ИССЛЕДОВАНИЕ  СТРУКТУРЫ  ПОВЕРХНОСТЕЙ  ТРЕНИЯ  ФТОРПОЛИМЕРНЫХ  НАНОКОМПОЗИТОВ

Аргунова  Анастасия  Гавриловна

канд.  техн.  наук,  научный  сотрудник  ФГБУН  Института  проблем  нефти  и  газа  СО  РАН,  г.  Якутск

Охлопкова  Айталина  Алексеевна

д-р  техн.  наук,  зав.  каф.  ВМСиОХ  ФГАОУ  ВПО  Северо-Восточный  федеральный  университет  им.  М.К.  Аммосова,  г.  Якутск

Петрова  Павлина  Николаевна

канд.  техн.  наук,  ведущий  научный  сотрудник  ФГБУН  Института  проблем  нефти  и  газа  СО  РАН,  г.  Якутск

E-mail: 

RESEARCH  OF  STRUCTURE  OF  FLUOROPOLYMERIC  NANOCOMPOSITES  FRICTION

Argunova  Anastasiia

Candidate  of  Science,  researcher  of  Institute  of  Petrolium  and  Gas  Problems,  Yakutsk

Okhlopkova  Aitalina

Doctor  of  Science,  Chief  of  chair  Of  North-Easten  Federal  University  named  after  M.K.  Ammosov,  Yakutsk

Petrova  Pavlina

Candidate  of  Science,  leading  researcher  of  Institute  of  Petrolium  and  Gas  Problems,  Yakutsk

АННОТАЦИЯ

Изучены  процессы  формирования  поверхностей  трения  в  нанокомпозитах  на  основе  политетрафторэтилена.  Показано,  что  частицы  нанонаполнителя  концентрируются  на  поверхности  трения  и  формируют  с  молекулами  ПТФЭ  ориентированную  структуру.  Вследствие  этого  затрудняется  пластическое  деформирование  поверхностных  слоев,  что  приводит  к  снижению  скорости  массового  изнашивания.

ABSTRACT

Processes  of  formation  of  friction  surfaces  in  nanocomposites  based  on  polytetrafluoroethylene  are  studied.  It  is  shown  that  nanofiller  particles  concentrate  on  friction  surfaces  and  form  with  PTFE  molecules  the  focused  structure.  Thereof  plastic  deformation  of  blankets  is  at  a  loss.  It  leads  to  decrease  in  speed  of  mass  wear.

Ключевые  слова:  политетрафторэтилен;  нанокомпозит;  износостойкость;  поверхность  трения;  сферолит;  надмолекулярная  структура.

Keywords:  polytetrafluoroethylene;  nanocomposite;  wear  resistance;  friction  surface;  spherulite;  supramolecular  structure.

Известно  [2,  3],  что  направленное  изменение  структуры  полимерных  композитов  позволяет  повысить  служебные  характеристики  материалов.  Взаимосвязь  механических  свойств  полимеров  с  характером  их  надмолекулярных  структур,  определяемых  микроскопическими  методами,  нашла  свое  отражение  и  в  процессах  трения.

Молекулярная  и  надмолекулярная  структура  в  поверхностных  слоях  весьма  существенно  отличается  от  строения  в  объеме  материалов  на  основе  полимеров.  Проблема  эта  очень  сложна  и  трудна,  поэтому  составить  достаточно  полную  картину  о  наборе  структурных  состояний  поверхностных  слоев  не  представляется  возможным. 

В  работе  были  исследованы  нанокомпозиты  на  основе  политетрафторэтилена  (ПТФЭ).  В  качестве  наполнителей  использованы  наноструктурные  оксиды  алюминия  с  размерами  частиц  9—11  нм.

Ранее  проведенными  исследованиями  показано  [4,  5],  что  при  введении  нанонаполнителей  улучшаются  деформационно-прочностные  и  триботехнические  характеристики  материала.  Так,  снижается  и  стабилизируется  на  минимальном  уровне  износ  материала  (в  300  раз),  коэффициент  трения,  уменьшается  длительность  приработочного  периода,  что.  является  нетипичным  для  наполненных  полимеров. 

На  триботехнические  свойства  полимерных  композитов  влияет  множество  факторов,  существенными  среди  которых  являются:  влияние  нагрузки,  скорости  скольжения,  ориентационные  эффекты,  структура  поверхностных  слоев  материалов.  В  связи  с  эти,  поверхность  композитов  была  исследована  методом  атомно-силовой  микроскопии  (АСМ).  На  рис.  1.  показано,  что  рельеф  поверхности  нанокомпозитов  более  сложный,  характеризуется  микронеровностями  по  высоте,  обеспечивающими  снижение  площади  контакта  поверхности  композита  с  контртелом.  В  то  время  как  рельеф  поверхности  исходного  ПТФЭ  гладкий.  На  изображении  фазового  контраста  ПТФЭ,  модифицированного  нанонаполнителем,  зарегистрированы  контрастные  упорядоченные  структуры,  отсутствующие  в  исходном  полимере.  Упорядоченная  структура  свидетельствует  о  повышении  контактной  адгезии  между  наполнителем  и  полимером. 

Рисунок  1.  АСМ  изображения  ПТФЭ  (сверху)  и  композита  (снизу):  а)  рельеф  поверхности;  б)  локальная  жесткость;  в)  фазовый  контраст

При  модификации  дисперсными  наполнителями  ленточная  структура  ПТФЭ  трансформируется  в  сферолитную.  Известно,  что  диаметр  сферолитов  на  поверхности  образцов  обычно  меньше,  чем  в  объеме.  Изменение  характера  сферолитных  образований  вызывает  изменение  коэффициента  трения.  Более  равномерной  структуре  соответствует  меньший  коэффициент  трения.

В  процессе  фрикционного  взаимодействия  исходная  структура  поверхностных  слоев  претерпевает  весьма  существенные  изменения.  В  процессе  изнашивания  материала  частицы  наполнителя  ориентируются  по  направлению  скольжения.  При  трении  композита  зарегистрирована  миграция  частиц  наполнителя  в  поверхностный  слой  (рис.  2)  вследствие  протекания  трибохимических  реакций  при  трении.

                            а)                                             б)                                                       в)

Рисунок  2.  Микрофотографии  поверхностей  ПКМ  (сверху)  и  растровая  картина  распределения  оксида  алюминия  в  объеме  ПКМ  в  рентгеновских  лучах  по  алюминию  (снизу):  а)  ПТФЭ+0,5  %  Al₂O_{3 ,}  до  трения;  б)  ПТФЭ+0,5  %  Al₂O₃  после  трения  в)  ПТФЭ+5,0  %  Al₂O₃  после  трения,  Увеличение  х100

Формирование  такой  структуры  нанокомпозита  обусловлено  адсорбционным  взаимодействием  кластерных  частиц  НП  с  макромолекулами  ПТФЭ  при  трении.  Зарегистрировано  образование  вторичной  сетчатой  структуры  из  фрагментов  трибораспада  ПТФЭ.  Вследствие  этого  затрудняется  пластическое  деформирование  поверхностных  слоев  в  процессе  трения.  Зарегистрировано  сглаживание  рельефа  поверхности  трения  с  увеличением  содержания  наполнителя  за  счет  формирования  тонких  пленок,  приводящая  к  пластификации  поверхностных  слоев  материала,  и,  соответственно,  к  снижению  коэффициента  трения  нанокомпозита. 

Установлено,  что  поверхности  нанокомпозитов  обогащаются  частицами  оксидов  при  трении.  Частицы  наполнителя,  сконцентрированные  на  поверхности  трения  формируют  с  макромолекулами  ПТФЭ  ориентированную  структуру,  которая  выполняет  роль  защитного  экрана,  локализующего  в  своем  объеме  деформации  сдвига  и  предохраняющие  поверхностный  слой  полимерного  нанокомпозита  от  разрушения. 

Топография  поверхностей  трения  полимерного  нанокомпозита  была  исследована  также  методом  АСМ  (рис.  3). 

Рисунок  3.  Рельеф  поверхности  трения:  а)  ПТФЭ  б)  ПТФЭ+  γ-Al2O3  5,0  %.  Поле  сканирования  100х100  нм

Показано  возрастание  микрогеометрической  развитости  поверхности  нанокомпозита  с  увеличением  конусообразных  фрагментов  на  поверхности  трения.  Подобные  изменения  в  топографии  поверхности  материалов  связаны  с  увеличением  кристаллических  образований  в  связующем.  Механизм  и  характер  разрушения  полимерного  материала  при  трении  зависят  от  соотношений  энергий  главных  химических  валентных  связей  и  межмолекулярных  связей  между  цепями,  при  этом  разрыв  главных  цепей  сопровождается  образованием  химически  активных  радикалов  [1].  Разрыв  химических  связей,  очевидно,  происходит  в  наиболее  дефектных  пограничных  областях  сферолитов. 

Существенную  информацию  о  трибологических  процессах  на  поверхности  ПКМ  дают  ИК-Фурье  спектрометрические  исследования.  На  основании  анализа  групповых  частот  и  фактор-группы  проведена  интерпретация  полос  поглощения  ИК-спектров  исследуемых  нанокомпозитов.  На  рис.  4  приведено  сопоставление  ИК-спектров  нанокомпозитов  до  и  после  трения. 

Рисунок  4.  ИК-спектры  поглощения  поверхностей  нанокомпозитов:  а)  до  трения;  б)  после  трения

ИК-спектры  по  характеристическим  пикам  идентичны.  Зарегистрировано  появление  полос  интенсивности  при  1657  см^-1  и  1432  см^-1,  относящиеся  к  валентным  и  маятниковым  колебаниям  С  =  С  групп,  интенсивной  широкой  полосы  при  3248  см^-1,  отвечающей  колебаниям  ОН  групп.  Это  свидетельствует  об  окислении  фрагментов  трибораспада  ПТФЭ  вследствие  разрушения  структуры  материала,  разрыва  цепей  и  «аморфизации»  поверхностного  слоя.

Кроме  того,  резко  меняется  соотношение  полос  в  области  400—700  см^-1,  характеризующих  кристаллические,  упорядоченные  фазы  ПТФЭ.  Увеличение  интенсивности  полос  кристалличности  в  нанокомпозитах  свидетельствует  о  повышении  кристалличности  в  тончайших  слоях  полимеров  при  трении  и  изнашивании.  Известно,  что  наносоединения  оксидов  металлов  являются  катализаторами  трибохимических  реакций  в  ПТФЭ,  инициирующими  не  только  разрывы  C-F  и  С-С  связей,  но  и  в  дальнейшем  процессы  «сшивки»  фрагментов  трибораспада  полимера  с  формированием  новых  структур  в  поверхностных  слоях.  С  этими  данными  согласуются  и  наши  исследования.

Появление  на  поверхности  трения  композитов  пиков,  соответствующих  окисленным  группам  является  экспериментальным  подтверждением  участия  кислорода  в  радикальных  трибохимических  превращениях  макромолекул.  Также  при  трении  происходит  протекание  процессов  дегидрирования,  что,  возможно,  приводит  к  усилению  образования  в  поверхностных  слоях  полимера  сшитых  структур  —  более  износостойких,  термически  и  механически  устойчивых.

Таким  образом  установлены  факторы,  определяющие  механизм  изнашивания  нанокомпозита  на  основе  ПТФЭ,  заключающиеся  в  обогащении  поверхности  трения  частицами  нанонаполнителя,  которые  участвуют  в  формировании  высокоориентированных  «сшитых»  структур,  защищающих  поверхностный  слой  композита  от  износа.

Список  литературы:

1.Гольдаде  В.А.,  Струк  В.А.  Песецкий  С.С.  Ингибиторы  изнашивания  металлополимерных  систем.  —  М.:  Химия,  1993.  —  240  с.

2.Козлов  Г.В.,  Яновский  Ю.Г.,  Липатов  Ю.С.  Фрактальный  анализ  структуры  и  свойств  межфазных  слоев  в  дисперсно-наполненных  полимерных  композитах  //  Механика  композиционных  материалов  и  конструкций,  2002.  —  Т.  8,  №  1.  —  C.  111—149.

3.Маламатов  А.Х.,  Буря  А.И.,  Козлов  Г.В.  Формирование  структуры  дисперсно-наполненных  полимерных  нанокомпозитов  //  Современные  наукоемкие  технологии,  2005.  —  №  11.  —  С.  16—18.

4.Охлопкова  А.А.,  Парникова  А.Г.  Изучение  свойств  нанокомпозитных  материалов  на  основе  ПТФЭ  //  Известия  Самарского  научного  центра  Российской  академии  наук.  —  Самара,  2011.  Т.  13,  №  1(2).  —  С.  394—396.

5.Охлопкова  А.А.,  Петрова  П.Н.,  Парникова  А.Г.  Влияние  структуры  нанокомпозитов  на  основе  политетрафторэтилена  на  триботехнические  характеристики  //  Трение  и  износ.  —  Республика  Беларусь,  Гомель,  2009,  Т.  30,  №  6.  —  С.  580—586.