CC BY
50
Гоголева О.В.1, Петрова П.Н.2, Алексеев А.А.3
!Н.с., к.т.н.; 2в.н.с., к.т.н.; Институт проблем нефти и газа СО РАН зСеверо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова
РАЗРАБОТКА САМОСМАЗЫВАЮЩИХСЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА*
Аннотация
В данной работе приведены результаты исследований по разработке износостойких полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена. Исследованы триботехнические свойства полимерных материалов, содержащие жидкую смазку. Разработаны новые материалы с эффектом самосмазывания в течение длительного времени для узлов трения различного назначения.
Ключевые слова: политетрафторэтилен (ПТФЭ), полимерный композиционный материал (ПКМ), наполнитель, надмолекулярная структура, коэффициент трения, поверхность трения.
Keywords: polyterafluoroethylene (PTFE), polymeric composite materials (PCM), filler, supramolecular structure, coefficient of friction, friction surface.
Введение. Эффективное экономическое развитие северных территорий Российской Федерации ориентировано, прежде всего, на интенсификацию производительности нефтегазового комплекса, что подразумевает крупномасштабное использование различного технологического, горнодобывающего оборудования и огромного парка карьерной техники. Эксплуатационная долговечность применяемой техники во многом определяется качеством используемых материалов.
В связи с этим, создание и применение антифрикционных полимерных материалов приобретает актуальное значение для повышения качества, надежности и долговечности узлов трения машин, эксплуатируемых в экстремальных условиях.
Проблема повышения качества, надежности и долговечности машин является одной из основных задач современного машиностроения и имеет не только научно-техническое, но и важное экономическое значение.
Для создания надёжной современной техники требуется разработка высокоэффективных износостойких материалов для обеспечения надёжной и долговечной работы узлов трения механизмов, эксплуатируемых в широком диапазоне нагрузок, скоростей, температур и работоспособных в агрессивных средах, при переходных режимах и в вакууме. Использование полимеров в качестве конструкционных материалов антифрикционного назначения обусловлено многими факторами, в том числе возможностью образовывать композиты с заданными свойствами [1, 4]. Расширение сферы использования полимеров ведется в основном в двух направлениях. Одно из них -модификация свойств известных видов полимеров. Наиболее доступным и приемлемым методом модификации является, в частности, использование возможности введения в полимеры жидких и твердых компонентов, совместное действие которых может изменять первоначальные свойства полимеров и тем самым получать материалы с заданными свойствами [2, 48].
Целью данной работы является разработка новых самосмазывающихся триботехнических полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ).
Методики и объекты исследования. Объектами исследования являются политетрафторэтилен (ГОСТ 10007-80), природный цеолит Кемпендяйского месторождения и моторное масло марки М-8В.
Для обеспечения введения жидкой смазки в полимерный образец разработана технология пропитки моторным маслом наполнителя. Для повышения структурной активности наполнитель подвергали предварительной механической активации в планетарной мельнице АГО-2 в течение 2 мин, затем пропитке моторным маслом в течение 24 ч при комнатной температуре. Композиты получали сухим смешением навесок компонентов в высокоскоростном лопастном смесителе. Образцы композитов для физико-механических, трибологических и структурных исследований получали по технологии холодного прессования с последующим спеканием. Жидкофазное наполнение моторным маслом наполнителя и композита составляла 28,3 мас.% и 0,6-1,6 мас.%, соответственно.
Физико-механические свойства - предел прочности при растяжении (ср) и относительное удлинение при разрыве (ер) определяли на разрывной машине "Инстрон" при скорости движения подвижных захватов 100 мм/мин. Скорость изнашивания и коэффициент трения полимерных композитов определяли на машине трения СМТ-1 (схема трения «вал-втулка» при контактном давлении 0,45, 1 и 2 МПа, скорость скольжения 0,39 м/с). Скорость изнашивания оценивали по потере массы образцов в единицу времени. Момент трения регистрировали с помощью прибора Термодат 17Е3 и рассчитывали коэффициент трения. Исследования структуры маслонаполненных композитов до и после трения проводили на атомно-силовом микроскопе NTEGRA, оптическом микроскопе Olympus BX-41.
Обсуждение результатов исследований.
В табл.1 приведены сравнительные характеристики физико-механических и триботехнических характеристик композитов на основе ПТФЭ и природных цеолитов Кемпендяйского месторождения РС(Я).
Показано, что при наполнении ПТФЭ активированными в течение 2 мин природными цеолитами физико-механические характеристики увеличиваются на 10-20 %, скорость массового изнашивания снижается до 130 раз по сравнению со свойствами ненаполненного ПТФЭ.
При наполнении ПТФЭ, цеолитом, предварительно пропитанным моторным маслом М-8В установлено снижение скорости массового изнашивания до 615 раз при небольшом увеличении относительного удлинения при разрыве на 10 % и некотором снижении предела прочности при растяжении на 20 % по сравнению с ненаполненным ПТФЭ.
Таблица 1
Физико-механические и триботехнические характеристики композитов на _основе ПТФЭ и природного цеолита__
Композит ер , % Sp, МПа I, мг/ч f Т, °С
Ф-4 300 20 75-80 0,3 45
Ф-4+2 мас.% цеолита (акт.) 340 22 2,15 0,2 45
Ф-4+5 мас.% цеолита (акт.) 310 20 0,6 0,32 48
Ф-4+2 мас.% цеолита, 305 15 2,1 0,02-0,15 34-39
модиф. мотор.маслом
Ф-4+5 мас.% цеолита, 324 16 0,13 0,02-0,05 38-40
модиф. мотор.маслом
Ф-4+5 мас.% MgAl2O4 260 16 0,6 0,1-0,2 45-48
Ф-4+5 мас.% А12О3 280 17 0,4 0,02-0,04 42-45
Примечание: ер - относительное удлинение при разрыве, %; ср - предел прочности при растяжении, МПа; I - скорость массового изнашивании при нагрузке 0,45 МПа, мг/ч; f -коэффициент трения; Т- температура в зоне трения, °С.
Вероятно, это связано с эффектом Ребиндера, то есть с понижением прочности твёрдых тел, облегчением деформации и разрушения твёрдых тел вследствие обратимого физико-химического воздействия среды, то есть моторного масла [3] .
Также показано снижение скорости массового изнашивания в 4,6, коэффициента трения до 10 раз по сравнению с композитами на основе ПТФЭ, модифицированными:
- активированным в течение 2 мин. цеолитом;
- наношпинелью магния;
- нанопорошком оксида алюминия.
Это можно объяснить тем, что в случае маслонаполненных ПКМ в процессе переработки композита, происходит процессы окисления и дегидрирования, в результате чего образуются кислородсодержащие соединения с двойными связями. В процессе формирования композита эти компоненты, участвуют в процессе структурообразования полимера, что придает качественно новые свойства связующему. Образование полярных групп в объеме и поверхностных слоях полимера способствует увеличению адгезионного взаимодействия полимера и металла, что приводит, во-первых, к образованию стабильной и прочной пленки переноса на поверхности контртела; во-вторых, продукты окисления масел играют роль ингибиторов изнашивания (обрывают цепь радикальных реакций окисления полимерного материала), тем самым предохраняют композит от изнашивания; в-третьих, участвуют в процессах структурообразования полимера с формированием износостойкой структуры [4, 280] .
Далее в табл.2 приведены результаты исследований триботехнических характеристик композитов при 1 и 2 МПа.
Таблица 2
Триботехнические характеристики ПКМ при 1 и 2 МПа_
Состав 1 МПа 2 МПа
I, мг/ч / Т, °С I, мг/ч / Т, °С
Ф-4 106,45 0,043 75-80 312,30 0,043 85-90
Ф-4 + 2 мас. % цеолита, мод. мотор. маслом 2,3 0,023-0,030 40-46 29,5 0,0160,024 55-60
Ф-4 + 5 мас. % цеолита, мод. мотор. маслом 1,67 0,016-0,020 50-55 4,8 0,0180,022 65-70
В целом, анализ результатов исследований триботехнических характеристик показывает положительное влияние наполнителя на триботехнические характеристики ПКМ. Видно, износостойкость ПКМ повышается до 55-65 раз, в то же время установлено снижение коэффициента трения и температуры в зоне контакта до 2 раз по сравнению с ненаполненным ПТФЭ.
Это, вероятно, связано с тем, что смазывание пары трения осуществляется за счет масла, находящегося в порах наполнителя. Из-за повышенной сорбционной способности природных цеолитов к углеводородам они способны удерживать оболочку из адсорбированных молекул компонентов смазки и доставлять их в зону трения, когда наступает истощение их в зоне трибоконтакта из-за десорбции с металлической поверхностью при повышении температуры. Таким образом, происходит предотвращение адгезионного изнашивания трущихся металлических поверхностей.
Также причиной снижения скорости массового изнашивания композитов, возможно, является повышение подвижности молекулярных цепей полимерной матрицы в тонком поверхностном слое и более благоприятное перераспределение напряжений на фрикционном контакте. Повышение скорости массового изнашивания композитов, при использование жидкой смазки, вероятно, связано с реализацией внутреннего эффекта Ребиндера.
Следствием снижения температуры в зоне трения является сохранение физико-химических и физико-механических характеристик, как смазочной среды, так и поверхностей трения материалов. Таким образом, обеспечивается режим авторегулирования как триботехнических, так и противокоррозионных свойств композиционного материала.
Снижение коэффициента трения может обуславливаться также нагревом материала и формированием подвижного слоя переноса, выполняющего функцию смазочного материала.
Многофункциональное воздействие наполнителя в зоне трения обеспечивается эффектом, связанным со снижением температуры в зоне трения, поскольку ПЦ обладают высокой теплопроводностью и способностью к формированию собственной сетки на поверхности.
Микрорельеф и морфология поверхностей трения были изучены с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) (рис.1).
Рис.1. Рельеф поверхности ПКМ: а) до трения; б) после трения
Примечание: Rsk- параметр асимметрии; Яки- мера эксцесса
Установлено, что снижение коэффициента трения композита обусловлено уменьшением площади контакта с металлической поверхностью за счет выступающих из полимерной матрицы частиц цеолита. Среднеквадратичная и средняя шероховатость поверхность ПКМ после трения уменьшается в 2-3 раза. Это, видимо, один из важных вкладов в общее снижение коэффициента трения, т.к. при уменьшении шероховатости удельные давления в областях контакта уменьшаются. Уменьшение шероховатости композита свидетельствует также о трении по пленке переноса.
Таким образом, разработаны перспективные самосмазывающиеся полимерные композиты для повышения надежности, безопасности и эффективности эксплуатации транспортной техники Севера.
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №09-03-98502-рвостока).
Литература
1. Охлопкова А.А., Адрианова О.А., Попов С.Н. Модификация полимеров ультрадисперсными соединениями.- Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2003.
2. Петрова П.Н., Федоров А.Л. Повышение износостойкости композитов на основе политетрафторэтилена путем жидкофазного наполнения // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук.-2009.-№5.- С.48-53.
3. Волынский А.Л. Эффект Ребиндера в полимерах // Природа, №11, 2006 г. URL:http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/11_06/CRAZYING.HTM
4. Петрова П.Н., Федоров А.Л. Влияние жидкофазного наполнения на триботехнические характеристики композитов на основе политетрафторэтилена // Трение и износ.-2010.-Т.31.-№3.-С.276-281.
