ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАПОЛНЕННОГО ПОЛИФЕНИЛЕНСУЛЬФИДА Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 678.5

Ижа Д.Г., Полунин С.В., Клабукова Л.Ф., Горошков М.В., Краснов А.П.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАПОЛНЕННОГО ПОЛИФЕНИЛЕНСУЛЬ ФИДА

Ижа Дарья Георгиевна, студент магистратуры 2 курса кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: dar387@yandex.ru;

Полунин Степан Владимирович, аспирант 1 года кафедры технологии переработки пластмасс; Клабукова Людмила Федоровна, к.х.н., доцент, секретарь кафедры технологии переработки пластмасс. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Россия, 125047, Москва, Миусская пл., д. 9.

Горошков Михаил Владимирович, младший научный сотрудник лаборатории полиариленов; Краснов Александр Петрович, д.х.н., профессор, главный научный сотрудник лаборатории полиариленов. Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук; Россия, 119334, Москва, ул. Вавилова, д. 28.

В работе исследованы трибологические свойства полифениленсульфида, наполненного нитридом бора и смесями наполнителей нитрид бора-графит, нитрид бора-дисульфид молибдена с целью улучшения антифрикционного поведения систем на основе этого полимера. Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии показан эффект самосмазывания ненаполненного полифениленсульфида.

Ключевые слова: полифениленсульфид, нитрид бора, графит, дисульфид молибдена, композиты, коэффициент трения, износ.

STUDY OF TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF FILLED POLYPHENYLENESULFIDE

Izha D.G., Polunin S.V., Klabukova L.F., Goroshkov M.V., Krasnov A.P. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

A.N. Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

In this paper the tribological properties of polyphenylene sulfide filled with boron nitride and mixtures of fillers boron nitride-graphite, boron nitride-molybdenum disulfide were studied in order to improve the antifriction behavior of systems based on this polymer. The self-lubrication phenomena of unfilled polyphenylenesulfide was shown by X-Ray photoelectron spectroscopy.

Keywords: рolyphenylenesulfide, boron nitride, graphite, molybdenum disulfide, composites, friction coefficient, wear.

Введение

В современных промышленных узлах трения применяются композиционные материалы на основе термостойких термопластичных матриц, в частности, на основе частично-кристаллического

полифениленсульфида (ПФС) [1,2]. Использование этого полимера в качестве связующего наполненных антифрикционных материалов обусловлено его высокими физико-механическими характеристиками, термостойкостью, химической и гидролитической стойкостью [3], и высокой адгезией в состоянии расплава [4].

Для улучшения трибологических свойств полимерных материалов используют твердые смазки различных типов, например, графит, дисульфид молибдена (MoS2) и гексагональный нитрид бора (Ь-BN) [5]. Применение твердых смазок способствует не только снижению коэффициента трения, но и улучшению теплопроводности полимерных композитов, что также способствует улучшению трения [6,7].

Целью данной работы является изучение трибологических свойств полифениленсульфида, наполненного нитридом бора (5, 10, 20, 40 % масс.), и смесями наполнителей в количестве 10 % масс.: нитрид бора-графит (1:1, 1:2), нитрид бора-МоS2 (1:1).

Экспериментальная часть

Наполненные полимерные композиции были получены смешением порошков

полифениленсульфида (Fortron 0205B4 20цт) с гексагональным нитридом бора (h = 6 ±0,1 мкм), графита (h = 4 ± 0,1 мкм) или MoS2 (h = 5-10 мкм) в вибромельнице с воздействием в течение 5 мин и последующим высокотемпературным прессованием образцов в форме диска d = 6 мм, h = 1 мм при Т = 320 оС и Р = 0,5 МПа.

Трибологические испытания проводили на торцевой машине трения типа И-47К54. Условия трения: скорость 0,5 м/с, давление 10 МПа. Для понижения фрикционного нагрева трение осуществляли контр-телом с тремя стальными шариками (d = 5 мм, сталь 3х13).

Фотоэлектронные спектры регистрировали на спектрометре Axis Ultra DLD (Kratos) с использованием монохроматического излучения Al Ka. Размер анализируемой области составлял около 300х700 мкм2. Для устранения эффекта зарядки образцов съемка спектров проводилась с использованием нейтрализатора. Калибровку спектров осуществляли по состоянию С-С/С-Н, выделенному в спектрах C 1s, которому была приписана энергия 285.0 эВ. Расчёт концентраций элементов проводился с учетом функции

пропускания спектрометра и коэффициентов элементной чувствительности, входящих в программное обеспечение спектрометра. Обсуждение результатов

Представляло интерес исследование

ненаполненного полифениленсульфида,

обладающего, как мы предполагали, слабовыраженным эффектом самосмазывания. Для доказательства этого методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии было проведено исследование поверхности стального контртела после трения (Р = 0,1 МПа, v = 0,5 м/с) с ПФС в течение 30 мин.

Основными спектрально установленными химическими группами являются окиси железа,

которые всегда присутствуют на поверхности стали, защищая чистое железо тонким слоем. Также на поверхности, помимо углерода и серы, обнаружены сульфат железа (FeSO4) и чистое железо.

Из всего количества обнаруженной серы (около 7%) (таблица 1) в окисленном состоянии оказывается ~20 %. Этот процесс характеризуют спектр серы, где выделена полоса 168.54, и спектр железа с полосой двухвалентного железа (710.01).

Таблица 1. Количественный анализ поверхности стального контр-тела

Элемент Fe 2p O ^ C ^ S 2p

ат. % 5,71 21,11 65,86 7,31

Рис. 1. Спектры 8 2р (А) и Ре 2р (Б) поверхности стального контр-тела

Результаты РФЭС объясняются тем, что ПФС проявляет эффект самосмазывания, т.е. происходит перенос полимера на контрповерхность, взаимодействие с контрповерхностью и последующим процессом трения по образовавшейся поверхности полимера.

Самосмазывемость ПФС объясняется невысокой температурой стеклования и относительно легкой деструкцией связи фенил-сера и переносом частично деструктированного полимера на металлическую контрповерхность, где происходит формирование тончайшей пленки (50-100 А).

00:00.0 04:00,0 08:00,0 12:00,0 16:00,0 10:00,0 24:00,0 23:00,0 Время,МИ

Рис. 2. Фрикционные зависимости ПФС с различным содержанием Ь-Б№ 1 - 0 %, 2 - 5 %, 3 - 10 %, 4 - 20 %, 5 - 40 %

Наполненные материалы на основе ПФС и h-BN характеризуются повышенным износом (таблица 2) в сравнении с ненаполненным ПФС, однако увеличение степени наполнения приводит к снижению коэффициента трения и его амплитуды колебания. Вероятно, благодаря эффекту самосмазывания ПФС, при трении происходит частичный перенос наполнителя, что приводит к трибодеструкции и большему износу.

Таблица 2. Износ композитов ПФС с Ь-БК

Образец Износ, мг

ПФС ненаполненный 0,2

ПФС + И-БЫ (5%) 1,3

ПФС + И-БЫ (10°%) 1,5

ПФС + И-БЫ (20%) 2,0

ПФС + И-БЫ (40%) 1,0

С целью увеличения самосмазываемости системы были исследованы композиты ПФС, содержащие в своем составе, помимо нитрида бора, графит. Предполагалось, что введение графита позволит создать в процессе трения более пластичную пленку переноса, в которой нитрид бора будет иметь менее выраженный абразивный эффект.

f тр

00:00.0 04:00,0 08:00,0 12:00,0 16:00,0 20:00,0 24:00,0 28:00,0 Время, ннн

Рис. 3. Фрикционные зависимости ПФС со смесями наполнителей в количестве 10 % масс.: 1 - Мо82 : Ь-БК = 1:1, 2 - графит : Ь-БК = 1:1, 3 -графит : Ь-БК = 2:1

Таблица 3. Износ композитов ПФС со смесями наполнителей в количестве 10 % масс.

Образец Износ, мг

MoS2 : h-BN = 1:1 2,8

графит : h-BN = 1:1 0,9

графит : h-BN = 2:1 1,9

Добавление дисульфида молибдена в композицию ПФС+Ь-БК способствует снижению коэффициента трения до ^Тр—0,15, износ 2,8 мг (рис. 3, таблица 3). Замена МоБ2 на такое же количество графита по массе позволяет достичь стабильного коэффициента трения /тр = 0,2 с низкой амплитудой колебания, износ 0,9 мг. Введение большего количества графита приводит к высокому и нестабильному коэффициенту трения, что, вероятно, связано с расслоением композита и его трибодеструкцией в процессе трения. Заключение

Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии показана способность

полифениленсульфида к самосмазыванию даже при легких условиях трения, что способствует понижению коэффициента трения этого полимера.

Наполнение ПФС нитридом бора свыше 10 % масс. позволяет получить материал с низким коэффициентом трения, однако износостойкость композитов с увеличением содержания наполнителя снижается.

Введение в ПФС смесей твердых смазок, содержащих нитрид бора, способствует существенному понижению коэффициента трения и амплитуды его колебаний.

Список литературы

1. Zuo P., Tcharkhtchi A., Shirinbayan M., Fitoussi J., Bakir F. Overall Investigation of Poly (Phenylene Sulfide) from Synthesis and Process to Applications: A Review // Macromolecular Materials and Engineering. -2019. - Р. 1-27.

2. Bahadur S., Schwartz C. Mechanical and tribological behavior of polymers filled with inorganic particulate fillers // Polymer Tribology. - 2009. - P. 416-448.

3. Михайлин Ю.А. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. - СПб.: Профессия, 2006. -624 с.

4. Hill H.W., Brady D.G. Characterization of Polyphenylene Sulfide Coatings // Journal of Coating Technology. - 1977. - Vol. 49. - № 627. - P. 33-37.

5. Clauss F.J. Solid lubricants and self-lubricating solids // Academic Press Inc. - 1972. - 268 p.

6. Gu J., Guo Y., Yang X., Liang C., Geng W., Tang L., Li N., Zhang Q. Synergistic improvement of thermal conductivities of polyphenylene sulfide composites filled with boron nitride hybrid fillers // Composites: Part A. -2017.- №95.- Р. 267-273.

7. Gu J., Du J., Dang J., Geng W., Hu S., Zhang, Q. Thermal conductivities, mechanical and thermal properties of graphite nanoplatelets/polyphenylene sulfide composites // RSC Advances. - 2014. - №4 (42) - Р. 22101-22105.