CC BY
15
УДК 539.53:678.84
А.Е. Сорокин \ A.B. Наумкин2, Л.Ф. Клабукова3, А.П. Краснов2
1 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие «Всероссийский Институт Авиационных Материалов». Москва, Россия
105005, Москва, ул. Радио, д. 17
2 Федеральное Государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН, Москва, Россия
119991, ГСП-1, Москва, В-334, ул. Вавилова, д.28
3 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9
* e-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ КОНТРТЕЛА ПРИ ТРЕНИИ О ПОЛИАРИЛАТНЫЕ КОМПОЗИЦИИ
Проведено исследование поверхности контртела после трения о полиарилатные композиции. Установлено, что свойства и строение поверхности контртела после трения зависят от гибкости полимерной цепи. Сформированные на контртеле сложные металло-полимерные системы определяются соотношением компонентов в композиции. Это создает возможности регулирования трибологических свойств полимерных композиций.
Ключевые слова: полиарилат, трение, трибовзаимодействие, контртело, поверхность, гибкость, полимерная цепь.
Трение полимерных материалов и композиций на их основе сопровождается активным трибовзаимодействием между поверхностью образца и контртела. Регулирование трибологического взаимодействия и фрикционных характеристик осуществляется путем модификации состава композиции. В композиции вводят различные антифрикционные добавки: графит [1], дисульфид молибдена [2],фторорганические полимеры [3-4] и др.
Формирование структуры и свойств поверхности контртела в процессе трения напрямую зависит от природы полимерной композиции. Особое место среди таких композиций занимают полимерные смеси, так как в процессе их переработки и трения в поверхностных слоях образцов протекают различные химические процессы: деструктивные, обменные и другие реакции [5-9].
Статья посвящена изучению процесса формирования топологии и свойств поверхности контртела при тернии о полиарилатные композиции.
В качестве базовых материалов были исследованы полиарилаты ДВ («гибкий») и ФВ («жесткий») производства НПО «Полимерсинтез» (г. Владимир). Полиарилат ДВ синтезируют водоэмульсионной поликонденсацией из бисфенола А и эквимольной смеси хлорангидридов изо- и терефталевых кислот, а полиарилат ФВ получают из фенолфталеина и хлорангидрида изофталевой кислоты. Свойства полиарилатов приведены в таблице 1.
Образцы для исследования были получены методами прямого компрессионного прессования из порошкового материала при температуре 330 °С. Для
проведения термофрикционных исследований использовали машину торцевого трения типа И-47К54. Исследуемый образец представлял собой диск диаметром D = 22 мм и h = 1,5 мм. Контртело -втулка диаметром D = 22 мм, d = 12 мм и h = 7 мм из стали 3X13. Температуру измеряли на расстоянии 1 мм от поверхности контртела с помощью термопары. Условия трения: скорость (V) 0,5 м/с, давление (Руд) 0,05 МПа.
Поверхность контртела исследовали с помощью универсального оптического фотомикроскопа «Neophot 21» производства «Carl Zeiss». Обработку полученных цифровых фотографий проводили с помощью программного обеспечения «PhotoM 1.21».
Для получения изображения «рельефа» электропроводности поверхности контртела в сканирующем тунельном микроскопе зонд перемещается по определенной площади (5 х 5 мкм) поверхности и производит ее растровое сканирование.
Состав полимерного образца и продуктов его переноса на поверхность контртела определяли методом масс-спектроскопии. С поверхности полимерного образца и контртела осуществляли соскоб кварцевой иглой, которую потом помещали непосредственно в ионизационную камеру прибора AEI-30. Спектры снимали в интервале температур от 50 до 500 °С через 25-50 °С и после выдержки при каждой температуре 3 минуты.
Деструктированные макромолекулы,
образующиеся при трении полиарилата, взаимодействуют с поверхностью контртела. Такое взаимодействие в трибологии характеризуется понятием «перенос». Причем интенсивность этого процесса определяет уровень самосмазываемости полимера.
Рис. 1. Снимки поверхности контртела на туннельном микроскопе: А - шлифованное контртело; Б - поле трения полиарилата ДВ; В - после трения полиарилата ФВ; Г - после трения системы полиарилатов ДВ-ФВ
Шлифованная поверхность металлического контртела характеризуется высокой электрической проводимостью (рис. 1, А). Можно видеть, что электрическая проводимость поверхностного слоя контртела после трения о «гибкий» полимер практически полностью исчезает. Это свидетельствует о том, что у поверхности сформировались диэлектрические свойства, что связано с образованием на ней пленки переноса.
Трение «жесткого» полиарилата не сопровождается образованием пленки переноса и электрическая проводимость поверхности контртела не изменяется (рис. 1, В). Аналогичный результат наблюдается у системы полиарилатов ФВ-ДВ (рис. 1, Г). Таким образом, жесткость полимерной цепи определяет его способность к формированию на поверхности контртела пленки переноса. Причем, путем изменения в такой системе соотношения компонентов с различной жесткостью позволяет формировать продукты переноса на контртеле с различной структурой.
Тончайший наружный слой поверхности контртела после трения исследовали с помощью масс-спектрометрии. Пробы с поверхности отбирали касанием кварцевой иглы. «Гибкий» полимер и стальное контртело после фрикционного взаимодействия характеризуются близким соотношением низкомолекулярных и
высокомолекулярных продуктов деструкции (рис. 2). Сформировавшиеся структуры поверхности полиарилата ДВ и пленки переноса свидетельствуют о протекании деструкции с образованием только «мелких» подвижных частей макромолекул. В результате происходит формирование сплошной диэлектрической пленки переноса (рис. 1, Б) на контр поверхности.
& со
SS
к С о а
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Полиарилат ДВ
11 и. П1.1||И. Kl 1 ФВ
Система полиарилатов JB-ФБ
Рис. 2. Доля низкомолекулярных фрагментов распада до 134 M/z к суммарной интенсивности после терния
Поверхность контртела «жесткого» образца содержит в 1,5 раза больше низкомолекулярной фракции, чем сам полимер (рис. 2). Более интенсивная деструкция при трении этого полимера сопровождается переносом продуктов, которые в основном заполняют дефекты, образовавшиеся при шлифовке и трении.
Трение системы полиарилатов ДВ-ФВ приводит к образованию меньшего количества низкомолекулярной фракции по сравнению с исходными полимерными компонентами (рис. 2).
Образующаяся в процессе трения топология поверхности контртела демонстрируется на фотографиях (рис. 3, А-Г).
Продукты переноса системы полиарилатов ДВ-ФВ формируют на поверхности контртела особую структуру, отличающуюся от структур, формируемых исходными полимерами. На контр поверхности (рис. 3, Г) можно наблюдать сложную «островную» структуру продуктов переноса, что связано с особенностями строения системы ДВ-ФВ.
Рис. 3. Фотографии поверхности контртела: А -шлифованное контртело; Б - контртело после трения
полиарилата ДВ; В - контртело после трения полиарилата ФВ; Г - контртело после трения системы полиарилатов ДВ-ФВ
Образовавшаяся структура полностью не «укрывает» поверхность контртела, что подтверждается результатами туннельной
микроскопии (рис. 1, Г). Вероятно, «жесткий» полиарилат ограничивает способность «гибкого» к
деформации, что препятствует их «распределению» по всей металлической контр поверхности.
Таким образом, показано, что полимерная система ДВ-ФВ при смешении «гибкого» и «жесткого» полиарилатов характеризуется более сложным механизмом трения и особой структурой продуктов переноса. В результате на поверхности формируется сложная металло-полимерная структура.
Наличие связи характера трения и формирующегося трущегося слоя с химическим строением полиарилатов позволяют с научно-технических позиций подойти к направленному рецептурно-технологическому созданию композиций, обеспечивающих получение фрикционных изделий с оптимальным характером переноса на металлическую поверхность и широким температурным диапазоном эксплуатации (от комнатных температур до 250°С).
Сорокин Антон Евгеньевич, к.х.н., старший научный сотрудник, Всероссийский институт авиационных материалов (ВИАМ), Россия, Москва.
Наумкин Александр Васильевич, кф.-м..н, старший научный сотрудник, Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН (ИНЭОС РАН), Россия, Москва.
Клабукова Людмила Федоровна, к.х.н., доцент кафедры технологии переработки пластмасс РХТУим. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Краснов Александр Петрович д.хм., профессор, главный научный сотрудник, Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН (ИНЭОС РАН), Россия, Москва.
Литература
1. Burya A. I., Chigvintseva O.P. The influence of carbon fibre content on the tribological properties of polyarylate based composites materials // Science in China (Series A). 2001. Vol. 44. P. 281-286.
2. Г.Ф. Зюзина, H.K. Виноградова, И.А. Грибова, А.П. Краснов. Влияние наполнителя дисульфида молибдена - на механизм термораспада полиарилата ДВ // Высокомолекулярные соединения. Сер. А. Т.36. 1994. № 9. С.1452-1456.
3. Yamaguchi Y., Tribology of Plastic Materials// Tribology Series. 1990. Vol. 16. P. 143-155.
4. Hanchi J., Eiss N.S. Tribological behavior of polyetheretherketone, a thermotropic liquid crystalline polymer and in situ composites based on their blends under dry sliding conditions at elevated temperatures // Wear. 1996. Vol. 200. P. 105-121.
5. Коршак В.В. и др. О некоторых особенностях трения смесей несовместимых полимеров // Трение и износ. 1984. Т. 5. № 3. С. 389-395.
6. Зюзина Г. Ф. и др. Исследование структуры и фрикционных свойств материалов, полученных из смесей ограниченно совместимых полимеров -полиарилата и поликарбоната // Трение и износ. 2000. Т. 21. № 2. С. 183-191.
7. Зюзина Г. Ф. и др. О роли концевых групп в термических превращениях полиарилата ДВ // Пластические массы. 2005. № 5. С. 19-21.
8. Петрова Г.Н., Перфилова Д.Н., Румянцева Т.В. Влияние поверхностного фторирования термоэластопластов на их абразивостойкость // Каучук и резина. 2015. № 4. С. 4-7.
9. Petrova G.N., Perfilova D.N., Rumyantseva T.V., Beider E.Y. Self-extinguishing thermoplastic elastomers // International Polymer Science and Technology. 2014. V. 41, № 5. P. 33-36 .
Sorokin Anton Evgenjevich, Naumkin Aleksandr Vasiljevich, Klabuckova*Ljudmila Fedorovna, Krasnov Aleksandr Petrovich
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
*e-mail: [email protected]
STUDY OF POLYARYLATE SYSTEM FRICTION INFLUENCE ON COUNTER-BODY SURFACE
Abstract
The counter-body surface after the friction of the polyarylates composition has been studied. The dependence of properties and structure of the counter-body surface after friction on the chain flexibility has been found out. Complex metal-polymer systems formed on counter-body are defined by the ratio of the components in the composition. This creates the possibility of regulating the tribological properties of the polymeric compositions.
Keywords: polyarylate, friction, tribological, interaction, counter-body, surface, flexibility of polymer chain.
93
