Шаблон статьи
Скачать статью в pdf.УДК 621.4:620.22-022.532
DOI: 10.15507/2658-4123.030.202004.576-593
Оптимизация режимов механоактивации сухосмешанных порошков СВМПЭ и наномодификаторов в планетарно-шаровой мельнице Pulverisette 7
Водяков Владимир Николаевич
профессор кафедры механизации переработки сельскохозяйственной продукции Института механики и энергетики ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва» (430005, Российская Федерация, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68), доктор технических наук, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4687-1798, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Куликовская Ксения Анатольевна
аспирант кафедры механизации переработки сельскохозяйственной продукции Института механики и энергетики ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва» (430005, Российская Федерация, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68), ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9386-0939, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Введение. В настоящее время в различных областях техники бронза, чугун и другие металлы антифрикционного назначения заменяются полимерными композитами, обеспечивающими существенно больший ресурс трибосопряжений. Перспективным антифрикционным полимером является сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Работа посвящена определению оптимальных удельных энергозатрат на механоактивацию сухосмешанных порошков данного полимера и наномодификаторов в планетарно-шаровой мельнице Pulverisette 7, обеспечивающих достижение лучшего комплекса физико-механических и реологических свойств нанокомпозитов.
Материалы и методы. В работе использованы сверхвысокомолекулярный полиэтилен марки ГУР 4120 Ticona с молекулярной массой 5 млн г/моль, концентрат Tuball Matrix Beta активированных углеродных нанотрубок в концентрации 0,1 % в пересчете на углеродные нанотрубки и гидрофобный нанокристаллический диоксид кремния с дисперсностью 20 нм в такой же концентрации. Совместная механоактивация порошков полимера и наномодификаторов с варьированием удельных энергозатрат проводилась в планетарно-шаровой мельнице Pulverisette 7. Изготовление пленок из порошков для исследования упруго-прочностных и реологических характеристик нанокомпозитов проводилось на гидравлическом прессе Gibitre. Испытания проведены на разрывной машине UAI-7000 М и реометре Haake MARS III соответственно.
Результаты исследования. Установлено, что при удельных энергозатратах на механоактивацию 3 000‒3 200 Дж/г достигается лучший комплекс физико-механических и реологических свойств нанокомпозитов, что позволяет считать их оптимальными. Механоактивация порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена при незначительном снижении модуля упругости и предела прочности термопрессованных образцов не оказывает влияния на динамическую вязкость расплавов при энергозатратах 650‒4 550 Дж/г.
Обсуждение и заключение. Введение углеродных нанотрубок и нанокристаллического диоксида кремния в концентрации 0,1 % позволяет значительно улучшить физико-механические и реологические свойства полимера в планетарно-шаровых мельницах при энергозатратах 3 000‒3 200 Дж/г на механоактивацию. Более эффективным модификатором является нанокристаллический диоксид кремния, что объясняется его лучшим диспергированием в полимерной матрице из-за меньшей склонности наночастиц к агломерации.
Ключевые слова: сверхвысокомолекулярный полиэтилен, углеродные нанотрубки, нанокристаллический диоксид кремния, нанокомпозит, механоактивация, планетарно-шаровая мельница, удельные энергозатраты, физико-механические характеристики, реологические характеристики
Для цитирования: Водяков, В. Н. Оптимизация режимов механоактивации сухосмешанных порошков СВМПЭ и наномодификаторов в планетарно-шаровой мельнице Pulverisette 7 / В. Н. Водяков, К. А. Куликовская. – DOI 10.15507/2658-4123.030.202004.576-593 // Инженерные технологии и системы. – 2020. – Т. 30, № 4. – С. 576–593.
Заявленный вклад соавторов: В. Н. Водяков – постановка задачи исследования, разработка методики и редактирование статьи; К. А. Куликовская – анализ литературных данных, проведение экспериментальных работ и статистическая обработка полученных результатов.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
Поступила 05.05.2020; принята к публикации 10.07.2020;
опубликована онлайн 30.12.2020
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Износостойкие полимерные материалы. Структура и свойства / Н. Т. Кахраманов, Г. Ш. Касумова, В. С. Осипчик, Р. Ш. Гаджиева // Пластические массы. – 2017. – № 11–12. – С. 8–15. – URL: https://www.plastics-news.ru/jour/article/view/213 (дата обращения: 21.10.2020). – Рез. англ.
2. Композиционные материалы на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена: свойства, перспективы использования / Г. Е. Селютин, Ю. Ю. Гаврилов, Е. Н. Воскресенская [и др.] // Химия в интересах устойчивого развития. – 2010. – Т. 18, № 3. – С. 375–388. – URL: http://sciact.catalysis.ru/ru/public/article/5698 (дата обращения: 21.10.2020). – Рез. англ.
3. Наноструктурированные композиты и полимерное материаловедение / Н. Т. Кахраманов, А. Г. Азизов, В. С. Осипчик [и др.] // Пластические массы. – 2016. – № 1–2. – С. 49–57. – URL: https://www.plastics-news.ru/jour/article/view/18?locale=ru_RU (дата обращения: 21.10.2020). – Рез. англ.
4. Влияние механической активации сверхвысокомолекулярного полиэтилена на его механические и триботехнические свойства / В. Е. Панин, С. В. Панин, Л. А. Корниенко [и др.] // Трение и износ. – 2010. – Т. 31, № 2. – С. 168–176. – URL: https://mpri.org.by/izdaniya/trenie-i-iznos/2010-tom-31-n-1-6.html (дата обращения: 21.10.2020). – Рез. англ.
5. Structural Modifications of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) Processed in Attritor Type Mill / M. C. Gabriel, B. M. Carvalho, L. A. Pinheiro [et al.] // 7th International Latin American Conference on Powder Technology, November 08-10. – Atibaia, 2009. – Рp. 337–341. – URL: https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/47/116/47116488.pdf (дата обращения: 21.10.2020).
6. High-Energy Mechanical Milling of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) / M. C. Gabriel, L. B. Mendes, B. M. Carvalho [et al.]. – DOI 10.4028/www.scientific.net/msf.660-661.325 // Materials Science Forum. – 2010. – Vol. 660–661. – Рp. 325–328. – URL: https://www.scientific.net/MSF.660-661.325 (дата обращения: 21.10.2020).
7. Медведева, Е. В. Структура содержащих неравноосные неорганические включения полимерных композиционных материалов / Е. В. Медведева, В. В. Чердынцев // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 5. – URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=10459 (дата обращения: 21.10.2020).
8. Влияние углеродных нановолокон/нанотрубок на формирование физико-механических и триботехнических характеристик полимерных композитов на основе термопластичных матриц СВМПЭ и ПЭЭК / С. В. Панин, Л. А. Корниенко, В. О. Алексенко [и др.] // Известия высших учебных заведений. Серия «Химия и химическая технология». – 2017. – Т. 60, № 9. – С. 45–51. – URL: http://journals.isuct.ru/ctj/article/view/200 (дата обращения: 21.10.2020). – Рез. англ.
9. Campo, N. Incorporation of Carbon Nanotubes into Ultra High Molecular Weight Polyethylene by High Energy Ball Milling / N. Campo, A. M. Visco. – DOI 10.1080/1023666X.2010.510110 // International Journal of Polymer Analysis and Characterization. – 2010. – Vol. 15, Issue 7. – Рp. 438–449. – URL: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/1023666X.2010.510110 (дата обращения: 21.10.2020).
10. Influence of SiO2 Micro- Particles on Microstructure, Mechanical Properties and Wear Resistance of UHMWPE Based Composite under Dry Sliding Friction / N. Puangmalee, N. Sonjaitham, S. Saengthip [et al.]. – DOI 10.4028/www.scientific.net/kem.769.152 // Key Engineering Materials. – 2018. – Vol. 769. – Рp. 152–157. – URL: https://www.scientific.net/KEM.769.152 (дата обращения: 21.10.2020).
11. Механические и триботехнические характеристики многокомпонентных твердосмазочных композитов на матрице сверхвысокомолекулярного полиэтилена / С. В. Панин, В. О. Алексенко, Л. А. Корниенко [и др.]. – DOI 10.6060/ivkkt.20186111.11y // Известия высших учебных заведений. Серия «Химия и химическая технология». – 2018. – Т. 61, № 11. – С. 88–95. – URL: http://journals.isuct.ru/ctj/article/view/747 (дата обращения: 21.10.2020). – Рез. англ.
12. Role of Micro- and Nanofillers in Abrasive Wear of Composites Based on Ultra-High Molecular Weight Polyethylene / S. V. Panin, L. A. Kornienko, N. X. Thuc [et al.]. – DOI 10.4028/www.scientific.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).
13. Получение и применение модифицированного наночастицами сверхвысокомолекулярного полиэтилена / Л. Ю. Федоров, И. В. Карпов, А. В. Ушаков, А. А. Лепешев // Решетневские чтения. – 2013. – Т. 1, № 17. – С. 482–484. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/poluchenie-i-primenenie-modifitsirovannogo-nanochastitsami-sverhvysokomolekulyarnogo-polietilena/viewer (дата обращения: 21.10.2020). – Рез. англ.
14. Заболотнов, А. С. Износостойкость композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с наполнителями разного типа / А. С. Заболотнов, П. Н. Бревнов, В. В. Акульшин // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2017. – № 12. – С. 13–19. – URL: https://www.researchgate.net/publication/322085046_Iznosostojkost_kompozicionnyh_
15. Bulk Oriented Nanocomposites of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Reinforced with Fluorinated Multiwalled Carbon Nanotubes with Nanofibrillar Structure / A. V. Maksimkin, A. V. Kharitonov, A. P. Mostovaya [et al.]. – DOI 10.1016/j.compositesb.2016.03.061 // Composites Part B: Engineering. – 2016. – Vol. 94. – Рp. 292–298. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836816301068?via%3Dihub (дата обращения: 21.10.2020).
16. Mohammed, A. S. UHMWPE Nanocomposite Coatings Reinforced with Alumina (Al2O3) Nanoparticles for Tribological Applications / A. S. Mohammed. – DOI 10.3390/coatings8080280 // Coatings. – 2018. – Vol. 8, Issue 8. – Рp. 280. – URL: https://www.mdpi.com/2079-6412/8/8/280 (дата обращения: 21.10.2020).
17. Gulbin, V. N. Structure and Microwave Absorbing Properties of Carbon-Filled Ultra-High Molecular Weight Polyethylene / V. N. Gulbin, V. V. Tcherdyntsev. – DOI 10.1515/secm-2015-0431 // Science and Engineering of Composite Materials. – 2018. – Vol. 25, Issue 1. – Рp. 153–157. – URL: https://www.degruyter.com/view/journals/secm/25/1/article-p153.xml (дата обращения: 21.10.2020).
18. The Influence of Irradiation on Thermal and Mechanical Properties of UHMWPE/GO Nanocomposites / Z. Ni, W. Pang, G. Chen [et al.]. – DOI 10.1134/s1070427217110234 // Russian Journal of Applied Chemistry. – 2017. – Vol. 90, Issue 11. – Рp. 1876–1882. – URL: https://link.springer.com/article/10.1134/S1070427217110234 (дата обращения: 21.10.2020).
19. Lawal, D. Tribological Investigations of Carbon Nanotube-Reinforced Polymer (UHMWPE) Nanocomposites Using Taguchi Methodology / D. Lawal, A. B. Ali, A. S. Mohammed. – DOI 10.1002/app.44018 // Journal of Applied Polymer Science. – 2016. – Vol. 133, Issue 40. – URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/app.44018 (дата обращения: 21.10.2020).
20. Сравнение эффективности мельниц «АГО-2» и «Активатор-2SL» при механической активации порошка титана / В. А. Полубояров, О. П. Солоненко, А. А. Жданок [и др.] – DOI 10.17516/1999-494X-2017-10-5-646-656 // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. – 2017. – Т. 10, № 5. – С. 646–656. – URL: http://journal.sfu-kras.ru/en/article/33855 (дата обращения: 21.10.2020). – Рез. англ.
21. Веригин, Ю. А. Разработка закономерностей оптимизации процессов механического измельчения материалов в строительстве / Ю. А. Веригин, Л. Ю. Маликова, Я. Ю. Веригина // Ползуновский вестник. – 2014. – № 1. – С. 47–52. – URL: http://elib.altstu.ru/journals/Files/pv2014_01/pdf/047verigin.pdf (дата обращения: 21.10.2020).
22. Бороненко, М. П. Контроль энергии измельчения и механоактивации планетарной мельницы АГО-3 / М. П. Бороненко, В. В. Лавриков, А. Е. Серегин // Вестник Югорского государственного университета. – 2016. – № 2 (41). – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kontrol-energii-izmelcheniya-i-mehanoaktivatsii-planetarnoy-melnitsy-ago-3 (дата обращения: 21.10.2020). – Рез. англ.
23. Кузьмич, Ю. В. Модель энергетических характеристик планетарной мельницы / Ю. В. Кузьмич, В. Г. Коротков // Труды Кольского научного центра РАН. – 2015. – № 5 (31). – С. 380–384. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/model-energeticheskih-harakteristik-planetarnoy-melnitsy (дата обращения: 21.10.2020). – Рез. англ.
24. Влияние механической активации на структуру композиционных порошков на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, наполненного карбидом бора / В. И. Жорник, С. А. Ковалева, М. А. Белоцерковский [и др.] // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия B. Промышленность. Прикладные науки. – 2018. – № 11. – С. 58–63. – Рез. англ.
25. Охлопкова, А. А. Управление процессами структурообразования в полимерных композиционных материалах на основе СВМПЭ / А. А. Охлопкова, Т. А. Охлопкова, Р. В. Борисова // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. – 2015. – № 2 (78). – С. 85–90. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/upravlenie-protsessami-strukturoobrazovaniya-v-polimernyh-kompozitsionnyh-materialah-na-osnove-svmpe-1 (дата обращения: 21.10.2020). – Рез. англ.
26. Куликовская, К. А. Влияние сверхмалых концентраций углеродных нанотрубок на упруго-прочностные, реологические и трибологические характеристики сверхвысокомолекулярного полиэтилена / К. А. Куликовская, В. Н. Водяков // Вестник Казанского технологического университета. – 2019. – Т. 22, № 2. – С. 75–78 – URL: http://sciencerm.ru/Publications/Details/43 (дата обращения: 21.10.2020). – Рез. англ.
27. Куликовская, К. А. Исследование физико-механических и реологических характеристик нанокомпозитов сверхвысокомолекулярного полиэтилена / К. А. Куликовская, В. Н. Водяков, А. А. Шабарин. – DOI 10.6060/ivkkt.20196211.5988 // Известия высших учебных заведений. Серия «Химия и химическая технология». – 2019. – Т. 62, № 11. – С. 112–116. – URL: http://journals.isuct.ru/ctj/article/view/1741 (дата обращения: 21.10.2020). – Рез. англ.
28. Sonication-Induced Modification of Carbon Nanotubes: Effect on the Rheological and Thermo-Oxidative Behaviour of Polymer-Based Nanocomposites / R. Arrigo, R. Teresi, C. Gambarotti [et al.]. – DOI 10.3390/ma11030383 // Materials. – 2018. – Vol. 11, Issue 3. – Pp. 383. – URL: https://www.mdpi.com/1996-1944/11/3/383 (дата обращения: 21.10.2020).
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.
