УДК 620.178.162.42

ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИИ ПОЛИВИНИЛИДЕНФТОРИДА С УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ

 

TRIBOTECHNICAL CHARACTERISTICS OF COMPOSITION OF POLYVINYLIDENE FLUORIDE WITH CARBON FIBERS

 

Селькин В.П. (ГНУ «Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого НАН Беларуси», Гомель, Республика Беларусь)

Selkin V.P. (Metal-Polymer Research Institute of Belarus NAS
named after V.A. Belyi, Gomel, Belarus)

Макаренко А.В. (УО «Мозырский государственный педагогический университет имени И.П. Шамякина», Мозырь, Республика Беларусь)

Makarenko А.V. (Mozyr State Pedagogical University named after I.P. Shamyakin, Mozyr, Belarus)

 

Приведены результаты триботехнических испытаний композиционного материала на основе поливинилиденфторида армированного углеродными волокнами в условиях трения без смазки и граничной смазки сырой нефтью.

 

The article deals with the results of tribological test of composite material based on carbon fiber reinforced by polyvinylidene under friction without lubrication and with boundary lubrication by crude oil.

 

Ключевые слова: поливинилиденфторид, углеродные волокна, композиционный материал, сухое трение, интенсивность изнашивания

Key words: polyvinylidene fluoride, carbon fibers, composite material, dry friction, wear intensity

 

Требования к снижению потерь на трение в уплотнительных узлах использующейся в нефтехимической промышленности запорной арматуре ставят задачу разработки новых антифрикционных композиционных материалов с повышенными триботехническими характеристиками. Одними из наиболее распространенных продуктов применяемых по данному назначению в странах СНГ являются композиции политетрафторэтилена (ПТФЭ) наполненные коксом Ф-4К20 и Ф-4К15М5 [1, 2] Эти материалы обладают хорошей износостойкостью и имеют низкий коэффициент трения по стали. Однако, процесс изготовления изделий из композиций на основе ПТФЭ не технологичен. Также, в ряде случаев недостаточные механические характеристики данных материалов ограничивают их использование в узлах запорной арматуры, в которых при перемещении подвижных частей возникают больших контактных давления, например на нефтеперекачивающих станциях [3]. Перспективными материалами лишенными указанных недостатков являются имеющие более высокие механические характеристики, чем композиции ПТФЭ, термопластичные фторсодержащие полимеры, армированные различными наполнителями. В работе [4] предложено в качестве покрытия поверхностей трения запорной арматуры нефтепроводов, включая магистральные, использовать радиационно-модифицированный поливинилиденфторид (ПВДФ).

Целью представленной ниже работы было изучение влияния армирования углеродными волокнами ПВДФ на его триботехнические характеристики в условиях, соответствующих работе контактных поверхностей запорной арматуры в нефтеперерабатывающей промышленности и на магистральных нефтепроводах.

Объектом исследования являлся ПВДФ (фторопласт2М по ТУ 6-05-1781-84). Армирование исходного полимера осуществляли путем его наполнения графитированными вискозными углеродными волокнами производства ОАО «СветлогорскХимволокно» (УВ). Образцы для определения интенсивности изнашивания и коэффициента трения исследуемых композиций изготавливали в виде цилиндров методом литья под давлением 100–120 МПа при температуре 190–210 С.

Коэффициент трения исследуемых материалов по стали оценивали путем измерения величины трения скольжения на снабженной специальным приспособлением испытательной машине SHIMADZU Autograph AGS-1 kNX. Контртело – сталь 45 (ГОСТ 1050), шероховатость Ra = 0,25 мкм. Скорость скольжения – 100 мм/мин. Нормальная нагрузка на образец исследуемого материала – 100 Н. Испытания осуществляли при температуре 23±2 °С.

Интенсивность изнашивания исследуемых материалов при нагрузках, соответствующих условиям работы узлов трения запорной арматуры магистральных нефтепроводов, оценивали на разработанной и изготовленной в ИММС НАН Беларуси машине трения для испытания полимеров в режиме граничной смазки [5]. Материал контртела – сталь углеродистая для трубопроводов марки А 105 (ASTM A105). Шероховатость поверхности контртела – Ra = 0,25–0,32 мкм. Скорость скольжения поверхности образца относительно контртела − 0,05 м/с. Давление на образец, рассчитанное на контурную площадь касания, − 2,5 МПа.

Испытания осуществляли при комнатной температуре. Для контроля разогрева материалов в зоне контакта использовали инфракрасный пирометр с лазерным целеуказателем TESTO 845. Перед и после испытаний образцы взвешивали на аналитических весах Ohaus RV214. По потере массы определяли их весовой износ и рассчитывали убыль линейного размера. Линейную интенсивность изнашивания образцов определяли, используя формулу [6]

,

где Ih – линейная интенсивность изнашивания; Dh – убыль линейного размера образца, м; L – путь трения, м.

Проведенные исследования и сравнение результатов измерения коэффициента трения исходного и армированного ПВДФ показало, что его наполнение УВ снижает данный показатель менее чем на 20% (с 0,14 – 0,15 у исходного полимера до значения 0,12 – 0,13 при 40 масс.% наполнения УВ).

Установлено, что зависимость интенсивности изнашивания при трении по стали без смазки от степени содержания УВ носит экстремальный характер, причем оптимальные степени наполнения находятся в пределах 15–20 масс. %. На рисунке приведена зависимость интенсивности изнашивания ПВДФ от степени его наполнения УВ при сухом трении. Видно, что введение УВ в количестве 15–20 масс.% позволяет примерно в 5 раз повысить износостойкость данного полимера.

 

Рисунок 1 – Зависимости интенсивности изнашивания ПВДФ при трении по стали без смазки (1) и в условиях граничной смазки сырой нефтью (2) от степени его наполнения УВ

 

В то же время при трении со смазкой контртела сырой нефтью эффекта от введения УВ в ПВДФ при данных режимах испытания не обнаружено. Наблюдается снижение износостойкости полимера при его наполнении УВ до значений более чем 15–20 масс. %, что можно проследить по зависимости 2 на рисунке 1.

Полученные результаты можно объяснить следующим образом. Поскольку введение УВ не влияет значительно на коэффициенты трения исследованного материала, можно сделать вывод, что основной вклад в повышение их износостойкости при сухом трении оказывают повышение модуля упругости материала и увеличение его теплопроводности. В то же время отмечено, что при использованных режимах трения существенного разогрева материала образцов и контртела не происходило (по данным пирометра нагрев контртела в области контакта находился в пределах 2 С, нагрев материала образцов вблизи поверхности контакта – не более 5 С). Однако с увеличением степени наполнения полимера, и, соответственно, с дальнейшим ростом его модуля упругости происходит ухудшение деформационных характеристик материала. Этот процесс может приводить к переходу от усталостного к малоцикловому механизму изнашивания и снижению износостойкости полимера при его наполнении УВ выше определенного значения. Влияние изменения механических характеристик полимера на механизм его изнашивания на примере ПВДФ рассмотрено в работе [7].

Таким образом, показано, что армирование УВ позволяет значительно (в 5 раз) повышать износостойкость ПВДФ при режимах трения, имитирующих работу запорной арматуры в условиях сухого трения и больших нагрузок. Причем установлено, что зависимость носит экстремальный характер, наименьшая интенсивность изнашивания наблюдается при наполнении фторполимеров 15–20 масс. % УВ. Экстремальный характер зависимости объясняется изменением со степенью наполнения деформационных характеристик материала и переходом от усталостного к малоцикловому механизму изнашивания. В то же время при трении по стали со смазкой сырой нефтью положительный эффект от армирования ПВДФ углеродными волокнами не наблюдается.

Список использованных источников

1      Максимов, Б.Н. Промышленные  фторорганические  продукты / Б.Н. Максимов, В.Г. [и др.] / Справочник. Изд. 2-е.  Л.: Химия, 1996. 544 с.

2      Бузник, В.М. Состояние отечественной химии фторполимеров и возможные перспективы развития / В.М. Бузник // Российский химический журнал (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). 2008. Т. LII, 3. С.7‑12.

3      Гумеров, А.Г. Эксплуатация оборудования нефтеперекачивающих станций / А.Г. Гумеров, Р.С. Гумеров, A.M. Акбердин.  М.: Недра, 2001. 475 с.

4      Селькин, В.П. Влияние радиационного модифицирования на износостойкость поливинилиденфторида при трении по металлу в нефти / В.П. Селькин, С.В. Сосновский // Трение и износ. 2013. Том 34, № 4.  С. 377‑381.

5      Селькин В.П., Копылов С.В. Машина трения для испытания полимеров в режиме граничной смазки / В.П. Селькин, С.В. Копылов // Трение и износ. 2016. Т. 37, № 2.  С. 234237.

6      Богданович, П.Н. Трение, смазка и износ в машинах: учебник / П.Н. Богданович, В.Я. Прушак, С.П. Богданович.  Минск: Тэхналогiя, 2011. 527 с.

7      Селькин, В.П. Влияние радиационного сшивания на интенсивность изнашивания поливинилиденфторида при трении в жидкости / Селькин В.П., Макаренко А.В., Скороход А.З., Плескачевский Ю.М. // Трение и износ. 2008. Том 29, № 1. С. 58–63.