Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2020, № 4, стр. 76-83

Изучение топографии и свойств поверхностных слоев морозостойких резин, модифицированных углеродными нанотрубками

Т. И. Муравьёва a*, О. О. Щербакова a**, Д. Л. Загорский ab, В. А. Лапицкая c, Т. А. Кузнецова c

a Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
119526 Москва, Россия

b Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина
119991 Москва, Россия

c Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси
220072 Минск, Беларусь

* E-mail: muravyeva@list.ru
** E-mail: shcherbakovaoo@mail.ru

Поступила в редакцию 17.06.2019
После доработки 23.07.2019
Принята к публикации 28.07.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Изучены возможности создания морозостойких резин новых типов путем использования углеродных нанотрубок в качестве наполнителя-модификатора эластомерной основы – эпихлоргидринового каучука. Образцы с содержанием нанотрубок 1 и 10% сравнивали с исходным не модифицированным образцом. Методом растровой электронной микроскопии (с элементным анализом) были изучены образцы исходные и после трибологических испытаний. Методом сканирующей зондовой микроскопии были изучены топография поверхности и физико-механические свойства (модуль упругости и адгезия). Показано, что добавление углеродных нанотрубок в эластомер стабилизирует его состав и приводит к структурированию эластомерной основы. Изучение приготовленных после трибологических испытаний срезов образцов позволило выделить несколько областей – тонкий “поверхностный” (толщина 10–15 мкм) и “приповерхностный” слои. Выявлено сильное перераспределение элементов – концентрация серы и цинка значительно увеличивается на поверхности. Показано, что при трибоиспытаниях основные изменения происходят именно в поверхностном слое, а приповерхностный слой трансформируется мало. Установлено, что добавление углеродных нанотрубок приводит к увеличению модуля упругости в приповерхностных слоях.

Ключевые слова: эластомеры, трибологические свойства, электронная микроскопия, рентгеноспектральный элементный анализ, атомно-силовая микроскопия.

ВВЕДЕНИЕ

Эластомеры широко используются во многих областях народного хозяйства, поэтому разработка новых композитных материалов представляет большой интерес. В частности, актуальной проблемой является оптимизация свойств резин уплотнительного назначения, эксплуатирующихся в регионах с холодным климатом [14]. Эти материалы должны удовлетворять ряду требований – обладать высокой морозостойкостью, выдерживать импульсные нагрузки, высокое давление, иметь повышенные прочностные и релаксационные свойства, обладать стойкостью к агрессивным средам. Для этого очень важен правильный подбор как эластомерной основы, так и соответствующих модификаторов. В качестве основы хорошо подходит эпихлоргидриновый каучук (ЭПХГ), который масло-, нефте-, бензо-, газо- и озоностойкий как при низких, так и при высоких температурах [5, 6].

В качестве модификатора в работе использовали углеродные нанотрубки (УНТ). Известно, что УНТ в последнее время активно начали применять в качестве наполнителей (модификаторов) различных материалов. В силу особой электронной структуры УНТ способны изменять свойства металлических материалов и сплавов [7]. В ряде работ исследовали добавление УНТ в некоторые эластомеры: благодаря уникальным особенностям [8] они способствуют улучшению эксплуатационных свойств материалов [911]. Показано также, что проявляется существенное различие между свойствами в глубине материала и на его поверхности [12]. Это различие можно достоверно определить методами зондовой микроскопии [13, 14]. Однако до настоящего времени влияние добавления УНТ в эластомеры на основе ЭПХГ на их структуру и свойства практически не оценивали. Также представляет интерес исследование влияния трения на изменение топографии, элементного состава и свойств поверхности композита из ЭПХГ и УНТ. Изучению этих вопросов и посвящена настоящая работа.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования служили образцы эластомеров на основе ЭПХГ, модифицированного различным количеством УНТ. Образцы готовили на оборудовании Plasti-Corder Brabender (синтез проводился в Северо-Восточном федеральном университете им. М.К. Аммосова, г. Якутск) [15]. Компоненты смешивали при повышенной температуре и вулканизировали в гидравлическом прессе. Были получены девять образцов, наиболее характерные из них были выбраны для исследования. Образец № 1 был изготовлен из базового ЭПХГ, а образцы № 2 и № 3 содержали в своем составе 1 и 10 массовых частей УНТ соответственно. Помимо поверхности изучали и приповерхностные слои образцов, для чего были приготовлены торцевые срезы.

Трибологические испытания были выполнены на трибометре UMT-2, оборудованном низкотемпературной камерой, моделирующей режим эксплуатации эластомеров в реальных условиях. Испытания проводили при контактном давлении до 0.3 МПа, скорости скольжения до 100 мм/с и объемной температуре от –25 до 22°С. Методика испытаний подробно описана в [16]. Ниже приведены результаты, полученные после трибоиспытаний при минимальной температуре.

Поверхностные и приповерхностные слои (на срезах) образцов изучали до и после трибологических испытаний. В исследовании применяли различные методы микроскопии. Морфологию поверхности изучали в растровом электронном микроскопе (РЭМ) FEI Quanta 650 при ускоряющем напряжении 25 кВ и увеличении от 200× до 20 000×. Использовали детекторы вторичных и обратно отраженных электронов. Для определения элементного состава образцов применяли энергодисперсионный рентгеновский анализатор EDAX, входящий в комплектацию микроскопа. Исследуемые образцы являются диэлектриками, поэтому был выбран специальный низковакуумный режим микроскопа. В этом режиме в качестве рабочей среды использовали разреженный водяной пар при давлении 15–20 Па. Отметим, что применение этого режима позволило избежать металлизации поверхности (известно, что при металлизации эластомеров возможно повреждение их поверхности и изменение ее элементного состава).

Морфологию и механические свойств поверхности эластомеров исследовали методом сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) с помощью атомно-силового микроскопа Dimension FastScan (Bruker, США) в режиме PeakForce QNM с использованием стандартных кремниевых кантилеверов типа NSC-11 (производство MicroMash, Эстония) с радиусом кривизны острия зонда 14 нм и жесткостью консоли 8.61 Н/м. Изучали поверхность торцевых срезов (на разной глубине) образцов № 1 и № 2.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Электронная микроскопия

При проведении электронно-микроскопических исследований изображения получали с использованием двух детекторов (вторичных и обратно отраженных электронов). Детекторы работали одновременно, что позволило визуализировать различные особенности топографии поверхности изучаемых объектов. На рис. 1 в качестве примера представлены результаты, полученные для образца № 1. Из рисунка видно, что изображения дают близкую информацию о топографии поверхности. Вместе с тем полученные картины несколько различаются: использование детектора обратно отраженных электронов позволяет сразу же визуализировать различные фазы на поверхности образца. Поэтому далее представлены только результаты исследования, полученные в режиме детектирования обратно отраженных электронов.

Рис. 1.

РЭМ-изображение поверхности области образца № 1 после трибологических испытаний, полученное в режиме детектирования: а – вторичных электронов; б – обратно отраженных электронов.

На рис. 2 приведены РЭМ-изображения поверхности базового образца № 1 до и после испытаний, а также торцевого среза после испытаний. В табл. 1 дан соответствующий элементный состав. Анализ результатов показывает, что исходная поверхность достаточно гладкая, а после испытаний становится более развитой. Также на поверхности после испытаний появились фазы, различающиеся по “цвету” и элементному составу. “Светлые” области близки по составу к исходной поверхности, “темные” сильно отличаются от нее. Это можно объяснить характером взаимодействия с контртелом: поверхность образца неровная и контакт при трении происходит не по всей площади. Светлые области соответствуют минимальному контакту с контртелом, а более темные области являются контактными поверхностями. Из полученных результатов следует, что параметры поверхности эластомеров без УНТ сильно изменяются в процессе трения. Также выявлено перераспределение элементов, происходящее после испытаний. В целом, в результате трибоиспытаний на поверхности увеличивается содержание углерода и кислорода и снижается содержание серы и цинка. Анализ торцевого среза образца позволяет выделить “приповерхностный” слой толщиной около 20 мкм, его состав близок к составу поверхности и заметно отличается от состава в объеме.

Рис. 2.

РЭМ-изображения образца № 1: а – исходная поверхность; б – поверхность после испытаний; в – торцевой срез после испытаний (выделены области элементного анализа).

Таблица 1.  

Химический состав образца № 1

Поверхность Исслед. участки Содержание элементов, мас. %
C N O Mg Al Si S Cl K Ca Ti Zn
Исходная Весь 35.3 8.6 2.8 0.5 0.4 0.1 34.3 1.6 0.3 16.1
После испытаний 1 48.5 5.1 7.3 0.7 0.5 0.2 23.5 2.4 0.1 11.7
2 71.6 2.6 11.2 1.9 1.2 0.3 4.6 3.4 0.3 2.9
Весь 65.1 3.7 12.5 1.5 0.8 0.2 8.1 3.3 0.3 4.5
Срез 1 56.3 0.1 5.7 0.1 0.6 0.1 10.2 13.6 0.2 2.9 0.7 9.5
2 72.6 2.9 12.2 1.3 0.9 0.1 3.4 3.7 0.1 0.3 0.1 2.4
3 76.3 0.6 8.8 0.9 0.8 3.7 5.5 0.1 0.1 0.1 3.1

Результаты исследования образцов, содержащих различное количество УНТ, приведены ниже: на рис. 3 и 4 представлены изображения поверхности (исходной и после трибоиспытаний) и торцевых срезов образцов № 2 и № 3. В табл. 2 и 3 приведен соответствующий элементный состав. Отметим, что у эластомеров, модифицированных УНТ, на поверхности также имеются области, различающиеся на РЭМ-изображениях топографией и “цветом”. Их наличие связано, очевидно, с зонами контакта трущихся поверхностей. Элементные составы этих областей практически не различаются.

Рис. 3.

РЭМ-изображения образца № 2: а – исходная поверхность; б – поверхность после испытаний; в – торцевой срез после испытаний (выделены области элементного анализа).

Рис. 4.

РЭМ-изображения образца № 3: а – исходная поверхность; б – поверхность после испытаний; в – торцевой срез после испытаний (выделены области элементного анализа).

Таблица 2.  

Химический состав образца № 2

Поверхность Исслед. участки Содержание элементов, мас. %
C N O Mg Al Si S Cl K Ca Ti Co Zn
Исходная Весь 36.9 9.8 6.5 1.6 1.1 0.2 25.6 4.7 0.2 0.1 13.3
После испытаний 1 40.5 9.6 7.2 1.0 1.1 0.2 22.6 4.2 0.2 0.1 13.3
2 36.8 9.7 8.9 1.5 1.4 0.3 22.9 5.4 0.1 0.2 12.8
3 35.1 7.7 6.1 0.9 0.8 0.3 29.2 3.3 0.4 0.1 16.1
Весь 41.9 8.9 9.1 1.1 1.1 0.4 20.8 4.2 0.2 0.1 12.2
Срез 1 68.8 0.8 12.1 1.0 0.9 0.1 5.5 5.2 0.1 0.5 0.5 0.1 4.4
2 72.5 1.2 10.5 1.3 0.9 0.1 4.5 5.8 0.1 0.3 0.2 0.1 2.5
3 72.1 1.3 10.3 1.6 1.2 0.1 4.5 5.1 0.1 0.1 0.1 0.1 3.4
Таблица 3.  

Химический состав образца № 3

Поверхность Исслед. участки Содержание элементов, мас. %
C N O Mg Al Si S Cl K Ca Ti Co Zn
Исходная 1 37.8 12.3 4.9 0.5 0.4 0.1 27.7 3.2 0.1 0.1 12.9
2 36.6 14.4 5.4 0.4 0.5 0.2 25.8 3.1 0.9 0.1 12.6
Весь 38.9 12.5 6.1 0.6 0.6 0.1 25.6 3.4 0.1 0.2 11.9
После испытаний 1 32.2 6.5 5.8 0.4 0.3 0.1 36.3 1.7 0.1 0.2 16.4
2 36.9 9.1 8.1 0.9 0.8 0.4 26.4 2.8 0.3 0.2 14.1
3 32.9 6.3 5.5 0.2 0.2 0.1 36.8 1.4 0.1 0.2 16.3
Весь 37.9 9.6 8.5 0.9 0.7 0.4 25.7 2.7 0.2 13.4
Срез 1 75.6 0.3 7.9 0.9 0.9 3.6 5.4 0.1 0.2 0.1 0.3 4.7
2 73.9 2.2 10.3 1.2 1.1 0.1 3.2 4.6 0.1 0.2 0.3 0.2 2.6
3 76.2 2.1 10.1 1.2 1.1 0.1 2.9 3.6 0.1 0.1 0.1 0.1 2.3

Как и в случае образца № 1, исходная поверхность гладкая, а после трибоиспытаний она становится неоднородной. Видно, что добавление даже 1% УНТ существенно модифицирует свойства: химический состав контактной поверхности после испытаний практически не изменился по сравнению с исходной поверхностью. Добавление 10% УНТ несколько трансформирует топографию поверхности – визуально она становится более плотной и гладкой, вместе с тем на ней появляются равномерно распределенные каверны. Следует отметить, что топография и состав поверхности образца, модифицированного 10% УНТ, после испытаний практически не изменился. Анализ среза показывает, что состав приповерхностного слоя практически не отличается от состава в объеме. Значительные изменения происходят лишь в очень тонком “поверхностном” слое, однако оценить эти изменения не удалось из-за его малой толщины – не более нескольких микрометров.

Сравнение среза и поверхности позволяет сделать вывод о большом различии в концентрациях серы и цинка – на поверхности их содержание значительно выше, чем в объеме. Большой интерес представляет содержание углерода: приведенные данные, казалось бы, свидетельствуют о том, что его содержание на поверхности значительно меньше, чем в объеме. Однако здесь необходимо учитывать и присутствие других элементов – серы и цинка, сильное увеличение концентрации которых на поверхности приводит к относительному снижению доли углерода. В целом выводы о концентрации углерода сделать достаточно сложно в силу ряда причин: невозможности точно определить содержание легких элементов методом энергодисперсионного анализа, использования “масляного” насоса и углеродного скотча в РЭМ.

Зондовая микроскопия

Были исследованы поверхности срезов образцов № 1 и № 2 в “приповерхностном” слое (расстояние 10–15 мкм от поверхности трения) и на глубине. Метод атомно-силовой микроскопии (АСМ) позволил, помимо топографии, оценить упругие и адгезионные свойства поверхностей. Полученные АСМ-изображения продемонстрированы на рис. 5 и 6. Численные значения модуля упругости и силы адгезии представлены в табл. 4.

Рис. 5.

АСМ-изображения среза образца № 1 исходного ЭПХГ: а – топография вблизи поверхности; б – топография в объеме; в – модуль упругости вблизи поверхности; г – модуль упругости области в объеме; д – адгезия вблизи поверхности; е – адгезия в объеме.

Рис. 6.

АСМ-изображения среза образца № 2 ЭПХГ, модифицированного 1% УНТ: а – топография вблизи поверхности; б – топография в объеме; в – модуль упругости вблизи поверхности; г – модуль упругости в объеме; д – адгезия вблизи поверхности; е – адгезия в объеме.

Таблица 4.  

Модуль упругости и сила адгезии на поверхности срезов исходного образца ЭПХГ и модифицированного 1% УНТ

  Модуль упругости, МПа
образец у поверхности трения в глубине
1     5.8 33.1
2 82.4 45.1
  Адгезия, нН
образец у поверхности трения в глубине
1 88.5 115.9
2 45.8   54.2

Данные СЗМ свидетельствуют о том, что поверхность на срезе немодифицированного образца имеет более развитый рельеф. Так Ra (параметр шероховатости) образца без УНТ у поверхности составляет 114 нм, на глубине – 119 нм. При добавлении 1% УНТ у поверхности Ra составляет 77.8 нм, а на глубине – 82.6 нм. На изображениях приповерхностного слоя исходного образца ЭПХГ видна текстура, возникающая в результате деформации данной зоны (рис. 5а). В глубине материала текстуры нет, округлые зерна диаметром от 0.2 до 2 мкм выступают из матрицы (рис. 5б). Скоплениям этих выступающих зерен соответствуют на карте модуля упругости более высокие значения (рис. 5в, 5г). Модули упругости не модифицированного образца № 1 у поверхности и на глубине заметно различаются – модуль упругости вблизи поверхности примерно в шесть раз меньше, чем “в объеме” (табл. 4).

Силы адгезии у поверхности и в глубине немодифицированного образца различны: в приповерхностном слое они ниже, что можно объяснить некоторым уплотнением приповерхностного слоя при деформации. Следует учесть, что измерения адгезии на воздухе фактически проводятся в тонком слое воды, адсорбирующейся на исследуемом образце: уменьшение “поверхностной пористости” при уплотнении может снижать количество влаги и влиять на значение определяемой силы адгезии. Распределение “пятен” с повышенными значениями сил адгезии в исходном образце неравномерно и приблизительно одинаково как в приповерхностном слое, так и в глубине материала.

Добавление 1% УНТ к ЭПХГ кардинально меняет его микроструктуру (рис. 6). В отличие от зерен размером от 0.2 до 2 мкм в матрице, весь срез модифицированного образца состоит из однородных зерен диаметром 100 нм (рис. 6а, 6б) – и у поверхности, и в глубине материала. Отличие приповерхностного слоя в том, что под действием деформации образуются крупные блоки из этих зерен (рис. 6б) размером от одного до десятков микрометров. Они обладают повышенными значениями модуля упругости по отношению ко всей поверхности среза. В объеме модифицированного ЭПХГ области с повышенными значениями модуля упругости распределены равномерно, их размер составляет от 100 нм до 1 мкм. Модуль упругости модифицированного образца № 2 у поверхности больше объемного примерно в два раза. На карте адгезионных сил в модифицированном образце (рис. 6д, 6е) видны дисперсные области с повышенными значениями адгезионных сил – размер областей порядка 100 нм, и они распределены равномерно по всему образцу. Отметим, что во внутренней области модифицированного образца они распределены более равномерно. Значения адгезионных сил в приповерхностном слое и в объеме модифицированного образца близки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ полученных результатов позволяет выделить “поверхностный слой” (толщиной 2–3 мкм) и “приповерхностный слой” (15–25 мкм). “Поверхностный слой” четко виден на РЭМ-изображениях, однако из-за его малой толщины провести количественные измерения не удалось. Методом РЭМ и СЗМ изучали “приповерхностный слой” срезов. Установлено, что “приповерхностный слой” образца № 1 (без УНТ) значительно отличается от объема – он деформируется, и в нем происходит перераспределение элементов. У эластомеров, модифицированных УНТ (образцы № 2 и № 3), сильно изменен лишь тонкий “поверхностный слой”, а элементный состав “приповерхностного слоя” приближен к составу в объеме. Малые добавки (1% УНТ) заметно изменяет свойства эластомера. Изменяется как объем, так и (в большей степени) поверхность. Очевидно, что введение УНТ приводит к структурированию эластомерной основы. Можно сделать вывод о том, что введение УНТ в эластомер стабилизирует его состав (испытания изменяют химический состав только на поверхности, мало затрагивая приповерхностные слои).

Список литературы

  1. Говорова О.А., Вишницкий А.С., Чубарова А.С., Морозов Ю.Л. // Каучук и резина. 1999. № 2. С. 18.

  2. Портнягина В.В., Петрова Н.Н., Заровняев Б.Н. // Горный информационно-аналитический бюлл. (науч.-тех. журн). 2014. № 9. С. 371.

  3. Румянцева А.В., Клочков В.И., Курлянд С.К., Хвостик Г.М. // Молодой ученый. 2014. № 14.1. С. 39.

  4. Ефимов В.А., Шведкова А.К., Коренькова Т.Г., Кириллов В.Н. // Тр. ВИАМ. 2013. № 1. С. 5.

  5. Елисеев О.А., Чайкун А.М., Бузник В.М. и др. // Перспективные материалы. 2015. № 11. С. 5.

  6. Петрова Н.Н., Попова А.Ф., Федотова Е.С. // Каучук и резина. 2002. № 3. С. 6.

  7. Жданок С.А., Свириденок А.И., Игнатовский М.И. и др. // Инж.-физ. журн. 2010. Т. 83. № 1. С. 3. https://doi.org/10.1007/s10891-010-0312-8

  8. Портнягина В.В., Петрова Н.Н. // Каучук и резина. 2014. № 6. С. 40.

  9. Морозов А.В., Петрова Н.Н. // Трение и износ. 2016. Т. 37. № 2. С. 162.

  10. Морозов А.В., Муравьева Т.И., Петрова Н.Н. и др. // Каучук и резина. 2015. № 6. С. 24.

  11. Горячева И.Г., Маховская Ю.Ю., Морозов А.В., Степанов Ф.И. Трение эластомеров: модулирование и эксперимент. Ижевск: Ижевский институт компьютерных исследований, 2017. 204 с.

  12. Sukhanova T.E., Kuznetsova T.A., Lapitskaya V.A. et al. Characterization of Multiblock (Segmented) Copolyurethane-Imides and Nanocomposites Based Thereof Using AFM, Nanotribology, and Nanoindentation Methods // Atomic Force Microscopy and Its Applications, 2018. https://doi.org/10.5772/intechopen.78625

  13. Lapitskaya V.A, Kuznetsova T.A., Chizhik S.A. et al. // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Engin. 2018. V. 443. P. 012019. https://doi.org/10.1088/1757-899X/443/1/012019

  14. Kuznetsova T.A., Zubar T.I., Lapitskaya V.A. et al. // IOP Conf. Ser.: Mater Sci. Engin. 2017. V. 256. P. 012022. https://doi.org/10.1088/1757-899X/256/1/012022

  15. Shcherbakova O.O., Muravyeva T.I., Gainutdinov R.V. et al. // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Engin. 2018. V. 443. P. 012030. https://doi.org/10.1088/1757-899X/443/1/012030

  16. Столярова О.О., Муравьёва Т.И., Гайнутдинов Р.В. и др. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2016. № 9. С. 46. https://doi.org/10.1134/S1027451016050141

Дополнительные материалы отсутствуют.