WPŁYW KORUNDU NA ZUśYCIE ŚCIERNE SILIKONU

Transkrypt

1 Łukasz WIERZBICKI, Józef STABIK Politechnika Śląska Instytut Materiałów InŜynierskich i Biomedycznych lukasz.wierzbicki@polsl.pl WPŁYW KORUNDU NA ZUśYCIE ŚCIERNE SILIKONU Streszczenie. W pracy został omówiony wpływ dodatku korundu na zuŝycie ścierne usieciowanej Ŝywicy silikonowej. Badania przeprowadzono na aparacie APGi. Wynikami pomiarów są wagowe zuŝycia próbek (róŝnica cięŝaru przed i po badaniu) po 40 m drogi tarcia. Na podstawie wyników pomiarów określono wskaźnik odporności na ścieranie V dla poszczególnych próbek o róŝnych zawartościach korundu. Przeprowadzone badania dowiodły, Ŝe korund ma pozytywny wpływ na ścieralność materiału polimerowego, ale tylko do zawartości 16% korundu, powyŝej tej zawartości obniŝa odporność silikonu na ścieranie. INFLUENCE OF ALUMINIUM OXIDE ON SILICONE ABRASIVE WEAR Summary. In this work wear resistance characteristics of silicone filled with aluminium oxide is presented. Investigations were made with the use of APGi device. It s a result of investigation mass loss (weight difference before and after investigation) after 40 m friction distance was used. Basing on measurements of wear mass loss wear resistance index was calculated for samples with different content of aluminium oxide. On the basis of achieved results it was affirmed that addition of aluminium oxide had positive influence on tribological properties of silicone. Addition aluminium oxide up to 16% to silicone improved of wear resistance index, addition more then 16% aluminium of oxide decreased tribological properties of silicone.

2 Wpływ korundu WSTĘP Jednym z waŝniejszych zjawisk, któremu podlegają wszystkie materiały konstrukcyjne, a więc i materiały polimerowe, jest zjawisko tarcia. Znaczna część energii wytwarzanej w skali globalnej jest wykorzystywana na pokonanie sił tarcia. Pod wpływem tarcia powierzchnia tworzyw uŝytkowych ulega zuŝyciu ściernemu (spowodowanemu występującymi nierównościami lub obecnością twardych cząstek obcego tworzywa) [1]. Dlatego zmniejszenie zuŝycia tribologicznego i oporów tarcia moŝe w znaczny sposób doprowadzić do korzyści ekonomicznych. Znane hipotezy tarcia zewnętrznego bazują przede wszystkim na tarciu metali. Mechanizmy tarcia materiałów polimerowych są inne chociaŝby z tego względu, Ŝe przebieg zjawisk cieplnych determinujących charakterystykę cieplną tarcia oraz mechanizm zjawisk przy tarciu tego specyficznego materiału, są inne niŝ w przypadku metali [2]. Procesy tarcia i zuŝywania materiałów polimerowych, choć powszechnie znane, są nie do końca poznanymi i zrozumianymi. PoniŜsza praca dotyczy wpływu korundu na zuŝycie ścierne Ŝywicy silikonowej napełnionej korundem. 2. TARCIE MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH JeŜeli w procesie trybologicznym biorą udział materiały polimerowe, wówczas przebiegające zjawiska mają nieco odmienny charakter. W wypadku miękkich tworzyw, jakimi są w większości materiały polimerowe, większą rolę odgrywa oddziaływanie molekularne niŝ czysto mechaniczne zaczepianie mikronierówności powierzchni i ślizganie wzajemne po sobie [3]. Materiały polimerowe są to ciała zbudowane z cząsteczek powiązanych pomiędzy sobą siłami międzycząsteczkowymi (Van der Waalsa). DuŜą spójność, a więc i korzystne cechy jako tworzywa konstrukcyjne, uzyskują one w wyniku sumowania się niektórych rodzajów sił międzycząsteczkowych (Van der Waalsa). W przypadku cząsteczek o bardzo duŝej masie cząsteczkowej, duŝa kohezja jest wynikiem głównie addytywności sił dyspersyjnych (Londona) oraz sił konformacyjnych. W przypadku polimerów w skład, których wchodzą pierwiastki nadające cząsteczkom polarność (np. tlen, chlor, fluor, itd.), duŝą rolę mogą odgrywać ponadto siły indukcyjne (Debye'a) i orientacyjne (Kessoma). Polimery usieciowane przestrzennie, mające poszczególne podstawowe elementy struktury, powiązane przestrzennie wiązaniami kowalentnymi, odznaczają się szczególnie duŝą spójnością. Dlatego teŝ opory tarcia przy oddziaływaniu przeciw siłom kohezyjnym mają duŝą wartość, natomiast ze względu na brak ładunków elektrycznych na powierzchni, zakres sił adhezyjnych ma stosunkowo małą wartość [4].

3 414 Ł. Wierzbicki, J. Stabik Podczas tarcia polimerów termoplastycznych powstaje znaczna deformacja objętościowa. Polimery, jako dielektryki mają skłonność do silnego elektryzowania się. Pojawianie się ładunków elektrostatycznych powoduje zwiększenie adhezji, wskutek tego ogólnych sił tarcia [5]. Odrębnym zagadnieniem jest tarcie elastomerów. Kontakt powierzchniowy powoduje objętościowe odkształcenie spręŝyste. Po zakończeniu działania polegającego na wymuszaniu odkształcenia, elastomer wraca do stanu nieodkształconego. Materiały polimerowe mają małą zdolność do odprowadzania ciepła, toteŝ istnieje tendencja do kumulacji ciepła w obszarach tarcia. MoŜe to spowodować w materiale polimerowym zmiany odwracalne, jak jego mięknienie, topnienie oraz zmiany nieodwracalne. Zjawiska te mogą w zasadniczy sposób zmieniać warunki tarcia kontaktujących się powierzchni polimerów [3]. Materiały polimerowe są jedyną grupą materiałów stosowanych zarówna na elementy, od których wymaga się najmniejszego tarcia (np. elementy ślizgowe), jak równieŝ tam, gdzie istnieje potrzeba duŝego tarcia (np. elementy hamulców i sprzęgieł). Wykorzystuje się je takŝe jako tzw. tworzywa smarujące [3]. 3. MODYFIKACJA WŁAŚCIWOŚCI TRYBOLOGICZNYCH POLIMERÓW Właściwości trybologiczne polimerów moŝna modyfikować poprzez modyfikacje chemiczną, tworzenie mieszanin polimerów, plastyfikację oraz wprowadzenie dodatków o specjalnych własnościach. W skład tworzyw ciernych w ogólnym ujęciu wchodzi szereg grup surowcowych, m.in.: substancje wiąŝące, polimery modyfikowane i ich kompozycje, napełniacze, stabilizatory, plastyfikatory, itp. [2]. Cierne materiały polimerowe są materiałami makroskopowo niejednorodnymi, składającymi się z mechanicznie rozdrobnionych substancji tzw. napełniaczy w osnowie polimerowej. Działanie napełniaczy zaleŝy od ich budowy chemicznej, struktury fizycznej, stopnia rozdrobnienia, kształtu cząsteczek, tj. od parametrów określających charakter wzajemnego oddziaływania w układzie polimer-napełniacz. Współdziałanie polimerów z napełniaczami nie ogranicza się do zjawisk zachodzących na granicy faz, ale wpływa teŝ na sposób upakowanie molekuł osnowy wokół ziarn napełniacza. Celem zwiększenia tarcia wprowadza się do polimeru np. szkło, tlenki glinowe. Napełniacze takie, jaki kreda, baryt, kaolin, tlenek wapnia, zwiększają odporność chemiczną, termiczną materiału, przeciwdziałają sczepianiu tworzywa z materiałem, zapewniają stabilność współczynnika tarcia w zakresie nawet duŝych temperatur. Zastosowanie

4 Wpływ korundu napełniaczy metalowych i tlenków metali cięŝkich polepsza warunki absorpcji, przewodnictwa cieplnego, podwyŝsza wartość współczynnika tarcia oraz własności smarujące, moŝe stanowić katalizator w utwardzeniu Ŝywic, a takŝe podwyŝszać wytrzymałość cieplną tworzywa. Zmniejszenie wartości współczynnika tarcia oraz zuŝycia elementów ciernych uzyskuje się w przypadku dodania do tworzywa napełniaczy takich jak: grafit, sadza, dwusiarczek molibdenu, talk, które obniŝają takŝe w pewnym stopniu zuŝycie elementów współpracujących, zapobiegają zgrzewaniu materiałów warstw wierzchnich elementów pary. Jako napełniaczy podnoszących odporność na ścierania uŝywa się proszków aluminiowych, Ŝelaznych, krzemowych lub szklanych, węglików krzemu lub boru, tlenków glinu, pyłu szlifierskiego [4]. 4. BADANIA WŁASNE 4.1. Program badań Program badań obejmował: przygotowanie kompozycji, odlanie próbek, wycięcie i pomiary masy próbek, przeprowadzenia ścierania próbek na aparacie APGi zgodnie z normą PN-ISO 4649 i zwaŝenie próbek po zakończeniu ścierania, obliczenie wskaźnika odporności na ścieranie zgodnie z powyŝszą normą Badany materiał Do wykonania próbek uŝyto kauczuk silikonowy POLASTOSIL M33, produkcji Organika Sarzyna, usieciowany katalizatorem OL 1. Jako napełniacz uŝyty został korund (AL 2 O 3 ) o średniej wielkości ziarna 0,75 mm, produkcji Karbokorund sp. z o.o. Składniki zostały wymieszane ręcznie, proporcje poszczególnych składników przedstawione są w tabeli 1. Udział wagowy Polastosilu i katalizatora został dobrany zgodnie z zaleceniami producenta, natomiast zawartość korundu została dobrana skokowo, w celu otrzymania próbek o róŝnych własnościach, przy czym pierwsza seria próbek nie zawiera korundu. Trzeba zaznaczyć, iŝ wraz ze wzrostem masowego udziału korundu uzyskanie jednolitej dyspersji stawało się coraz trudniejsze. Łącznie uzyskano 35 próbek, po 5 próbek przy poszczególnych zawartościach korundu.

5 416 Ł. Wierzbicki, J. Stabik Zestawienie składników badanych mieszanek Tabela 1 Seria Korund [g] Polastosil M33 [g] Katalizator OL1 [g] Wyniki badań Wynikiem badania jest wagowe zuŝycie próbki (róŝnica cięŝaru przed i po badaniu), jakie wystąpiło po 40 m drogi tarcia [6]. Na podstawie pomiarów zuŝycia wagowego określono wskaźnik odporności na ścieranie V, dla poszczególnych próbek, wyraŝany jako strata objętości [6]. Wyniki pomiarów zestawiono w tabeli 2. Średnie wartości masy początkowej, masy końcowej i wskaźnika odporności na ścieranie Tabela 2 StęŜenie korundu Masa początkowa. Masa końcowa. Wskaźnik odporności na Seria [%] [g] [g] ścieranie. V [g] ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±

6 Wpływ korundu ANALIZA WYNIKÓW Badanie przeprowadzone na aparacie APGi przebiegło zgodnie z załoŝeniami normy PN - ISO Wprowadzenie korund spowodowało wzrost odporności na ścieranie dla próbek o zawartości 9, 16 i 22 % udziału wagowego korundu w silikonie, przy czym najmniejszą wartość wskaźnika odporności na ścieranie V uzyskano przy 16 % udziału wagowego korundu w silikonie. PowyŜej zawartości 28 % udziału wagowego korundu w silikonie wartości wskaźnika odporności na ścieranie silikonu są mniejsze niŝ dla próbek bez dodatku korundu. PowyŜsze zaleŝności prezentuje rysunek 1, na którym przedstawiona jest graficzna interpretacja średnich wartości wskaźnika odporności na ścieranie dla poszczególnych zawartości korundu wraz z liną trendu Rys 1. Średnie wartości wskaźnika odporności Zawartość na korundu ścieranie % V dla poszczególnych zawartości korundu wraz z linią trendu ( y = V, x=φ) Fig.1. The average value of the wear index of V for each abrasion resistance alumina content, with a trend line ( y = V, x=φ) Współczynnik determinacji R 2 dla wyznaczonej krzywej V= x E- 005X 2 wynosi 0,866. Cząsteczki korundu, przy zawartościach 9, 16 i 22 % udziału wagowego

7 418 Ł. Wierzbicki, J. Stabik w silikonie, jako twardsze powodują wzrost odporności na ścieranie silikonu, co wymiernie przekłada się na wartości wskaźnika odporności na ścieranie V dla tych próbek. Jednak powyŝej 28 % udziału wagowego w silikonie, korund będąc cząsteczką obcą w strukturze silikonu, osłabiał siły spójności utworzonego kompozytu i mógł powodować powstawanie mikropęknięć, oraz przyczyniać się do powstawania pustek powietrznych w objętości badanych kompozytów. 6. WNIOSKI Przeprowadzone badania pozwalają wysnuć następujące wnioski: 1. Przy zawartościach 9, 16 i 23 % udziału wagowego korundu nastąpiło poprawienie odporności na ściernie silikonu. 2. Najmniejszą wartość wskaźnika odporności na ścieranie V uzyskano przy 16 % udziału wagowego korundu w silikonie. 3. Katalizator i korund muszą być równomiernie rozprowadzone w masie. NaleŜy odpowietrzyć mieszaninę przed jej wylaniem, w celu odgazowania mieszanki. 4. Proponuje się w dalszych badaniach wprowadzić korund o innej granulacji i sprawdzić wpływ stopnia granulacji na właściwości mechaniczne i tribologiczne silikonu. BIBLIOGRAFIA 1. Szczerek M.: Metodologiczne problemy systematyzacji eksperymentalnych badań tribologicznych. Instytut Technologii Eksploatacji, Radom Sęp J.: Tribologia nr Rymsza Z.: Trybologia polimerów ślizgowych. Warszawa, WNT Bros J., Janecki J.: Zjawiska tarcia i zuŝywania oraz kształtowania własności tworzyw ciernych. Materiały I. krajowego kolokwium trybologicznego", Zeszyt - 4; Janów Lubelski, Warszawa- Sulejówek, 1978 r. 5. Hejowski T.: Studium procesów zuŝywania erozyjnego, ściernego i zmęczenia cieplnego elementów maszyn oraz kształtowania struktur o korzystnych właściwościach eksploatacyjnych. Wydawnictwo Politechniki Lubuskiej, Broniewski T., Kapko J., Płaczek W., Thomalla J., Metody badań i ocena właściwości tworzyw sztucznych. Warszawa, WNT, 1998.