Нехладотекучие структурно-модифицированные композиты на основе птфэ (Ф-4)

Фторопласт-4 (политетрафторэтилен, ПТФЭ) — это уникальный полимер с высочайшей химической стойкостью и рекордно низким коэффициентом трения. Однако его применение в нагруженных узлах машин и механизмов жестко ограничено специфическим механическим поведением. В объемных деталях — таких как уплотнения, втулки, подшипники скольжения и седла клапанов — этот материал работает преимущественно в условиях всестороннего или одноосного сжатия.

Главным уязвимым местом чистого Ф-4 в таких узлах является хладотекучесть (высокая ползучесть под нагрузкой даже при комнатной температуре) в сочетании с относительно низкой объемной износостойкостью при интенсивном трении. Под воздействием постоянного давления материал начинает «плыть», теряя заданную геометрическую форму, что неизбежно приводит к разгерметизации узлов и преждевременному выходу оборудования из строя.

Для преодоления этих критических недостатков и кардинального повышения износостойкости классическим решением стало создание композиционных материалов. Традиционный путь заключается в введении в матрицу ПТФЭ дисперсных и волокнистых высокотемпературных наполнителей (кокса, углеволокна, стекловолокна, бронзы т.д.). Однако это позволяет лишь частично локализовать пластические деформации и снизить скорость износа.

В настоящее время потенциал простого механического смешивания стандартных компонентов во многом исчерпан, а современные экстремальные условия эксплуатации требуют принципиально новых подходов к модификации. Развитие материаловедения открывает перспективные направления для создания фторопластовых композитов нового поколения. К ним относятся применение наноразмерных и структурированных наполнителей, активирование поверхностей наполнителя для химических связей наполнителя и матрицы, а также направленное изменение свойств самой матрицы методами структурной модификации.

На нашем предприятии разработана технология позволяющая осуществить надмолекулярную структурную модификацию матрицы композитов на основе Ф-4 таким образом , что перестроечная структура способна воспринимать значительно большие нагрузки при сжатии по сравнению с исходным полимером при одинаковой деформации.

В качестве примера использовались следующие широко известные композиты на основе ПТФЭ – Ф-4К20, Ф-4К15М5,Ф-4С15, Ф-4УВ15М5. Но это могут быть и совершенно другие аналогичные композиты. Диаграммы сжатия этих материалов до структурной модификации в сравнении с100% Ф-4 представлены на Рис.1

На рис 2 представлены диаграммы сжатия тех же материалов после структурной перестройки матрицы.

Анализ полученных экспериментальных зависимостей «напряжение — деформация сжатия» (рис. 1,2) наглядно демонстрирует определяющее влияние структурной модификации полимерной матрицы на механическое поведение как ненаполненного фторопласта, так и композитов на его основе.

При сопоставлении кривых деформирования исходного (1 — Ф-4 исх.) и модифицированного (2 — Ф-4 мод.) полимеров обнаруживается качественное и количественное изменение характера их сопротивления сжатию:

Рост жесткости в упругой зоне: При фиксированной деформации (10%) исходный Ф-4 демонстрирует напряжение всего (10,0-12,0 МПа), переходя в зону интенсивной пластической деформации (хладотекучести). В то же время структурно-модифицированная матрица при той же деформации выдерживает напряжение (25,0 МПа}\), что в 2,5 раза выше показателей исходного материала.

Подавление ползучести: Модификация надмолекулярной структуры позволяет сместить предел текучести полимера в область значительно более высоких нагрузок. Изменение наклона линейного участка свидетельствует о существенном росте условного модуля упругости при сжатии.

Именно глубокая перестройка структуры самого матричного ПТФЭ закладывает синергетический фундамент для последующего дисперсного и волокнистого наполнения.

Композит Ф-4С15 мод. при деформации (20%) достигает напряжения (60,0 МПа).

Углеволокнистый композит Ф-4КУВ15М5 мод. демонстрирует максимальную жесткость, достигая предела несущей способности в (75,0 МПа) уже при деформации в (12%).

Таким образом, ключевой вывод заключается в том, что в композиционных материалах на основе фторопласта Ф-4, представляющих собой механическую смесь без химического взаимодействия на межфазной границе, определяющий вклад в хладотекучесть вносит полимерная матрица. Роль наполнителей в данном случае сводится к созданию стерических (пространственных) препятствий для деформационного течения полимера. Снижение хладотекучести достигается за счет механического блокирования сдвиговых усилий в матрице и перераспределения локальных напряжений в объеме композита. В то же время, введение наполнителей приводит к резкому снижению интенсивности износа. Данный эффект обусловлен перераспределением фрикционной нагрузки: твердые дисперсные частицы наполнителя берут на себя основное контактное давление, экранируют мягкую матрицу Ф-4 от “выкрашивания” с контртелом и препятствуют крупномасштабному отделению фрикционных чешуек.

Практическое применение и эксплуатационный потенциал технологии

Перевод модифицированного Ф-4 и композитов на его основе из класса чисто антифрикционных, уплотнительных пластмасс в класс высокопрочных конструкционных материалов принципиально расширяет границы их применимости. Благодаря кратному увеличению сопротивления сжатию и подавлению хладотекучести, разработанные материалы эффективно решают задачи импортозамещения в узлах, работающих под экстремальными удельными нагрузками.

Основные перспективные направления применения включают в себя:

Тяжелое и нефтегазовое машиностроение:

• Седла, уплотнения и кольца шаровых кранов магистральных трубопроводов, где критически важна герметичность при давлениях свыше 16–25 МПа.
• Опорные втулки и направляющие буровых насосов, работающих в контакте с абразивными средами.

Авиационная и ракетно-космическая техника:

• Опорные подшипники скольжения и поворотные узлы исполнительных механизмов, подвергающиеся огромным статическим и динамическим нагрузкам при сжатии в условиях жесткого дефицита пространства под габариты узла.
• Уплотнения криогенных систем (жидкий кислород, водород, азот), где хладотекучесть стандартного Ф-4 при температурных перепадах неизбежно ведет к протечкам.

Транспортное и специальное машиностроение:

• Тяжелонагруженные антифрикционные прокладки и опорные элементы мостовых конструкций, путепроводов и опор гидротехнических сооружений, находящиеся под постоянным весовым давлением.
• Поршневые и направляющие кольца безсмазочных компрессоров высокого давления (составы Ф-4К20 мод. и Ф-4КУВ15М5 мод.).

Химическая и фармацевтическая промышленность:

• Элементы футеровки, корпуса регулирующей арматуры и химически стойкие насосы, где деформация стандартного фторопласта под затяжкой болтовых фланцевых соединений ранее вызывала разгерметизацию систем.

Экономический эффект от внедрения разработанных материалов заключается в возможности уменьшить массогабаритные характеристики узлов трения (за счет уменьшения толщины уплотнительных элементов) и увеличить межремонтный интервал технологического оборудования в 3–5 раз по сравнению со стандартными промышленными марками.