Износостойкие композиты на основе ПТФЭ, полученные модифицированием моторными маслами

Создание приборов и машин нового поколения с высокими технико-экономическими характеристиками, отличающихся высокой надежностью и долговечностью, тесно связано с применением новых конструкционных материалов на основе полимеров. Узлы трения и другие элементы конструкции машин, изготовленные с использованием полимерных материалов, имеют меньшую массу, работают практически бесшумно, обладают демпфирующей способностью, в ряде случаев не требуют смазки. Детали из полимерных материалов могут работать в вакууме, в химически активной и инертной средах, при криогенных и повышенных температурах в различных узлах трения в широком интервале нагрузок и скоростей скольжения [1]. Если принять во внимание очень низкий коэффициент трения политетрафторэтилена (ПТФЭ) и его высокую химическую и термическую стойкость, то становится очевидным, насколько перспективно его применение в узлах сухого трения в широком интервале температур – от криогенных до повышенных (200-250°С). С другой стороны этот материал не является идеальным в применении из-за текучести и малой износостойкости [2]. Именно повышение износостойкости ставится главной задачей создания новых триботехнических материалов на основе ПТФЭ при сохранении прочностных характеристик на уровне исходного полимера. В настоящее время широко ведутся исследования по разработке новых методов модифицирования политетрафторэтилена с целью улучшения его триботехнических характеристик.

В последние годы широкое распространение получил метод повышения фрикционных свойств полимерных материалов путем введения

в их состав жидкофазных смазок и смазочных масел. При введении жидких компонентов в пределах, превышающих их совместимость с полимерным связующим, создается возможность выделения избытка жидкости из матрицы. Наличие в зоне трения градиента температур способствует миграции смазочной жидкости с повышенной температурой. Таким образом, на поверхностях трения непрерывно генерируется смазочная пленка. При снижении температуры в зоне трения скорость миграции смазки замедляется, что способствует обеспечению эффекта самосмазы-вания в течение длительного времени [3].

Объектами исследования являлись ПТФЭ (ГОСТ 10007-80) и полимерных композиционных материалов (ПКМ) на его основе с активированными природными цеолитами, модифицированных моторным маслом марки 8100 ECOENERGY MOTUL SAE 5W30.

В предыдущих работах авторов [4, 5] показана перспективность модифицирования ПТФЭ и композитов на его основе моторными маслами марки М-8В и Ravenol 5W-40 с целью получения композитов с повышенной износостойкостью и нагрузочной способностью. При этом было показано преимущество использования минерального моторного масла марки М-8В, характеризуемой меньшей вязкостью, в качестве жидкофазного модификатора ПТФЭ с целью получения износостойких композитов на его основе. В связи с этим представляет интерес исследование моторных масел другой природы в качестве модификаторов ПТФЭ с целью более полного понимания механизма повышения износостойкости при таком способе наполнения.

Технология получения ПКМ заключается в пропитке предварительно сформованных пористых полимерных заготовок жидкими моторными маслами различного происхождения с последующим затвердением жидкой фазы в процессе переработки композита. Пропитка пористых материалов жидкой смазкой основано на явлениях иммерсионного смачивания и процессе самопроизвольной пропитки, при которой давление создается за счет капиллярных эффектов, возникающих из-за искривления поверхности жидкости, без приложения внешних сил. Самопроизвольная (свободная) пропитка полимерных пористых каркасов осуществляется при их полном погружении в жидкую фазу. В данной работе приводится сравнение результатов триботехнических исследований ранее исследованных композитов на основе ПТФЭ и композитов, полученных с использованием моторного масла 8100 ECO-ENERGY MOTUL SAE 5W30.

Зависимость скорости массового изнашивания полимерных композитов, модифицированных моторным маслом марки SAE 5W30, от давления прессования и температуры пропитки, а также сравнение этих данных с ранее разработанными композитами приведена на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость скорости массового изнашивания ПКМ от природы жидкой смазки и температуры пропитки

Из рис. 1 видно, что композиты, полученные пропиткой в масле марки SAE 5W30, по сравнению с композитами, полученными модифицированием моторным маслом марки М-8В, не уступают по износостойкости, а по сравнению с композитами, полученными модифицированием моторным маслом марки VSI 5W40. превосходят их. Это, вероятно, связано с тем, что сложные эфиры, входящие в состав масла, обеспечивают хорошую адгезию ПКМ к поверхности контртела, вследствие чего в процессе трения быстрее формируется прочная пленка переноса. Низкая способность продуктов изнашивания ПТФЭ к взаимодействию с металлическим контртелом (адсорбционному, хемосорбционно-му, адгезионному) не позволяет сформировать устойчивый разделительный слой в зоне фрикционного контакта, выполняющий функции ингибитора изнашивания в течение длительного периода контактного взаимодействия компонентов трибосистемы [3], поэтому изделия из ПТФЭ характеризуются повышенным износом как при эксплуатации без подвода внешней смазки, так и при трении в присутствии смазки.

При модифицировании композитов моторным маслом Motul 5W30, вероятно, из-за наличия в составе маслонаполненных ПКМ кислородсодержащих полярных функциональных групп интенсифицируются процессы адсорбционного и хемосорбционного взаимодействия в зоне фрикционного контакта с формированием прочной пленки переноса на металлическом контртеле. При этом закрепление пленки переноса на контртеле может осуществляться за счет химических связей с образованием солей и связей ион-дипольного типа между поверхностью металла, покрытой гидратированной оксидной пленкой, и функциональными группами полярных компонентов, содержащихся в объеме и на поверхности полимерного композита. Это позволяет повысить устойчивость разделительного слоя и управлять параметрами фрикционного взаимодействия компонентов трибосистем различного состава.

Недостатком антифрикционных материалов, содержащих жидкие смазки, является ограниченность ресурса работы узла трения. Это связано с относительно небольшим количеством жидкой смазки, которую можно ввести в полимерный материал без существенного усложнения технологии изготовления и переработки, а также без снижения исходных физико-механических характеристик полимерного связующего. Частично данные недостатки устраняются при использовании специальных поглотителей жидкой смазки, которые могут адсорбировать значительные объемы жидкости при небольших собственных объемах. В связи с этим, далее были проведены триботехнические испытания полимерных композитов с содержанием активированных природных цеолитов, пропитанных маслом SAE 5W-30. Результаты приведены в табл. 1.

Таблица 1. Зависимость триботехнических характеристик ПКМ от удельного давления прессования и содержания цеолита

Примечание: P - удельное давление прессования ПКМ; С_масла - содержание масла; I, мг/ч - скорость массового изнашивания; / - коэффициент трения; П_отн . - относительная пористость

При добавлении цеолита наблюдается снижение скорости массового изнашивания в 623 раза. Это можно объяснить тем, что цеолит, во-первых, обладая развитой удельной поверхностью, адсорбирует значительное количество моторного масла и в целом содержание масла в композите увеличивается; во-вторых, цеолит выступает в роли структурно-активного наполнителя, благодаря чему исходная ленточная структура ПТФЭ трансформируется преимущественно в сферолитную, которая является более износостойкой. Измерение пористости исследуемых композитов показало, что увеличение пористости сопровождается повышением содержания масла, что, в свою очередь приводит к повышению износостойкости ПКМ и некоторому снижению температуры в зоне контакта. Цеолит приводит к заметному увеличению пористости композита, благодаря тому, что он обладает собственной пористостью, которая суммируется с общей.

Выводы: на основании проведенных исследований показана перспективность использования моторного масла марки Motul SAE 5W30 в качестве нетрадиционного модификатора ПТФЭ с целью получения износостойких композитов. Эффективность модифицирующего действия этого масла, вероятно, связана с химической природой, отличающегося от природы двух остальных видов масел. Масло Motul SAE 5W30 изготовлено на основе сложных эфиров, в то время как масла марки М-8В и Ravenol VSI 5W40 образованы из смесей предельных углеводородов минерального и синтетического происхождения, соответственно. Главной причиной повышения износостойкости является повышение адгезионного взаимодействия ПКМ с поверхностью контртела благодаря наличию полярных кислородсодержащих соединений в объеме и на поверхности композита. Это способствует образованию прочно прилегающего на контртеле полимерного слоя, который препятствует непосредственному контакту трущихся поверхностей, предохраняя тем самым материал от изнашивания.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 09-03-98502-р_восток_а)