DOI: https://doi.org/10.32515/2664-262X.2025.11(42).260-267
Justification of the Composition of a Polymer Composite Material for Structural Purposes for Tribocouplings of Agricultural Machinery
About the Authors
Oleksii Derkach, Associate Professor, PhD in Technical Sciences (Candidate of Technical Sciences), Head of the Department of Machine and Tractor Park Operation, Dnipro state agrarian and economic university, Dnipro, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5537-8022, e-mail: addsau@gmail.com
Dmytro Makarenko, Associate Professor, PhD (Candidate of Technical Sciences), Associate Professor of the Department of Machine and Tractor Park Operation, Dnipro state agrarian and economic university, Dnipro, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3166-6249, e-mail: flymakd@gmail.com
Yevhen Muranov, Assistant lecturer of the Department of Operation of Machine and Tractor Park, Dnipro State Agrarian and Economic University, Dnipro, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9148-217X, e-mail: muranov.ye.s@dsau.dp.ua
Valerii Sukacho, Head of the Educational and Scientific Laboratory of the Department of Operation of Machine and Tractor Park, Dnipro state agrarian and economic university, Dnipro, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0009-0000-1524-3222, e-mail: sukachov.v.v@gmail.com
Olena Bereza, Professor, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor of the department of higher mathematics, physics and general engineering courses, Dnipro State Agrarian and Economic University, Dnipro, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9848-9737, e-mail: bereza.o.yu@dsau.dp.ua
Abstract
The purpose of the work is to substantiate the optimal composition of polymer-composite materials for use in tribocouplers of agricultural machinery.
The study was conducted on the influence of fillers on the physical and mechanical characteristics of a polymer composite material based on polyamide 6. It was found that an increase in the carbon fiber content in the PCM leads to an increase in the yield strength of the resulting composite. At the same time, an increase in the carbon fiber concentration from 15 wt. % to 20 wt. % causes a slight increase in the studied indicator. An increase in the carbon fiber concentration to 30 wt. % allows obtaining a material with a significantly higher yield strength - 86.5 MPa. An increase in the content of BBs in the matrix of the polymer material also leads to an increase in the impact strength. In the case of an increase in the concentration from 15 wt. % to 20 wt. %, the impact strength increases by 8.3%. For the VPA-6-30 material, with a BB content of 30 wt. %, the impact strength increases by 13%, compared to the VPA-6-20 material. It was established that the material VPA-6-15 has the highest relative abrasive wear resistance. Slightly lower values of the indicated studied indicator were recorded in the PCM VPA-6-20 – 0.759. The introduction of silicone lubricant into the PCM contributes to an increase in impact strength, compared to the original material, with a slight decrease in its yield strength.
Increasing the concentration of carbon fiber by half from 15 wt. % to 30 wt. % does not significantly affect the yield strength (it increases by only 6.6 %) of the polymer composite material based on polyamide 6, while the impact strength increases by 15 %. It was determined that the highest wear resistance, among the studied materials, is polyamide 6 filled with 15 wt. % carbon fiber. It has been established that the addition of silicone lubricant to a polymer composite material contributes to a significant increase in its impact strength, with a slight decrease in the yield strength, compared to the original material. The effect of this filler on the moisture absorption of the PCM is insignificant.
Keywords
polymer composite material, carbon fibers, strength characteristics, impact strength, wear resistance
Full Text:
PDF
References
1. Fengxia, D., Guoliang, Н., Fengxiang C. et al. (2016). The lubricity and reinforcement of carbon fibers in polyimide at high temperatures. Tribology International, 101, 291-300.
2. Kobets, A.S., Derkach, O.D., Chyhvintseva, O.P. et al. (2022). Application of polymer composites in the agricultural industry. Dnipro: Zhurfond [in Ukrainian]
3. Kabat, O., Sytar, V., Sukhyy, K. (2018). Antifrictional polymer composites based on aromatic polyamide and carbon black. Chemistry & chemical technology, Vol. 12, 3, 326-330. https://doi.org/10.23939/chcht12.03.326
4. Aulin, V.V., Hrynkiv, A.V., Lysenko, S.V., Livitskyi, O.M. & Babii A.V. (2022). Regularities of the influence of high-modulus fillers on the distribution of stress fields in the surface layers of machine parts made of polymer composite materials. Tsentralnoukrainskyi naukovyi visnyk. Tekhnichni nauky, 5(36) І, 55-70 [in Ukrainian].
5. Holotenko, S.M. (2005). The influence of the complex action of heterogeneously dispersed fillers and external force fields on the performance characteristics of epoxy composites. Visnyk TDTU, 10 (2), 35-39 [in Ukrainian].
6. Pidkovynska, U.V., Savchenko, V.O. (2024). The influence of fillers on the structure and properties of the polymer matrix. Novi materialy i tekhnolohii v metalurhii ta mashynobuduvanni, 1, 24-30. DOI 10.15588/1607-6885-2024-1-4 [in Ukrainian].
7. Kabat, O. S., Dusheyko, M.V. (2017). Polymer composite materials of special purpose based on fluoroplastics. Tekhnolohichni systemy, 4(81), 63-67. https://doi.org/10.29010/081.8 [in Ukrainian].
8. Wang, A.H., Xia, J., Yang, Z.X., Xiong, D.H. (2019). A novel assembly of MoS2-PTFE solid lubricants into wear-resistant micro-hole array template and corresponding tribological performance. Optics & Laser Technology, 116, 171-179. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.03.033
9. Bratychak, M.M., Krasinskyi, V.V., Chopyk, N.V., Zemke, V.M. (2022). Thermomechanical properties of polyamide-6-based compositions obtained from solution. Chemistry, Technology and Application of Substances, 5 (1), 193-198. https://doi.org/10.23939/ctas2022.01.193 [in Ukrainian].
10. Lazarenko, O.A., Vovchenko, L.L., Ovsiienko, I.V. & Matsui, L.Iu. (2018). Nanocarbon-metal polymer composites: structure and electrical properties. Vinnytsia: TOV «Tvory» [in Ukrainian].
11. Fakoori, E, Karami, H. (2018). Preparation and characterization of ZnO-PP nanocomposite fibers and non-woven fabrics. The Journal of The Textile Institute, 109 (9), 1152-1158.
12. Naumenko, M.M., Makarenko, D.O., Huridova, V.O., Krutous, D.I. (2021). Mathematical model of the interaction of the seeding complex coulter with the soil under difficult operating conditions. Matematychne modeliuvannia, 1 (44), 55-61. https://doi.org/10.31319/2519-8106.1(44)2021.235926 [in Ukrainian].
13. Makarenko, D.O., Derkach, O.D., Hrynkiv, A.V. et al. (2022). Development of composite elements for maintenance-free moving joints of machines and mechanisms. Dnipro: Zhurfond [in Ukrainian].
Citations
1. Fengxia, D., Guoliang Н., Fengxiang C. and oth. The lubricity and reinforcement of carbon fibers in polyimide at high temperatures. Tribology International. 2016. Vol 101. P. 291-300.
2. Застосування полімерних композитів в АПК: монографія / А. С. Кобець та ін. Дніпро: Журфонд, 2022. 356 с.
3. Kabat O. S., Sytar V. I, Sukhyy K. M. Antifrictional polymer composites based on aromatic polyamide and carbon black. Chemistry & chemical technology. 2018. Vol. 12, № 3. P. 326-330. https://doi.org/10.23939/chcht12.03.326.
4. Аулін В. В., Гриньків А. В., Лисенко С. В., Лівіцький О. М., Бабій А. В. Закономірності впливу високомодульних наповнювачів на розподіл полів напружень в поверхневих шарах деталей машин, виготовлених з полімерних композитних матеріалів. Центральноукраїнський науковий вісник. Технічні науки. 2022. Вип. 5(36)_І. С. 55-70.
5. Голотенко С. М. Вплив комплексної дії різнодисперсних наповнювачів та зовнішніх силових полів на експлуатаційні характеристики епоксикомпозитів. Вісник ТДТУ. 2005. № 2, т. 10. С. 35-39.
6. Підковинська У. В., Савченко В. О. Вплив наповнювачів на структуру та властивості полімерної матриці. Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. 2024. № 1. С. 24-30. https://doi.org/10.15588/1607-6885-2024-1-4.
7. Кабат О.С., Душейко М.В. Полімерні композиційні матеріали спеціального призначення на основі фторопласту. Технологічні системи. 2017. №81/4. С. 63-67. dx.doi.org/10.29010/081.8.
8. Wang A. H., Xia J., Yang Z. X., Xiong D.H. A novel assembly of MoS2-PTFE solid lubricants into wear-resistant micro-hole array template and corresponding tribological performance. Optics & Laser Technology. 2019. Vol. 116. Р.171-179. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.03.033.
9. Братичак М. М., Красінський В. В., Чопик Н. В., Земке В. М. Термомеханічні властивості композицій на основі поліаміду-6, одержаних з розчину. Chemistry, Technology and Application of Substances. 2022. № 1, т. 5. С. 193-198. https://doi.org/10.23939/ctas2022.01.193
10. Полімерні композити нановуглець – метал: структура і електричні властивості: наук. монографія / Лазаренко О. А., Вовченко Л. Л., Овсієнко І. В., Мацуй Л. Ю. Вінниця : ТВОРИ, 2018. 200 c.
11. Fakoori E, Karami H. Preparation and characterization of ZnO-PP nanocomposite fibers and non-woven fabrics. The Journal of The Textile Institute. 2018; Vol. 109, № 9. P. 1152-1158. https://doi.org/10.1080/00405000.2017.1417681.
12. Науменко М. М., Макаренко Д. О., Гурідова В. О., Крутоус Д. І. Математична модель взаємодії сошника посівного комплексу з ґрунтом за ускладнених умов його експлуатації. Математичне моделювання. 2021. № 1 (44). С. 55-61. https://doi.org/10.31319/2519-8106.1(44)2021.235926.
13. Розробка композитних елементів необслуговуємих рухомих з'єднань машин і механізмів: монографія / Д. О. Макаренко та ін. Дніпро: Журфонд, 2022. 148 с.
Copyright (c) 2025 Oleksii Derkach, Dmytro Makarenko, Yevhen Muranov, Valerii Sukachov, Olena Bereza
Justification of the Composition of a Polymer Composite Material for Structural Purposes for Tribocouplings of Agricultural Machinery
About the Authors
Oleksii Derkach, Associate Professor, PhD in Technical Sciences (Candidate of Technical Sciences), Head of the Department of Machine and Tractor Park Operation, Dnipro state agrarian and economic university, Dnipro, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5537-8022, e-mail: addsau@gmail.com
Dmytro Makarenko, Associate Professor, PhD (Candidate of Technical Sciences), Associate Professor of the Department of Machine and Tractor Park Operation, Dnipro state agrarian and economic university, Dnipro, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3166-6249, e-mail: flymakd@gmail.com
Yevhen Muranov, Assistant lecturer of the Department of Operation of Machine and Tractor Park, Dnipro State Agrarian and Economic University, Dnipro, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9148-217X, e-mail: muranov.ye.s@dsau.dp.ua
Valerii Sukacho, Head of the Educational and Scientific Laboratory of the Department of Operation of Machine and Tractor Park, Dnipro state agrarian and economic university, Dnipro, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0009-0000-1524-3222, e-mail: sukachov.v.v@gmail.com
Olena Bereza, Professor, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor of the department of higher mathematics, physics and general engineering courses, Dnipro State Agrarian and Economic University, Dnipro, Ukraine, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9848-9737, e-mail: bereza.o.yu@dsau.dp.ua
Abstract
Keywords
Full Text:
PDFReferences
1. Fengxia, D., Guoliang, Н., Fengxiang C. et al. (2016). The lubricity and reinforcement of carbon fibers in polyimide at high temperatures. Tribology International, 101, 291-300.
2. Kobets, A.S., Derkach, O.D., Chyhvintseva, O.P. et al. (2022). Application of polymer composites in the agricultural industry. Dnipro: Zhurfond [in Ukrainian]
3. Kabat, O., Sytar, V., Sukhyy, K. (2018). Antifrictional polymer composites based on aromatic polyamide and carbon black. Chemistry & chemical technology, Vol. 12, 3, 326-330. https://doi.org/10.23939/chcht12.03.326
4. Aulin, V.V., Hrynkiv, A.V., Lysenko, S.V., Livitskyi, O.M. & Babii A.V. (2022). Regularities of the influence of high-modulus fillers on the distribution of stress fields in the surface layers of machine parts made of polymer composite materials. Tsentralnoukrainskyi naukovyi visnyk. Tekhnichni nauky, 5(36) І, 55-70 [in Ukrainian].
5. Holotenko, S.M. (2005). The influence of the complex action of heterogeneously dispersed fillers and external force fields on the performance characteristics of epoxy composites. Visnyk TDTU, 10 (2), 35-39 [in Ukrainian].
6. Pidkovynska, U.V., Savchenko, V.O. (2024). The influence of fillers on the structure and properties of the polymer matrix. Novi materialy i tekhnolohii v metalurhii ta mashynobuduvanni, 1, 24-30. DOI 10.15588/1607-6885-2024-1-4 [in Ukrainian].
7. Kabat, O. S., Dusheyko, M.V. (2017). Polymer composite materials of special purpose based on fluoroplastics. Tekhnolohichni systemy, 4(81), 63-67. https://doi.org/10.29010/081.8 [in Ukrainian].
8. Wang, A.H., Xia, J., Yang, Z.X., Xiong, D.H. (2019). A novel assembly of MoS2-PTFE solid lubricants into wear-resistant micro-hole array template and corresponding tribological performance. Optics & Laser Technology, 116, 171-179. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.03.033
9. Bratychak, M.M., Krasinskyi, V.V., Chopyk, N.V., Zemke, V.M. (2022). Thermomechanical properties of polyamide-6-based compositions obtained from solution. Chemistry, Technology and Application of Substances, 5 (1), 193-198. https://doi.org/10.23939/ctas2022.01.193 [in Ukrainian].
10. Lazarenko, O.A., Vovchenko, L.L., Ovsiienko, I.V. & Matsui, L.Iu. (2018). Nanocarbon-metal polymer composites: structure and electrical properties. Vinnytsia: TOV «Tvory» [in Ukrainian].
11. Fakoori, E, Karami, H. (2018). Preparation and characterization of ZnO-PP nanocomposite fibers and non-woven fabrics. The Journal of The Textile Institute, 109 (9), 1152-1158.
12. Naumenko, M.M., Makarenko, D.O., Huridova, V.O., Krutous, D.I. (2021). Mathematical model of the interaction of the seeding complex coulter with the soil under difficult operating conditions. Matematychne modeliuvannia, 1 (44), 55-61. https://doi.org/10.31319/2519-8106.1(44)2021.235926 [in Ukrainian].
13. Makarenko, D.O., Derkach, O.D., Hrynkiv, A.V. et al. (2022). Development of composite elements for maintenance-free moving joints of machines and mechanisms. Dnipro: Zhurfond [in Ukrainian].
Citations
1. Fengxia, D., Guoliang Н., Fengxiang C. and oth. The lubricity and reinforcement of carbon fibers in polyimide at high temperatures. Tribology International. 2016. Vol 101. P. 291-300.
2. Застосування полімерних композитів в АПК: монографія / А. С. Кобець та ін. Дніпро: Журфонд, 2022. 356 с.
3. Kabat O. S., Sytar V. I, Sukhyy K. M. Antifrictional polymer composites based on aromatic polyamide and carbon black. Chemistry & chemical technology. 2018. Vol. 12, № 3. P. 326-330. https://doi.org/10.23939/chcht12.03.326.
4. Аулін В. В., Гриньків А. В., Лисенко С. В., Лівіцький О. М., Бабій А. В. Закономірності впливу високомодульних наповнювачів на розподіл полів напружень в поверхневих шарах деталей машин, виготовлених з полімерних композитних матеріалів. Центральноукраїнський науковий вісник. Технічні науки. 2022. Вип. 5(36)_І. С. 55-70.
5. Голотенко С. М. Вплив комплексної дії різнодисперсних наповнювачів та зовнішніх силових полів на експлуатаційні характеристики епоксикомпозитів. Вісник ТДТУ. 2005. № 2, т. 10. С. 35-39.
6. Підковинська У. В., Савченко В. О. Вплив наповнювачів на структуру та властивості полімерної матриці. Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. 2024. № 1. С. 24-30. https://doi.org/10.15588/1607-6885-2024-1-4.
7. Кабат О.С., Душейко М.В. Полімерні композиційні матеріали спеціального призначення на основі фторопласту. Технологічні системи. 2017. №81/4. С. 63-67. dx.doi.org/10.29010/081.8.
8. Wang A. H., Xia J., Yang Z. X., Xiong D.H. A novel assembly of MoS2-PTFE solid lubricants into wear-resistant micro-hole array template and corresponding tribological performance. Optics & Laser Technology. 2019. Vol. 116. Р.171-179. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.03.033.
9. Братичак М. М., Красінський В. В., Чопик Н. В., Земке В. М. Термомеханічні властивості композицій на основі поліаміду-6, одержаних з розчину. Chemistry, Technology and Application of Substances. 2022. № 1, т. 5. С. 193-198. https://doi.org/10.23939/ctas2022.01.193
10. Полімерні композити нановуглець – метал: структура і електричні властивості: наук. монографія / Лазаренко О. А., Вовченко Л. Л., Овсієнко І. В., Мацуй Л. Ю. Вінниця : ТВОРИ, 2018. 200 c.
11. Fakoori E, Karami H. Preparation and characterization of ZnO-PP nanocomposite fibers and non-woven fabrics. The Journal of The Textile Institute. 2018; Vol. 109, № 9. P. 1152-1158. https://doi.org/10.1080/00405000.2017.1417681.
12. Науменко М. М., Макаренко Д. О., Гурідова В. О., Крутоус Д. І. Математична модель взаємодії сошника посівного комплексу з ґрунтом за ускладнених умов його експлуатації. Математичне моделювання. 2021. № 1 (44). С. 55-61. https://doi.org/10.31319/2519-8106.1(44)2021.235926.
13. Розробка композитних елементів необслуговуємих рухомих з'єднань машин і механізмів: монографія / Д. О. Макаренко та ін. Дніпро: Журфонд, 2022. 148 с.