книги / Трение и износ наполненных полимерных материалов

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время вопросы повышения надежности и долго­ вечности узлов трения, создания новых конструкционных матери­ алов приобретают исключительно важное значение.

Полимеры играют все большую роль в производстве конструк­ ционных материалов. Узлы трения, в которых применены поли­ мерные материалы, имеют малый вес, работают бесшумно, обла­ дают демпфирующей способностью, электро- и теплоизоляцион­ ными и другими положительными качествами. Материалы на полимерной основе способны работать в вакууме, в химически активной, пищевой и тому подобных средах. Они пригодны как для подшипников скольжения, так и для тормозных устройств с высоким и устойчивым в широком диапазоне нагрузок и скорос­ тей коэффициентом трения и т. д.

Перед исследователями открыты большие перспективы даль­ нейшей модификации композиций на полимерной основе путем использования различных наполнителей и подкрепляющих ве­ ществ. К наиболее важным методам следует отнести и химичес­ кую модификацию, смешение полимеров, пластификацию, приме­ нение поверхностно-активных веществ и др.

На практике существуют сотни потенциально возможных на­ полнителей и подкрепляющих веществ для улучшения фрикцион­ ных и износных характеристик девственных полимеров, применяв* ных в качестве элементов пары трения. Но в настоящее время выбор типа и количества наполнителей не всегда производится по научному принципу, а иногда это делается с надеждой на слу­ чайность. Вопрос сложен, и потому рекомендации в основном носят количественный характер, а данные экспериментов не всег­ да применимы для их распространения в ряде подобных случаев при изменении условий работы. Воздействие наполнителей на ме­ ханизмы трения и износа мало изучено.

Фрикционные и износные характеристики полимерных мате­ риалов определяются не только физико-механическими свойства­ ми, но и в достаточно большой степени условиями испытания, природой и состоянием поверхности трения. Среда при этом иг­ рает важную роль. Необходимо изучать роль этих факторов в процессах трения и износа наполненных и подкрепленных поли-

3

Глава I

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОДБОРА НАПОЛНИТЕЛЕЙ

§ 1. ВЫБОР ТИПА И КОЛИЧЕСТВА НАПОЛНИТЕЛЕЙ ДЛЯ АНТИФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Выбор типа и количества наполнителей является главной про­ блемой при создании новых композиций на полимерной основе потому, что поведение различных наполнителей не всегда может быть достоверно точно предсказано. Хотя это положение и ме­ няется к лучшему, но все же выбор наполнителя чаще и больше основан на результатах экспериментов, чем на каком-либо пони­ мании механизма влияния на свойства.

Если правильно подобрать тип и количество наполнителей, то это приведет к следующим общим положительным воздействиям на полимерные материалы [7, 11, 37, 40, 58, 69, 82, 105, 113]:

1.Износостойкость может повышаться примерно в 1000 раз.

2.Сопротивление ползучести или деформированиюпод на­ грузкой может повышаться примерно в 10 раз.

3.В зависимости от используемого наполнителя теплопровод­ ность может повышаться в 5 раз или более.

4.В зависимости от применяемого наполнителя коэффициент линейного расширения может понижаться примерно в 5 раз.

5.Выбором соответствующих наполнителей можно контроли­ ровать электрические свойства композиций.

6.В зависимости от назначения узла трения можно контроли­ ровать значения коэффициента трения.

7.В условиях изменений температур при трении можно полу­ чить теплостойкие композиции для достаточно большого диапа­

зона изменений температур.

8. При работе в условиях химически активных сред можно сохранить химическую инертность основного полимерного мате­ риала.

На практике доступны вообще сотни потенциальных наполни­ телей. Для ограничения такого большого диапазона могут быть предложены следующие лимитирующие факторы свойств напол­ нителей [7, 11, 40, 54, 69, 82, 105]:

1. Теплостойкость. Наполнитель должен выдерживать темпе­ ратуру, равную температуре спекания соответствующего поли­ мера.

2. Конфигурация частиц наполнителя. Волокна и пластинки могут придать материалу максимум подкрепления посредством

5

перекрытия, но они повышают анизотропность материала; произвольная форма частиц способствует их наилучшей механической связи с полимером, но в то же время они могут быть абразивами; сферические частицы уменьшают возможность абразивного из­ носа, но уменьшается также подкрепление и способность меха­ нической связи с основным материалом.

3.Величина частиц. Если частицы будут намного больше час­ тиц основного материала, то смесь получится неоднородной и поэтому свойства композиции будут отличаться в различных ее частях. Если же частицы будут намного меньше, то частицы по­ лимера могут быть покрыты ими и тем самым понизится адгезия между ними. Кроме того, величина частиц может повлиять на термо- и электросвойства композиции.

4.Отделка поверхности частиц. До известной степени это гра­ ничит с конфигурацией частиц. Если бы можно было найти сред­ ство образования поперечных связей между полимером и напол­ нителем, то износостойкость, возможно, можно было бы повысить.

5.Структура и физические свойства частиц. Так как смесь полимера с наполнителем "будет обладать свойствами где-то ме­ жду этими компонентами, то для уменьшения ползучести тре­ буется наполнитель с высоким модулем упругости и высокой прочностью на разрыв; для предотвращения повышения значений коэффициента трения требуется пластичный наполнитель, обес­ печивающий низкие значения сопротивления по сдвигу (срезу)

ипониженную поверхностную активацию; для уменьшения изно­ са следует применять наполнители с высокой теплопроводностью, а, строго говоря, факторы в данном аспекте все еще не полностью раскрыты.

6.Химические свойства. Они влияют на химическое сопротив­ ление композиционных материалов, что может в свою очередь повлиять на износные свойства.

7.Другие свойства. Нежелательно, если наполнитель легко агломерирует, так как это делает смешивание трудным; если на­ полнитель является гигроскопичным и вступает в реакцию с по­ лимером, так как это приводит к трудностям при фабрикации смеси.

8.Однородность наполнителя является очень важным факто­ ром, и обычно синтетические или легко производимые материалы предпочитаются натуральным.

9.Наполнители должны быть доступными н дешевыми.

На основании сказанного в качестве примера (табл. 1) из множества потенциальных наполнителей выбраны самые общие для политетрафторэтилена (ПТФЭ) [82].

При создании новых композиционных материалов на поли­ мерной основе первостепенное значение имеет не только подбор наиболее эффективных типов наполнителей из очень большого количества потенциально возможных, но и их рациональное ис­ пользование с учетом конкретных условий работы. Практика;

6

3. Асбесты, имеющие много полезных свойств, но они их меняют неожидан­ но и различным образом при спека­ нии. В настоящее время асбесты не рекомендуются в качестве наполните­ ля для ПТФЭ.

знает немало примеров, когда одни и те же наполнители или их сочетания в тех же или иных объемах по весу оказывают самые разные влияния на фрикционные характеристики пар трения в зависимости от эксплуатационных условий и от того, какой основ­ ной полимерный материал применяется.

Томсон и др. [138] полагают, что использование M0S2, асбеста, углерода, графита и меди в качестве наполнителя для ПТФЭ по­ вышает с увеличением их содержания коэффициент трения. При этом наблюдается значительный разброс значений коэффициен­ та трения при использовании различных наполнителей. Для на­ полнителей указанных типов Майлс и Сарджент [111] нашли, что коэффициент трения почти не зависит от типа и количества на­ полнителя. Кроме того, M0S2 и графит не имеют никаких преиму­ ществ по сравнению с волокном стекла, асбестом и медью. К та­ кому же выводу приходит и О’Роурке [119], который позже [120] отметил, что коэффициент трения, скорее всего, зависит от коли­ чества наполнителя, чем от его типа. Исключение составила только окись кадмия. Он показал, что композиция на основе ПТФЭ с 25%-ным стекольным волокном имеет высокую износо­ стойкость только при низких скоростях скольжения (до 50 см/сек), а при более высоких скоростях эффективны бронза и окись кадмия. По его мнению, существует только одно оптималь­ ное содержание наполнителя, по крайней мере для бронзы —

7

30 об.% или 60—70 вес.%. Брискоу, Погосян и Тейбор (69] пред­ полагают, что при определенных условиях смесь наполнителей СиО и РЬ30 4 повышает износостойкость полиэтилена высокогодавления (ПВД), но коэффициент трения остается практически неизменным. При этом значительное уменьшение износа наблю­ далось при высоких скоростях скольжения и при относительно гладких поверхностях контртела. Одновременно не наблюдалось сколько-нибудь значительного повышения износостойкости поли­ этилена низкого давления (ПНД) при идентичных условиях. ПВД был использован в качестве объекта исследований и Б. В. Дерягиным [22]. В его опытах наполнителем служили устой­ чивые к окислению порошки железа дендритной формы, получен­ ные путем электролиза по методу А. Г. Баграмяна. Наполнение полиэтилена высокодисперсиым порошком железа в количестве 80 и 90 вес.% практически не изменяло его фрикционных свойств в условиях статического трения в широком интервале нормаль­ ных нагрузок. А наполнение порошком окиси железа Fe30 4 в ко­ личестве 90 вес.% приводило к заметному возрастанию коэффи­ циента трения.

На основе анализа физико-химических и мехаиохимических процессов, происходящих в зоне фрикционного контакта, комп­ лексного исследования природы наполнителя и связующего, их соотношения в композициях, дисперсности наполнителей и адге­

пар трения производилось создание новых самосмазывающихся материалов [9, 12]. Исходя из перспективных требований ряда отраслей промышленности, авторами разработаны две группы самосмазывающихся материалов для пар трения [11]: 1) компо­ зиции типа ПВФК на основе полимерной матрицы и активных наполнителей и типа АПД на основе прессованной древесины и пластичных наполнителей, предназначенные для работы в каче­ стве подшипников скольжения машин и приборов без внешней смазки; 2) электропроводные материалы, обладающие стабиль­ ными электрокоммутационными характеристиками в условиях изменяющейся окружающей среды. Определены оптимальные составы материалов и разработана гамма марок новых металлополимерных композиций, успешно используемых в узлах тре­ ния различных машин и оборудования.

При очень низких температурах [93] и в условиях высокого вакуума [73] наблюдается значительное изменение коэффициен­ та трения для наполненных полимеров, но это явление никак не связывается ни с типом наполнителей, ни с их количеством. Что касается влияния наполнителей на износостойкость в усло­ виях вакуума, то здесь результаты более определенные [73]. Например, стеклянные волокна, медь и порошок кокса повышают износостойкость, в то время как.МоБг и серебро увеличивают износ. Добавление M0S2 в .композиции, наполненные стеклово-

8

локиами, не приводит к заметному улучшению износостойкости. В работе [83] для уплотнений из наполненных ПТФЭ вновь коэффициент трения представляется независимым от наполни­ теля, в то же время Ганц и Пархоменко [84] на основании лабо­ раторных работ и испытаний считают, что выбор типа наполни­ теля является важным этапОхМ в создании новых антифрикци­

онных композиций.

Коэффициент трения резин, как утверждают Г. М. Бартенев и В. В. Лаврентьев [5], в первую очередь определяется типом каучука, наполнители влияют гораздо слабее.

Митчелл и Пратт [ИЗ] пришли к выводу, что при создании подшипниковых материалов на основе ПТФЭ важно не количе­ ство, а тип наполнителя. Они считают, что бронза имеет незначи­ тельное воздействие на коэффициент трения, M0S2 снижает его значение, а кизельгур, наоборот, повышает на 25%. С другой стороны, износостойкость этих материалов главным образом предопределяется наличием бронзы [125]. После бронзы наилуч­ шее влияние на повышение износостойкости оказывают уголь или графит, потом керамические материалы, включающие стек­ ло, другие металлические элементы, и наименьшее воздействие имеет M0S2. Как в [125], так и в работе [112] еще раз предлагает­ ся оптимальное содержание наполнителей ограничить 30 и 40 об. %. Такое содержание предлагается и Р. М. Матвеевским [40]. Для повышения износостойкости фторопласта-4 при трении по стали без смазки в качестве наполнителя им применялись свинец, серебро, нитрид бора, графит, бронзы ОФЮ-1 и СуСб-12. Результаты испытаний показали, что все введенные во фторо­ пласт-4 наполнители резко снижают интенсивность износа при трении (на 2—3 порядка). Наиболее высокой износостойкостью отличаются композиции со стружкой антифрикционных бронз в качестве наполнителя.

Как правило, наполнение вначале приводит к повышению из­ носостойкости вследствие увеличения прочности и жесткости. С возрастанием количества наполнителя износ увеличивается из-за падения прочности. И. И. Фарберова и С. Б. Ратнер [58] предлагают вводить 30—40 вес. % наполнителя (тальк) для по­ вышения износостойкости фторопласта и полиамида П-68 при их трении по гладким поверхностям. В условиях абразивного износа оптимальное количество наполнителя меняется. Так, на­ пример, минимальный абразивный износ полипропилена дости­ гается при содержании наполнителя (двуокись титана) в коли­ честве 10 вес. % [57]. С другой стороны, авторы работы [132] указывают на повышение износостойкости ПТФЭ при добавле­ нии всего лишь 2,5 об. % окиси алюминия. Правда, наблюдается дальнейшее уменьшение износа с повышением содержания оки­ си алюминия до 10 об. %. При более высоком содержании на­ полнителя испытания не проводились, и рекомендуемые цифры не могут быть окончательными.

9

Существует такой подход использования наполнителей,, главной целью которого является образование тонких пленок на поверхностях контактирующих тел в процессе трения, облада­ ющих малым сопротивлением сдвигу, малой адгезией и большим сопротивлением внедрению отдельных микронеровностей контр­ тела. Авторы такого направления, например [53], считают, что для образования подобной пленки не требуется вводить много наполнителей и 2— 10% обычно считается достаточным. По их мнению, чем выше дисперсность, меньше плотность и легческользят друг по другу чешуйки наполнителя, тем меньше его нужно вводить. Для расчета предельной степени наполнения частицами, близкими по форме шарообразным, предлагается следующая формула:

где фи— объемная доля наполнителя; d — размер (диаметр) частицы наполнителя; 6 — толщина слоя полимера, необходимо­

го для сплошного обволакивания частицы наполнителя.

В общем случае применение наполнителя вызвано необходи­ мостью создания композиционных материалов, структурой по­ верхностного слоя которых можно было бы управлять и соответ­ ственно направленно регулировать трибохимические процессы в зоне трения. Достижение этой цели возможно за счет модифи­ кации поверхности трения непосредственно в процессе фрикци­ онного взаимодействия. Введение в материал комплекса хими­ ческих соединений необходимых металлов с различными темпе­ ратурами разложения и в строго процентном соотношении позволяет [10] повысить нагрузочную способность композиций,, а также регулировать фрикционные свойства за счет последова­ тельного разложения соединений такого типа.

Встречаются работы, например [81], где приводится целый ряд рекомендуемых наполнителей, но без определенного уточ­ нения их номинального содержания. Немало и противоречивых данных в литературе. Так, например, если, согласно Митчеллу и Пратту [113, 125], M0S2 немного повышает износостойкость ПТФЭ, то по [81] считается, что этот наполнитель значительно ее уменьшает.

Было отмечено также [81, 119, 120, 129], что добавление M0S2: и угля в композиции, подкрепленные волокнами стекла, умень­ шает коэффициент трения. Но это'не подтверждается другими исследователями [73, 82, 83].

Поэтому, хотя введением наполнителя в полимер для улучшения его фрикционных и износных характеристик пользуются довольно широко, четкого правила выбора типа наполнителя и количества его в полимере пока нет. Противоречивость данных разных исследователей нельзя объяснить только различием ме­ тодов и условий испытаний. Требуется более детальный анализ

10