Способ определения скорости изнашивания радиационно-сшитого политетрафторэтилена

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ РАДИАЦИОННО-СШИТОГО ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Адериха Владимир Николаевич Шаповалов Виталий Андреевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(57) Способ определения скорости изнашивания радиационно-сшитого политетрафторэтилена при трении по гладкой металлической поверхности в заданных условиях испытаний,1 в котором средствами ИК-спектроскопии измеряют отношение 985 см 1 приведенных оп 2365 см тических плотностей исследуемого образца политетрафторэтилена для полос поглощения трифтор- и дифторметиленовых групп при 985 см-1 и 2365 см-1 соответственно, характеризующее относительное содержание в образце трифторметиленовых групп, а затем определяют искомую скорость изнашивания , выраженную в мкг/ч, в соответствии с корреляционным уравнением вида Фиг. 2. Зависимость скорости изнашивания радиационно-сшитых образцов ПТФЭ от приведенной оптической плотности полосы поглощения при 985 см-1, гдеи- эмпирические константы, заранее определенные экспериментально путем триботехнических испытаний эталонных образцов из того же материала при указанных выше заданных условиях испытаний. Изобретение относится к физике твердого тела в области исследования свойств твердых материалов, в частности в области разработки неразрушающих методов оценки скорости изнашивания полимеров и композитов на их основе, или их износостойкости,величины, обратной скорости изнашивания, столь же часто применяемой для количественного описания процесса изнашивания материалов. Повышение долговечности и надежности деталей машин - одна из основных проблем машиностроения. Материалы, используемые в узлах трения машин и механизмов, должны обладать высокими и стабильными антифрикционными свойствами. Среди широкого спектра антифрикционных материалов предпочтение отдается тем, которые обладают твердостью меньше твердости сопряженной детали, низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью (низкой скоростью изнашивания). Политетрафторэтилен (ПТФЭ) и композиты на его основе относятся к наиболее широко применяемым антифрикционным материалам. Для ПТФЭ характерен низкий коэффициент трения без смазки благодаря свойству самосмазывания. Однако низкая износостойкость ПТФЭ ограничивает его применимость диапазоном низких удельных нагрузок и скоростей. В связи с этим актуальна задача улучшения комплекса свойств таких материалов, в том числе за счет современных методов их физико-химического модифицирования. Одним из наиболее эффективных способов модифицирования структуры ПТФЭ, обеспечивающим существенное снижение ползучести и кардинальное повышение износостойкости, является радиационное сшивание при температуре выше температуры плавления кристаллической фазы полимера 1. Это делает актуальным развитие способов адекватной оценки показателей износостойкости во взаимосвязи с наиболее специфичными структурными характеристиками радиационно-сшитого ПТФЭ. Опубликованные данные, количественно характеризующие взаимосвязь дозы облучения с параметрами сшитой структуры и износостойкостью, отсутствуют, в то время как определение такой связи позволило бы оптимизировать технологические параметры процесса модифицирования и управлять триботехническими характеристиками радиационно-сшитого ПТФЭ изменением условий облучения (поглощенная доза, природа и концентрация сенсибилизаторов,агентов-передатчиков цепи и др.). Известен ряд технических решений, дополняющих стандартные методы 2 и имеющих целью определение износостойкости (скорости изнашивания) различных материалов. Способ 3 предусматривает формирование на испытуемом образце упрочненного слоя,изнашивание путем истирания по абразивной поверхности с недопущением превышения толщины упрочненного слоя, определение изменения линейных размеров образца в сравнении с эталоном и расчет относительной износостойкости. Известны также способ определения износостойкости покрытий малой толщины по времени полного износа покрытия,определяемого визуально по изменению цвета покрытия на цвет образца 4, способ определения кавитационной износостойкости путем создания кавитационного поля при помощи ультразвука в жидкой среде, где происходит равномерное воздействие на поверхность микрошлифа исследуемого материала, и измерения глубины износа 5 и т.д. Более перспективным представляется прогнозирование скорости изнашивания (износостойкости) на основе установления взаимосвязи параметра износостойкости с одним или несколькими структурно-чувствительными характеристиками материала, определяемыми одним из неразрушающих методов анализа. 2 16770 1 2013.02.28 Прототипом изобретения является способ определения абразивной износостойкости гетерогенных материалов 6. Способ включает подготовку образцов, возбуждение излучения исследуемого вещества, регистрацию его эмиссионного спектра, измерение плотности почернения аналитической пары спектральных линий легирующего и основного элементов и определение абразивной износостойкости из корреляционной связи параметров. Новым в способе является использование в качестве критерия для оценки абразивной износостойкости параметра макронеоднородности элементов структурных составляющих,ответственных за износостойкость, которую определяют после обработки спектрограмм проверкой на значимость по -распределению средневзвешенных дисперсий разностей плотностей почернений для аналитической и матричной пар спектральных линий этих элементов. Абразивную износостойкость образцов находят из ее корреляционной связи с макронеоднородностью элементов по эталонной кривой, где- абразивная износостойкость,- параметр макронеоднородности. Достоинством способа-прототипа представляется его направленность на исследование гетерогенных и микрогетерогенных материалов, а также выбор функции отклика - специфических спектральных характеристик непосредственно самого образца, на основании которых далее делается вывод об абразивной износостойкости. Это делает способ удобным средством неразрушающего контроля. Недостатки прототипа 1) необходимость предварительного возбуждения изучаемого материала для получения его эмиссионных спектров 2) ориентация способа на исследование сплавов металлов с микровключениями других элементов, в то время как применимость его к изучению полимерных композитов вызывает сомнения. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - предложить удобный, легкореализуемый способ определения таких структурно-чувствительных характеристик радиационно-сшитого ПТФЭ, которые находились бы в прямой взаимосвязи с износостойкостью. В качестве такой структурно-чувствительной характеристики предлагается использовать параметр, характеризующий частоту сшивания трехмерной сетки, и оценивать его спектральным методом. В соответствии с этим предлагается способ определения износостойкости радиационно-сшитого политетрафторэтилена при трении по гладким металлическим поверхностям,который основан на спектроскопическом определении параметра структуры материала и установлении корреляционной связи между параметром структуры и скоростью изнашивания. Отличительная особенность предлагаемого способа заключается в том, что в качестве параметра структуры предложено использовать частоту сшивания трехмерной сетки,оцениваемую относительным содержанием трифторметильных (3) групп в анализируемом материале, что определяется методом ИК-спектроскопии по соотношению приведенных оптических плотностей полос поглощения 3-групп при 985 см-1 и дифторметиленовых (2) групп при 2365 см-1, выбранных в качестве внутреннего стандарта. В этом случае корреляционная связь между параметром структуры и скоростью изнашивания имеет вид 985 см- эмпирические константы. Сущность изобретения основана на экспериментально установленной количественной взаимосвязи между износостойкостью радиационно-сшитого ПТФЭ в изученном диапазоне доз облучения и относительным содержанием 3-групп, которая при высокотемпературном радиолизе ПТФЭ пропорциональна степени сшивания ПТФЭ 7. ИК-спектры поглощения облученного полимера регистрировали на спектрометре типа 5700 с Фурье-преобразованием. В качестве образцов использовали тонкие срезы заготовок толщиной 0,15-0,25 мм. Степень структурирования ПТФЭ оценивали по величине приведен 3 16770 1 2013.02.28 ной оптической плотности полосы поглощения трифторметильной группы при 985 см-1,сравнивая ее с оптической плотностью составной полосы поглощения скелетных колебаний дифторметиленовых групп при 2365 см-1. Пример ИК-спектра радиационно-сшитого ПТФЭ и способ проведения базовых линий приведены на фиг. 1. Из тех же заготовок радиационно-сшитого ПТФЭ изготавливали образцы для триботехнических испытаний в виде секторов с размерами длина - 20 мм, ширина - 10 мм, высота - 10 мм, радиус закругления - 20 мм. Образцы подвергали трению на машине трения СМЦ-2 по схеме вал - частичный вкладыш при скорости 1 м/с и давлении 1 МПа до пути трения не менее 200 км. В качестве контртела использовали ролик из стали 40 Х твердостью 45-50 и шероховатостью 0,16 мкм. Результаты испытаний представлены в таблице и на фиг. 2. Видно, что высокотемпературный радиолиз ПТФЭ приводит к появлению выраженной полосы поглощения при 985 см-1, относящейся к поглощению трифторметильных 3-групп. Интенсивность этой полосы с ростом дозы облучения увеличивается. Образование 3-групп может происходить в результате реакции диспропорционирования в процессе радиолиза основной цепи (образование концевых 3 групп), взаимодействия фтора с радикалом фторметиленовой группы, взаимодействия срединного и низкомолекулярных алкильных радикалов, а также макрорадикалов с концевыми трифторметильными группами. Тем самым формируется структура со сшивками-типа. Экспериментальные данные по определению износостойкости образцов ПТФЭ,радиационно-сшитого различными дозами облучения, и приведенной оптической плотности полосы поглощения трифторметильной группы Приведенная оптическая плотность Доза облучения, Скорость изнашивания ,-1 п /п 985 см -1 МРад мкг/ч 2365 см Представление результатов измерений в виде зависимости логарифма скорости изнашивания от приведенной оптической плотности полосы поглощения трифторметильных групп показывает, что с ростом относительного содержания 3-групп (степени сшивания) скорость изнашивания снижается экспоненциально, причем экспериментальные данные аппроксимируются линейной зависимостью в полулогарифмических координатах с высокой степенью корреляции (0,988). Таким образом, величина 985 см является характеристическим параметром струк туры радиационно-сшитого ПТФЭ и существует характерная корреляционная связь между этим параметром и скоростью изнашивания, описываемая уравнением,16770 1 2013.02.28 где- скорость изнашивания в мкг/ч,и- эмпирические константы, зависящие от условий испытаний (состав материала контртела, степень шероховатости материала контртела, конфигурация узла трения и др.) и имеющие определенное численное значение для каждого типа материала на основе радиационно-сшитого ПТФЭ. В нашем случае для полученного набора экспериментальных данных коэффициенты уравнения имеют значения 5,55159110,1445576 и 20,04945310,9762618 и уравнение приобретает вид Установление взаимосвязи между исследованными параметрами позволяет прогнозировать скорость изнашивания радиационно-модифицированного ПТФЭ по его ИК-спектру. С практической точки зрения, это может быть использовано в качестве экспресс-метода оценки степени сшивания и прогноза триботехнических характеристик облученного ПТФЭ. Изобретение может найти применение в физике полимеров и трибологии, в частности, для прогнозирования эксплуатационных характеристик антифрикционных изделий из радиационно-сшитого политетрафторэтилена. Источники информации 1. Патент РФ 2304592, П 708 7/18,08 5/16, 2007. 2. Ясь Д.С., Подмоков В.Б., Дяденко Н.С. Испытания на трение и износ. Методы и оборудование. - Харьков Технка, 1971. - 140 с. 3. Патент РФ 2373520, МПК 701 19/02, 2009. 4. Патент РФ 2303773, П 701 3/56, 2007. 5. Патент РФ 2359245, МПК 701 3/32, 2009. 6. Козырев Ю.П. и др. Вопросы материаловедения. - 2008. -1 (53). - С. 156-160. 7..,.,.,.-.. // . - . 39. - . 3. - . 573-582. - 1998. Фиг. 1. ИК-спектры пропускания образцов исходного (1) и облученного дозой 20 МРад ПТФЭ (2) Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.