книги / Трение и износ наполненных полимерных материалов

является истирание, в котором наполнители играют главную роль.

Чистые поверхности ненаполненных полимеров практически не причиняют механических повреждений металлическим по­ верхностям в период скольжения. Истирание поверхности контртела полимерными композициями поэтому прямым обра­ зом приписывается или наполнителям, или наличию подкрепи­ телей, или же загрязнению абразивными частицами среды [87, 88, 106]. Наполнители, которые увеличивают шероховатость поверхности контртела, приводят к увеличению значений износа, и это наблюдается иногда на практике, когда наполненные стеклом полимеры трутся об мягкие металлические контртела, такие, как сплавы алюминия, бронза или титан. В этих случаях

зионного износа. Относительная твердость наполнителя и контртела может, таким образом, быть важным фактором при проектировании узлов сухого трения. Углеволокна и графиты, которые широко применяются в качестве наполнителей термо­ реактивных пластмасс, являются мягкими абразивами к метал­ лам и неизбежно содержат наибольшее количество примесей. Степень абразивности уменьшается с увеличением содержания графита [90], который переносится на металлическую поверх­ ность и предотвращает металл от повреждений. Пленка перено­

сказывается как на величине, так и на механизме износа. Увели­ чение шероховатостей твердой поверхности при износе жестких полимерных материалов приводит к появлению продольных борозд пропахивания и к абразивному механизму износа. В ряде случаев наблюдается смешанный характер износа [5]. Оценить долю того или иного вида износа можно исходя из природы полимера и геометрии поверхности [50].

Мягкие эластичные полимерные матрицы обладают извест­ ной долей усталостного износа и при истирании по абразивной ■шкурке. Жесткие и хрупкие полимеры даже при трении по глад­ ким поверхностям истираются абразивно. Пластики с развитой

жесткие полимеры изнашиваются по всем поверхностям в основ­ ном абразивно.

Характер износа может быть оценен по рисунку истирания [5]: усталостный и фрикционный износы дают поперечные поло- ■сы, абразивный износ — продольные полосы истирания.

- 5 1

Если износ К—Кпрод+Упоп (где У«роЯ, V„,,n — износ с обра­

зованием продольных и поперечных полос соответственно), то, согласно экспериментальным данным, он зависит от давления

оценка характера износа может быть лишь качественной и под­ тверждают это также тем фактом, что согласно приведенным выражениям равенство V — constZ b% является чисто эмпириче­

ским уравнением, не имеющим строгого физического смысла. Это выражение устанавливает связь между показателями уста­

наполнителей и подкрепляющих веществ на поверхностях твер* дых тел и в связи с этим рассмотрим поведение композиционных материалов.

В своих исследованиях в этой области Ланкастер [105] дает общую картину влияния истирания контртела с помощью волок­ нистых подкрепителей на величину износа полимерных компо­ зиций. На рис. 12, а показана зависимость объемного износа от

времени для ПТФЭ, содержащего углеволокна типа I и II, сколь­ зящего по незакаленной стальной поверхности с тремя разными, начальными шероховатостями. Испытания проводились на машине типа палец — диск. Углеволокна типа I термообработаиы при 2500° С и являются в некоторой степени графотически­ ми, а типа II — при 1500° С и полностью не графитические [95]. Композиции с волокном типа I образуют пленку переноса на поверхности коитртела, но, несмотря на это, все же имеет место­ значительное возрастание износа с увеличением шероховатости поверхности материала. Волокна типа II являются мягкими абразивами, и они больше шлифуют поверхность контртела, чем образуют пленку переноса. Следовательно, величина износа не зависит от начальной шероховатости поверхности контртела. Дальнейшие эксперименты Ланкастера с этими же двумя компо­ зициями при их трении по различным металлическим поверхно­ стям примерно с одинаковой начальной шероховатостью пока­ зали подобную дихотомию в поведении волокнистых подкрепи­ телей двух типов (рис. 12,6). Существует значительная вариация значений износа композиции с волокном типа I, объясняющаяся качеством развиваемой пленки переноса, тогда как значения износа композиций с волокном типа II изменяются; сравнительно мало.

42

Различия между композициями с абразивными и иеабразпвнымн наполнителями представляются даже более ощутимыми при трении во влажных условиях, когда пленки переноса трудно формируются или же не формируются вообще [107]. На рис. 13, а. кривые 1 и 2 показывают установившуюся интенсивность износа

композиций на основе эпоксидной смолы, содержащей углеволокна типов I и II соответственно, в период скольжения по нержавеющей стали в воде. При трении по твердым гладким поверхностям наблюдается небольшое различие между интен­ сивностями износа для двух композиций, но оно возрастает (до 100 раз) при более грубых поверхностях контртела. Нержавею­ щая сталь фактически не подвергается воздействию композиций

сволокном типа I, в то время как она полируется композициями

сволокном типа II. В последнем случае поэтому значения установившегося износа почти не зависят от первоначальной шероховатости поверхности. Доказательством того, что низкая интенсивность износа композиции с волокном типа II целиком является последствием истирающего воздействия волокон на поверхность контртела, служит кривая 3 на рис. 13, а. Здесь

контртелом служила твердая хромовая пластинка, способная значительно истираться волокном типа II. Изменение значений износа в зависимости от поверхности шероховатости в этом слу­

добавки 0,1% частиц А1г03 диаметром 3 мкм в эпоксид-углево- локно типа I. Различие между интенсивностями износа при тре­ нии в воде без добавления абразивов (7) и с их добавлением (2) доходит до 400 раз. Линия 3 показывает интенсивность износа

композиций без абразивов, но при трении по следу, произведен­ ному на поверхности нержавеющей стали композицией, содер­ жащей абразивы. Ясно, что такое резкое понижение интенсив­ ности износа целиком относится к полированию поверхности металлического элемента пары трения.

При использовании абразивных наполнителей или подкреп­ ляющих веществ следует принимать во внимание лимитирующее значение износа (истирания) металлического элемента, а также упругие свойства матрицы композиции. Податливость материала во многом сказывается на работе узла трения при смазке с абразивом. Это хорошо показано в работах Альшица [4]. Испытания проводились для резин на машине «МИ» при смазке водой с абразивом (р = 15 кгс/см2; и = 4 м/сек). Во всех,

случаях при смазке чистой водой износ контртела был ничтож­ ным и находился в пределах ошибок измерения. Износ резины составлял от 17 до 155 мкм. При добавлении в воду 10% абра­

зива (шлифовальный порошок № 280) износ контртела увелн-

44

Глава III

ТРЕНИЕ И ИЗНОС ПОЛИЭТИЛЕНА. ВОЗДЕЙСТВИЕ ОКИСЕЙ СВИНЦА И МЕДИ КАК НАПОЛНИТЕЛЕЙ

В этой главе приведен сравнительный анализ процессов трения и износа полиэтиленов низкого и высокого давления с наполнителями (окиси свинца и меди) и без них. Исследовано влияние скорости скольжения, нагрузки, шероховатости поверх­ ностей, поверхностной температуры трения и природы материалов.

Приведены рекомендации по воздействию указанных напол­ нителей на износостойкость.

В определенных условиях наличие наполнителей значительно уменьшает износ ПВД. В то же время они практически не влияют на величину коэффициента трения. Для ПВД не наблю­ дается такого же значительного уменьшения величины износа. Увеличение износостойкости ПВД наблюдается при высоких скоростях скольжения и относительно гладких поверхностях трения металлического элемента.

§ 1. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА НАПОЛНИТЕЛЯ

Пулей и Тейбор [122] объяснили аномалию фрикционных и износных свойств ПТФЭ и ПВД гладкостью молекулярного профиля этих полимеров.

Главным фактором, который отличает ПТФЭ и ПВД от «нормальных» полимеров, таких, как ПНД, поливинилхлорид и полипропилен, является вид переноса полимера в период сколь­ жения. Когда «нормальный» полимер трется о чистую и гладкую твердую поверхность, то перенос охватывает нижние слои полимера. Обычно пленка переноса состоит из больших, относи­

с критическим напряжением среза объема самого полимера. Однако поведение ПТФЭ и ПВД значительно отличается. Про­ цесс скольжения сопутствует ориентации молекул полимера с их

46

главными осями в направлении скольжения. Этот процесс способствует переносу очень тонкой, высоко ориентированной однородной пленки полимера на твердую поверхность. Пленки обычно имеют толщину от 2,0 до 10,0 нм с наибольшими части­ цами полимера толщиной от 50 до 500 нм и до 20 мкм шириной, которые покрывают определенные участки пленки. Эти вырван­ ные из полимера частицы составляют до 10% от общей площади пленки. Продолжительное скольжение полимера над этим слоем не вызывает дальнейший перенос, и трение является фактически внутренним, так как две высокоориентированные пленки движутся друг над другом. Сопротивление сдвигу (сре­ зу) пленок на поверхности трения зависит от силы, необходимой для вырывания частиц ориентированного полимера из трущегося материала. Это сопротивление меньше примерно на порядок,

циента трения ПТФЭ и ПВД. Так, например, при относительно легких режимах (малые скорости скольжения и нагрузки) ПТФЭ и ПВД показывают низкие фрикционные и нзносные характеристики по сравнению с «нормальными» полимерами. Однако найдено, что при тяжелых режимах трения износ ПТФЭ

иПВД больше, чем у других полимеров. Например, Танака [136] оценил величину износа ПТФЭ и ПВД в 100 раз выше, чем ПНД

ипропилена. Это различие объясняется тем, что высокоориенти­ рованная пленка переноса ПТФЭ образует поверхность с низким коэффициентом трения, когда она граничит с поверхностью подобной ориентации, и не так крепко прилипает к основной массе, как более крупные частицы, образованные «нормальны­

и образуются пленки переноса, что приводит к сравнительно большому износу.

С этой точки зрения, если удастся увеличить адгезию между пленкой переноса и основной массой, не нарушая в то же время гладкий молекулярный профиль полимера, то ПТФЭ и ПВД могли бы иметь характеристику низкого трения и износа даже при высоких скоростях и давлениях. Могут быть предусмотрены различные методы для увеличения адгезии. К сожалению, боль­ шинство этих мероприятий отрицательно влияет на характери­ стики низкого трения полимера. Например, химическая моди­ фикация полимера или увеличение шероховатости поверхности контртела быстро препятствуют процессу ориентированного переноса и увеличивают трение. Многообещающим является использование определенных наполнителей. Эти наполнители незначительно модифицируют химическую или физическую структуру полимера, но сильно взаимодействуют с его основной массой. Можно предположить, что пленка держится с помощью комбинации химической связи между пленкой и основной

47

массой, а также физической или механической связи между полимером и пленкой. Такой подход был эмпирическим путем детально изучен Праттом [125] для различных наполненных композиций ПТФЭ при трении о сталь.

Самыми важными коммерческими композициями в Англии являются те, которые содержат оловянистую бронзу и красный свинец (РЬз04). Пратт показал, что активными органическими составными частями в этих композициях являются окись меди (СиО) и моноксид свинца (РЬО). Относительное содержание наполнителя является важным и зависит от того, при каких условиях материал работает — при сухом или жидкостном трении. В условиях сухого трения типичными оптимальными композициями являются: примерно 2,5 об. % бронзы, 37,5 об. % РЬ30 4, 60 об. % ПТФЭ (примерно 2, 78 и 20 вес. %).

Ханфорд и Джойс [92] считают, что слабая интермолекуляр­ ная адгезия ПТФЭ является результатом экранирования углеродных решеток атомами фтора, что приводит к ослаблению дипольного притяжения между молекулами. Полиэтилен имеет структуру, очень схожую со структурой ПТФЭ, хотя дипольное экранирование атомами водорода будет меньше, чем атомами фтора. Поэтому можно ожидать, что характеристики сухого

на его основе изучены мало, но данные, приведенные в табл. 5 [124], показывают, что полиэтилен реагирует на добавку бронзы и свинца таким же образом, как и ПТФЭ. И на самом деле, композиция бронза — свинец — полиэтилен при трении со сталь­ ным контртелом при водяном охлаждении обладает чуть мень­

полипропилена, найлона и поликарбоната. Характерно, что чем

Таблица 5

48

больше молекула полимеров отклоняется от простой структу­ ры —CF2— или —СНг—, тем ниже становится износостойкость полимерной композиции со свинцом и бронзой в качестве напол­ нителей. Это значит, что полимерная пленка плохо прилипает к поверхности контртела или же в случае хорошего прилипания адгезионная составляющая трения между пленкой и компози­ цией достигает значительных величин. Во всех случаях, конечно, износостойкость наполненных полимерных композиций намного выше, чем та же для «чистых» полимеров.

По аналогии со случаем ПТФЭ нами выбраны СиО и РЬ30 4 как неорганические наполнители для ПВД, которые, вероятно, образовали «активные» компоненты в композициях ПТФЭ. Пря­ мое включение РЬО в полимер невозможно, так как этот мате­ риал вызывает значительную деградацию полимера при повы­ шенных температурах, требуемых в период горячего прессова­ ния композиции. Предварительные исследования показали, что лучшей композицией для наполненного ПВД является 5% СиО, 35% РЬ30 4 и 60% полимера по весу. Приведенные ниже данные главным образом относятся к этой композиции. Указанные на­ полнители сильно уменьшают износ ПВД при определенных ус­ ловиях нагружения, скорости скольжения, шероховатости контр­ тела и температуры. Они не вызывают никаких постоянных химических или механических изменений в полимере. И наконец, были изучены изменения в механизме износа вследствие воздей­ ствия наполнителей. Были также изучены свойства других ком­ позиций, основанных на ПВД и ПНД, для того, чтобы сравнить их с необычным сочетанием: материалы ПВД — окись свинца (РЬзОД — окись меди (СиО).

§ 2. МАТЕРИАЛЫ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Образцы изготовлялись в виде цилиндриков диаметром 6 мм путем смешивания полимера и наполнителей в мешалке, а потом горячего прессования смеси при 150° С и 200 кгс/см2 в течение 2 мин с последующим быстрым охлаждением до комнатной тем­

пературы. Использовались полимеры: ПНД (ICIWNC-71) и ПВД (В. Р. «Маг1ех»-6001) с диаметром частиц около 300 мкм. Частицы РЬ30 4 и СиО были диаметром 0,1—5,0 мкм. Микрофо­ тографии частиц ПВД и окисей меди и свинца приведены на рис. 14. Порошки полимера и наполнителя смешивались с длин­ ноцепным насыщенным углеводородом на поверхности чистого стекла, основательно разглаживались с помощью другого такого же стекла для отделения частиц порошка друг от друга и потом фотографировались на микроскопе.

Из порошка полимера приготавливалась водная суспензия полиэтилена, а из порошков наполнителей — суспензия в ацето­ не. При сливании суспензий происходит их совместная коагуля-

49