Арамідні волокна підвищення зносостійкості
У галузі автомобілебудування та конструкційної зносостійкості вже давно існує тенденція до проектування більш легких та компактних деталей. Безпосереднім результатом реалізації такого підходу є зменшення ваги і розміру компонентів, що триває, що супроводжується все зростаючими температурами експлуатації. І водночас йдеться про ринки товарів, які передбачають мінімальний обсяг матеріально-технічного обслуговування протягом усього терміну експлуатації продукту.
Такий розвиток подій пред'являє всі зростаючі вимоги до деталей, що використовуються у цих сегментах ринку. Для таких деталей, як зубчасті шестерні, підшипники ковзання і вкладиші підшипників, знос самої деталі, а також матеріалів, що контактують з нею, повинен бути зведений до мінімуму. Арамідні волокна можуть зробити істотний внесок у справу обмеження тертя і зносу в ситуації, коли вимоги досягають такого високого рівня ефективності роботи. У цій статті розглядаються зміни властивостей, особливо в тому, що стосується опору тертю і значного зменшення зносу, яких можна досягти додаванням араміду поліамід 66 (ПА66).
З часом були розроблені різні методи для зменшення тертя і зносу пластмасових матеріалів, що повсюдно застосовуються, таких як: ПА, поліоксиметилен (ПОМ), полібутилентерефталат (ПБТ) і полікарбонат (ПК). Для цього полімерні матеріали додають ПТФЕ, MoS2, порошкоподібний графіт або силікони. Додавання скловолокна вуглеволокна може зменшити знос самої деталі, але, в той же час, призведе до ще більшого зносу матеріалу, що вступає в контакт. Такий безпосередній результат крихкості цих волокон. У зв'язку з цим у наші дні все більшедоцільним стає вибір на користь додавання арамідного волокна. Арамід – поліпарафенілентерефталамід, синтетичне волокно високої механічної та термічної міцності. У порівнянні з традиційними добавками, такі араміди як Twaron® і Technora® мають унікальну перевагу жорсткості при заподіянні мінімальної (якщо взагалі будь-якої) шкоди контактним матеріалам. Це справедливо навіть для дуже м'яких матеріалів, таких як алюміній чи бронза.
Дослідження Дослідницьким інститутом TNO (Нідерланди) у 2005 р. було проведено дослідження для того, щоб визначити, наскільки арамідні волокна послаблюють тертя та зменшують знос. Наступні продукти з араміду зіставляються один з одним: - Twaron 1488, 6 мм, дрібно нарізане волокно; - Technora T322EH, 6 мм, дрібно нарізане волокно; Обидва волокна розглядаються за розмірністю поліефірів. Дана розмірність поліефіру була додана до вдосконаленої технології, під час якої нарізалися волокна відповідно до нового процесу. Заявку на отримання патенту було подано на нову технологію виробництва.
Застосування цього нового методу збільшило об'ємну щільність Twaron 1488 приблизно з 150 кг/м3 до близько 240 кг/м3. Той самий рівень був досягнутий і з Technora T322EH. У ході дослідження було встановлено, що завдяки цьому стало ще легше контролювати та прискорювати дозування екструдера. Обидва продукти складаються з окремих ниток з діаметром всього 12 мкм, що дозволяє досягати оптимальної дисперсії у кінцевому грануляті.
Програма випробувань Основне з'єднання ПА66 від компанії Rhodia використовувалося як матричний матеріал. Арамідні волокна були змішані з компаундами із використанням двошнекового екструдера від Leistriz LSM 30.34. ДляДозування в екструдері була використана гравіметрична дозувальна установка від Soder. Гранулят ПА66 і арамід висушувалися перед використанням протягом принаймні 12 годин при температурі 80°C. Були додані різні матеріали у кількості 0 – 15 % за вагою.
Трибологічні властивості (коефіцієнт тертя та зносу) були визначені з використанням штифтодискової машини (рис. 1).
Мал. 1. Схема устрою визначення трибологічних властивостей.
В результаті проведення ряду попередніх випробувань, умови випробувань були обрані не надто екстремальними, але достатніми для того, щоб забезпечити можливість побачити відмінності у властивостях різних матеріалів: швидкість ковзання - 0,5 м/с; контактний тиск - 1 MПа; - примусове повітряне охолодження; - загальна тривалість - 20 год.
Як контактний матеріал у всіх випробуваннях було використане кільце із загартованої сталі (100Cr6) із середньою шорсткістю 0.1 мкм. Під час випробувань можна виміряти температуру за допомогою термопари, розташованої на 0,5 мм нижче за поверхню сталевого кільця. Умови випробувань були обрані з таким розрахунком, щоб температура була приблизно 50°C.
Також було визначено цілу низку механічних властивостей компаундів, армованих волокном: - міцність на розрив (ISO 527); - межа міцності при статичному згині (ISO 178); - модуль пружності при розтягуванні (ISO 527) ; - ударна в'язкість по Шарпі, без надрізів (ISO 179).
Ці властивості вимірювалися за стандартних умов (23°C та 50% відносної вологості).
Результати Дисперсія араміду в матриці та ділянках, що випробовуються, була хорошою, що було підтверджено методом оптичної мікроскопії і
Трибологічні властивості На графіку (рис. 2) представлена залежність швидкості зносу матеріалу від вмісту армуючого компонента. Видно вражаюче зменшення зносу на двадцять порядків для ПА66, армованого Twaron, та Technora на 10% і більше, порівняно з неармованим ПА66. Більший ефект можна спостерігати для Technora порівняно з Twaron за 5% рівня армування. Не спостерігалося суттєвої різниці в результатах при використанні вищих відсоткових часток. За тих умов, які використовувалися в ході випробувань, зниження зносу було менш вираженим у міру того, як використовувалася дедалі більша відсоткова частка волокна.
Мал. 2. Залежність швидкості зносу матеріалу від вмісту армуючого компонента.
Додатковою перевагою використання Twaron і Technora як армуючих волокон для ПА66 є відносно невелике підвищення коефіцієнта тертя, як показано на графіку (рис. 3). Цим підвищенням можна більшою чи меншою мірою знехтувати там, де армуючим волокном використовується 5% Twaron.
Мал. 3. Залежність коефіцієнта тертя матеріалу від вмісту армуючого компонента.
На практиці виходить, що при необхідності можна зменшити коефіцієнт тертя простим додаванням до компаунд ПТФЕ, і це не позначиться негативно на дуже низькій швидкості зносу.
Механічні властивості Механічні властивості випробуваних матеріалів представлені на графіках (рис. 4, 5, 6, 7). Графіки показують, що додавання Twaron лише дуже незначно підвищує міцність на розрив (рис. 4.), тоді як межа міцності при статичному згинанні, очевидно, збільшилася (рис. 5.). Модуль пружності при розтягуванні подвоївся при додаванні Twaron (рис. 6).
Мал. 4.Залежність міцності на розрив від вмісту армуючого компонента.
Мал. 5. Залежність межі міцності при статичному вигині від вмісту армуючого компонента.
Мал. 6. Залежність модуля пружності від вмісту армуючого компонента.
Слід зазначити, що додавання Technora надає істотно інших властивостей порівняно з тими, що виникають при додаванні Twaron. Міцність на розрив і межу міцності при статичному вигині можуть бути збільшені більш ніж удвічі, за рахунок додавання Technora, в той час як модуль пружності може бути збільшений навіть більш ніж утричі.
Ударна міцність зменшилася для обох типів волокон, але переважно при додаванні Technora, ніж при додаванні Twaron (рис. 7.). Саме собою зменшення ударної міцності може бути результатом впливу низки чинників. З одного боку, частинки волокна в матриці можуть поводитися як ініціатори утворення тріщин, а, з іншого боку, жорсткість компаунда збільшується завдяки додаванню волокон, що вже може дати зменшення ударної міцності.
Мал. 7. Залежність ударної міцності від вмісту армуючого компонента.
Зміна механічних властивостей знаходиться в розумному співвідношенні з відсотковою часткою волокон, що додаються. Поки ще не можна дати однозначного пояснення відмінностей механічних властивостей компаундів, посилених за рахунок додавання Twaron і Technora. - волокна Twaron легше згортаються і не так, як волокна Technora; - волокна Twaron мають, як уже зазначалося, іншу розмірність, ніж волокна Technora.
Можливим поясненням відмінностей у міцностіі модулях може бути відмінність у міцності вихідних волокон у поєднанні з різними властивостями згортання обох волокон. Коли волокна ламаються під впливом потужного поперечного зусилля екструдері, відбувається згортання, особливо, на кінцях волокон. Внаслідок цього утворюється тривимірна структура волокна.
Той факт, що волокна Technora міцніші за волокна Twaron, робить їх розламування в ході процесу екструзії менш ймовірним. Оскільки Technora менше згортається, більша міцність волокна може бути перенесена на матрицю з більшою ефективністю. Крім того, інша, в порівнянні з волокнами Twaron, розмірність нарізування, що використовується для волокон, може призвести до утворення зв'язків між волокном і матрицею на іншому, більш високому рівні. Technora можуть також пояснюватися різною поведінкою волокон в області згортання.
Сформована таким чином тривимірна структура волокна може трохи поліпшити ударні властивості. Як вже зазначалося, волокна Technora згортаються інакше, ніж волокна Twaron, так що будь-який позитивний вплив тривимірної структури волокна на ударні властивості будуть менш помітні при використанні Technora волокон.
Нині здійснюються подальші дослідження цих відмінностей.
Такі арамідні волокна, як Twaron і Technora, мають важливі властивості, які ідеально підходять для використання на ринку конструкційних пластмас. Деталі можуть тепер конструюватися легшими та дрібнішими, і в той же час функціонувати при підвищених теплових та механічних навантаженнях протягом проектного терміну експлуатації. Дослідження показали, що обидва типи арамідного волокна дозволяють отримати хорошітрибологічні результати, і обидва типи волокна здатні зробити істотний внесок у зносостійкість високоефективних конструкційних пластмас. Хоча найкращі механічні результати були отримані при використанні волокна Technora T322EH 6 мм, співвідношення ціни та робочих параметрів обох продуктів повинні бути визначені до ухвалення рішення щодо вибору матеріалу для конкретних цілей.