П.Д. Дерлугян
Последние десятилетия характеризуются бурным ростом выпуска и использования подшипников скольжения из полимерных материалов. Благодаря особым, антифрикционным свойствам полимеров подшипники из этих материалов обладают высокой работоспособностью в узлах, эксплуатируются с ограниченной смазкой или при ее отсутствии, например, в узлах пищевых и текстильных машин, в сельском хозяйстве, строительстве, машино- и авиастроении и т.д. Благодаря применению полимерных подшипников повышается надежность и долговечность узлов, упрощается их конструкция, удешевляется ремонт и эксплуатация.
Однако в условиях длительной эксплуатации и хранения в полимерных материалах наблюдается резкое изменение их прочностных характеристик. Это обстоятельство выдвигает необходимость проведения широкого круга исследований в области старении полимеров. Анализ условий эксплуатации и хранения различных материалов показывает, что в большинстве случаев наряду с другими внешними факторами материал подвергается действию повышенных температур и влажности окружающей среды. Это обстоятельство позволяет рассматривать температурное и влажностное воздействие в качестве основных факторов условий эксплуатации, которые могут привести к изменению свойств материала в зависимости от продолжительности их воздействия.
В настоящей работе рассматривается влияние теплового старения на изменение физико-механических свойств самосмазывающегося антифрикционного материала “Маслянит-К”. Этот материал получают методом анионной полимеризации ε -капролактама с введением в него различных модификаторов-наполнителей, которые, с одной стороны, придают полимеру требуемые свойства, а с другой – способствуют упорядочению структуры и повышению стабильности свойств по сравнению с чистыми полиамидами.
Для достижения поставленной цели авторами была разработана специальная методика ускоренных климатических испытаний (УКИ), позволяющая:
- оценить влияние введенных в полимер модификаторов на стабильность свойств при тепловом старении;
- определить энергию активации Еа физико-химических процессов характеризующую изменение свойств материала;
- установить температурно-временные пределы, при которых возможно применение материала “Маслянит-К”.
Основная задача при разработке режимов ускоренного старения сводилась к выбору таких условий внешнего воздействия, при которых обеспечивается максимально возможное ускорение испытаний при сохранении идентичности сущности процессов в реальных и искусственных условиях.
При ускоренных климатических испытаниях фиксировались изменения свойств, характеризующие физико-механические характеристики материала: разрушающие напряжения при сжатии в статическом изгибе, ударная вязкость и твердость.
Продолжительность испытания определялась температурой и уровнем снижения чувствительного показателя на величину, исключающую возможность эксплуатации материала.
Тепловое старение образцов проводилось при трех температурах. За максимальную температуру испытания принималась предельная температура эксплуатации или температура деформационной теплостойкости. На основании ранее проведенных исследований за максимальную температуру испытаний материала “Маслянит-К” принимаем Т = 393 К. Другие значения температур определяются по формуле:
Tn=T-20·n;
где Т – максимальная температура испытания, К,
Тn – промежуточная температура испытания, К ,
n – число температур испытания.
Таблица 1
Влияние теплового старения на изменение физико-механических свойств материала “Маслянит-К”
Определяемый показатель | Свойства в исходном состоянии | Температура испытания, К | Продолжительность старения, сутки | ||||||
5 | 10 | 15 | 30 | 45 | 60 | 90 | |||
Разрушающее напряжение при сжатии, МПа | 125 | 353 | – | 123 | 117 | 137 | – | 127 | 125 |
373 | – | 122 | 120 | – | – | 133 | 118 | ||
393 | 120 | 115 | – | – | 120 | – | – | ||
Твердость по Бриннелю, МПа | 148 | 353 | – | 140 | 131 | 122 | – | 129 | 130 |
373 | – | 130 | 122 | – | – | 136 | 130 | ||
393 | 135 | 129 | – | – | 133 | – | – | ||
Разрушающее напряжение при статическом изгибе, МПа | 83 | 353 | 82 | 81 | 76 | 75 | 71 | 68 | 66 |
373 | 78 | 75 | 70 | 65 | 61 | 60 | 60 | ||
393 | 72 | 66 | 71 | 59 | 56 | – | – | ||
Ударная вязкость, кДж/м | 20 | 353 | 19,4 | 18,8 | 18,4 | 17,8 | 17,6 | 17,6 | 17,5 |
373 | 18,4 | 17 | 16,6 | 16 | 15,6 | 15,5 | 15,5 | ||
393 | 16,6 | 15,6 | 15 | 14,6 | 14,4 |
В табл. 1 представлены данные по влиянию температуры и продолжительности ее воздействия на изменение физико-механических характеристик. Из табл. 1 видно, что в процессе теплового старения в интервале температур Т=353-393 К изменение разрушающего напряжения при сжатии колеблется в пределах±8%, а снижение твердости но Бринеллю не превышает 15-17% от исходного состояния.
Наиболее чувствительными к действию температуры оказываются прочностные характеристики при статическом изгибе и ударная вязкость. В процессе теплового старения происходит резкое снижение этих показателей на 20-34 и 12,5-28% соотвественно, и чем выше температура, тем больше скорость их снижения. Такое ухудшение физико-механических характеристик может быть объяснено несовершенством надмолекулярной структуры, происходящими структурными изменениями (в первую очередь изменением степени кристалличности) и наличием термоокислительных процессов.
С помощью уравнения Аррениуса и кинетической зависимости по изменению разрушающего напряжения при статическом изгибе в процессе теплового старения была определена эффективная энергия активации Еа= 71,4 кДж. За наименьший допустимый уровень принято снижение прочности при статическом изгибе на 20% в сравнении с исходным состоянием. Температура приведения принята равной 373 К.
Для определения температурно-временных пределов, при которых возможно применение материала “Маслянит-К”, рассчитываем время, в течение которого произойдет изменение предела прочности при статическом изгибе на 20% по формуле:
Для построения обобщенной кривой (см. рисунок) экспериментально установленные продолжительности времени, при которых определяемый показатель изменился на определенную величину, умножаются на значение масштабного фактора (а), соответствующего каждой температуре старения:
а=0,278 для температуры 353 К,
а=1 для температуры 373 К,
а=2,5 для температуры 393 К.
Таблица 2
Данные для построения обобщенной кривой изменения предела прочности при статическом изгибе в процессе теплового старения
Температура, K | Экспериментальное время снижения показателей по 20%,сутки | Масштабный фактор,α | Рассчитанное время снижения показателей на 20%,сутки | Текущее значение показателя |
353 | 7
15 30 60 90 |
0,278 | 2
4 8 17 25 |
88
78 73 69,7 68 |
373 | 7
15 25 60 90 |
1 | 7
15 25 60 90 |
82
64,7 71,4 61 62 |
393 | 5
10 25 45 |
2,5 | 12,5
25 52,5 112,5 |
78
64,7 64,7 58,1 |
Затем на оси абсцисс откладываем время, соответствующее снижению выбранного показателя на 20% от исходного значения, и равномерно разбиваем ось абсцисс на отрезки времени при каждой температуре экстраполяции.
Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
- Введение модификаторов-наполнителей на стадии анионной полимеризации E-капролактама способствует упорядочению структуры и повышению стабильности свойств по сравнению с чистыми полиамидами,
- В процессе теплового старения в интервале температур 353-393 К происходит снижение разрушающего напряжения при сжатии на 8%, а твердости по Бринеллю на 15-17%.
- Наиболее чувствительными к действию температуры оказываются прочностные характеристики при статическом изгибе и ударная вязкость, которые снижаются на 20-31 и 12,5-28% соответственно.
- Исследована кинетика процессов старения за счет термоокислительной деструкции и структурных превращений, приводящих к снижению эксплуатационных свойств. Для реализация этих процессов, приводящих к снижению предела прочности при статическом изгибе на 20%, расходуется энергия активации, равная 71,4 кДж.
- Установлены температурно-временные пределы применения материала “Маслянит-К”, которые составляют:
при Т = 393 К – 119 суток, при Т = 333 К – 1 год,
при Т = 373 К – 33 суток, при Т = 313 К – 5 год,
при Т = 353 К – 13 суток, при Т = 293 К – 15 год.
Обобщенная кривая изменения предела прочности при статическом изгибе, построенная на основания результатов испытаний при температурах старения:
○ – при Т = 353 К, × – при Т = 373 К, • – при Т = 393 К.
Обозначение шкал на рисунке:
α – сутки при Т = 373 К,
δ- годы при Т = 333 К,
β – годы при Т = 313 К,
E – годы при Т = 293 К.
Литература
- Павлов Н.Н. Старение пластмасс в естественных и искусственных условиях – М.: Химия, 1982. -224с.
- Ускоренное тепловое и тепловлажностное старение термопластов. Определение сроков хранения. Методическое руководство.-М.: НИИПМ, НПО «Пластмассы», 1978.-32с.