мкм. Авторы отмечают, что основными возможными результатами взаимодействия порошков СВМПЭ и наполнителя являются процессы сшивки при некотором вероятном уменьшении молекулярной массы полимера.

Таким образом, из рассмотренных работ следует, что при создании нанокомпозитов СВМПЭ наиболее часто для совмещения порошков СВМПЭ и наномодификаторов (УНТ, МУНТ, SiO₂, TiO₂ и др.) используют их совместную обработку (механоактивацию) в планетарно-шаровых мельницах. В большинстве работ отмечено позитивное влияние наномодификаторов в диапазоне концентраций 0,1 ‒ 1 масс. %. на упруго-прочностные и трибологические характеристики нанокомпозитов. В ряде работ отмечается значительный разброс экспериментальных значений упруго-прочностных и трибологических харктеристик. Причинами являются некачественное распределение и диспергирование наночастиц в объеме полимера из-за их склонности к агломерации. При этом практически отсутствуют публикации, посвященные исследованию влияния механоактивации на реологические свойства полученных нанокомпозитов СВМПЭ.

В качестве технологических параметров, характеризующих интенсивность обработки, принимают частоту вращения барабанов, длительность обработки и температуру механоактивации. Очевидно, что в зависимости от конструкции мельницы при одних и тех же параметрах может достигаться различная интенсивность обработки порошков и, следовательно, различный уровень эксплуатационных и технологических характеристик нанокомпозитов СВМПЭ.

Объективной характеристикой энергонапряженности процесса, однозначно определяющей достигнутый уровень значений физико-механических, реологических и трибологических ха- рактеристик нанокомпозитов, может служить показатель удельных энергозатрат на механоактивацию порошков СВМПЭ и наномодификаторов в планетарно-шаровых мельницах.

Материалы и методы

В настоящем исследовании использованы СВМПЭ марки ГУР 4120 Ticona с молекулярной массой 5 млн г/моль и размером частиц 120-150 мкм, концентрат Tuball Matrix Beta активированных углеродных нанотрубок (УНТ) и гидрофобный нанокристаллический диоксид кремния (SiO2) дисперсностью 20 нм. Концентрации наночастиц, вводимых в СВМПЭ, были приняты в соответствии с работами ряда ученых и составили 0,1 %2 [25].

Механоактивация СВМПЭ и сухосмешанных порошков СВМПЭ и модификаторов проводилась в планетарной мельнице Pulverisette 7 (Premium Line), снабженной системой дистанционного (компьютерного) мониторинга давления газов и температуры в размольных стаканах.

Был принят следующий режим работы, исключающий перегрев полимера: «обработка порошка с реверсированием вращения карусели и стаканов, частота вращения водила 1 000 об/мин, время обработки 15 мин, время покоя 15 мин, количество циклов 1-7. Масса загружаемых в каждый контейнер стальных шаров диаметром 3 мм составляла 150 г, порошков СВМПЭ и модификаторов – 20 г» [26].

Исходя из уравнений, полученных ранее, и принятого режима работы, выведена следующая формула для расчета удельной энергии (ДЖ/г) механоактивации смеси порошков СВМПЭ и модификаторов в мельнице [23]:

U уд 7,215 10 ¹⁰ f ³ t , (1)

Том 30, № 4. 2020

где f - частота вращения водила и контейнеров мельницы, об/мин; t – полная длительность механоактивации смеси порошков без учета времени покоя, с.

Энергонапряженность процесса ( W у _д = U у _д / t ) составляла 0,72 Вт/г, что согласуется с результатами предыдущих исследований [24]. Максимальная температура порошков в мельнице в течение времени обработки не превышала 90 °С, величина давления соответствовала атмосферному.

Из полученных порошков для каждого состава и режима механоактивации, в соответствии с ранее разработанной методикой, способом термопрессования получались пластины, из которых штанцами вырубали по 5 лопаток (тип 1) для испытаний по ГОСТу 11262-2017 и дисков диаметром 20 мм для динамических испытаний на реометре HAAKE MARS III3 [26; 27].

«Физико-механические испытания проведены на разрывной машине UAI-7000 М при температуре 23 ± 2 °С и скорости растяжения 10 мм/мин. Истинные значения напряжений (МПа) вычисляли по формуле:

а = IF /( l о A ₀) , (1) где 1 и 1 0 = 25 - значения текущей и рабочей длин образца, мм; А ₀ – начальная площадь сечения, мм²; F- текущее значение усилия растяжения, Н.

Деформация растяжения вычислялась в мере Генки по формуле:

г H= ln( l / 1 о ) . (2)

Значения начального Ен и конечного Ек модулей упругости (МПа) определяли как тангенсы угла наклона касательных соответственно к начальному и конечному прямолинейным участкам кривых о = f(sН). Значения пределов вынужденной эластичности и предела прочности принимали равными соответственно условному пределу текучести (ГОСТ 11262-2017) и максимальному значению достигнутого напряжения» [26].

Динамические испытания проведены при амплитуде колебаний рифленого ротора 0,001 рад, угловых скоростях 0 ‒ 800 с^–1 и температурах 150 ‒ 180 °С. Использование принципа температурно-временной суперпозиции позволило расширить диапазон скоростей до четырех десятичных порядков.

Результаты исследования

На рисунке 1 представлен типичный вид кривых растяжения стандартных образцов, сформованных из СВМПЭ и нанокомпозитов СВМПЭ при величине удельных энергозатрат на механоактивацию 3 200 Дж/г.

Из графиков видно, что наличие модификатора значительно повышает пределы прочности (рис. 1a) и текучести (рис. 1b) механоактивированного СВМПЭ из-за образования «поперечно сшитых структур» [24].

На рисунке 2 представлены полученные зависимости физико-механических характеристик образцов пластин СВМПЭ и нанокомпозита СВМПЭ + + 0,1 % УНТ от удельных энергозатрат на механоактивацию порошков.

Как следует из графиков, механоактивация порошка СВМПЭ приводит с ростом удельных энергозатрат от 650 до 4 550 Дж/г к незначительному (в пределах 3-5 %) снижению прочности и конечного модуля упругости полимера, что согласуется с результатами другой работы [4].

В отличие от СВМПЭ весь комплекс упруго-прочностных характеристик образцов нанокомпозита СВМПЭ + + 0,1 % УНТ заметным образом зависит от величины удельных энергозатрат на совместную обработку сухосмешанных порошков в планетарно-шаровой мельнице.

При малых (600 - 2 000 Дж/г) значениях энергозатрат упруго-прочностные характеристики СВМПЭ заметно превосходят характеристики нанокомпозита, что можно объяснить неудовлетворительным качеством дисперги-

b)

Р и с. 1. Типичные кривые растяжения образцов СВМПЭ и нанокомпозитов на его основе (a) и их поведение в области предела текучести (b): 1 - СВМПЭ + SiO2; 2 - СВМПЭ + УНТ;

3 – СВМПЭ с механоактивацией (3 200 Дж/г); 4 – СВМПЭ без механоактивации

F i g. 1. Typical stretching curves of samples of UHMWPE and nanocomposites based on it (a) and their behavior in the yield point region (b): 1 - UHMWPE + SiO 2 ; 2 - UHMWPE + CNT;

3 – UHMWPE with mechanical activation (3,200 J/g); 4 – UHMWPE without mechanical activation

: сгр. МПа / 2 <7р, МРа		а;. МПа /: ст,, МРа :
= 1 .		*____ 2   -
		2   - 1                :
	От	^ Дж/гЛ E^J/g :

a)

1 600    3 200    4 800

о

О

Р и с. 2. Зависимость пределов прочности а_ри текучести а_т(а), конечного Е к модуля упругости (b) пластин СВМПЭ (1) и нанокомпозита СВМПЭ + 0,1 % УНТ (2) от удельных энергозатрат на механоактивацию сухосмешанных порошков

F i g. 2. Dependence of tensile strength σP and yield strength σT(а), final Eк elastic module (b) of UHMWPE plates (1) and UHMWPE + 0.1 % CNT nanocomposite (2) on specific energy consumption for mechanical activation of dry mixed powders рования УНТ в объеме СВМПЭ. Согласно структурным исследованиям, проведенным Т. А. Охлопковой, в композите в этом случае «присутствуют дефектные области с агломерированными наночастицами наполнителя, которые при приложении внешней нагрузки выступают в качестве концентраторов напряжения, снижающих механические свойства полимерного композиционного материала»4. При увеличении удельных энергозатрат до 3 000‒3 200 Дж/г значения всего комплекса упруго-прочностных характеристик достигают максимума, что связано с «формированием в объеме композита устойчивой пространственной сетки физических связей адсорбционного типа c образованием в периферии наночастицы граничного слоя с повышенной степенью упорядоченности в результате действия ее силового поля»5.

При дальнейшем увеличении энергозатрат имеет место заметное снижение упруго-прочностных характеристик сформованных образцов нанокомпозитов, обусловленное «агломерацией по- рошков, вызванной высокой эффективной поверхностью частиц» [7].

Из полученных результатов следует, что оптимальные удельные энергозатраты на механоактивацию порошков СВМПЭ и наномодификаторов в планетарной мельнице составляют 3 000 - 3 200 Дж/г. Усредненные значения физико-механических характеристик исследованных нанокомпозитов и результаты их статобработки представлены в таблице.

Из таблицы следует, что большее влияние на упруго-прочностные характеристики СВМПЭ оказывает на-нокристаллический диоксид кремния SiO₂ (состав 1). Его ввод в сверхмалой концентрации 0,1 % обеспечивает повышение предела прочности СВМПЭ на 27,5 %, конечного Е _к и начального Е _н модулей упругости соответственно на 22,8 % и 6 %, предела текучести на 4,5 %.

Наличие в СВМПЭ активированных углеродных нанотрубок в концентрации 0,1 % обеспечивает рост предела прочности на 15,6 %, предела текуче-

Т а б л и ц а T a b l e

Физико-механические характеристики нанокомпозитов СВМПЭ при оптимальной энергии механоактивации

Physico-mechanical characteristics of UHMWPE nanocomposites with optimal mechanical activation energy

Составы согласно рисунку 1 / Compositions according to Figure 1 σр, МПа / σрр, MPa σт, МПа / σт, MPa Ен, МПа / Ен, MPa Ек, МПа / Ек, MPa εH, отн. ед / εH, relative to unit 1 301,7 ± 2,2 22,8 ± 0,8 766,2 ± 28,9 810,5 ± 42,8 1,76 ± 0,01 2 274,3 ± 22,5 23,4 ± 0,9 755,7 ± 47,5 715,7 ± 39,3 1,76 ± 0,03 3 228,4 ± 26,8 21,0 ± 1,4 718,9 ± 61,7 641,9 ± 87,5 1,66 ± 0,03 4 236,7 ± 37,6 21,8 ± 1,8 723,1 ± 32,5 659,8 ± 96,3 1,64 ± 0,06 сти на 7,3 %, конечного и начального модулей упругости на 8,5 % и 4,5 %.

Кроме этого, установлено, что «в условиях трения со смазкой введение УНТ обеспечивает снижение коэффициента трения СВМПЭ на 6 %, а интенсивности изнашивания на 33 %» [26].

На рисунке 3 представлены частотные зависимости комплексной вязкости η * расплавов нанокомпозитов для трех составов при оптимальном значении энергозатрат на механоактивацию. Результаты в диапазоне четырех порядков изменения угловой скорости ротора реометра описываются с коэффициентом корреляции не ниже 0,99 степенной зависимостью Оствальда – де Ваале:

^ - k a n ^ч, (5)

где k – коэффициент консистенции, Па ⋅ cⁿ ; n – индекс течения.

Ярко выраженное неньютоновское поведение можно объяснить очень высокой молекулярной массой СВМПЭ, макромолекулы которого требуют дли- тельного времени релаксации из-за большого количества переплетений.

Из графиков следует, что ввод УНТ в полимер приводит к заметному росту комплексной вязкости расплава СВМПЭ из-за высокой структурности данного модификатора. Лучшие реологические свойства достигаются при вводе в СВМПЭ двуокиси кремния SiO2.

На рисунке 4 представлена зависимость параметров реологической модели Оствальда - де Ваале от удельных энергозатрат на механоактивацию в шаровой мельнице порошков СВМПЭ (1) и СВМПЭ + 0,1 % УНТ (2).

Из графиков видно, что механоактивация порошка СВМПЭ практически не оказывает влияния на указанные реологические параметры в исследованном диапазоне удельных энергозатрат 0–4 550 Дж/г.

Как известно, вязкость расплава полимера зависит от размера и числа сегментов, входящих в макромолекулярные цепи6. Механоактивация СВМПЭ в исследованном диапазоне удельных

Р и с. 3. Зависимость комплексной вязкости расплавов нанокомпозитов от угловой скорости ротора при температуре 180 °С: 1 - механоактивированный СВМПЭ;

2 – нанокомпозит СВМПЭ + 0,1 % УНТ; 3 – нанокомпозит СВМПЭ + 0,1 % SiO2

F i g. 3. Dependence of the complex viscosity of nanocomposites melts on the angular velocity of the rotor at a temperature of 180 °C: 1 - mechanically activated UHMWPE;

2 – nanocomposite UHMWPE + 0.1% CNT; 3 – nanocomposite UHMWPE + 0.1% SiO2

энергозатрат видимо не изменяет размеры сегментов, имеющих длину порядка нескольких десятков или сотен мономерных единиц.

В отличие от этого коэффициент к нанокомпозита свмпэ + 0,1 % Унт в диапазоне энергозатрат 650–3 200 Дж/г снижается на 26 %, а индекс течения

Р и с. 4. Зависимость параметров реологической модели Оствальда при температуре 180 °С от удельных энергозатрат на механоактивацию порошков СВМПЭ (1) и СВМПЭ + 0,1 % УНТ (2)

F i g. 4. Dependence of the parameters of the Ostwald rheological model at a temperature of 180 °C on the specific energy costs for the mechanical activation of UHMWPE (1) and UHMWPE powders + 0.1% CNTs (2)

n возрастает на 23 %. В целом это обуславливает снижение комплексной вязкости для изученного диапазона угловых скоростей на 1,5–36 %.

Близкие результаты получены в работе, в которой при температуре 210 °C изучено реологическое поведение СВМПЭ, модифицированного 1 масс. % УНТ [28]. Установлено, что добавление активированных и не активированных ультразвуком УНТ приводит к росту значений комплексной вязкости в диапазоне угловых скоростей 10–2–102 c–1. Необработанные УНТ оказывают более заметное влияние на комплексную вязкость нанокомпозита, вызывая значительное увеличение ее значений по сравнению с чистым полимером. При этом эффект от нанонаполнителей постепенно уменьшается с увеличением времени обработки УНТ ультразвуком, что обусловлено «деградацией структур УНТ и невозможностью формирования перколяционной сети» [28].

Обсуждение и заключение

Из вышеприведенных результатов следует, что использование для модификации СВМПЭ углеродных нанотрубок в составе концентрата Tuball Matrix Beta и гидрофобного нанокристаллического диоксида кремния (SiO2) дисперсностью 20 нм в оптимальных концентрациях 0,1 % позволяет значимо улучшить физико-механические (эксплуатационные) характеристики СВМПЭ без ухудшения его реологических (технологических) свойств.

Установлено, что лучший комплекс эксплуатационных свойств нанокомпозитов достигается при совместной обработке (механоактивации) сухосмешанных порошков СВМПЭ и наномодификаторов в планетарно-шаровой мельнице в диапазоне удельных энергозатрат 3 000‒3 200 Дж/г. При этом механоактивация порошка СВМПЭ приводит с ростом удельных энергозатрат в диапазоне 650–4 550 Дж/г к незначительному (в пределах 3–5 %) снижению значений прочности начального и конечного модулей упругости полимера, что согласуется с результатами известных работ.

Исходя из полученных значений пределов текучести (22,8 МПа) и прочности (301,7 МПа) нанокомпозита СВМПЭ + 0,1 % SiO2, можно заключить, что уровень рабочих напряжений для антифрикционных деталей, полученных твердофазным формованием нанокомпозитов СВМПЭ, может быть увеличен в несколько раз.

Динамическими испытаниями установлено, что механоактивация порошка СВМПЭ в диапазоне удельных энергозатрат 0–4 550 Дж/г не изменяет значений параметров (коэффициента консистенции k и индекса течения n ) степенной зависимости Оствальда – де Ваале. В отличие от этого коэффициент консистенции нанокомпозита СВМПЭ + 0,1 % УНТ в диапазоне энергозатрат 650–4 550 Дж/г снижается на 26 %, а индекс течения n возрастает на 23 %, что обуславливает снижение комплексной вязкости расплава для изученного диапазона угловых скоростей 10^–1–10³ с^–1 на 1,5–36 %.

Прикладная технико-экономическая значимость полученных результатов заключается в том, что они открывают перспективы использования исследованных нанокомпозитов для изготовления методом твердофазного формования высокоресурсных антифрикционных деталей сельскохозяйственной техники: подшипников скольжения, направляющих, комбинированных уплотнений, грязесъемных колец гидроцилиндров и других деталей аналогичного назначения.

net/amr.1040.148 // Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 1040. – Pp. 148–154. – URL: https:// www.scientific.net/AMR.1040.148 (дата обращения: 21.10.2020).

Поступила 05.05.2020; принята к публикации 10.07.2020; опубликована онлайн 30.12.2020

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.