Химия и химические технологии / 1. Пластмассы, полимерные и синтетические ма­те­риалы, каучуки, резино-технические изделия, шины и их производство.

К.т.н. Чигвинцева О.П.1, Клименко Е.В.1, к.х.н. Варлан К.Е.2,

к.т.н. Кабат О.C.1, Заврина С.В.1

 

1Днепропетровский государственный аграрно-экономический университет,

2Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара

 

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ТРЕНИЯ И ИЗНАШИВАНИЯ

ОРГАНОПЛАСТИКОВ НА ОСНОВЕ ПЕНТАПЛАСТА

 

Одним из наиболее эффективных методов повышения надежности и долговечности машин и механизмов, а также снижения их материалоемкости, является использование полимерных композиционных материалов конструкционного назначения. Композиты на основе полимерных матриц и наполнителей превосходят традиционные материалы по прочности и массе в 2 и 3-5 раз соответственно, имеют высокую химическую, ударную и трибологическую стойкость и незначительные изменения размеров под воздействием температур. К числу перспективных термопластичных связующих относится простой полиэфир пентапласт. Этот  полимер отличается высокими  механической и химической стойкостью, имеет хорошие технологические характеристики: низкую вязкость расплава и значения остаточных напряжений, незначительную усадку при переходе из вязкотекучего в стеклообразное состояние, формоустойчивость и стабильность геометрических размеров изделий. Указанные характеристики пентапласта позволяют его использовать как коррозионностойкий, теплостойкий и электроизоляционный материал в химической, электротехнической, машиностроительной промышленности [1, 2]. Однако, недостаточно высокие значения термо-, теплостойкости и термостабильности пентапласта не позволяют его применять в узлах трения, работающих в условиях высоких нагрузок, скоростей скольжения и температур при трении без смазки или при ограниченной смазке [3]. Следует также отметить, что воздействие повышенных температур, кислорода воздуха и света на пентапласт может привести к глубоким изменениям в его структуре, приводящим к снижению его физико-химических свойств [4].

С целью улучшения трибологических характеристик пентапласта, было произведено его армирование органическими волокнами терлон и Лола. Выбор указанных волокон был обусловлен их высокими эксплуатационными характеристиками. Так, органическое волокно Лола относится к числу наиболее теплостойких волокон, имеет высокие термо- и химическую стойкость, исключительную огнестойкость. Лола устойчиво к воздействию разбавленных и концентрированных кислот, щелочей, органических растворителей [5, 6]. Арамидное волокно терлон способно эксплуатироваться в широком температурном интервале (от 23 до 548 К),  имеет высокую удельную прочность на разрыв при малом весе, повышенную устойчивость к многократной деформации, низкую термическую усадку и электропроводность, а также отличную химическую стойкость [7].

Ранее проведенные исследования разработанных композитов показали, что наиболее оптимальным комплексом свойств обладали органопластики с содержанием волокон не более 15 мас. % [8, 9]. Образцы композитов на основе пентапласта получали методом сухого смешением порошкообразного связующего с волокнистыми наполнителями во вращающемся электромагнитном поле и   перерабатывали методом  компрессионного прессования.

Изучение процессов трения и изнашивания композитов исследовали в режиме сухого трения на машине трения СМЦ-2 по схеме  диск – колодка. В качестве контртела использвался диск стали 45, термообработанной до твердости 45–50 HRC диаметром 50 мм. Износ образцов определяли весовым методом на аналитических весах ВЛР-200 (ГОСТ 24104-80) с точностью до 0,0001 г. За основную инженерную характеристику процесса изнашивания, согласно [10], принимали интенсивность линейного износа Іh, которая обусловлена следующим безразмерным соотношением:

где G – величина весового износа; rТ – плотность изнашиваемого материала; Аа – номинальная площадь контакта; LТ – путь трения.

где АТ – номинальная площадь трения. Принимали l = 1, т.е. рассматривался износ тела, все поверхности трения которого постоянно находятся в контакте.

Результаты исследований показали, что армирование пентапласта органическими волокнами позволяет улучшить трибологические характеристики полимера. В частности, изучение влияние удельного давления на коэффициент трения образцов пентапласта и органопластиков на его основе, показал, что армирование связующего арамидным волокном терлон позволяет существенно увеличить интервал работоспособности материала. Так,  если для связующего в интервале нагрузок 1,26-1,36 МПа коэффициент трения снижался от 0,52 до 0,47, то органопластик, содержащий 15 мас. % волокна терлон, стабильно работал при нагрузках 1,26-2,5 МПа, а коэффициент трения монотонно снижался на 27-54 % по сравнению с пентапластом, находясь в пределах 0,38-0,24 (рис. 1). Органопластик, содержащий 15 мас. % волокна Лола, имел более высокие значения коэффициента трения (0,48-0,41) и имел хорошую работоспособность при нагрузках 1,26-1,49 МПа.

Что касается определения интенсивности линейного изнашивания материалов, то обращает внимание на себя тот факт, что ужесточение режимов эксплуатации пластиков приводит к  повышению  их  износа (рис. 2). Возрастание удельного  давления  от 1,26 до 1,36 МПа увеличило износ связующего более, чем в 2,5 раза, а при нагрузке выше 1,4 МПа наблюдался катастрофический износ образцов. Органопластик, содержащий волокно Лола, начал интенсивно изнашиваться при нагрузке, превышающей 1,5 МПа, а износ образцов в интервале нагрузок 1,26-1,36 МПа увеличился более, чем в 14 раз. Наиболее износостойкими показали себя образцы органопластика, содержащего волокно терлон. При нагрузках 1,26-1,81 МПа износ пластика был несущественным, а при нагрузке более 2,5 МПа начался его катастрофический износ. Интенсивный износ

 

 

а

б

Рис. 1. Влияние удельной нагрузки на коэффициент трения (а) и интенсивность линейного изнашивания пентапласта (1) и органопластиков на его основе,

содержащих 15 мас. % волокон Лола (2) и терлон (3)

 

исследованных образцов в области высоких нагрузок, по-видимому, можно объяснить тем, что в этих условиях в зоне трения развивается температура, близкая к температуре размягчения полимеров [10]. Последнее что приводит к схватыванию образцов с поверхностью контртела, что приводит к росту коэффициента трения и интенсификации процесса изнашивания пластиков.

Таким образом, на основании проведенных исследований можно заключить, что армирование пентапласта органическими волокнами терлон и Лола позволяет улучшить его трибологические характеристики при трении в режиме без смазки. Наилучшим комплексом трибологических свойств обладали образцы органопластика, содержащего арамидное волокно терлон. Указанный органопластик является износостойким материалом, может успешно эксплуатироваться при нагрузках до 2 МПа и имеет достаточно низкие значения коэффициента трения (0,34-0,24), что позволяет применять его в качестве антифрикционного материала в узлах трения машин и механизмов.

Литература:

1. Кацнельсон М.Ю., Балаев Г.А. Пластические массы: Свойства и применение: Справочник. –  Л.: “Химия”, 1978. – 384 с.

2. Мулин Ю.А., Ярцев И.К. Пентапласт. Л.: Химия, 1975. – 120 с.

3. Антифрикційні властивості термостійких полімерів та їх сумішей в умовах над граничних та граничних навантажень під час тертя з обмеженим мащенням / Г.О. Сіренко,  Л.В. Базюк, О.В. Кузишин, В.П. Свідерський // Фізика і хімія твердого тіла. – Т. 11. – №1. – 2010. – С. 224-239.

4. Емельянова А.Т.,  Хинъкис С.С., Крейцер Т.В., Матвеева Е.Н. Термо- и светостабилизашя пентапласта // http://www.mashb.ru.

5. Высокотеплостойкое и огнестойкое синтетическое волокно Лола / Информация ВНИИВ // Химические волокна. – № 3. – 1975. – С. 36-37.

6. Волохина А.В., Калмыкова В.Д. Получение высокопрочных и термостойких синтетических волокон // Итоги науки и техники. Серия: Химия и технология высокомолекулярных соединений. – Т. 15. – 1981. – С. 3-61.

7. Таблица-вклейка. Термостойкие и жаростойкие волокна  // Химические       волокна. – 1975. – № 3.      

8. Klimenko Ye.V., Chigvintseva O.Р., Varlan K.Ye. Organoplastics based  on po-lyether binder // Тезисы докладов 10 Санкт-Петербургской конференции молодых ученых “Современные проблемы науки о полимерах”. – 10-13 ноября 2014. – С. 94.

9. Чигвинцева О.П., Клименко Е.В., Варлан К.Е. Исследование теплофизических характеристик органопластиков на основе пентапласта // Міжвузівський збірник «Наукові нотатки». –  Випуск № 50. – 2015. – С. 244-248.

10. Бартенев Г.М., Лаврентьев В.В. Трение и износ полимеров. Л. : Химия. – 1972. – 240 с.