ПТФЭ — перспективный материал антифрикционного назначения

ПТФЭ является одним из наиболее распространенных антифрикционных материалов, применяемых в ответственных узлах трения. Этот материал привлекает к себе внимание, прежде всего благодаря самому низкому коэффициенту трения из известных полимерных материалов, что позволяет использовать его в различных узлах трения без смазки. Ценным свойством материалов на основе ПТФЭ является работоспособность в широком диапазоне температур при сохранении низкого и стабильного коэффициента трения и обеспечении плавного скольжения. У подшипников из таких материалов отсутствуют явления схватывания и заедания, а коэффициент статического трения обычно ниже кинетического. Поэтому, даже после длительного бездействия момент трения подшипников незначительно увеличивается, что важно при эксплуатации техники в экстремальных условиях.

К уникальным свойствам ПТФЭ следует отнести также высокую термическую устойчивость, химическую стойкость и морозостойкость. Столь специфические свойства ПТФЭ связаны, прежде всего, со строением его молекулы, высокой прочностью связи C-F, а также особенностями надмолекулярной структуры. Молекула ПТФЭ в кристаллическом состоянии имеет форму спирали, состоящую из полностью «фторированного» внешнего слоя, наличием которого и объясняют высокую химическую стойкость и низкие адгезионные свойства полимера. Спиральная конформация ПТФЭ достаточно хорошо изучена: ниже 19 °C спираль имеет период в 13 атомов углерода на один поворот в 180° и такие спирали укладываются в триклинную решетку: при 19 °C спираль слегка раскручивается до 15 атомов углерода, и кристаллическая решетка становится менее плотной. При температуре 19−30°с цепи перестраиваются, образуя гексагональную упаковку. Выше температуры 30 °C спираль становится нерегулярно закрученной и до температуры плавления кристаллической области сохраняется гексагональная упаковка цепей. Характерной особенностью ПТФЭ, обусловленной строением его молекулы является высокая вязкость расплава, которая в миллион раз выше вязкости термопластов, т. е. молекулярные цепи ПТФЭ в расплаве сохраняют повышенную степень упорядоченности, сохраняя спиральную форму. Поэтому ПТФЭ имеет высокую температуру плавления (327°С), причем при этой температуре поведение ПТФЭ резко отличается от других термопластичных полимеров, чем вызваны трудности при его переработке [5].

Рис. 1. Модель молекулы ПТФЭ

ПТФЭ обладает высокой морозостойкостью, не становясь хрупким даже при температуре жидкого гелия (-269°с). Именно поэтому ПТФЭ применяют для изготовления деталей криогенной техники, работающих в среде жидких газов, системах запуска ракетных двигателей, на космических объектах, а также в узлах трения техники, эксплуатируемой в условиях холодного климата [6].

Физико-механические свойства ПТФЭ определяются, в основном, молекулярной массой, степенью кристалличности полимера и методами его переработки. Молекулярная масса ПТФЭ зависит от способа получения и колеблется по разным источникам от 300 тыс. до 3 млн. и выше в зависимости от метода определения. Степень же кристалличности ПТФЭ сильно зависит от термической предыстории: у неспеченных образцов она очень высока — 90%, а у спеченных колеблется от 40 до 70% в зависимости от условий переработки, в основном, скорости охлаждения. С увеличением кристалличности механические характеристики ПТФЭ ухудшаются: на 70% снижается прочность при растяжении, в 100 раз падает прочность при изгибе, в 15 раз уменьшается прочность к удару. Отрицательное влияние на свойства оказывает также пористость. При предельном увеличении пористости модуль при изгибе снижается на 30%, прочность при растяжении — на 50%, прочность к удару и относительное удлинение при разрыве — на 80% и в 1000 раз падает прочность при изгибе. Как правило, для достижения высоких эксплуатационных характеристик стремятся получать изделия из ПТФЭ с минимальной степенью кристалличности и максимальной молекулярной массой [7].

К недостаткам ПТФЭ следует отнести такие особенности, как ползучесть или хладотекучесть, т. е. медленное нарастание во времени пластической деформации при приложении небольшой нагрузки, а также очень высокий коэффициент линейного расширения, аномально изменяющийся в широких пределах в зависимости от температуры и имеющий большое значение в области комнатной температуры [8].

Главным недостатком ПТФЭ, ограничивающим применение его в ответственных узлах трения, является низкая износостойкость. Большинство исследователей объясняет низкую износостойкость особенностями структуры и фрикционного переноса ПТФЭ. Морфология кристаллических областей ПТФЭ резко отличается от морфологии других термопластов, так как у ПТФЭ сферолитная структура, типичная фактически для всех кристаллических полимеров, отсутствует[7].

Для устранения недостатков ПТФЭ широко используется наполнение полимера различными наполнителями. Наполнение позволяет существенно снизить износ при сохранении высоких антифрикционных свойств, повысить физико-механические характеристики и расширить области применения[2].

За последние годы ассортимент полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе ПТФЭ значительно расширился, причем производство наполненных материалов сейчас идет опережающими темпами (5 — 7% в год) по сравнению с ненаполненным ПТФЭ. Самыми крупными фирмами по выпуску ПТФЭ и материалов на его основе являются: «DuPont», «Дайкин коге», «Hoechst», «ICI», «Montefluos».

Ассортимент наполнителей ПТФЭ очень широк: стеклянные и углеродные волокнистые наполнители, дисульфид молибдена, кокс, графит, металлы, оксиды и соли металлов, полимерные наполнители [9].

Влияние наполнителей на механические свойства ПТФЭ довольно значительно.

Введение

наполнителей повышает твердость, прочность на сжатие, модуль упругости ПТФЭ, снижает прочность при изгибе и ударную вязкость. Порошкообразные наполнители уменьшают прочность при растяжении ПТФЭ на 0,5−0,7 МПа на каждый объемный процент наполнителя, еще большее падение претерпевает относительное удлинение при разрыве. Сопротивление ползучести наполненных фторопластов возрастает на 200−300% по сравнению с чистым ПТФЭ. Применяя различные наполнители, можно также в 2−3 раза снизить высокий коэффициент линейного расширения ПТФЭ в зависимости от природы и формы частиц наполнителя, причем наполнители сферической формы способствуют выравниванию теплового расширения в различных направлениях [2].

Однако главной особенностью введения наполнителей в ПТФЭ является увеличение износостойкости; в зависимости от вида и содержания наполнителей износостойкость композиций может возрастать до 1000 раз. Столь значительное влияние наполнителей на износостойкость при сравнительно незначительном изменении других свойств характерно только для ПТФЭ и не наблюдается у других полимеров. Несмотря на усилия многих исследователей объяснить это явление до сих пор не удалось.