tworzywa_lab5.pdf

(1426 KB) Pobierz

POL I ITECHN I IKA WROCÿAWSKA

WYDZ I IAÿ MECHAN I ICZNY

TW ORZYW A SZTUCZNE

WICZENIE LABORATORYJNE NR 5

Opracowali: Dymitry Capanidis, Wojciech Wieleba

Temat: Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych

1. Wprowadzenie

Produkcja coraz to nowszych konstrukcyjnych tworzyw sztucznych o wybranych własno-

ciach i wła ciwo ciach u ytkowych polepszonych w okre lonych kierunkach, powoduje wzrost

wykorzystania tych materiałów na odpowiedzialne elementy maszyn i urz dze , m.in. w w złach

lizgowych (panewki ło ysk lizgowych, koła z bate, krzywki, prowadnice, uszczelnienia itp.).

Tworzywa sztuczne znajduj zastosowanie przede wszystkim tam, gdzie jest utrudnione lub

wr cz niemo liwe smarowanie sposobami konwencjonalnymi. W takich w złach lizgowych z

niedostatecznym smarowaniem, b d te bez smarowania, wyst puje tarcie mieszane lub suche,

a o jako ci współpracy elementów decyduj wówczas głównie wła ciwo ci lizgowe (tribolo-

giczne) tworzywa.

W zły lizgowe stanowi ce ruchowe ogniwa wi kszo ci maszyn i urz dze maj zasadniczy

wpływ na trwało i niezawodno eksploatacyjn całej maszyny. W przypadku nieprawidłowe-

go ich funkcjonowania, mog by one dodatkowo ródłem znacznych strat energii wskutek za-

chodz cego w nich tarcia. Szczególnie wa ne jest to wła nie w warunkach tarcia mieszanego i

suchego, w których nast puje przy pieszony proces zu ycia elementów lizgowych, wzrost war-

to ci współczynnika tarcia i wzrost temperatury w strefie tarcia. Prowadzi to do zmiany geome-

trii współpracuj cych elementów oraz powstawania nadmiernych luzów, a tym samym powoduje

zakłócenie prawidłowego funkcjonowania w złów lizgowych. Poprawne działanie takich w -

złów lizgowych zale y wi c przede wszystkim od odpowiedniego doboru współpracuj cych

materiałów oraz od poprawnej ich konstrukcji. Współczesna wiedza tribologiczna dotycz ca obu

wymienionych zagadnie jest jeszcze niepełna. Nie podaje ona konstruktorom wystarczaj cych

wytycznych zarówno do optymalizacji konstrukcji w złów lizgowych, jak te brakuje pełnych

informacji w zakresie optymalnego doboru tworzyw sztucznych i ich wła ciwego wykorzystania

jako materiałów lizgowych.

Dobór materiału lizgowego powinien opiera si na ocenie jego własno ci i wła ciwo ci

u ytkowych na tle wymaga , jakie stawiane s w danym w le lizgowym. Ocen cech u ytko-

wych dokonuje si na podstawie bezwzgl dnych warto ci parametrów opisuj cych poszczegól-

nych własno ci (np. własno ci fizyczne, mechaniczne, chemiczne) oraz na podstawie wzgl d-

nych parametrów - wska ników okre lanych w badaniach ruchowych, np. w przypadku wła ci-

wo ci tribologicznych s to: warto współczynnika tarcia, intensywno zu ycia, temperatura

tarcia. Warto ciowanie przydatno ci materiałów lizgowych opiera si głównie na:

· wynikach bada własno ci podstawowych materiałów,

· wynikach bada tribologicznych.

Wersja 1.0 (2003-12-08)

847157024.080.png

847157024.091.png

847157024.102.png

847157024.113.png

847157024.001.png

847157024.012.png

847157024.023.png

847157024.033.png

847157024.034.png

847157024.035.png

847157024.036.png

847157024.037.png

847157024.038.png

847157024.039.png

847157024.040.png

847157024.041.png

847157024.042.png

847157024.043.png

847157024.044.png

847157024.045.png

847157024.046.png

847157024.047.png

847157024.048.png

847157024.049.png

847157024.050.png

847157024.051.png

847157024.052.png

847157024.053.png

847157024.054.png

847157024.055.png

847157024.056.png

847157024.057.png

847157024.058.png

847157024.059.png

847157024.060.png

847157024.061.png

847157024.062.png

847157024.063.png

847157024.064.png

847157024.065.png

847157024.066.png

847157024.067.png

847157024.068.png

847157024.069.png

847157024.070.png

847157024.071.png

847157024.072.png

847157024.073.png

847157024.074.png

847157024.075.png

847157024.076.png

847157024.077.png

847157024.078.png

847157024.079.png

847157024.081.png

847157024.082.png

847157024.083.png

847157024.084.png

847157024.085.png

847157024.086.png

847157024.087.png

847157024.088.png

847157024.089.png

847157024.090.png

847157024.092.png

847157024.093.png

847157024.094.png

847157024.095.png

847157024.096.png

847157024.097.png

847157024.098.png

847157024.099.png

847157024.100.png

847157024.101.png

847157024.103.png

847157024.104.png

847157024.105.png

847157024.106.png

847157024.107.png

847157024.108.png

847157024.109.png

847157024.110.png

847157024.111.png

847157024.112.png

847157024.114.png

847157024.115.png

847157024.116.png

847157024.117.png

847157024.118.png

847157024.119.png

847157024.120.png

847157024.121.png

847157024.122.png

847157024.123.png

847157024.002.png

847157024.003.png

847157024.004.png

847157024.005.png

847157024.006.png

847157024.007.png

847157024.008.png

847157024.009.png

847157024.010.png

847157024.011.png

847157024.013.png

847157024.014.png

847157024.015.png

847157024.016.png

847157024.017.png

847157024.018.png

847157024.019.png

847157024.020.png

847157024.021.png

847157024.022.png

847157024.024.png

847157024.025.png

847157024.026.png

847157024.027.png

847157024.028.png

847157024.029.png

847157024.030.png

847157024.031.png

847157024.032.png

Tworzywa Sztuczne – instrukcja wicze laboratoryjnych

- 2-

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych”

Pierwsza grupa bada le y przede wszystkim w sferze działa takich nauk jak: fizyka, che-

mia ciała stałego, materiałoznawstwo i wytrzymało materiałów. Natomiast druga grupa bada

le y w sferze zainteresowa tribologii. Odpowiednio do tego podziału nale y poszukiwa ródeł

informacji o poszczególnych własno ciach i wła ciwo ciach u ytkowych materiałów lizgowych.

Do najistotniejszych własno ci i wła ciwo ci u ytkowych tych materiałów wpływaj cych na ja-

ko działania zespołów lizgowych nale y zaliczy :

· wytrzymało na ciskanie i cinanie zarówno statyczna jak i zm czeniowa,

· moduł spr ysto ci,

· rozszerzalno cieplna,

· przewodno i pojemno cieplna,

· chłonno wody,

· odporno na zu ycie lizgowe i nie zu ywanie przeciwelementu,

· warto współczynnika tarcia z przeciwelementem,

· odporno na zatarcie,

· odporno na stosowane oleje, smary, materiały p dne, rozpuszczalniki i inne media.

Badania tribologiczne, stanowi ce podstaw wnioskowania o zwi zkach pomi dzy własno-

ciami materiałów i ich wła ciwo ciami lizgowymi w danych warunkach ruchowych, mo na

ogólnie podzieli na podstawowe i modelowe. Badania podstawowe, prowadzone zwykle przy

u yciu prostego modelu tribologicznego na próbkach materiałowych, daj przede wszystkim

podstawy do oceny przebiegu zjawisk tarcia i zu ycia w okre lonych warunkach ruchowych. Na-

tomiast w badaniach modelowych, prowadzonych na modelu fizycznym danego zespołu lizgo-

wego, odwzorowuje si w odpowiednim stopniu cechy geometryczne, kinematyczne i dynamicz-

ne zespołu.

wiczenie obejmowa b dzie pomiary laboratoryjne z zakresu bada podstawowych, wyko-

nywane dla skojarzenia lizgowego polimer-stal lub kompozyt polimerowy-stal współpracuj ce-

go w układzie „sworze -tarcza” (tzw. „pin-on-disc”), opisanym dokładniej w dalszej cz ci in-

strukcji. W badaniach tych mo na zmienia warunki tarcia (nacisk powierzchniowy, pr dko

lizgania, temperatur tarcia, twardo i chropowato powierzchni lizgowej stalowego prze-

ciwelementu), co umo liwia ocen cech u ytkowych materiału w ró nych warunkach tarcia.

Mo liwe jest równie badanie wpływu innych czynników na wła ciwo ci lizgowe niezale ne od

zewn trznych warunków tarcia. S to najcz ciej czynniki zwi zane z budow tworzywa. W

przypadku polimerów krystalicznych mo e to by wpływ budowy nadcz steczkowej, stopie

krystaliczno ci, zorientowanie struktury warstwy wierzchniej itp. Natomiast w przypadku poli-

merów modyfikowanych (np. napełnianych ró nymi napełniaczami), kopolimerów czy kompozy-

tów na osnowie polimerów, najcz ciej bada si wpływ poszczególnych komponentów, a wi c

ich rodzaj, posta strukturaln w jakiej wyst puj i wpływ procentowego udziału poszczególnych

składników na wła ciwo ci tribologiczne badanego skojarzenia lizgowego.

Badania podstawowe s fenomenologiczn podstaw tworzenia hipotez tribologicznych.

Wyniki tych bada mog by przydatne do oceny materiałów przeznaczonych na okre lone w -

zły, lecz pod warunkiem weryfikacji w badaniach modelowych. W przypadku bada ró nych ma-

teriałów w podobnych warunków tarcia, mog one słu y za podstaw ogólnej klasyfikacji two-

rzyw lizgowych.

Tworzywa Sztuczne – instrukcja wicze laboratoryjnych

- 3-

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych”

2. Wpływ budowy polimeru na wła ciwo ci lizgowe

Na wła ciwo ci lizgowe polimerów w znacznym stopniu rzutuje budowa ich makrocz ste-

czek (ła cuchów), z których s zbudowane. W polimerach o budowie liniowej, nie maj cych

podstawników lub wi kszej liczby rozgał zie (PTFE, PE-HD polietylen wysokiej g sto ci,

POM, PA i inne), warto ci współczynnika tarcia s mniejsze ni w przypadku polimerów z pod-

stawnikami lub wi ksz liczba rozgał zie (PE-LD polietylen niskiej g sto ci, PMMA, PVC, PC

i inne) [7]. W grupie polimerów o budowie liniowej warto współczynnika tarcia istotnie zale y

od g sto ci mi dzycz steczkowej energii kohezji, natomiast w drugiej grupie polimerów czynni-

kiem decyduj cym o warto ci współczynnika tarcia jest rozmiar podstawników i liczba rozgał -

zie . Wynika z tego, e mał warto ci współczynnika tarcia charakteryzuj si przede wszyst-

kim polimery o liniowej budowie ła cucha i o niedu ej warto ci oddziaływa III-rz du mi dzy

makrocz steczkami polimeru.

Polimery o budowie liniowej w zale no ci od stopnia uporz dkowania makrocz steczek

ró ni si struktur . Wyró nia si struktury bezpostaciowe (nieuporz dkowane) i krystaliczne

(uporz dkowane), a wła ciwie semikrystaliczne, tzn. takie w których obszary krystaliczne roz-

mieszczone s w o rodku bezpostaciowym. Stosunek obj to ci fazy krystalicznej do całkowitej

obj to ci polimeru okre lany jest stopniem krystaliczno ci, przy czym praktycznie nie wyst puj

polimery o 100% krystaliczno ci.

Własno ci polimerów w zdecydowanym stopniu zale od ich stanu fazowego. Polimery

krystaliczne odznaczaj si w porównaniu z polimerami o strukturze bezpostaciowej wi ksz

twardo ci , wi ksz wytrzymało ci mechaniczn , mniejsz udarno ci , s bardziej kruche i

mi kn w wy szej temperaturze. Dla materiałów lizgowych wa ne jest, aby charakteryzowały si

odpowiedni spr ysto ci , udarno ci itp., a wi c odpowiednim stosunkiem obj to ci fazy krysta-

licznej do fazy bezpostaciowej. Poszczególne polimery wykazuj ró ne warto ci tego stosunku, przy

którym wyst puj najkorzystniejsze wła ciwo ci lizgowe, mo na zatem mówi o optymalnym stop-

niu krystaliczno ci dla ka dego z polimerów w okre lonych warunkach procesu tarcia.

Wi kszo polimerów krystalicznych w zale no ci od warunków krystalizacji mo e tworzy

du ró norodno nadcz steczkowych struktur morfologicznych, wi cych si z kinetyk pro-

cesu krystalizacji, a tym samym zwi zanych z technologi przetwórstwa polimerów. Zmiana cha-

rakteru budowy struktury nadcz steczkowej wywołuje zmian wła ciwo ci lizgowych polimeru.

Bardziej równomiernej strukturze odpowiada mniejsza warto współczynnika tarcia. W najcz -

ciej spotykanych strukturach - sferolitycznych, ni sze warto ci współczynnika tarcia i wi ksz

odporno na zu ycie zapewnia struktura drobnosferolityczna, ni struktura o wi kszych rozmia-

rach sferolitów. Tak e orientacja struktury nadcz steczkowej, mog ca zachodzi równie pod-

czas procesu tarcia (w warstwie wierzchniej polimeru bior cej udział w tarciu), powoduje znaczn

anizotropi zarówno własno ci mechanicznych, jak i własno ci lizgowych polimeru. W rezulta-

cie orientacji struktury nast puje zwi kszenie wytrzymało ci mechanicznej w kierunku zorien-

towania. Próby powi zania wła ciwo ci tribologicznych polimerów (i innych materiałów) z wy-

trzymało ci warstwy wierzchniej wykazały, e im wy sza jest ta wytrzymało , tym wi ksza jest

warto współczynnika tarcia i tym mniejsze jest zu ycie podczas tarcia (intensywno zu ycia).

Nale y zaznaczy , e wpływ poszczególnych czynników zwi zanych z nadcz steczkow

budow polimeru, a wi c ze stopniem krystaliczno ci, struktur III-rz dow i jej orientacj nie

jest jeszcze w pełni poznany i jest przedmiotem ci głych bada . Podczas tarcia zachodzi bowiem

Tworzywa Sztuczne – instrukcja wicze laboratoryjnych

- 4-

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych”

kompleksowe oddziaływanie obci enia, temperatury i innych czynników utrudniaj cych analiz

zachodz cych zjawisk. Z tego powodu ka dorazowo podaj c warto ci wska ników charakteryzu-

j cych wła ciwo ci lizgowe tworzywa sztucznego obok danych o warunkach ruchowych tarcia,

nale y podawa szczegółowe informacje dotycz ce technologii otrzymania tworzywa oraz spo-

sobu przygotowania próbek i przeciwpróbek (przeciwelementu lizgowego) do bada tribolo-

gicznych.

3. Tworzywa sztuczne stosowane na elementy lizgowe

Ze wzgl du na charakterystyczne ró nice zasadniczych własno ci tworzyw wielkocz stecz-

kowych dzieli si je na elastomery (tworzywa o wysokiej spr ysto ci, np. guma) oraz na plasto-

mery (tworzywa o du ej plastyczno ci). Najcz ciej tworzywa stosowane na elementy lizgowe

nale do grupy plastomerów i dzieli si je na: termoplastyczne, termoutwardzalne i chemoutwar-

dzalne. Elastomery najcz ciej znajduj zastosowanie na elementy uszczelnie technicznych.

Tworzywa termoplastyczne charakteryzuj si mi knieniem i przechodzeniem w stan pla-

styczny wraz z podwy szeniem temperatury oraz z reguły s rozpuszczalne w rozpuszczalnikach

organicznych. Natomiast tworzywa termoutwardzalne i chemoutwardzalne s nieczułe na zmiany

temperatury, tzn. po utwardzeniu wraz ze wzrostem temperatury nie mi kn i nie uplastyczniaj

si oraz s nierozpuszczalne.

Tworzywa termoplastyczne ulegaj bardzo łatwo krystalizacji (jakkolwiek wyst puj rów-

nie termoplasty niekrystalizuj ce), co w du ej mierze wpływa na ich własno ci fizyczne i wła-

ciwo ci u ytkowe. Spójno mi dzy ła cuchami utrzymywana jest przez działanie słabych sił

mi dzycz steczkowych. Uporz dkowanie ła cuchów nast puje albo pod wpływem stosunkowo

niewysokich temperatur albo pod wpływem niewielkich sił zewn trznych.

Tworzywa utwardzalne zawsze wyst puj w stanie bezpostaciowym. Uporz dkowanie ła -

cuchów jest niemo liwe, gdy pomi dzy nimi wyst puj wi zania chemiczne (usieciowanie), a

zerwania tych wi za potrzebne do uporz dkowania przez zastosowanie wysokiej temperatury

b d sił zewn trznych prowadzi do zniszczenia polimeru.

Do grupy tworzyw termoplastycznych najcz ciej stosowanych w konstrukcji lizgowych

elementów maszyn zalicza si mi dzy innymi:

· poliamid (PA),

· polioksymetylen (POM) inaczej nazywane te jako: poliacetal lub poliformaldehyd,

· politetrafluoroetylen (PTFE),

· polichlorotrójfluoroetylen (PCTFE),

· polietylen wysokiej g sto ci (PE-HD),

· poliestry termoplastyczne:

- poli(tereftalan etylenu) (PET),

- poli(tereftalan butylenu) (PBT)

· polieteroketony (PEEK).

Do grupy tworzyw utwardzalnych (duroplastów) stosowanych równie w konstrukcji ele-

mentów lizgowych nale :

· kompozyty na osnowie tworzyw fenolowych (PF),

· kompozyty na osnowie tworzyw epoksydowych (EP).

Tworzywa Sztuczne – instrukcja wicze laboratoryjnych

- 5-

„Badanie tarcia i zu ycia kompozytów polimerowych”

4. Modyfikacja tworzyw sztucznych

D enie do podwy szania niezawodno ci i trwało ci w złów lizgowych prowadzi do po-

szukiwania coraz lepszych materiałów lizgowych, w tym równie materiałów polimerowych.

Opracowywanie nowych tworzyw sztucznych jest jednak niezwykle kosztowne i czasochłonne,

dlatego najcz ciej do tworzenia nowych materiałów lizgowych stosuje si modyfikacj ju ist-

niej cych tworzyw. Sam proces modyfikacji mo e by prowadzony w ró nych fazach przetwór-

stwa, tzn. podczas produkcji tworzywa bazowego, na etapie półfabrykatu lub po wykonaniu go-

towego wyrobu. Niekiedy proces ten mo e zachodzi samoistnie np. podczas docierania w mate-

riałach lizgowych tworzy si warstwa wierzchnia o polepszonych wła ciwo ciach tribologicz-

nych. Do najcz ciej spotykanych sposobów modyfikacji nale :

· modyfikacja chemiczna,

· obróbka cieplna,

· modyfikacja samej warstwy wierzchniej elementu z tworzywa za pomoc np. inplantacji jo-

nowej, ró nego rodzaju napromieniowaniem, wykorzystuj c rodki chemicznie aktywne, a

tak e poprzez odkształcenia mechaniczne (np. obróbka plastyczna),

· modyfikacja przez napełnianie polimeru bazowego napełniaczami (modyfikatorami).

Stosunkowo szeroko rozpowszechniona jest ostatnia z wymienionych metod modyfikacji

tworzyw sztucznych, polegaj ca na napełnianiu polimerów ró nymi napełniaczami. Tworzy si

w ten sposób kompozyty polimerowe. Stosowane napełniacze powinny zmniejsza warto

współczynnika tarcia, a przede wszystkim powinny zmniejsza intensywno zu ycia modyfiko-

wanego polimeru w warunkach tarcia bez smarowania lub ograniczonego smarowania (np. mon-

ta owego) z przeciwelementem (najcz ciej stalowym). Bardzo wa ne jest przy tym równie to,

by zu ycie współpartnera lizgowego było mo liwie najmniejsze, a praca skojarzenia lizgowego

była stabilna w szerokim zakresie zmienno ci warunków zewn trznych procesu tarcia.

4.1.

Rodzaje stosowanych napełniaczy

Do fizycznej modyfikacji polimerów stosowane s ró nego typu napełniacze, które mo na

klasyfikowa na podstawie wielorakich kryteriów. Jednym ze sposobów klasyfikacji mo e by

ich podział np. ze wzgl du na rodzaj materiału. Innym sposobem klasyfikacji mo e by ich po-

dział ze wzgl du na kształt cz stek napełniacza [7].

Ze wzgl du na pierwsze z wymienionych kryteriów klasyfikacji rozró nia si podział na dwa

zasadnicze rodzaje napełniaczy: metaliczne oraz niemetaliczne. Spo ród najcz ciej stosowanych

napełniaczy metalicznych - zwykle o postaci proszkowej - mo na wymieni : niektóre metale (np.

cyna, mied , ołów), stopy ło yskowe (np. br zy, mosi dze), tlenki niektórych metali (jak: Al 2 O 3 ,

MgO, Cu 2 O, TiO 2 ). Z napełniaczy niemetalicznych najcz ciej stosowane s : inne polimery (np.

PTFE, PE, ró ne ywice), napełniacze mineralne (np. kreda, mika) oraz inne substancje, jak:

MoS 2 , sadza, grafit, włókno w glowe, włókno szklane itp. Inn klasyfikacj napełniaczy, tak e

ze wzgl du na rodzaj materiału, jest ich podział oparty na kryterium składu chemicznego zwi z-

ku, według którego dzieli si je na: organiczne i nieorganiczne.

Według kryterium kształtu, napełniacze zasadniczo dzieli si na: dyspersyjne - nazywane

równie proszkowymi (o postaci granulek, blaszek lub drobnych włókienek) i włókniste (włókna

długie i włókna krótkie - ci te).

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

DSC00024(1).JPG (828 KB)
test2.JPG (371 KB)
test1 - Kopia.JPG (597 KB)
DSC00024.JPG (828 KB)
DSC00024 - Kopia.JPG (830 KB)

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin