Технология и порошковые композиции для изготовления объемных изделий из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с микро- и наноструктурными наполнителями

Производитель

ИФПМ СО РАН

Подробное описание проекта

Работа направлена на получение результатов, соответствующих основным направлениям технологического развития (исследований и разработок), поддерживаемых в рамках Технологической платформы «Новые полимерные композиционные материалы и технологии».
Целью проекта является
Разработка методов модифицирования и активации поверхности сверхвысокомолекулярных полиолефинов с целью создания на их основе композиционных наноматериалов нового поколения с улучшенными характеристиками, перспективными для их применения в различных отраслях (авиастроение; машиностроение, включая автомобильную промышленность; строительство; нефтегазовая отрасль; оборона и безопасность; спорт; бытовое использование) и обеспечения экспортного потенциала и замещения импорта.
Решаемые задачи
•    Проведение поисковых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области создания полимерных композитов нового поколения на основе СВМПЭ, модифицированных нано-, субмикро- и микродисперсными частицами и волокнами и получение значимых научных результатов.
•    Конкретные практические задачи выполнения проекта:
- получение значимых прикладных научных результатов, позволяющих переходить к созданию полимерных композитов новых поколений на основе высокомолекулярной матрицы (СВМПЭ);
- вывод на рынок машиностроительной, энергетической, авиационно-космической, атомной и иных приоритетных для Российской Федерации отраслей промышленности нового поколения полимерных композитов, модифицированных наноструктурными наполнителями;
- обеспечение экспортного потенциала и замещение импорта высокомолекулярных полимеров;
- прогрессивные структурные сдвиги в энергетической, транспортной, авиационно-космической, а также медицинской отраслях промышленности Российской Федерации и создание новых рабочих мест;
В рамках выполнения проекта ставится задача целенаправленного регулирования характеристик высокомолекулярных полимеров нового поколения, модифицированных микро-, субмикро- и наноструктурными наполнителями с повышенными эксплуатационными характеристиками для технологических устройств и аппаратов, применяемых в транспортной, энергетической, авиационно-космической, атомной и иных приоритетных для Российской Федерации отраслей промышленности. Задача будет решаться путем использования большого интеллектуального потенциала и огромного теоретического и экспериментального опыта ведущих ученых Научной школы академика РАН Панина Виктора Евгеньевича НШ-6116.2012.1, исследовательско-аналитических возможностей подразделений «Научно-аналитического центра» Томского политехнического университета (НАЦ ТПУ): инновационного научно-образовательного центра «Электроразрядные и пучково-плазменные технологии» (ИНОЦ ЭРПП), Центра исследований свойств материалов (ЦИСМ), научно-образовательного инновационного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» («Нано-центр» ТПУ).
Наличие у Исполнителя сертифицированной научно-исследовательской лаборатории «Механических испытаний и металлографического анализа материалов» ТПУ (http://portal.tpu.ru/departments/laboratory/nil_mimam) и опытного производства, специализирующегося на разработке технологий и изготовлении композитных материалов на основе СВМПЭ, позволит на практике проверить эффективность предложенных при выполнении НИР научно-технических решений и существенно сократить сроки внедрения полученных результатов НИР.
1.    Описание основных планируемых работ (поэтапно)
1 этап. Теоретические и экспериментальные исследования поставленных перед НИР задач.
1.1.    Аналитический обзор информационных источников.
1.2.     Проведение патентных исследований по ГОСТ 15.011-96.
1.3.    Обоснование выбора физико-химических методов исследования сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и полимерных композиционных наноматериалов (ПКН) на его основе, дающие наиболее полную картину об их строении и свойствах.
1.4.    Разработка методов модифицирования и активации СВМПЭ и ПКН с улучшенными эксплуатационными показателями;
1.5.    Изготовление экспериментальных образцов СВМПЭ с различными нанонаполнителями.
1.6.    Проведение исследований структуры образцов СВМПЭ с нанонаполнителями  после высокоэнергетической обработки (механоактивация, лучевая обработка поверхности).
1.7.    Разработка программ и методик испытаний экспериментальных образцов СВМПЭ и ПКН на их основе с химически модифицированной поверхностью.

2 этап. Экспериментальные исследования. Обобщение и оценка результатов исследований.
2.1.    Изготовление экспериментальных образцов ПКН на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с различными нанонаполнителями (неорганическими и органическими).
2.2.    Проведение испытаний экспериментальных образцов ПКМ на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена после высокоэнергетической обработки (электронный и ионный пучки).
2.3.    Разработка лабораторной технологической методики получения СВМПЭ и ПКН на их основе с химически модифицированной поверхностью.
2.4.    Обобщение и оценка полученных результатов.
2.5.    Проведение технико-экономической оценки рыночного потенциала.
2.6.    Рекомендации и предложения по использованию результатов НИР в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках
2.7.    Разработка проекта ТЗ на прикладную НИР.

Для производства объемных изделий из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с микро- и наноструктурными наполнителями используется следующее оборудование: разъемная печь с двухконтурным контролем температуры, комплект пресс-форм для массового изготовления изделий требуемой номенклатуры, либо заготовки для последующей механической обработки, пресс с рабочим давлением не менее 100 тонн.
Технические характеристики:
-    удельное давление прессования     не менее 10 МПа;
-    остаточная пористость материалов    не более 5 %;
-    температура спекания    200° С;
-    предел прочности композиционных полимерных материалов 30 МПа;
- предел текучести              17 МПа;                                          
-    возможность финишной механической обработки изготовленных деталей    

Степерь проработки проекта: НИР

Развитие проекта:

проведение испытаний

Детали предложения

1. Будут проведены испытания и получены оценки физико-механических и триботехнических характеристик композитов на основе модифицированной СВМПЭ-матрицы путем высокоэнергетической обработки. Аттестовано структурное состояние композитов методами рентгеновской дифрактометрии, ИК-спектроскопии, дифференциальной сканирующей калориметрии, растровой электронной микроскопии. Отработаны оптимальные режимы высокоэнергетической обработки. 2. С учетом полученных расчетных и экспериментальных данных будут оптимизированы технологические режимы формирования (горячее прессование и плунжерная экструзия) объемных изделий из механоактивированного высокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) с нано- и микронаполнителями в приложении к созданию антифрикционных материалов. 3. Будут отработаны режимы высокоэнергетической обработки (электронный и ионный пучки) поверхности СВМПЭ и композитов на его основе с различными нанонаполнителями. 4. Будут разработаны перспективные полимерные композиционные материалы с высокомолекулярной матрицей, обладающие повышенной прочностью межфазной связи "полимер-наполнитель". 5. Будут спроектированы экологичные самосмазывающиеся (антифрикционные) армированные полимер-полимерные композиты для эксплуатации в условиях пониженных температур и замещения металлических изделий. Будут разработаны научные и технологические основы создания и обработки нового поколения полимерных композитов, модифицированных наноструктурными наполнителями с повышенными эксплуатационными характеристиками (рабочий интервал эксплуатации, оС – от 120 до -269, полное плавление композиций, оС –  220, коэффициент трения с в режиме сухого трения – 0,07-0,20, коэффициент трения со смазкой – 05-0,1, толщина пленки образующейся на контртеле, не менее, нм –120 -300, значения нагрузочно-скоростного фактора не менее, Н/мм2-м/мин – 4-7, увеличение износостойкости СВМПЭ, не более, % – 30, разрушающее напряжение в изделиях, не менее МПа при: растяжении – 28-32, изгибе – 30-40, удельная теплоемкость, кДж/(кг*К), не более – 2,5-2,9, коэффициент температуропроводности, не более Вт/(м*К) – 0,30, коэффициент линейного расширения, не менее 104 град-1 – 2, модуль упругости при изгибе, не менее МПа – 1070-1100), что обеспечит увеличение ресурса работы изделий в технологических устройствах и аппаратах в 1.5…2.0 раза.

Наличие защиты результатов интеллектуальной деятельности

Наличие публикаций, защищающих авторское право.

1. Панин С.В., Корниенко Л.А., Ваннасри С.и др. Влияние механической активации полимерного связующего на фрикционно-механические свойства сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Трение и износ, 2010, Т. 31, №2, с. 13-20. 2. Анохина Н.Ю., Бочкарева С.А., Люкшин Б.А., Панин С.В. и др. Оценка адгезионного взаимодействия фаз композиционного материала по кривой напряжение-деформация // Механика композиционных материалов и конструкций. – 2010. – Т. 16. – № 1. – С. 97–105. 3. С.В. Панин, Л.А. Корниенко, С. Ваннасри и др. Сравнительный анализ влияния нано- и микронаполнителей окисленного Al на фрикционно-механические свойства СВМПЭ. Трение и износ, 2010, Т. 31, №5, с.353-360. 4. Д.А. Черноус, С.В. Шилько, С.В. Панин. Анализ механического поведения дисперсно-армированного нанокомпозита. Часть 1: метод расчета эффективных упругих характеристик. Физическая мезомеханика, 2010, Т. 13, №4. с. 85-90. 5. С.В. Панин, Л.А. Корниенко, С. Ваннасри и др. Сравнение эффективности модифицирования СВМПЭ нановолокнами (С, Al2O3) и наночастицами (Cu, SiO2) при получении антифрикционных композитов. Трение и износ, 2010, Т. 31, №6, с. 603-611. 6. С.В. Панин, Л.А. Корниенко, Т. Пувадин и др. Трение и износ ионно-имплантированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена для имплантатов. Трение и смазка в машинах и механизмах, 2010, №10. С. 3-10. 7. С.В. Панин, Л.А. Корниенко, С. Пирияон и др. Антифрикционные нанокомпозиты на основе химически модифицированного СВМПЭ. Часть I. Механические и триботехнические свойства химически модифицированного СВМПЭ. Трение и износ, 2011, Т. 32, №3, с. 30-35. 8. С.В. Панин, Л.А. Корниенко, С. Пирияон и др. Разработка антифрикционных нанокомпозитов на основе химически модифицированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Часть II. Влияние нанонаполнителей на механические и триботехнические свойства химически модифицированного СВМПЭ. Трение и износ, 2011, Т. 32, №4, с. 233-239. 9. Панин С.В. , Панин В.Е. , Корниенко Л.А. и др. Модифицирование сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) нанонаполнителями для получения антифрикционных композитов. Известия ВУЗов. Химия и химическая технология // 2011. – Т. 54, вып. 7, с. 102-106. 10. С.В. Панин, Л.А. Корниенко, Т. Пувадин и др. Трение и изнашивание сверхвысокомолекулярного полиэтилена, модифированного высокоэнергетической обработкой поверхности электронным пучком. Трение и смазка в машинах и механизмах, 2011, №12. С. 125-131. 11. С.В. Панин, Л.А. Корниенко, С. Пирияон и др. Разработка антифрикционных нанокомпозитов на основе химически модифицированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Часть 3: Сравнение модифицирующего действия компатибилизаторов на механические и триботехнические свойства. Трение и износ, 2012, Т. 33, №1, с. 62-68. 12. Панин С.В., Корниенко Л.А., Сонджайтам Н. и др. Абразивное изнашивание микро и нанокомпозитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Часть 1. Композиты на основе СВМПЭ, наполненного микрочастицами окисленного алюминия // Трение и износ. – 2012. – Т. 33, № 5. – С. 265–271. 13. Панин С.В., Корниенко Л.А., Сонджайтам Н. и др. Абразивное изнашивание микро и нанокомпозитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Часть 2. Композиты на основе СВМПЭ, наполненного наночастицами и нановолокнами // Трение и износ. – 2012. – Т. 33, № 6. – С. 610-618. 14. С.В. Шилько, Д.А. Черноус, С.В. Панин. Мезомеханический анализ свойств полимерных композитов, армированных короткими волокнами, с учетом межфазного слоя. Механика композитных материалов. — 2012. — Т. 48, № 2. — С. 249—260. 15. С.В. Панин, Л.А. Корниенко, Н. Сонджайтам и др. Сравнение износостойкости нано и микрокомпозитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена для имплантатов. Трение и смазка в машинах и механизмах, 2012, №7. С. 3-9. 16. S.V. Panin, L.A. Kornienko, N. Sonjaitham, et el. Wear-Resistant Ultrahigh-Molecular-Weight Polyethylene-Based Nano- and Microcomposites for Implants. Journal of Nanotechnology, Volume 2012 (2012), Article ID 729756, 7 pages. 17. С.В. Панин, Л.А. Корниенко, Н. Сонджайтам и др. Исследование триботехнических характеристик в различных смазочных средах нано- и микрокомпозитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена для имплантатов. Трение и смазка в машинах и механизмах, 2012, №11. С. 26-32. 18. С.В. Панин, Л.А. Корниенко, Т. Мандунг и др. Триботехнические характеристики нанокомпозитов на основе смеси сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) с полипропиленом (ПП). Часть 1. Механические и триботехнические свойства композиции СВМПЭ - ПП. Трение и смазка в машинах и механизмах, 2013, №4. (принято к печати).