CC BY
11
УДК 678.5
Ижа Д. Г., Полунин С.В., Клабукова Л.Ф., Горошков М.В., Краснов А.П.
ТРИБОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ НАПОЛНЕННОГО ПОЛИАРИЛЕНЭФИРКЕТОНА
Ижа Дарья Георгиевна, магистрант 1 курса кафедры технологии переработки пластмасс; e-mail: dar387@yandex.ru;
Полунин Степан Владимирович, магистрант 2 курса кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: mcnion@gmail.com;
Клабукова Людмила Федоровна, к.х.н., доцент, секретарь кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: dann2809@yandex.ru;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия, 125047, Москва, Миусская пл., д. 9.
Горошков Михаил Владимирович, аспирант 3 курса ИНЭОС РАН; инженер-исследователь лаборатории полиариленов; e-mail: w8am1nf@gmail.com;
Краснов Александр Петрович, д.х.н., профессор, главный научный сотрудник лаборатории полиариленов, e-mail: krasnov@ineos.ac.ru;
Институт элементоорганических соединений Российской Академии наук им. А.Н. Несмеянова; Россия, 119334, Москва, ул. Вавилова, д. 28 .
В работе изучено трибологическое поведение наполненного графитом и политетрафторэтиленом аморфного полиариленэфиркетона на основе бисфенола А и 4,4'-дифторбензофенона. Наполнение полиариленэфиркетона твердыми смазками позволяет существенно улучшить трибологические свойства этого полимера.
Ключевые слова: аморфный полиариленэфиркетон, политетрафторэтилен, графит, трение, износ, композиционные материалы.
TRIBOLOGICAL BEHAVIOR OF FILLED POLYARYLENEETHERKETONE
Izha D.G., Polunin S.V., Klabukova L.F., Goroshkov M.V., Krasnov A.P. D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
A.N. Nesmeyanov Institute of Organoelement Compoundsof RussianAcademy of Sciences, Moscow, Russia
In this paper tribological behavior of filled with graphite andpolytetrafluoroethylene polyarylene ether ketone based on bisphenol A and 4,4-difluorobenzophenone. Filling polyarylene ether ketone with solid lubricants improves tribological properties of this polymer.
Keywords: amorphous poly(arylene ether ketone)s, polytetrafluoroethylene, graphite, friction, wear, composites.
Введение
В настоящее время в различных узлах трения применяются термостойкие полимеры, наполненные функциональными наполнителями, такими как графит и фторопласт [1-3]. Разработка новых полимеров, работоспособных в тяжелонагруженных условиях трения, является приоритетной задачей при проектировании техники.
Одним из термостойких термопластов, широко применяющихся в современных узлах трения, является полиэфирэфиркетон [4-6]. Несмотря на невысокий показатель температуры стеклования, наличие кристалличности у этого полимера приводит к высоким физико-механическим показателям и хорошим антифрикционным свойствам [7]. Представляло интерес изучить антифрикционные свойства аморфного полимера того же класса - полиариленэфиркетона, но имеющего повышенную температуру стеклования с лучшими технологическими свойствами, такими как пониженная температура текучести и возможность растворения в ряде органических растворителей [8]. Полиариленэфиркетон на основе бисфенола А и 4,4'-дифторбензофенона является аморфным термостойким полимером (рис. 1).
n
Рис. 1. Структурная формула ПАЭК
Целью данной работы является изучение трибологических свойств аморфного
полиариленэфиркетона на основе бисфенола А и 4,4' -дифторбензофенона, наполненного
фторопластом и графитом.
Экспериментальная часть
Наполненные полимерные образцы были получены смешением 5% раствора ПАЭК с различными наполнителями (таблица 1) в хлороформе, с ультразвуковым воздействием в течение 5 мин. и последующей сушкой в термошкафу при 160 оС полученных композитных пленок до содержания остаточного растворителя менее 1% масс.
Из полученных пленок, предварительно высушенных в течение 2 часов в термошкафу при 120 °С для удаления влаги, были отпрессованы образцы в виде диска d = 6 мм, Ь = 1 мм при температуре 280 °С, давлении 2,5 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 ^ = 5 мм, сталь 3х13).
Таблица 1. Свойства исследованного ПАЭК
Таблица 2. Свойства наполнителей
Ппр., дл/г 0,53
Предел вынужденной эластичности, МПа 70
Прочность при разрыве, МПа 80
Деформация, при которой появляется предел вынужденной эластичности, % 5,2
Относительное удлинение при разрыве, % 214
Модуль высокоэластичности, ГПа 1,8
Графит С-1 по ТУ 113-08-48-63-90
Основной размер частиц, мкм 4
Массовая доля золы, %, не более 1,0
Остаток на сетке № 0063, %, не более 0,3
Политетрафторэтилен Ф-4Д по ТУ 6-05-1246-81
Массовая доля нелетучих веществ, %, не менее 50
Массовая доля стабилизатора (к сухому веществу), %, в пределах 6-12
Прочность при разрыве свободных пленок, МПа (кгс/см2), не менее 30
Относительное удлинение, %, не менее 300
Обсуждение результатов
Для исследования фрикционных свойств ПАЭК, наполненного графитом и фторопластом, были получены образцы с содержанием наполнителей: 5, 10, 20 и 40 масс. %.
*тр 1
О
00:00,0
04:00,0
ц
0 К:00,0 12:00,0 16:00,0 20:00,0 24:00,0 28:00,0 В рем ч. мин
Рис. 2. Фрикционные кривые ПАЭК, наполненного графитом С-1:1 - 0 масс. %; 2 - 5 масс. %; 3 - 10 масс. %;
4 - 20 масс. %; 5 - 40 масс. %
Ненаполненный ПАЭК является неработоспособным материалом в сухом трении с нестабильным коэффициентом трения (£р.) и значительным износом (рис. 2, таблица 2).
Введение 5 масс. % графита не приводит к улучшению износостойкости ПАЭК, однако образцы этих композитов имеют средний £гр = 0,35 с пониженной амплитудой колебаний. Увеличение содержания наполнителя до 10 масс. % значительно понижает амплитуду колебаний и значение £ф. до 0,2-0,3, и одновременно несколько повышает износостойкость материала (таблица 2). Трение композита с 20 масс. % графита в начальный этап опыта (3 мин) характеризуется нестабильным коэффициентом трения, затем амплитуда колебаний £рр. заметно снижается, но происходит плавный рост
£рр. Износ этого образца ниже по сравнению с выше описанными опытами.
Увеличение содержания С-1 до 40 масс. % приводит к стабильному £ф. на протяжении всего опыта (30 мин) и лучшей износостойкости среди графитонаполненных образцов ПАЭК, однако £тр. этих образцов повышается до 0,5.
Все наполненные материалы на основе гибкоцепного ПАЭК и ПТФЭ характеризуются повышенной износостойкостью по сравнению с исходным ПАЭК (рис. 2, кривая 1).
Образцы на основе суспензионного фторопласта-4Д характеризуются относительно невысоким и стабильным значением £рр., но повышенной амплитудой его колебаний (рис. 3), а также высокой износостойкостью по сравнению с графитонаполненными образцами (таблица 2).
■тр
0.4
0,3
0,2
0,1
0
00:00,0
04:00,0
OK: 00,0
12:00,0
16:00,0 20:00,0
24:00,0
28:00,0 Вреин, мин
Рис.3. Фрикционные кривые ПАЭК, наполненного фторопластом Ф-Д4: 1 - 5 масс. %; 2 - 10 масс. %;
3 - 20 масс. %; 4 - 30 масс. %
Таблица 2. Износ ПАЭК, наполненного Ф-4Д
Содержание наполнителя, % Износ ПКМ с Ф-4Д, г Износ ПКМ с графитом, г
0 0,0123
5 0,0001 0,0137
10 0,0003 0,0078
20 0,0001 0,0052
40 0,0003 0,0005
На основе представленных кривых трения можно сделать вывод о том, что введение графита С-1 в композицию позволяет значительно понизить амплитуду колебания коэффициента трения, а добавление фторопласта Ф-4Д снижает износ исходного ПАЭК. Для дальнейшего исследования были отобраны два образца: ПАЭК с содержанием графита 40 масс. % и ПАЭК с содержанием Ф-4Д 30 масс. %. Заключение
Таким образом, проведены фрикционные испытания полимерных систем на основе аморфного полиариленэфиркетона с графитом С-1 и фторопластом Ф-4Д, определены значения износа каждой системы, показано влияние содержания наполнителей на трибологические характеристики.
Список литературы 1. Zhang G., Schlarb A.K. Correlation of the tribological behaviors with the mechanical properties of
poly-ether-ether-ketones (PEEKs) with different molecular weights and their fiber filled composites//Wear. 2009. Vol. 266. P. 337-344.
2. Friedrich K., Zhang Z., Schlarb A., Effects of various fillers on the sliding wear of polymer composites//Composites Science and Technology. 2005. Vol. 65. №15-16. P. 2329-2343.
3. Harsha A., Tewari U. Tribo performance of polyaryletherketone composites//Polymer Testing. 2002. Vol. 21. № 6. P. 697-709.
4. Bijwe J., Sen S. and Ghosh A. Influence of PTFE content in PEEK-PTFE blends on mechanical properties and tribo-performance in various war modes//Wear. 2005. Vol. 258. № 10. P. 1536-1542.
5. Lu Z., Friedrich K. Effects of sliding velocity and applied load on the tribological mechanism of amorphous poly-ether-ether-ketone (PEEK)//Wear. 1995. Vol. 181-183. P. 624-631.
6. Zhang G., Yu H., Zhang C., Liao H., Coddet C. Temperature dependence of the tribological mechanisms of amorphous PEEK (polyetheretherketone) under dry sliding conditions//Acta Materiallia. 2008. Vol. 56. P. 2182-2190
7. Jones D., Leach D. and Moore D. Mechanical properties of poly (ether-ether-ketone) for engineering applications//Polymer. 1985. Vol. 26. P. 1385-1393.
8. Шапошникова В.В., Салазкин С.Н. Синтез и свойства полиариленэфиркетонов//Известия Академии Наук. Серия химическая. 2014. T. 10. С. 2213-2223.
