4 Экспериментальная часть

4.1 Объекты исследования

4.1.1 Шунгит

Шунгит уникальный природный материал. Он необычен по происхождению, структуре входящего в их состав углерода и структуре самих пород. Он представляет собой природный композит - равномерное распределение высокодисперсных кристаллических частиц в аморфной углеродной матрице. Средний размер силикатных частиц около 1 мкм. Углерод шунгитовых пород (шунгит) - некристаллический углерод с метастабильной структурой, не способный к графитизации, обладает многими ценными свойствами естественного и искусственного углерода.

Рисунок 4.1 - Шунгит

Шунгит получил своё название в 1887 году от посёлка Шуньга в Карелии, расположенном на берегу Онежского озера. Сначала ученые думали использовать этот загадочный минерал как противогарное покрытие при производстве чугуна, как шихту при выплавке ферросплавов, карбида, как наполнитель резины. Учёные объясняют уникальные свойства шунгита его необычной структурой. Шунгитовый углерод образует в породе матрицу, в которой равномерно распределены дисперсные силикаты со средним размером около 1 мкм. Свойства шунгитовой породы определяются двумя факторами: во-первых, свойствами шунгитового углерода, во-вторых, структурой породы, взаимоотношениями углерода и силикатов. Шунгитовый углерод — элементарный углерод со специфичной шунгитовой структурой. Основу её представляет многослойная глобула размером около 10 нм. Такая структура очень активная в окислительно-восстановительных реакциях, обладающая сорбционными и каталитическими свойствами. Углерод в породе образует матрицу, в которой распределены высокодисперсные силикаты с размером частиц 0,5 мкм.

Специфическая структура и вещественный состав шунгитовых пород сообщает им многие практически ценные физические, химические, физико-химические и технологические свойства, позволяющие получать из шунгитовых пород целый спектр товарных продуктов: от нового шихтового материала для выплавки ферросплавов и материала для получения карбида кремния до тонкодисперсных (<10 мкм) порошков для резинотехнической промышленности.

Свойства шунгита:

• плотность 2,1 - 2,4 г/см³;

• пористость до 5 %;

• прочность на сжатие 100 — 150 Мпа;

• коэффициент теплопроводности 5 Вт/ м^{2 o}К;

• развитая внутренняя поверхность до 20 м²/г;

• адсорбционная активность:

  1. по фенолу 14 мг/г;

  2. по термолизным смолам – 20 мг/г;

  3. по нефтепродуктам более 40 мг/г;

• адсорбционно активен по отношению к бактерицидным клеткам, фагам, патогенным сапрофитам и др.;

• частицы шунгита, независимо от их размерности, обладает биполярными свойствами. Следствием этого является высокая адгезия и способность шунгита смешиваться без исключения со всеми веществами;

• обладает бактерицидными свойствами.

Таблица 1 - Химический состав шунгита

Оксиды и элементы	Массовое содержание, %
	71 - 76
	0,5 – 0,7
	5,1 - 7
	1,5 – 2,1
	4 - 5
	8 - 12

Внедрение шунгитовых наполнителей взамен традиционных углеродных и минеральных наполнителей позволяет создать новые конструкционные материалы функционального назначения (трудногорючие). Такие наполнители на 30 % дешевле белой сажи. При возможной частичной замене пластификаторов экономический эффект будет более значителен.

Перечень выявленных свойств шунгитовых пород и получаемых при их переработке продуктов, уникальность геологического образования (нигде в мире шунгитовые породы в объемах, сопоставимых с карельскими, не встречаются) выдвигают задачи по поиску и выбору наиболее рациональных способов освоения месторождений шунгитового сырья, разработке эффективных технологий применения полученных шунгитовых продуктов.

Области применения шунгитовых материалов чрезвычайно велики и требуют постоянного изучения. Проведенные в последние годы исследования свойств шунгита и продуктов его переработки, а также результаты испытаний различных материалов, полученных на его основе, позволяют существенно расширить сферу применения этого, весьма ценного, минерального сырья [19].

4.1.2 Полиамид-11 (RILSAN)

Торговая марка (название) полиамида 11 производства фирмы ELF ATOCHEM (Франция), которая охватывает группу термопластичных пластмасс полиамидного типа. Для полимерных покрытий фирма поставляет материал в виде порошка разного цвета, включая бесцветный, для различных способов нанесения.

В автомобилестроении покрытия типа Rilsan широко применяются для уменьшения трения скольжения и износа, в частности, в подвижных шлицевых соединениях карданных валов и передач. Применяется в основном метод нанесения покрытия в «кипящем» (псевдоoжиженном) слое. Покрытие наносится на одну из сопрягаемых деталей. Вторая сопрягаемая деталь должна иметь гладкую контактирующую поверхность, что достигается методами холодной пластической деформации, в основном – накатки. На втулку шлицевую наносится покрытие RILSAN T Natural BHV (порошок для нанесения в кипящем слое, бесцветный, высокой вязкости), продукт фирмы ELF ATOCHEM (Франция) марки Fine (мелкий) зернистостью 80 … 200 мкм.

Таблица 2 – Физические характеристики RILSAN

Физические характеристики	Rilsan (ПА-11)
Плотность при 20 0C, г/см3	1,040
Насыпная плотность при 200 C, г/см3	0,4 – 0,6
Твёрдость: по Шору D (DIN 53-505) твёрдость D (ISO 868) твёрдость H 30 (ISO 2039-1)	75
Предел текучести, МПа	31,33
Продолжение таблицы 2
Физические характеристики	Rilsan (ПА-11)
Предел прочности при растяжении, МПа	22 - 60 (39 … 47)
Относительное удлинение при разрыве, %	270 - 300
Стойкость к истиранию, мг/100	5 - 8
Содержание влаги в состоянии поставки, %	0,2 … 0,4
Влагопоглощение (при 20 0C и 65 % относительной влажности), %	1,0 … 1,1
Гранулометрия	40 … 200 мкм
Температура плавления, 0C	184 - 186
Температура разложения, 0C	350 0C
Температура самовозгорания, 0C	450 0C

При нанесении покрытия методом погружения в ванну с «кипящим» слоем деталь предварительно нагревается и опускается в ванну с порошком, который при этом расплавляется и образует на детали сплошную плёнку. Для улучшения адгезии с поверхностью металла на деталь предварительно наносится подложка (PRIMER) – PRIMGREEN LAT 12035 (1 – подслой на основе эпоксидированной фенольной смолы, спирта, кетона и ароматики; 2 – раствор эпоксидированной акрилатной смолы). Толщина покрытия может варьироваться в разных пределах: от десятых долей до нескольких миллиметров. После остывания и выдержки, деталь, при необходимости, подвергается дальнейшей механической обработке, например – протягиванию (калибровка).

4.1.3 Полиамид-6

Производят методом анионной полимеризации лактама при низких температурах при наличии щелочных катализаторов и разного рода активаторов. Полиамид-6, производство которого освоено во многих странах очень популярен. Из достоинств полиамида-6 отметим следующие: не подвержен коррозии, отличается экологической чистотой, имеет санитарно-эпидемиологический допуск, позволяющий использовать его при изготовлении тары для пищевых продуктов. Производство полиамида-6 постоянно расширяется ввиду большой потребности в нем.

Часто полиамид-6 применяют при изготовлении деталей конструкционного назначения: подшипников, клапанов, втулок, колец, вкладышей, фланцев и прочих. Полиамид-6 так же характеризуется устойчивостью к углеводам, маслам, эфирам, щелочам и слабым кислотам. Полиамид-6 стоек к воздействию низких температур. Детали, изготовленные из полиамида-6, переносят удары, долговечны, с низким коэффициентом трения.

Производители полиамида-6 выпускают изделия в виде болванок, втулок любого наружного диаметра, листов, плит или изготовляют блочный полиамид. В качестве примера деталей, изготовленных из полиамида-6 можно привести уплотнения трубопроводной арматуры и насосов. Полиамид-6 предназначен для изготовления деталей, которые работают под нагрузкой; деталей корпусов; деталей, работающих на поперечный изгиб. Как уже ранее отмечалось, детали из полиамида-6 прекрасно работают без смазки и при минимальном ее количестве. Широкое применение в деталях, имеющих постоянный контакт с маслами, бензином или морской водой.

Износ за тысячу часов работы – 0,1 мм. Коэффициент трения по стали и бронзе со смазкой составляет 0,04 - 0,08. Подшипники из полиамида-6 могут работать (при наличии смазки) при скоростях до 15 м/сек и удельном давлении до 50 кг на квадратный сантиметр [20].

Таблица 3 - Основные физико-механические свойства полиамида-6

Показатель	Единицы измерения	Значение
Коэффициент трения		≤0,45
Прочность при сжатии	МПа	127
Твёрдость по Роквеллу	R шкала	112
Прочность при разрыве	МПа	79
Прочность на изгиб	МПа	130-150
Ударная вязкость	Кг/м	≥14
Плотность	г/см3	1,15-1,16
Относительное удлинение	%	60
Предел прочности при сдвиге	МПа	80-95
Влажность	%	≤0,6

4.1.4 Полиамидные покрытия

Основное применение полиамидные покрытия находят в узлах трения и механизмов. По устойчивости к трению скольжения и абразивному износу полиамидные покрытия превосходят все другие покрытия. Они отличаются красивым внешним видом. Однако адгезия покрытий к металлам недостаточно высока и нестабильна.

Применяются порошковые полиамиды различных марок: ПА-6,

ПА-12, ПА-68, ПА-548, поликапроамид и др. Формирование покрытия производят при температуре спекания 220 ... 240 ^oС и времени выдержки 3…7 мин. При их нанесении покрытий в кипящем слое или выбровихревым методом изделие предварительно нагревают до 250 ... 270 ^oС. С целью повышения адгезии покрытий рекомендуется дробеструйная очистка и обезжиривание поверхности, высокоэффективно также грунтование.

Важной особенностью полиамидных покрытий является сильная зависимость их свойств от режима охлаждения. При быстрой закалке полимера (в холодной воде) покрытия эластичны, имеют высокую адгезию и минимальные внутренние напряжения. При охлаждении в нагретом масле или парафине формируются износостойкие покрытия, имеющие высокую твердость и низкий коэффициент трения.