Режимы технологических операций твердофазного синтеза полимерных композиционных материалов (ПКМ) определяют формирующуюся надмолекулярную структуру и ее параметры, что, в конечном счете,  обуславливает свойства материала. Известно, что наибольшее влияние на процессы структурообразования оказывают режимы спекания материала [1-3].

Помимо стандартного режима свободного спекания [1] для изготовления материалов на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) в последнее время активно применяется спекание в условиях ограничения теплового расширения материала [4, 5]. Для этого используются специально разработанные  приспособления – зажимы, создающие одноосное давление сжатия в направлении предварительного прессования заготовки.

Целью данной работы является сравнительный анализ структуры образцов ПКМ на основе ПТФЭ, изготовленных по технологии свободного спекания и спекания в зажимах. Влияние данных режимов спекания для ПТФЭ, наполненного скрытокристаллическим графитом (СКГ), хорошо изучено [4, 6, 7]. СКГ – углеродный наполнитель, эффективность введения которого в ПТФЭ с целью улучшения его свойств подтверждена результатами многих исследований [2, 4-7]. Не менее эффективным наполнителем является углеродное волокно (УВ), влияние которого также исследовалось разными авторами [3, 8, 9]. Представляет интерес изучение структурных изменений в полимерной матрице при совместном использовании данных наполнителей.

Морфологию надмолекулярной структуры матрицы в синтезированных материалах изучали стандартным методом электронной микроскопии. Некоторые микрофотографии холодных сколов изученных образцов ПКМ представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Сравнение микрофотографий скола образца ПТФЭ, наполненного УВ и СКГ: Рис. 1.1, 1.3 – образец состава 10 масс. % УВ+90 масс. % ПТФЭ; Рис. 1.2, 1.4 – образец состава 20 масс. % СКГ+80 масс. % ПТФЭ

Установлено, что при введении в полимер как СКГ, так и УВ исходная ленточная структура матрицы подвергается измельчению за счет ее разбиения наполнителем, внедряющимся в матрицу (рис. 1.1, 1.2). При этом наблюдается значительная неоднородность элементов структуры, уменьшающаяся при увеличении концентрации наполнителя. Для материалов, содержащих СКГ, выявлено образование высоко дефектных сферолитоподобных структур неправильной формы с центрами кристаллизации на фрагментах поверхности частиц графита (рис. 1.2, 1.4). Образование такой структуры связано с торможением размораживания сегментальной подвижности макроцепей молекул формирующегося межфазного слоя матрицы при синтезе материала за счет адгезионного взаимодействия на границе с наполнителем [10]. На представленных на рисунке 1 микрофотографиях визуально отмечается хорошее адгезионное взаимодействие частиц СКГ с матрицей (рис. 1.4) и практическое отсутствие  такового для УВ (рис. 1.1, 1.3). При достаточном уровне адгезионного взаимодействия при спекании материала реализуются условия для проявления структурной активности наполнителя, и формируется структура с большей степенью упорядочения [10].

Совместное использование СКГ и УВ для модификации структуры полимера при свободном спекании образцов приводит к образованию структуры, схожей с образуемой при введении того же количества УВ (рис. 2.1, 2.3).

Большое количество следов от волокон на поверхности скола (рис. 2.1) свидетельствует о разрушении материала по границам с наполнителем, что подтверждает слабое адгезионное взаимодействие модификатора с матрицей. Это проявляется и в  практически свободной от полимера поверхности большинства волокон (рис. 2.1), и в существенных зазорах между волокнами и   матрицей (рис. 2.1, 2.3).

С целью усиления адгезионного взаимодействия наполнителей и полимера был применен технологический прием спекания материала в специализированных приспособлениях-зажимах, позволяющих ограничить тепловое расширение спекаемого композита в направлении прессования [5]. Результаты исследования, частично представленные на рис. 2.2 и 2.4, демонстрируют эффективность использованного технологического приема. На поверхности скола образца присутствуют как частицы СКГ, так и волокна второго наполнителя, покрытые полимером. Это соответствует разрушению материала как в объеме матрицы, так и по межфазным границам и подтверждает повышение адгезионного взаимодействия компонентов. Образующаяся структура визуально менее рыхлая и пористая, с более высокой размерной однородностью элементов структуры. На микрофотографиях появляются как частицы СКГ, так и УВ, отделенные от матрицы межфазными границами с образованием в матрице сильно дефектных структурированных элементов (предположительно кристаллических), более мелких, чем при использовании СКГ в качестве мономодификатора. Очевидно, при комплексном наполнении матрицы спекание в зажимах повышает адгезионное взаимодействие модификаторов и матрицы, тем самым создавая условия для проявления их структурной и кинетической активности.

Таким образом, в результате электронно-микроскопического анализа выявлены основные закономерности формирования надмолекулярной структуры ПТФЭ при введении в него дисперсного и волокнистого углеродного мономодификаторов, а также при их совместном использовании.

1. Пугачев А.К., Росляков О.А. Переработка фторопластов в изделия. Технология и оборудование. – Л.: Химия, 1987. – 168 с.
2. Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторполимеров. – М.: Наука, 1981. – 146 с.
3. Машков Ю.К. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная модификация. / Ю.К. Машков, З.Н. Овчар, В.И. Суриков и др.. -  М.: Машиностроение, 2005. – 240 с.
4. Mashkov Yu.K. The formation of structure and properties of antifriction composites via modification of polytetrafluoroethylene with polydispersive fillers / Yu.K. Mashkov, O.V.Kropotin, V.A. Egorova, O.V. Chemisenko, S.V. Shil’ko // Inorganic Materials: Applied Research. 2015. Т. 6. № 4. С. 289-292.
5. Машков Ю.К., Кропотин О.В. Егорова В.А. Способ изготовления изделий из полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена и устройство для изготовления изделий – патент на изобретение RUS 2546161 29.05.2013
6. Машков Ю.К. Механические свойства ПТФЭ-нанокомпозитов для уплотнительных элементов динамических герметизирующих устройств транспортных систем / Ю.К. Машков, В.А. Егорова, О.В. Чемисенко, О.В. Малий // Динамика систем, механизмов и машин. 2016. Т. 3. № 1. С. 260-263.
7. Kropotin O.V. Effect of carbon modifiers on the structure and wear resistance of polytetrafluoroethylene-based polymer nanocomposites / O.V. Kropotin, Y.K. Mashkov, V.A. Egorova, O.A. Kurguzova // Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics. 2014. Т. 59. № 5. С. 696-700.
8. Kropotin O.V. Peculiarities of influence of reinforcing carbon fiber “Ural T -10″ on structure and certain physical and mechanical characteristics of PTFE / O.V. Kropotin, V.I. Surikov, V.I. Surikov, Yu.K. Mashkov // Journal of Friction and Wear. 1998. Т. 19. № 4. С. 58-61.
9. Суриков В.И., Зверев М.А., Кропотин О.В., Суриков В.И.. Вязкоупругость и релаксационные свойства модифицированного политетрафторэтилена –.Омск: Изд-во ОмГТУ, 2014. – 140 с.
10. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров. – М.: Химия, 1991. – 260 с.

Все статьи автора «Vega»