8.1.2 Придание полимерам антифрикционных свойств

Оказалось, что практически любой твердый дисперсный наполнитель повышает стойкость полимера к абразивному износу, например, мел, каолин, асбест и др. Кроме того, твердые высокодисперсные наполнители эффективно увеличивают твердость и температуру размягчения полимеров, и менее эффективно повышают их теплопроводность. Так, износ ПТФЭ при введении в него 30 мас. % мела снижается с 46 до 0,16 см²/Н. Однако большинство высокодисперсных наполнителей повышают коэффициент трения полимера. Поэтому необходимо использовать дисперсные наполнители с низким коэффициентом трения.

Дисперсные наполнители, снижающие коэффициент трения полимеров.

К таким наполнителям относятся порошки графита, дисульфида молибдена, бронзы, некоторых селенидов и йодидов металлов. Все эти материалы являются хорошими сухими смазками. Низкий коэффициент трения этих соединений обусловлен их слоистой структурой и низкой энергией связи между слоями. При воздействии нагрузки слои движутся относительно друг друга и обеспечивают низкую силу трения. Например, МоS₂ состоит из слоев, в которых Мо окружен четырьмя атомами серы, а слои слабо связаны между собой через атомы серы. Таким же антифрикционным наполнителем для большинства полимеров может служить и порошок ПТФЭ.

Введение этих порошков весьма существенно снижает коэффициент трения многих полимеров (термопластов и реактопластов), особенно тех, которые характеризуются высоким его значением. Так  полиамида при введении 30 мас. % МоS₂ снижается с 0,4 до 0,05. Это уменьшает энергию, затрачиваемую на преодоление силы трения и , и, как следствие, снижает износ полимера и тепловыделение в узле трения. Полимеры с такими добавками можно применять без специальных жидких смазок, поскольку сами наполнители являются хорошими смазками. Исключение потребности в смазке является положительным качеством для некоторых специфических областей применения узлов трения, где попадание смазки недопустимо.

8.1.3 Повышение стойкости полимеров к истиранию.

Однако перечисленные выше дисперсные наполнители слабо повышают твердость и предел текучести полимера при сдвиге, и, как результат, недостаточно увеличивают износостойкость полимеров. Это обусловлено высокой _м и низким k_e этих наполнителей (см. разд. 3). Как уже отмечалось, главная причина снижения износа полимеров при наполнении антифрикционными порошками заключается в уменьшении коэффициента трения ПКМ.

Более эффективно повышают твердость и предел текучести при сдвиге полимеров волокнистые наполнители (см. разд. 4), такие как стеклянное и углеродное волокна, асбест и другие. Кроме того, волокнистые наполнители повышают прочность полимеров, что важно для увеличения нагрузочной способности подшипников. Поэтому антифрикционные дисперсные наполнители в ПКМ применяют, как правило, совместно с волокнистыми наполнителями. Их совместное применение повышает ресурс работы подшипников из ПКМ как за счет снижения коэффициента трения, так и за счет повышения предела текучести полимера.

Температурная стабилизация узлов трения.

Итак, мы познакомились с тем, как можно бороться с проблемой высокого коэффициента трения и низкой стойкости к истиранию полимеров. Но остается еще одна существенная проблема – это низкая теплопроводность и теплостойкость полимеров. При высоких нагрузках Р и скоростях v эксплуатации в узле трения наблюдается большое тепловыделение Pv даже при низких коэффициентах трения. Из-за малой теплопроводности полимера его трущаяся поверхность быстро разогревается, а из-за низкой температуры размягчения она начинает деформироваться, и подшипник выходит из строя. Для полимерных подшипников это выливается в серьезную проблему. Из перечисленных выше антифрикционных и волокнистых наполнителей наиболее высокой теплопроводностью обладает графит, но и его введение не решает этой проблемы. Для этого требуются наполнители с более высокой теплопроводностью. Такими наполнителями являются порошки металлов, таких как медь, свинец, бронза и другие. Введение в полимер наряду с антифрикционным и волокнистым наполнителем порошков металлов значительно повышают рабочий предел Pv подшипников из ПКМ.

Наиболее эффективный отвод тепла имеет место, когда частицы металла в ПКМ соприкосаются (не разделены прослойкой полимера). Для этого необходимо введение до 70 – 90 мас. % (28 – 35 об. %) металлического порошка, что экономически невыгодно и ведет к снижению прочности композита. Для дальнейшего повышения термостабильности подшипников применяют другой подход – используют теплопроводящий каркас из металлической сетки. Каркас из пористого металла или из пространственной металлической сетки пропитывают антифрикционной полимерной композицией. В качестве каркаса обычно используют спеченный бронзовый порошок или бронзовую проволочную сетку. Этот каркас пропитывают ПТФЭ или антифрикционной композицией на основе ПТФЭ. Эта композиция содержит волокнистый наполнитель и металлический порошок (свинец). Использование для пропитки композиции значительно эффективнее, чем чистого ПТФЭ. Металлический каркас обеспечивает механическую прочность подшипника и хороший теплоотвод, а пропитка из ПКМ играет роль сухой смазки. Но и такие подшипники при работе в жестких условиях ( при высоком Pv) сильно разогреваются, что ограничивает его нагрузочную способность. Для дальнейшего повышения жесткости конструкции подшипника и улучшения теплосъема подшипник делают в виде вкладыша в стальной каркас. Тонкую ленту из пропитанной антифрикционным составом (ПТФЭ, свинец и др.) сетки приваривают внутрь стального каркаса. Вкладыш обеспечивает низкий коэффициент трения и самосмазывающие свойства, а стальная обойма несет механическую нагрузку и отводит тепло. Малая толщина антифрикционного покрытия обеспечивает достаточно эффективный теплоотвод из зоны трения.

Влияние свойств полимерной матрицы на температурную стабильность аптифрикционных ПКМ.

Механические свойства и коэффициент трения полимеров сильно зависят от температуры (рис. 8.1).

Для всех полимеров и композиций на их основе в определенной области температур наблюдается нестабильность коэффициента трения (рис. 8.1). У некоторых полимеров таких областей может быть несколько, что определяется его химическим строением. Эта нестабильность  связана с увеличением подвижности (расстекловыванием) сегментов или боковых заместителей или с плавлением кристаллических областей. Эксплуатация узлов трения из ПКМ в этой температурной области недопустима. Для повышения температурного интервала работы и нагрузочной способности подшипников необходимо их изготавливать из жесткоцепные полимеры с минимумом длинных и гибких боковых заместителей. Для этого нужны полимеры с высокой температурой размягчения.



0,2

0,1

Т, С

100 200 300

Рис. 8.1 Зависимость коэффициента трения композиции на основе ПП, наполненного дисульфидом молибдена.

Итак, чем выше температура размягчения полимера, тем более высокие нагрузки выдерживает узел трения из ПКМ на его основе. Наиболее жесткоцепными полимерами являются полиимиды, полимеры с сопряженными ароматическими ядрами, лестничные полиарилены. Высокой теплостойкостью обладают густосетчатые полимеры. Поэтому ПКМ с высокой нагрузочной способностью можно получить на основе жесткоцепных реактопластов.