CC BY
72
УДК 621.891
ИЗНОСОСТОЙКИЕ КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ПТФЭ, ПОЛУЧЕННЫЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕМ МОТОРНЫМИ МАСЛАМИ
© 2011 А.Л. Федоров1'2, П.Н. Петрова1,2
1 Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск 2 Северо-Восточный государственный университет им. М.К. Аммосова, г. Якутск
Поступила в редакцию 10.03.2011
В данной работе приведены результаты триботехнических исследований полимерных композитов на основе политетрафторэтилена, полученных модифицированием моторным маслом марки МОТЦЪ 8АЕ 5W30, и сравнение полученных результатов с ранее разработанными материалами.
Ключевые слова: износостойкость, моторное масло, цеолит, политетрафторэтилен, коэффициент трения, пористость, полимерный композит
Создание приборов и машин нового поколения с высокими технико-экономическими характеристиками, отличающихся высокой надежностью и долговечностью, тесно связано с применением новых конструкционных материалов на основе полимеров. Узлы трения и другие элементы конструкции машин, изготовленные с использованием полимерных материалов, имеют меньшую массу, работают практически бесшумно, обладают демпфирующей способностью, в ряде случаев не требуют смазки. Детали из полимерных материалов могут работать в вакууме, в химически активной и инертной средах, при криогенных и повышенных температурах в различных узлах трения в широком интервале нагрузок и скоростей скольжения [1]. Если принять во внимание очень низкий коэффициент трения политетрафторэтилена (ПТФЭ) и его высокую химическую и термическую стойкость, то становится очевидным, насколько перспективно его применение в узлах сухого трения в широком интервале температур - от криогенных до повышенных (200-250°С). С другой стороны этот материал не является идеальным в применении из-за текучести и малой износостойкости [2]. Именно повышение износостойкости ставится главной задачей создания новых триботехнических материалов на основе ПТФЭ при сохранении прочностных характеристик на уровне исходного полимера. В настоящее время широко ведутся исследования по разработке новых методов модифицирования политетрафторэтилена с целью улучшения его три-ботехнических характеристик.
В последние годы широкое распространение получил метод повышения фрикционных свойств полимерных материалов путем введения
Федоров Андрей Леонидович, младший научный сотрудник, ведущий электроник. E-mail: [email protected] Петрова Павлина Николаевна, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, доцент. E-mail: [email protected]
в их состав жидкофазных смазок и смазочных масел. При введении жидких компонентов в пределах, превышающих их совместимость с полимерным связующим, создается возможность выделения избытка жидкости из матрицы. Наличие в зоне трения градиента температур способствует миграции смазочной жидкости с повышенной температурой. Таким образом, на поверхностях трения непрерывно генерируется смазочная пленка. При снижении температуры в зоне трения скорость миграции смазки замедляется, что способствует обеспечению эффекта самосмазывания в течение длительного времени [3].
Объектами исследования являлись ПТФЭ (ГОСТ 10007-80) и полимерных композиционных материалов (ПКМ) на его основе с активированными природными цеолитами, модифицированных моторным маслом марки 8100 ЕСО-ЕШЯОУ МОТиЬ 8АЕ 5W30.
В предыдущих работах авторов [4, 5] показана перспективность модифицирования ПТФЭ и композитов на его основе моторными маслами марки М-8В и Яауепо1 5W-40 с целью получения композитов с повышенной износостойкостью и нагрузочной способностью. При этом было показано преимущество использования минерального моторного масла марки М-8В, характеризуемой меньшей вязкостью, в качестве жидкофазного модификатора ПТФЭ с целью получения износостойких композитов на его основе. В связи с этим представляет интерес исследование моторных масел другой природы в качестве модификаторов ПТФЭ с целью более полного понимания механизма повышения износостойкости при таком способе наполнения.
Технология получения ПКМ заключается в пропитке предварительно сформованных пористых полимерных заготовок жидкими моторными маслами различного происхождения с последующим затвердением жидкой фазы в процессе переработки композита. Пропитка пористых материалов жидкой смазкой основано на явлениях иммерсионного смачивания и процессе самопроизвольной пропитки, при которой давление создается
Новые конструкционные материалы и конверсионные технологии
за счет капиллярных эффектов, возникающих из-за искривления поверхности жидкости, без приложения внешних сил. Самопроизвольная (свободная) пропитка полимерных пористых каркасов осуществляется при их полном погружении в жидкую фазу. В данной работе приводится сравнение результатов триботехнических исследований ранее исследованных композитов на основе ПТФЭ и композитов, полученных с использованием моторного масла 8100 ЕСО-ЕКЕЯОУ МОТОЬ 8ЛЕ 5^№30.
Зависимость скорости массового изнашивания полимерных композитов, модифицированных моторным маслом марки 8ЛЕ 5W30, от давления прессования и температуры пропитки, а также сравнение этих данных с ранее разработанными композитами приведена на рис. 1.
I, мг/ч
Рис. 1. Зависимость скорости массового изнашивания ПКМ от природы жидкой смазки и температуры пропитки
Из рис. 1 видно, что композиты, полученные пропиткой в масле марки 8ЛЕ 5W30, по сравнению с композитами, полученными модифицированием моторным маслом марки М-8В, не уступают по износостойкости, а по сравнению с композитами, полученными модифицированием моторным маслом марки У81 5W40. превосходят их. Это, вероятно, связано с тем, что сложные эфиры, входящие в состав масла, обеспечивают хорошую адгезию ПКМ к поверхности контртела, вследствие чего в процессе трения быстрее формируется прочная пленка переноса. Низкая способность продуктов изнашивания ПТФЭ к взаимодействию с металлическим
контртелом (адсорбционному, хемосорбционно-му, адгезионному) не позволяет сформировать устойчивый разделительный слой в зоне фрикционного контакта, выполняющий функции ингибитора изнашивания в течение длительного периода контактного взаимодействия компонентов трибосистемы [3], поэтому изделия из ПТФЭ характеризуются повышенным износом как при эксплуатации без подвода внешней смазки, так и при трении в присутствии смазки.
При модифицировании композитов моторным маслом МоШ1 5W30, вероятно, из-за наличия в составе маслонаполненных ПКМ кислородсодержащих полярных функциональных групп интенсифицируются процессы адсорбционного и хемосорбционного взаимодействия в зоне фрикционного контакта с формированием прочной пленки переноса на металлическом контртеле. При этом закрепление пленки переноса на контртеле может осуществляться за счет химических связей с образованием солей и связей ион-дипольного типа между поверхностью металла, покрытой гидратированной оксидной пленкой, и функциональными группами полярных компонентов, содержащихся в объеме и на поверхности полимерного композита. Это позволяет повысить устойчивость разделительного слоя и управлять параметрами фрикционного взаимодействия компонентов трибосистем различного состава.
Недостатком антифрикционных материалов, содержащих жидкие смазки, является ограниченность ресурса работы узла трения. Это связано с относительно небольшим количеством жидкой смазки, которую можно ввести в полимерный материал без существенного усложнения технологии изготовления и переработки, а также без снижения исходных физико-механических характеристик полимерного связующего. Частично данные недостатки устраняются при использовании специальных поглотителей жидкой смазки, которые могут адсорбировать значительные объемы жидкости при небольших собственных объемах. В связи с этим, далее были проведены триботехнические испытания полимерных композитов с содержанием активированных природных цеолитов, пропитанных маслом 8ЛЕ 5W-30. Результаты приведены в табл. 1.
Таблица 1. Зависимость триботехнических характеристик ПКМ от удельного давления прессования и содержания цеолита
Материал Р, МПа I, мг/ч Смасла, % / Т, °С Потн., %
ПТФЭ+масло 12,5 25 1,17 14,9 5,52 1,34 0,015-0,016 0,019-0,021 52 56 14 3,4
ПТФЭ+цеолит+ 12,5 0,20 6,66 0,027-0,033 55 16
масло 25 0,63 3,03 0,022-0,048 69 7,5
Примечание: Р - удельное давление прессования ПКМ; Смасла - содержание масла; I, мг/ч - скорость массового изнашивания; / - коэффициент трения; Потн. - относительная пористость
При добавлении цеолита наблюдается снижение скорости массового изнашивания в 623 раза. Это можно объяснить тем, что цеолит, во-первых, обладая развитой удельной поверхностью, адсорбирует значительное количество моторного масла и в целом содержание масла в композите увеличивается; во-вторых, цеолит выступает в роли структурно-активного наполнителя, благодаря чему исходная ленточная структура ПТФЭ трансформируется преимущественно в сферолитную, которая является более износостойкой. Измерение пористости исследуемых композитов показало, что увеличение пористости сопровождается повышением содержания масла, что, в свою очередь приводит к повышению износостойкости ПКМ и некоторому снижению температуры в зоне контакта. Цеолит приводит к заметному увеличению пористости композита, благодаря тому, что он обладает собственной пористостью, которая суммируется с общей.
Выводы: на основании проведенных исследований показана перспективность использования моторного масла марки МоШ1 8ЛБ 5W30 в качестве нетрадиционного модификатора ПТФЭ с целью получения износостойких композитов. Эффективность модифицирующего действия этого масла, вероятно, связана с химической природой, отличающегося от природы двух остальных видов масел. Масло Мо1и1 8ЛБ 5W30 изготовлено на основе сложных эфиров, в то время как масла марки М-8В и Иауепо1 У81 5W40 образованы из смесей предельных углеводородов минерального и синтетического происхождения, соответственно. Главной причиной
повышения износостойкости является повышение адгезионного взаимодействия ПКМ с поверхностью контртела благодаря наличию полярных кислородсодержащих соединений в объеме и на поверхности композита. Это способствует образованию прочно прилегающего на контртеле полимерного слоя, который препятствует непосредственному контакту трущихся поверхностей, предохраняя тем самым материал от изнашивания.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 09-03-98502-р_восток_а)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Машков, Ю.К. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная модификация / Ю.К. Машков, З.Н. Овчар, В.И. Суриков, Л.Ф. Калистратова. - М.: Машиностроение, 2005. 240 с.
2. Охлопкова, А.А. Модификация полимеров ультрадисперсными соединениями / А.А. Охлопкова, О.А. Адрианова, С.Н. Попов. - Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2003. 224 с.
3. Гольдаде, В.А. Ингибиторы изнашивания метал-лополимерных систем / В.А. Гольдаде, В.А. Струк, С.С. Песецкий. - М.: Химия, 1993. 240 с.
4. Охлопкова, А.А. Триботехнические материалы на основе политетрафторэтилена, модифицированные жидкой смазкой / А.А. Охлопкова, П.Н. Петрова, С.Н. Попов, А.Л. Федоров // Трение и износ. 2008. Т. 29. № 2. C. 177-180.
5. Петрова, П. Н. Разработка полимерных композитов на основе политетрафторэтилена с повышенной износостойкостью для узлов сухого трения / П.Н. Петрова, А.Л. Федоров // Вестник машиностроения. 2010. №9. С. 50-53.
WEARPROOF COMPOSITES ON THE BASIS OF PTFE, RECEIVED BY ENGINE OILS MODIFYING
© 2011 A.L. Fedorov1'2, P.N. Petrova1'2
1 Institute of Oil and Gas Problems SB RAS, Yakutsk 2 Northeast State University named after M.K. Ammosov, Yakutsk
In the given work results of tribotechnical researches of polymeric composites on the basis of polytetra-fluoroethylene, received by modifying by engine oil of mark MOTUL SAE 5W30, and comparison of the received results with earlier developed materials are resulted.
Key words: wear resistance, engine oil, zeolite, polytetrafluoroethylene, friction coefficient, porosity, polymeric composite
Andrey Fedorov, Minor Research Fellow, Leading Electronic. E-mail: [email protected]
Pavlina Petrova, Candidate of Technical Sciences, Leading Research Fellow, Associate Professor. E-mail: [email protected]
