Вплив термостійкого полісульфонамідного волокна на трибологічні властивості органопластиків на основі фенілону С-1 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 3 76 Буря О.І. Томіна А.-М.В. Дніпровський державний технічний університет, м. Кам’янське, Україна, E-mail: ol.burya@gmail.com ВПЛИВ ТЕРМОСТІЙКОГО ПОЛІСУЛЬФОНАМІДНОГО ВОЛОКНА НА ТРИБОЛОГІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ОРГАНОПЛАСТИКІВ НА ОСНОВІ ФЕНІЛОНУ С-1 УДК 678:677.494:620.16 В статті розглянуто безазбестовий фрикційний полімерний композиційний матеріал на основі ароматичного поліаміду фенілону С-1, що містить 5 - 20 мас.% термостійкого полісульфонамідного волокна марки Танлон Т700. За результатами випробувань встановлено, що армування вихідного полімеру полісульфонамідним волокном знижує інтенсивність лінійного зношування та коефіцієнта тертя на 5 - 15 та 12 % відповідно, що дозволить застосовувати розроблений матеріал в гальмівних фрикційних вузлах машин та механізмів, що використовуються в машинобуду- ванні, хімічні, текстильній промисловості та інших. Ключові слова: органопластик, полісульфонамід, коефіцієнт тертя, знос, фрикційна полімерна композиція, гальмівні вузли Вступ Однією з перспективних областей застосування конструкційних полімерних композиційних ма- теріалів (ПКМ) є вузли тертя машин і механізмів, в яких вони працюють без мастильного матеріалу, за- міняючи при цьому фосфористу бронзу, білий метал (сплави білого металу) та підшипники кочення [1]. В даний час широкого застосування в вузлах тертя знайшли фрикційні полімерні композиційні матеріали (ФПКМ) [2] з високою тепло- та зносостійкістю при великій механічній міцності, армовані рі- зними типами волокон (хлопові, азбестові, арамідні та ін.), вміст яких сягає від 40 до 70 %. Головною вимогою до ФПКМ є стабільний коефіцієнт тертя та висока зносостійкість [3]. Одними з перспективних матеріалів використовуваних у вузлах тертя, являються ароматичні по- ліаміди (АП), які через свої високі фізико - механічні (твердість, міцність) та термічні властивості (тер- мостійкість), є основою для створення високоміцних, термостійких волокнистих композиційних матеріа- лів. Відомий представник АП лінійний гетероцепний полімер – фенілон, який володіючи відмінним рів- нем фізико-механічних та теплофізичних властивостей, підвищеною зносостійкістю при терті в парі зі сталлю, здатний працювати при високих температурах (523 - 533 К), також маючи підвищену стійкість до радіації та агресивних середовищ. У ряді випадків фенілон виявляється єдиним матеріалом, що збері- гає працездатність вузлів пневмо - і гідроавтоматики, що експлуатуються у важких умовах [4, 5]. Мета і постановка задачі Основним наповнювачем більшості фрикційних матеріалів являється азбест. У 80-ті роки мину- лого століття в Західній Європі ввели табу на застосування азбесту в гальмівних вузлах, через його кан- церогенні властивості. Ця заборона чітко прописана в Правилах ЄЕК ООН. Безазбестові фрикційні полі- мерні композиційні матеріали являються новим класом, що не містять в своєму складі шкідливого для здоров'я людини азбестового волокна, проте вилучення останнього зі складу ФПКМ значно погіршило їх властивості та поставило задачу з пошуку його ефективних замінників. В зв’язку з цим рішення даної проблеми, пов’язано з пошуком наповнювача, який задовольнив би всі вимоги що висуваються до фрик- ційного полімерного композиційного матеріалу. Органічні волокна являються одними з перспективних наповнювачів для ФПКМ, головними їх перевагами є – низька маса, високі питомі характеристики при розтягу, висока в’язкість руйнування, хімічна та електромагнітна інертність. Враховуючи вище сказане, метою даної роботи являлось дослідження триботехнічних характе- ристик органопластиків на основі ароматичного поліаміду фенілону С-1, армованого полісульфонамід- ним волокном марки. Виклад матеріалів досліджень В якості в’яжучого використовували ароматичний поліамід фенілон С-1 (ТУ 6-05-221-101-71) – тонкодисперсний порошок рожевого кольору з насипною густиною 0,2 - 0,3 г/см3, що характеризується наступними властивостями: густина - 1,35 г/см3, ударна в'язкість-20 кДж/м2, твердість - 180 МПа, темпе- ратура розм'якшення за Віка - 543 К. Призначається для виготовлення пластмасових виробів методом прямого пресування [6]. Вплив термостійкого полісульфонамідного волокна на трибологічні властивості органопластиків на основі фенілону С-1 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 3 77 В якості наповнювача вибрали виходячи з ціни, органічне полісульфонамідне волокно марки Та- нлон Т700 (виробництво Шанхай), наступної будови, основні властивості якого наведені в табл. 1: Таблиця 1 Властивості полісульфонамідного волокна Показник Танлон Т700 Густина, г/см3 1,42 Модуль пружності при розтягу, ГПа 7,45 Відносне видовження при розриві, % 20-25 Міцність при розриві, сН / дтекс >3 Температура розм'якшення, К 640 Температура експлуатації, К: -тривалої; -короткочасної 523 573 Кисневий індекс 33 Приготування композицій фенілону С-1 що містять 5 - 20 мас. % [7] органічного полісульфона- мідного волокна (5 - 7 мм), здійснювалося методом сухого змішування в апараті з обертальним електро- магнітним полем (0,12 Тл) за допомогою феромагнітних частинок, які з приготовленої композиції вилу- чались методом магнітної сепарації. Перед формуванням поліамід фенілон С-1 та композиції необхідно ретельно висушити. Переро- бка в вироби невисушених матеріалів погіршує їх показники міцності, що призводить до утворення по- верхневих дефектів (раковин, пухирів і ін.). Сушка заготовок проводилася в термошафі SPT - 200 протя- гом 2 - 3 годин при 473 - 523 К. Пігулка з термошафи відразу ж завантажувалася в прес - форму, нагріту до 523 К. Після завантаження в прес - форму матеріал нагрівали до 598 К і витримували без тиску 10 хвилин, після чого давали витримку в 5 хвилин при тиску 50 МПа і тій же температурі. Далі виріб охолоджували при постійному тиску до температури 543 К і проводили розпресування. Дослідження поверхні тертя розроблених органопластиків (ОП) здійснювали на мікроскопі «Біо- лам-М». Густину зразків визначали адитивним та гідростатичним методом згідно ГОСТ 15139-69. Твердість знаходили методом Роквелла за шкалою HRE згідно ГОСТ 9013-59 на твердомірі 2074 ТПР. Трибологічні характеристики вивчали в умовах тертя без змащення на дисковій машині тертя [8] при тиску 0,6 МПа, швидкості ковзання 1 м/с. Шлях тертя становив 1000 м. Зразки з органопластиків ви- готовляли циліндричної форми Ø=10, h=12 мм; в якості контртіла використовували сталь 45 (45-48 HRC, aR = 0,16-0,32 мкм). Коефіцієнт тертя визнали за формулою: 1 2F Ff N   , де 1F – сила тертя вихідного зразка; 2F – втрати, що виникають при повороті важеля на вістрях в горизонтальній площині. Точність виміру сили тертя складає 5%; N – нормальне навантаження на зразок. Знос зразків визначали ваговим методом на аналітичних терезах ВЛР-200 (ГОСТ 24104-80) з то- чністю 0,0001 г. За основну інженерну характеристику процесу зношування, приймали інтенсивність лі- нійного зносу hI [8] виражену співвідношенням: h T a T dG I A dL      , де G – величина масового зносу; T – густина матеріалу що зношується; Вплив термостійкого полісульфонамідного волокна на трибологічні властивості органопластиків на основі фенілону С-1 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 3 78 aA – номінальна площа контакту; L – шлях тертя. a T A A   , де TA – номінальна площа тертя. Приймали  =1, тобто розглядали знос тіла, всі точки поверхні тертя якого знаходяться в конта- кті. Шорсткість зразків вимірювали за допомогою профілометру 170621, за допомогою гострої та твердої голки (щупа), що переміщалася по досліджуваній поверхні, копіюючи її нерівності. Аналізуючи результати досліджень, можна зробити висновок що збільшення вмісту армуючого волокна в органопластику, супроводжується зниженням лінійного зносу та коефіцієнта тертя рис.1, при чому зниження особливо інтенсивне до 10 мас.% полісульфонамідного волокна. В подальшому в інтервалі від 15 до 20 мас.% коефіцієнт тертя та знос зразків зменшується на 2 та 9% відповідно, таку зміну досліджених триботехнічних характеристик можна пояснити тим що при армуванні фенілону полісульфонамідом відбуваються два конкуруючих процеси: упорядкування макромолекул в’яжучого на межі поділу «полімер – волокно» та розпушення. Підтвердженням сказаного служить той факт що густина ОП визначена гідростатичним методом вища ніж передбачувана адитивна при вмісті 5-10 мас.% наповнювача, а в подальшому при 15-20 мас.% нижча за передбачувану на 10% рис.2. Рис.1 – Вплив вмісту полісульфонамідного волокна на: 1 – коефіцієнт тертя; 2 – інтенсивність лінійного зносу; 3 – температура в зоні контакту Рис.2 – Густина вихідного полімеру та органопластиків на його основі Вплив термостійкого полісульфонамідного волокна на трибологічні властивості органопластиків на основі фенілону С-1 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 3 79 Цікаво відзначити що зміна твердості ОП добре корелює з результатами трибологічних властивостей, максимальна зносостійкість та твердість (рис. 3) спостерігаються при вмісті волокна 15 мас.%. Рис. 3 – Твердість вихідного полімеру та органопластиків на його основі а б Рис.4 – Мікроструктура поверхні тертя фенілону С-1 (а) та органопластику на його основі що містить 15 мас.% (б) волокна (× 200) Дослідження поверхні тертя чистого полімеру (рис.4 а), показало що на його поверхні утворюються глибокі борозни (Ra=0,47). При введенні наповнювача (рис. 4 б) при стиранні зразків утворюються гладка склоподібна поверхня (Ra=0,3), на якій чітко видні хаотично розподілені волокна, продукти зносу утворюються в незначній кількості і в основному видаляються в процесі тертя за межі контртіла, що свідчить втомлювальний механізм зношування [9]. Зменшення борозен проорювання у ОП пояснюється зростанням їх твердості в порівнянні з вихідним полімером на 8% (рис.3). Висновки Аналіз результатів трибологічних властивостей розроблених органопластиків, свідчить що вико- ристання органічного волокна - Танлон Т700, в якості наповнювача є перспективним шляхом підвищен- ня трибологічних властивостей вихідного полімеру: зменшення інтенсивності лінійного зносу 15% при досить високому коефіцієнті тертя, що дозволяє рекомендувати їх для заміни фрикційних композиційних матеріалів, що містять азбест (наприклад, фрикційний азбестовий матеріал ЕМ-3), при виготовленні на- кладок для деталей, що застосовуються в гальмових фрикційних вузлах машин і механізмів. Література 1. Богданович С.П. Термомеханическая спектрометрия продуктов фрикционного взаимодейст- вия, образующихся при трении компатибилизированной смеси ПА6/ПЭВП по стали / С.П. Богданович, Ю.А. Ольхов, С.С. Песецкий // Трение и износ. – 2008. – Т.29, № 6. – С. 583 – 595. 2. Акустическое исследование физико-механических свойств фрикционных полимерных компо- зитных материалов / А.Д. Насонов, Ф.М. Бетеньков, А.М. Белоусов [и др.] // Ультразвук и термодинами- ческие свойства вещества. – 2006. - № 33. – С. 43 – 47. 3. Барон Ю.М. Технология конструкционных материалов: [учебник для вузов.] / Ю.М. Барон– Вплив термостійкого полісульфонамідного волокна на трибологічні властивості органопластиків на основі фенілону С-1 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 3 80 СПб.: Питер, 2012. – 512 с. 4. Протонная магнитная релаксация в ароматических полиамидах при сорбции водяного пара / Т.В. Смотрина, Ю.С. Чулкова, Д.В. Карасев [и др.] // – Журнал Физической химии. – 2009. – Т.83, №7. – С.1346 – 1351. 5. Лахтин Ю.М. Материаловедение: [учебник для высших технических учебных завод. -3 – е изд. перераб. и доп.] / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева– М.: Машиностроение, 1990. – 528 с. 6. Технология производства химических волокон: / [Ряузов А.Н., Груздев В.А., Бакшеев И.П. и др.]; [учебник для техникумов. – 3 – е изд. перераб. и доп.] – М.: Химия, 1980 – 448 с. 7. Буря А.И. Трение и изнашивание органопластиков на основе полиамида-6 / А.И. Буря // Тре- ние и износ. - 1998. – Т.19, № 5 - С. 671 – 676 8. Методика расчетной оценки износостойкости поверхностей трения деталей машин / [И.В. Крагельский, Г.М. Харач, А.В. Блюмен и др.]. - М.: Издательство Стандартов, 1979. - 100 с. 9. Билик Ш.М. Пары трения металл-пластмасса в машинах и механизмах / Билик Ш.М. – М.: Машиностроение, 1965. – 312 с. Поступила в редакцію 25.09.2017 Вплив термостійкого полісульфонамідного волокна на трибологічні властивості органопластиків на основі фенілону С-1 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 3 81 Burya A.I., Tomina A.-M.V. The effect of heat-resistant polysulfonamide fiber on the tribological properties of organoplastic based on phenylone C-1. Over the past few years there have been revolutionary changes in the automotive industry, in the manufacture of brake linings associated primarily with a radical increase in the proportion of friction composite materials (FCM), which are a multipurpose material that characterizes progress in this industry: improving quality; improving overall reliability; cost optimization; weight reduction; increased corrosion resistance. In the coming years, the use of domestic friction non-asbestos composite materials possessing high heat resistance and wear resistance at high mechanical strength, reinforced with various types of fibers in particular organic ones, seems promising in modern vehicles, the common advantages of which are low mass, high specific characteristics at stretching, high fracture toughness, chemical and electromagnetic inertness. The article deals with the non-asbestos frictional polymeric composite material on the basis of aromatic polyamide phenylone C-1 containing 5-20 wt% of heat-resistant polysulfonamide fiber brand Tanlon T700. According to the results of the tests it was established that the reinforcement of the initial polymer with polysulfonamide fiber reduces the intensity of linear wear and friction coefficient by 5-15 and 12% respectively, which will allow application of the developed material in the brake friction units of machines and mechanisms that used in machine building, chemical, textile industry and others. Keywords: organoplastic, polysulfonamide, coefficient of friction, wear, frictional polymer composition, brake hubs. References 1. Bogdanovich S.P., Olkhov Yu.A., Pesetskiy S.S. Termomehanicheskaja spektrometrija produktov frikcionnogo vzaimodejstvija, obrazujushhihsja pri trenii kompatibilizirovannoj smesi PA6/PJeVP po stali, S.P. Bogdanovich, Trenie i iznos (Friction and Wear), 2008, No 29 (6), pp. 583–595. 2. Nasonov A.D., Beten'kov F.M., A.M. Belousov i dr. Akusticheskoe issledovanie fiziko- mehanicheskih svojstv frikcionnyh polimernyh kompozitnyh materialov, Ul'trazvuk i termodinamicheskie svo- jstva veshhestva, 2006, No 33, pp. 43–47. 3. Baron Ju.M. Tehnologija konstrukcionnyh materialov: [uchebnik dlja vuzov.], Ju.M. Baron– SPb.: Piter, 2012, 512p. 4. Smotrina T.V., Chulkova Ju.S., Karasev D.V. i dr. Protonnaja magnitnaja relaksacija v aro- maticheskih poliamidah pri sorbcii vodjanogo para, Zhurnal Fizicheskoj himii, 2009, No 83 (7), pp. 1346–1351. 5. Lahtin Ju.M. Leont'eva V.P. Materialovedenie: [uchebnik dlja vysshih tehnicheskih uchebnyh zavod. -3 – e izd. pererab. i dop.], M.: Mashinostroenie, 1990, 528 p. 6. Rjauzov A.N., Gruzdev V.A., Baksheev I.P. i dr Tehnologija proizvodstva himicheskih volokon: /.; [uchebnik dlja tehnikumov. – 3 – e izd. pererab. i dop.], M.: Himija, 1980, 448p. 7. Burja A.I. Trenie i iznashivanie organoplastikov na osnove poliamida-6, Trenie i iznos (Friction and Wear), 1998, No 19 (5), pp. 671–676. 8. Kragel'skij I.V., Harach G.M., Bljumen A.V. i dr.. Metodika raschetnoj ocenki iznosostojkosti poverhnostej trenija detalej mashin, M.: Izdatel'stvo Standartov, 1979, 100 р. 9. Bilik Sh.M. Pary trenija metall-plastmassa v mashinah i mehanizmah, M.: Mashinostroenie, 1965, 312р.