Регулирование фрикционных свойств полимерных материалов

Трение играет огромную роль, как в обыденной жизни, так и в работе различных машин и механизмов. Качение автомобильного колеса или хождение человека по земле было бы невозможным, если бы не существовало трения. В то же время существует множество устройств, в которых необходимо уменьшить силу трения и тем самым повысить эксплуатационные характеристики машин. Поэтому перед создателями техники всегда стоят задачи регулирования силы трения, в том числе за счет использования специальных материалов с повышенными фрикционными или антифрикционными свойствами. В процессе трения участвуют два материала: тело и контртело.

С молекулярной точки зрения при трении преодолеваются адгезионные связи, всегда имеющиеся между двумя контактирующими материалами. Сила внешнего трения определяется сопротивлением перемещению относительно друг друга двух тел. Вектор этой силы направлен в сторону, противоположную направлению движения.

Полимеры широко используются в качестве фрикционных и антифрикционных материалов, для чего их свойства регулируют путем введения в композицию специальных добавок.

Полимерные материалы отличаются от других материалов относительно быстрым разрушением поверхностного слоя при трении, причем разрушение протекает тем интенсивнее, чем выше температура материала.

Полимеры, обладающие высокими антифрикционными свойствами, такие, как политетрафторэтилен, полиамид, полиэтилен, полиформальдегид и другие, могут использоваться в узлах трения при низких механических нагрузках (табл. 1).

Таблица 1. Коэффициенты трения антифрикционных полимерных материалов

Чаще для изготовления деталей, работающих в узлах трения, используют полимерные композиционные материалы, в состав которых введены специальные наполнители, обладающие способностью снижать коэффициент трения.

Как правило, эти наполнители имеют слоистую структуру. К ним относятся графит, дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама и др.

Содержание антифрикционных наполнителей в полимерном композиционном материале составляет 2-10 % по массе и при таком количестве мало влияет на остальные свойства полимера. Иногда при создании полимерных композитов с антифрикционными свойствами в них, наряду с вышеуказанными наполнителями, вводят металлические порошки для увеличения теплопроводности материала и улучшения отвода тепла из зоны трения.

В табл. 2 приведены значения коэффициента трения некоторых антифрикционных наполнителей.

Таблица 2. Коэффициенты трения по стали антифрикционных наполнителей

Наряду с антифрикционными материалами в технике широко используются и материалы, обладающие высоким коэффициентом трения. Они имеют коэффициент трения в пределах 0,2-0,5 и используются во фрикционных устройствах различных машин и механизмов.

Фрикционные материалы используются в тормозной системе и трансмиссии транспортных средств: из них изготавливают накладки тормозных колодок и диска сцепления. Благодаря фрикционным материалам кинетическая энергия транспортного средства при торможении превращается в тепловую. Выделяющаяся тепловая энергия поглощается металлическими деталями и затем распыляется в атмосферу.

Необходимый коэффициент трения легко достижим для многих полимерных материалов. Наиболее часто для создания фрикционных материалов используются термореактивные полимеры - резины и фенолформальдегидные пластмассы. Эти полимеры обладают относительно высокой теплостойкостью, необходимой эластичностью (для увеличения площади фактического контакта и сцепления двух контактирующих тел), стабильностью коэффициента трения при различных температурах эксплуатации, высокой износостойкостью. Для получения материалов с высокими фрикционными свойствами в полимерную композицию добавляют оксиды металлов, металлические порошки и проволоку, асбестовые, углеродные и базальтовые волокна. Волокна предназначены для повышения теплостойкости и прочности композиции, металлические наполнители улучшают отвод тепла от полимерной композиции.

Регулирование электрических свойств полимерных материалов

Полимеры широко используются в электротехнике, электронных приборах, в различном оборудовании, где очень важно иметь материалы с определенными электрическими характеристиками.

К таким характеристикам, значение которых бывает необходимо регулировать, относятся электропроводность, электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость и др.

Электропроводность является обратной величиной электрического сопротивления, которое зависит от объема (r_об) и от поверхности (r_пов) образца полимера. Значения величин удельного электрического сопротивления для некоторых полимеров приведены в табл. 3.

Таблица 3. Значения удельного электрического сопротивления некоторых полимеров

Электропроводность полимеров тесно связана с их химической чистотой. Примеси значительно изменяют этот показатель. Например, содержание влаги в полиамиде в количестве 0,1-1,0 % по массе увеличивает электропроводность в 1000 раз. Аналогичным образом влияют пластификаторы, обладающие повышенной подвижностью ионов.

Наполнители могут влиять на электропроводность по-разному в зависимости от их природы. Высокое содержание электропроводных наполнителей (металлических порошков, графита) позволяет значительно увеличить электропроводность полимерного материала. На основе таких композитов получают, например, электронагреватели сложной геометрической формы.

Каких-либо ограничений для применения полимеров в качестве связующего при создании электропроводных полимерных материалов не существует. Это могут быть жесткие термо- и реактопласты с постоянной формой изделия или резиноподобные материалы с изменяющейся при нагружении формой, т.е. материалы, способные к большим обратимым деформациям.

В качестве электропроводных наполнителей используют порошки железа, меди, алюминия, никеля, олова, висмута, кадмия, палладия, а в некоторых случаях - серебра и золота. Размер частиц металла составляет (1-3)×10^-7 м. Механизм электропроводимости полимеров зависит от содержания металлических частиц, которое может доходить до 90 % по объему. Широко используют для получения электропроводных полимерных материалов технический углерод и графит, как в виде порошков, так и в виде волокон и тканей. В последнем случае получают электропроводные материалы с высокой прочностью, обладающие анизотропными свойствами.

Электропроводные полимерные материалы широко используются в производстве радиоэкранирующих изделий и оболочек. Радиоэкранирующие свойства таких изделий увеличиваются с ростом электропроводности полимерного материала. Углепластики, обладающие высокой электропроводностью, используются для создания антирадарной авиационной и ракетной техники.

Диэлектрические характеристики полимеров (диэлектрическая проницаемость e, тангенс угла диэлектрических потерь tgd) имеют большое значение. В частности, от них зависит способность материалов к быстрому нагреву в переменном электрическом поле высокой частоты. Эти характеристики определяются строением полимера и зависят от частоты и напряженности переменного электрического поля и температуры материала. Тангенс угла диэлектрических потерь различных полимеров изменяется от 10^-1 (фенопласты) до 10^-4 (фторопласт-4, полиэтилен). Диэлектрическая проницаемость зависит от полярности полимера. Этот показатель изменяется от 1,9 у неполярных полимеров (фторопласт-4) до 8,0 у полярных (полиуретан). Изменяя состав полимерной композиции, удается создавать материалы с заданными диэлектрическими свойствами.

Одной из областей применения полимерных материалов с высокими диэлектрическими характеристиками является производство радиопрозрачных материалов для механической защиты радиопередающих устройств. Для этих целей используются стеклопластики на основе различных смол (полиэфирных, эпоксидных, фенолформальдегидных), а также ячеистые полимерные материалы с низкой плотностью, поскольку воздух обладает прекрасными диэлектрическими характеристиками.

Регулирование теплофизических свойств полимерных материалов

К теплофизическим свойствам относят тепло- и температуропроводность, теплоемкость, температурные коэффициенты линейного и объемного расширения. Эти свойства базовых полимеров приведены в табл. 4. Теплофизические свойства полимеров имеют большое значение, т.к. от них зависят технологические и эксплуатационные свойства материалов.

При создании конструкционных полимерных материалов с заданными свойствами часто возникает задача регулирования теплофизических свойств. Несмотря на то, что теплофизические свойства различных базовых полимеров достаточно близки и отличаются всего в несколько раз, применение добавок позволяет создавать композиционные полимерные материалы, у которых эти свойства отличаются в десятки и сотни раз.

Так, теплопроводность полимеров может быть резко уменьшена путем создания ячеистой структуры полимера, т.е. создания газонаполненных материалов. Широко известны и применяются при создании теплоизоляционных материалов в машиностроении и строительстве пенопласты на основе полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена, полиуретана и других полимеров.

Увеличение теплопроводности полимеров достигается путем введения в композицию металлических наполнителей (порошкообразных или волокнистых), графита, углеродных тканей и других материалов с высокой тепло-, электропроводностью. Содержание наполнителя для этих целей составляет 40-60 % по объему.

Таблица 4. Теплофизические свойства некоторых полимеров

 

Таким образом, современная наука о полимерах позволяет конструировать на их основе материалы с заданными свойствами, отличающимися на несколько порядков. Достигается это путем создания композиционных материалов с использованием различных ингредиентов. Современные достижения материаловедения, информационных технологий, наличие объемных баз данных позволяют автоматизировать проектирование полимерных композитов.

 

Вопрос № 69

Сайт - http://plastinfo.ru/information/articles/341/