ИССЛЕДОВАНИЕ МОДИФИЦИРУЮЩЕГО ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МОТОРНЫХ МАСЕЛ НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПТФЭ И КОМПОЗИТОВ НА ЕГО ОСНОВЕ

 

Петрова П.Н., Федоров А.Л. (ИПНГ СО РАН, СВФУ им. М.К. Аммосова, г. Якутск, РФ)

 

В данной работе приведены результаты исследований композитов на основе ПТФЭ, модифицированных моторным маслом марки MOTUL SAE 5W30, и сравнение результатов с ранее разработанными материалами.

 

In given work results of tribotechnical tests of polymeric composites based on polytetrafluoroethylene modificated by engine oil MOTUL SAE 5W30 trademark and comparison with results of earlier developed materials are presented.

 

Ключевые слова: износостойкость, моторное масло, цеолит, политетрафторэтилен, коэффициент трения, пористость, полимерный композит

Keywords: wear resistance, engine oil, zeolite, polytetrafluoroethylene, friction factor, porosity, polymeric composite

 

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 [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 ECO-ENERGY 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 табл.1. Из табл. 1 видно, что композиты, полученные пропиткой в масле марки Motul 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 Ravenol 5W40 превосходят их. При модифицировании композитов моторным маслом Motul 5W30, вероятно, 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, образующихся в процессе жидкофазного спекания композитов и содержащихся  в объеме и на поверхности полимерного композита. Это позволяет повысить устойчивость разделительного слоя и управлять параметрами фрикционного взаимодействия компонентов трибосистем различного состава.

 

Таблица 1 - Сравнительная зависимость скоростей массового изнашивания ПКМ от природы моторных масел и температуры пропитки

Материал

Pпресс, МПа

Тпр, °С

I, мг/ч

М-8

(SAE 20)

Motul 5W30

Ravenol 5W40

ПТФЭ

12,5

25

1,23

1,17

2,00

150

0,42

0,36

0,60

25,0

25

76,23

14,90

97,00

150

0,57

1,20

0,90

ПТФЭ

+цеолит

+масло

12,5

25

1,50

0,20

-

150

0,16

0,13

-

25,0

25

0,10

0,63

0,80

150

0,11

0,53

1,20

 

Установлено, что при добавлении цеолита наблюдается снижение скорости массового изнашивания в 6-23 раза. Это можно объяснить тем, что цеолит, обладая развитой удельной поверхностью, адсорбирует значительное количество моторного масла и в целом содержание масла в композите увеличивается. 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.

Выявлено, что при масломодифицировании ленточная структура ПТФЭ трансформируется в структуру  сферолитного типа (рис.1). По границам сферолитных образований зарегистрированы светлые сферические образования, которые по-видимому, являются порами с содержанием масла.  Формирование сферолитной структуры обусловлено тем, что компоненты масла концентрируясь в межцепных областях макромолекул ограничивают   фронт роста структурных элементов полимера, вследствие чего его кристаллизация останавливается на сферолитном этапе.

Рисунок 1- Надмолекулярная структура ПТФЭ, модифицированного моторным маслом MOTUL SAE 5W30 при разных увеличениях

 

Таким образом, на основании проведенных исследований показана перспективность использования моторного масла марки Motul SAE 5W30 в качестве нетрадиционного модификатора ПТФЭ с целью получения износостойких композитов.

Список использованных источников

1.    Машков Ю.К., Овчар З.Н., Суриков В.И., Калистратова Л.Ф. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная модификация. -М.: Машиностроение, 2005. – 240 с.

2.    Охлопкова А.А., Адрианова О.А., Попов С.Н. Модификация полимеров ультрадисперсными соединениями. -Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2003. – 224 c.

3.    Гольдаде В.А., Струк В.А. Песецкий С.С. Ингибиторы изнашивания металлополимерных систем.- М.: Химия, 1993.-240 с.

4.    Охлопкова А.А., Петрова П.Н., Попов С.Н., Федоров А.Л. Триботехнические материалы на основе политетрафторэтилена, модифицированные жидкой смазкой // Трение и износ, 2008. – Т.29  - № 2.-C.177-180.

5.    Петрова П.Н., Федоров А.Л. Разработка полимерных композитов на основе политетрафторэтилена с повышенной износостойкостью для узлов сухого трения // Вестник машиностроения. - Москва, 2010.-№9.-С. С.50-53.