Влияние квазикристаллического наполнителя Al-Cu-Fe на трибологические свойства композита на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, политетрафторэтилена и их сополимера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние квазикристаллического наполнителя Al-Cu-Fe на трибологические свойства композита на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, политетрафторэтилена и их сополимера

Головкова Е.А.

Аннотация

Приготовлены композитные образцы на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, политетрафторэтилена и их сополимера с различным содержанием квазикристаллического наполнителя. Проведены трибологические и механические исследования полученных композитных образцов.

Ключевые слова:композит, полимер, квазикристалл, трибологические свойства, коэффициент трения, износостойкость.

Abstract:

Composite samples were prepared based on ultrahigh molecular weight polyethylene, polytetrafluoroethylene and their copolymers with different content of quasicrystalline filler. Tribological and mechanical studies of the obtained composite samples were conducted.

Keywords: composite, polymer, quasicrystal, tribological properties, friction coefficient, wear resistance

Композиты, в которых в качестве матрицы используются полимеры, привлекательны благодаря высокой химической стойкости, хорошим прочностным характеристикам, легкости, низкому коэффициенту трения и высокой износостойкости, свойственных полимерам [1].

Актуальной является задача получения антифрикционных композитов с высокими прочностью, модулем упругости, износостойкостью и технологичностью на основе полимерных матриц. Одним из наиболее перспективных материалов для использования в качестве матрицы полимерных композитов является сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), обладающий уникальным сочетанием высоких физико-химических и механических характеристик [2, 3]. В частности, этот полимер имеет очень низкий коэффициент трения, поэтому композиты на основе СВМПЭ представляют значительный интерес для триботехнических применений. К тому же СВМПЭ относится к термопластичным полимерам, которые перерабатываются в изделия высокопроизводительными способами литья под давлением и экструзии, что важно для массового крупносерийного производства.

Перспективным материалом в качестве матрицы полимерных композитов также является этилен - тетрафторэтилен (ЭТФЭ) - сополимер тетрафторэтилена и этилена, его формула (-CF2-CH2)n, коммерческие названия - фторопласт-40, Tefzel, FluonETFE и др. При нагревании до 260°С этот полимер переходит в вязко-текучее состояние, что позволяет перерабатывать его литьем под давлением и получать изделия сложной формы. Кроме того, он имеет невысокую ползучесть (остаточную деформацию при сжатии под нагрузкой), высокую радиационную стойкость и не обладает хладотекучестью. Диапазон рабочих температур от -60°С до +150°С [4], по другим данным от -100°С до +200°С [5, 6].

Благодаря самому низкому коэффициенту трения среди полимеров в качестве матрицы полимерных композитов триботехнического назначения широко применяется политетрафторэтилен (ПТФЭ) (коммерческие названия - фторопласт-4, Teflon и др.) [7]. Сам ПТФЭ в чистом виде, несмотря на очень низкий коэффициент трения, на практике находит ограниченное применение из-за низкой твердости и связанной с этим сильной изнашиваемости при трении [8]. Добавление наполнителей может повысить его износостойкость.

Известно, что практически любой твердый дисперсный наполнитель повышает стойкость полимера к абразивному износу, например, мел, каолин, асбест. Однако большинство высокодисперсных наполнителей повышают коэффициент трения полимера. Поэтому для антифрикционных применений целесообразно использовать дисперсные наполнители с низким коэффициентом трения. К ним относятся порошки графита, дисульфида молибдена, бронзы, некоторых селенидов и йодидов металлов.

В последнее время появились работы, в которых в качестве наполнителей антифрикционных полимеров используются порошки квазикристаллических сплавов на основе алюминия. К числу их интересных для применения свойств относятся низкие значения поверхностной энергии, смачиваемости и коэффициента трения [9]. Высокая хрупкость, сохраняющаяся до нескольких сотен градусов Цельсия, препятствует широкому применению квазикристаллов в виде компактного материала. Перспективность применения квазикристаллов связывается с покрытиями и пленками, преципитационным упрочнением сталей и приготовлением композитов с дисперсными квазикристаллическими наполнителями [10, 11]. Введение порошка квазикристаллического сплава AlCuFe в различные полимеры, как термопласты, так и реактопласты, значительно повышает их износостойкость при более низкой абразивности по сравнению с другими наполнителями (пластичными металлами или керамикой) [12, 13], а в случае матрицы из полиамида значительно снижается и коэффициент трения [14].

В связи с этим, мы продолжили изучение влияния квазикристаллического наполнителя AlCuFe на трибологические и механические свойства полимерных образцов, начатое в работе [15], в которой в качестве матрицы был использован СВМПЭ. В этой работе представлены результаты исследования влияния квазикристаллического наполнителя Al-Cu-Fe на трибологические и механические свойства политетрафторэтилена и сополимера этилен - тетрафторэтилена. Проведено сравнение результатов по композитам на основе указанных трех матриц.

Экспериментальная часть

В качестве матрицы композитов использовались: сверхвысокомолекулярный полиэтилен марки 21606-000, ПТФЭ марки Ф4ПН, ЭТФЭ марки Ф-40 (ТУ 301-05-17-89).

Приготовление квазикристаллических порошков и их диагностика описана в [15]. Порошки представляли собой однофазный квазикристалл, кривая распределения частиц по размерам имела максимум при 6 мкм.

Механические свойства, в частности, модуль упругости, предел текучести и прочность на разрыв, являются важнейшими характеристиками материала, определяющими возможность его практического использования [1618]. При получении композиционного материала существует опасность деградации механических свойств, поэтому необходимо знать зависимость этих свойств от количества наполнителя. Механические испытания проводились с помощью разрывной машины Instron 5965. Для испытаний из дисков были вырублены образцы в форме двухсторонних лопаток с длиной рабочей части 10 мм. Испытания проводили в режиме постоянной скорости движения зажимов (1 мм/мин) при непрерывной фиксации деформации и нагрузки на образце вплоть до разрыва. Обработка полученных результатов выполнена согласно (ГОСТ 11262-80).

Коэффициент трения измерялся с помощью прибора Т-01М (Institute for sustainable technologies, Poland) для определения коэффициента трения и износостойкости материалов по схеме pin-on-disk. Образец в форме диска диаметром 5 мм и толщиной 2 мм прижимался к стальному вращающемуся диску диаметром 70 мм. Образцы для измерения коэффициента трения вырубались из той же пластины, которая использовалась для механических испытаний. Диаметр дорожки трения составлял 50 мм. До и после измерений коэффициента трения образец взвешивался, и потеря веса служила мерой износа.

Результаты и их обсуждение

Кривые зависимости коэффициента трения от времени при нагрузке 20 Н образцов с матрицей из СВМПЭ приведены на рис. 1. На кривых зависимости коэффициента трения от времени можно выделить следующие временные интервалы: начальный, на котором коэффициент трения снижается со временем, что происходит при любой концентрации квазикристаллического наполнителя, и интервалы относительной стабильности, которые могут соседствовать с участками резкого подъема коэффициента трения, свидетельствующего, по нашему мнению, об изменении механизма износа. В свете обсуждающихся в обзоре [1] трибологических процессов в композитах на основе полимеров можно предположить, что снижение коэффициента трения на начальном интервале происходит благодаря формированию полимерной «пленки переноса» на металлическом контртеле. При введении квазикристаллического наполнителя в небольших концентрациях коэффициент трения снижается с увеличением концентрации, причем интервал относительной стабильности с низким коэффициентом трения заканчивается при временах тем меньших, чем больше концентрация наполнителя.

Рис. 1 - Зависимость коэффициента трения от времени для композитов с полиэтиленовой матрицей с содержанием 0, 1, и 30 об. % квазикристалла

Участки резкого подъема коэффициента трения, вероятно, обусловлены выкрашиванием квазикристаллических частиц и их абразивного действия, чем можно объяснить сдвиг этих участков в сторону меньших времен с увеличением концентрации наполнителя. С ростом содержания наполнителя происходит ухудшение трибологических свойств на достаточно больших временах, что также можно объяснить выкрашиванием. Другой возможной причиной может быть изменение свойств СВМПЭ под влиянием наполнителя. Об этих изменениях свидетельствуют понижение степени кристалличности и некоторое изменение механических свойств.

Рис. 2 - Зависимость коэффициента трения от времени для композитов с матрицей из ЭТФЭ с содержанием 0 и 4 об. % квазикристалла

На рис. 2 показана зависимость коэффициента трения от времени трибологического процесса для образцов без наполнителя и с содержанием наполнителя х=4 об.% с матрицей из ЭТФЭ. Видно, что для образца с наполнителем после 1000 с эксперимента коэффициент трения устанавливается и до предельного времени измерения 7200 с практически не меняется, а в образце без наполнителя коэффициент трения продолжает увеличиваться. Величина установившегося коэффициента трения снижается в 2 раза в образце с 4 об. % наполнителя по сравнению с образцом без наполнителя и затем с ростом х меняется незначительно на уровне около 0.17 (рис. 4 а).

Обращает на себя внимание тот факт, что характер кривых зависимости коэффициента трения от времени в случае ЭТФЭ-матрицы (рис. 2) сильно отличается от наблюдавшегося в образцах композитов СВМПЭ/ квазикристаллический Al-Cu-Fe (рис. 1). В последних наблюдались участки резкого подъема коэффициента трения и сдвиг этих участков в сторону меньших времен с увеличением концентрации наполнителя, что можно объяснить выкрашиванием квазикристаллических частиц и их абразивного действия. В образцах композитов ЭТФЭ/ квазикристаллический Al-Cu-Fe этот эффект отсутствует, благодаря, по-видимому, более высокой адгезии наполнителя к полимерной матрице.

композитный квазикристаллический полиэтилен

Рис. 3 - Зависимость коэффициента трения от времени для композитов с матрицей из ПТФЭ с содержанием 0, 1 и 8 об. % квазикристалла

На рис. 3 показана зависимость коэффициента трения от времени трибологического процесса для образцов с различным содержанием наполнителя с матрицей из ПТФЭ. Видно, что коэффициент трения ПТФЭ ниже, чем для композитов с квазикристаллическим наполнителем, но при времени эксперимента около 1000 с образец полностью истирается. Для образцов же с наполнителем 1 и 8 об. % коэффициент трения начиная с 15 мин возрастает, около 1000 с стабилизируется, затем медленно меняется и достигает величины около 0. 17, примерно соответствующей коэффициенту трения композитам с ЭТФЭ - матрицей.

Рис. 4 - Сравнение трибологических свойств трех композитов: а) Зависимость коэффициента трения от концентрации наполнителя б) Зависимость износа (относительной потери веса) от концентрации наполнителя

На рис. 4 (а) представлена зависимость коэффициента трения от концентрации наполнителя. Видно, что для композитов с матрицей из СВМПЭ при увеличении содержания квазикристаллического наполнителя х коэффициент трения увеличивается, что можно объяснить выкрашиванием частиц квазикристалла. Для композита на основе ЭТФЭ с квазикристаллическим наполнителем х=4 об. % коэффициент трения уменьшается в 2 раза по сравнению с чистым ЭФТЭ и достигает величины около 0.17 при больших временах эксперимента. Для образцов с матрицей на основе ПТФЭ с увеличением содержания наполнителя коэффициент трения при больших временах эксперимента увеличивается с 0.12 и достигает примерно 0.17 для композитов с содержанием наполнителя 8 об. %.

В качестве меры износа рассматривалась относительная потеря массы образца. На рис. 4 (б) показано изменение относительной потери массы в зависимости от содержания наполнителя в разных матрицах. Видно, что для образцов с матрицей из СВМПЭ, относительная потеря массы увеличивается с увеличением содержанием квазикристаллического наполнителя (т. е. износостойкость падает). Для образцов с матрицей из ЭТФЭ потеря массы с увеличением содержания квазикристаллического наполнителя уменьшается и составляет при 4 об. % 0.0075, что в 20 раз меньше по сравнению с чистым ЭТФЭ. При увеличении содержания наполнителя в композите на основе ПТФЭ, относительная потеря массы образца резко падает уже при х=1 об. %, а при х=8 об. % становится в 1800 раз ниже, чем для чистого ПТФЭ. Более того, при 8 об. % квазикристаллического наполнителя в композите на основе ПТФЭ относительная потеря массы ниже, чем композитов на основе ЭТФЭ и СВМПЭ с тем же содержанием наполнителя.

При представлении результатов исследования механических свойств нами использовалась общепринятая терминология и обозначения, типичная кривая нагрузки у как функции относительной деформации е для полимерных материалов. Наклон первоначального линейного участка характеризуется модулем упругости Е. Начало области текучести можно охарактеризовать точкой, в которой у(е) достигает максимального значения уS - верхнего предела текучести, имеющего место при относительной деформации еS. При дальнейшем растяжении образца обычно наблюдается протяженный участок пластической деформации, связанный с перестройкой структуры полимера. В конце этого участка, как правило, происходит возрастание нагрузки (до величины предела прочности при растяжении уB, соответствующему относительному удлинению еB), которое предшествует разрыву образца при относительном удлинении еR. Иногда такого увеличения нагрузки не происходит. В этом случае точка максимальной нагрузки совпадает с началом участка пластической деформации (уB=уS, еB=еS).

Таблица 1

Механические свойства образцов

В табл. 1 приведены данные механических испытаний на разрыв образцов на основе трех разных матриц с различным содержанием квазикристаллического наполнителя.

В образцах с матрицей из СВМПЭ при увеличении количества наполнителя модуль упругости Юнга, предел прочности уB практически не меняются в пределах ошибки при увеличении количества наполнителя, при этом относительное удлинение еB образца немного уменьшается.

В образцах с матрицей из ЭТФЭ модуль упругости Юнга, предел прочности уB, деформация еB при растяжении практически не меняются с увеличением содержания квазикристаллического наполнителя.

В образцах на основе ПТФЭ модуль упругости практически не меняется, предел прочности уB уменьшается с увеличением содержания квазикристаллического наполнителя, при этом он близок по значению к уB композитов на основе СВМПЭ и ЭТФЭ, относительная деформация при растяжении еB уменьшается с увеличением содержания наполнителя, но при 8 об. % все равно значительно выше, чем для композитов на основе СВМПЭ и ЭТФЭ.

Заключение

Получены композиты на основе СВМПЭ, ПТФЭ и их сополимера ЭТФЭ с различным содержанием квазикристаллического наполнителя
Al-Cu-Fe.

Увеличение содержание наполнителя в композитах на основе СВМПЭ приводит к увеличению коэффициента трения при больших временах эксперимента, что связано с выкрашиванием наполнителя, и незначительному снижению износостойкости.

Увеличение содержание квазикристаллического наполнителя до 1об.% приводит к падению коэффициент трения в случае ЭТФЭ и к росту в случае ПТФЭ, при дальнейшем увеличении содержания наполнителя коэффициент трения в обоих случаях меняется слабо и составляет 0.17,

При этом на порядок (ЭТФЭ) и три порядка (ПТФЭ) увеличивается износостойкость композитных образцов, что, по-видимому, связано с более высокой адгезией наполнителя и полимерной матрицы, чем в случае СВМПЭ.

Исследование механических свойств показало незначительные изменения в величине предела прочности при растяжении уB, относительной деформации еB и модуля Юнга при увеличении содержания квазикристаллического наполнителя в композитах на основе СВМПЭ и ЭТФЭ.

При увеличении содержания квазикристаллического наполнителя в композите на основе ПТФЭ модуль Юнга практически не меняется, предел прочности при растяжении уменьшается, а относительная деформация при растяжении еB уменьшается, но остается значительно выше, чем у композитов на основе СВМПЭ и ЭТФЭ.

Литература

1. Песецкий С.С., Богданович С.П., Мышкин Н.К.//Трение и износ. 2007. Т. 28. № 5. С. 500.

2. Лунькова А.А., Калошкин С.Д., Горшенков М.В.//Наука и образование (электронный журнал). 2012. № 10. http://www.technomag.edu.ru/doc/479228.html

3. Selyutin G.E., Gavrilov Yu.Yu., Voskresenskaya E.N., Zakharov V.A., Nikitin V.E., Poluboyarov V.A.// Chemistry for Sustainable Development. 2010. № 18. P. 301.

4. Бейдер Э. Я., Донской А. А., Железина Г. Ф., Кондрашов Э. К., Сытый Ю. В., Сурнин Е. Г. // Российский химический журнал. 2008. Т. 27. № 3. С. 30.

5. Сополимеры тетрафторэтилена с этиленом. Фторопласт-40 [Электронный ресурс] // Отдел фторполимеров ОАО "Пластполимер". URL: http://www.plastpolymer.org/f-401.htm (дата обращения: 02.03.2016).

6. Chemours [Электронный ресурс] // DuPont Tefzel fluoropolymer resin. Properties Handbook. URL: https://www.chemours.com/KIV/zh_CN/assets/downloads/h96518.pdf (дата обращения: 02.03.2016).

7. Охлопкова А. А., Петрова П. Н., Попов С. Н., Слепцова С. А. // Трение и износ. 2002. Т. 23. № 6. С. 653.

8. Машков Ю. К. Трибофизика металлов и полимеров: монография // Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. 240 с.

9. Dubois J.M. // Conf. New Horizons in Quasicrystals, Singapore; World Scientific, 1997. P. 208.

10. Lutz D. // The Industrial Physicist. 1996. V. 2. № 4. P. 26.

11. Brown M. // Technical Insights Futuretech. 1999 (April 5). № 233.

12. Bloom P.D, Baikerikar K.G., Anderegg J.W., Sheares V.V. // Mater. Sci. Eng. A. 2003. V. 360. P. 46.

13. Bloom P.D., Baikerikar K.G., Anderegg J.W., Sheares V.V. // Proc. Symp. Mater. Res. Soc. 2001. V. 643. P. K16.3.1.

14. Liu Y., Bloom P.D., Sheares V.V., Otaigbe J.U. Proc. Symp. Mater. Res. Soc. 2002. V. 702. P. 339.

15. Цетлин М. Б., Теплов А. А., Белоусов С. И., Чвалун С. Н., Головкова Е. А., Крашенинников С. В., Голубев Е. К., Пресняков М. Ю., Орехов А. С. , Васильев А. Л. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2015. № 10. С.77.

16. Крыжановский В.К., Бурлов В.В., Паниматченко А.Д., Крыжановская Ю.В. Технические свойства полимерных материалов: Уч._справ. пособие. 2_е изд.. СПб.: Профессия, 2007. 240 с.

17. Шевченко А.А. Физикохимия и механика композиционных материалов: Уч. пособие для вузов. СПб.: Профессия, 2010. 224 с.

18. Грэлльманн В., Зайдлер С. Испытания пластмасс / Пер. с англ. ред. А. Я. Малкин. СПб.: Профессия, 2010. 720 с.

Размещено на Allbest.ru