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

К.т.н. Чигвинцева О.П.

Днепропетровский государственный аграрный университет, Украина

Полимерные композиты на основе полиарилата

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) играют важную роль в развитии машиностроительной индустрии, так как срок службы машин, а также их безотказная работа в подавляющем большинстве случаев определяется работоспособностью узлов трения. Непрерывный рост нагрузок, скоростей скольжения и температуры, усложнение условий эксплуатации узлов трения требует постоянного улучшения свойств антифрикционных материалов [1].

Одним из эффективных способов повышения триботехнических характеристик ПКМ является армирование их углеродными волокнами (УВ). Полимерные материалы, армированные УВ – углепластики (УП), обладают улучшенным комплексом физико-механических свойств. Главным преимуществом УП перед другими конструкционными материалами являются высокие удельные упруго-прочностные характеристики, благодаря которым удается создавать конструкции, не только отвечающие предъявляемым требованиям, но и обладающие минимальной массой [2].

В настоящее время УВ как наполнители термопластичных полимерных материалов антифрикционного назначения все в большей мере вытесняет традиционное стеклянное волокно, несмотря на то, что стоимость первого гораздо выше. Это объясняется, прежде всего тем, что УВ обладает гораздо более низким коэффциентом трения по сравнению со стекловолокнами (коэффициент трения УВ по стали составляет около 0,25, а стекловолокон – 0,8) [3].

Весьма перспективным классом термопластичных полимеров, который может успешно применяться в областях техники, где требуется высокая тепло- и светостойкость, хорошие электроизоляционные и механические показатели, является сложный ароматический полиэфир полиарилат [4].

С целью создания УП с улучшенными трибологическими свойствами полиарилат (ПАР) марки ДВ был армирован дискретным низкомодульным УВ марки «углен» в количестве от 5 до 35 мас. %.

Изучение влияния содержания УВ на триботехнические характеристики УП на основе ПАР показало, что минимальные значения коэффициента трения и интенсивности линейного изнашивания характерны для УП, содержащего 25 мас. % волокнистого наполнителя [5, 6].

В результате исследования влияния режимов эксплуатации на трение и износ указанного УП (рис. 1) установлено, что при увеличении нагрузочного режима от 0,4 до 0,8 МПа во всем исследованном диапазоне скоростей скольжения (0,5 - 2 м/с) коэффициент трения (f) возрастал на 16-25 %. При нагрузке 0,8 МПа он стабилизировался принимая средние значения - 0,31-0,32. Эффект стабилизации коэффициента трения можно объяснить тем, что в процессе дли-

Рис. 1. Влияние скорости скольжения (v) и удельной нагрузки (Р)

на коэффициент трения углепластика на основе полиарилата,

армированного 25 мас. % углеродного волокна

тельных испытаний на стальном контртеле образуется пленка, состоящая из мелкодисперсных частиц износа. Вследствие этого наблюдается трение поли-

мерных образцов не по стальному диску, а по полимерной пленке. Анализ продуктов изнашивания свидетельствует о том, что в процессе износа УВ раскалываются по фибриллярным плоскостям (рис. 2). Мини-мальные значения (0,18) коэффициент трения принимает при Р=0,4 МПа и v=1 м/с. Снижение коэффициента трения при увеличении скорости скольжения от 0,5 до 1 м/с при нагрузке 0,4 МПа вызвано, с одной стороны, сокращением времени фрикционной

Рис. 2. Микроструктура частиц продуктов износа углепластика на основе полиарилата, армированного 25 мас.% углена. Увеличение: ´ 500.

связи УП – сталь, а с другой – увеличением тангенциальной составляющей скорости скольжения, которая благоприятствует эффективному выведению частиц износа из зоны трения. Однако, при повышении скорости скольжения до 2 м/с коэффициент трения возрастал, что вызвано ростом температуры в зоне контакта полимер – стальной диск. С повышением нагрузки до 0,6 МПа эффект минимизации коэффициента трения в диапазоне скоростей 1 и 1,5 м/с уменьшается, а при нагрузке 0,8 МПа – совсем исчезает. Аналогично коэффициенту трения изменялась и интенсивность линейного изнашивания (I_h) УП (рис. 3). С ростом нагрузки до 0,8 МПа в исследованном интервале скоростей интенсивность линейного изнашивания в среднем возрастала в 1,6-1,9 раз. Это можно объяснить тем, что в условиях интенсивных скоростей скольжения и высоких нагрузок на поверхности контртела развивалась высокая температура, что приводит к размягчению поверхностных слоев связующего, в результате увеличивается адгезия между трущимися поверхностями вследствие чего и возрастает износ полимерных образцов.

Рис. 3. Влияние скорости скольжения (v) и удельной нагрузки (Р) на

интенсивность линейного изнашивания углепластика на основе полиарилата,

армированного 25 мас. % углеродного волокна

Исследование поверхности трения УП показало, что при истирании (Р = 0,4 МПа, v = 0,5 м/с) образуется гладкая стекловидная поверхность с хаотически распределенными УВ и продольными полосами на поверхности трения (рис. 4а). При ужесточении режимов эксплуатации на поверхности трения УП наблюдаются существенные изменения (рис. 4б, в, г), которые заключаются в нарушении хаотичного расположение армирующего наполнителя в структуре ПАР, а также в выдергивании его из полимерной матрицы и ориентации по направлению движения контртела, что, как уже отмечалось ранее, обусловлено размягчением поверхностных слоев связующего.

Дальнейшее повышение нагрузочного режима испытаний УП приводит к увеличению зон схватывания, в результате чего на поверхности образца образуются интенсивные полосы пропахивания. Следует отметить, что оторванные металлические частички контртела в жестких условиях трибологических испытаний способны внедряться в указанные зоны пропахивания (рис. 4г). Такой характер износа свидетельствует, что при нагрузке 0,8 МПа имеет место адгезионный механизм изнашивания.

Рис. 4. Микроструктура поверхности трения углепластика, армированного 25 мас. % углена, испытанного при удельных нагрузках 0,4 (а); 0,6 (в, г) и 0,8 (б) МПа и скорости скольжения 0,5 (а) и 2 м/с (б, в, г). Увеличение : ´ 100 (в); 160 (а, б) и 500 (г)

В целом, изучение влияния режимов эксплуатации на трение и износ УП с оптимальным содержанием УВ (25 мас. %) показало, в результате армирования полиэфирного связующего критерий работоспособности PV (произведение удельной нагрузки на скорость скольжения) при сухом трении повышается в 1,3 раза (до 1,6 МПа × м/с), что позволяет эксплуатировать разработанный материал в более жестких условиях работы.

Литература:

[1] Гвоздев А.А., Чернов Ю.И. Повышение адгезионной прочности полимерных покрытий // Техника в сельском хозяйстве. – №3. – 2009. – С. 23-26.

[2] Лебедева И.А., Хлебников В.В. Рынок углеродных волокон: состояние и перспективы // Полимерные материалы. – Выпуск №4 (143). – 2011.

[3] Композиционные материалы на основе углеродных волокон и полимерных материалов // Обзорная информация. Серия: Промышленность химических волокон. – М: НИИТЭХИМ. – 1979. – 55 с.

[4] Виноградова С.В., Васнев В.А., Валецкий П.В. Полиарилаты. Получение и свойства // Успехи химии, 63 (10). – 1994. – С. 885-904.

[5] Буря А.И., Чигвинцева О.П. Исследование триботехнических характеристик углепластиков на основе полиарилата // Тезисы докладов Международной научной конференции "Композиционные материалы в промышленности" (Славполиком-99). – 11-13 мая. – Киев. – 1999. – С. 30-31.

[6] Burya A.I., Chigvintseva O.P. The influence of carbon fibre content on the tribological properties of polyarylate based composites materials // The 3^rd International Symposium on Tribology, 11-15 September, 2001, Beijing, China «Mathematics Physics Astronomy, Series A, Volume 44 Supplement, 2001. – Р. 281-286.