Старение и износ полимерных материалов

Введение

Старение полимерных материалов - это естественный процесс изменения во времени физико-химических свойств материала, проявляющееся в виде необратимых структурных изменений, распада, окисления и других явлений.
Износ полимерных материалов — сложный вид разрушения материала, связанный со спецификой как поверхностных слоев, так и процессов, происходящих в местах контакта с истирающим контртелом.
Актуальность темы реферата заключается в том, что старение и износ полимерных материалов является очень важной проблемой в науке.
Цель работы – более полное изучение старения и износа полимерных материалов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть виды и характеристики полимерных материалов, понятие износа полимерных материалов, виды износов, кто изучал данное явление и так далее, а также действие климатических условий и функциональных нагрузок на старение полимерных материалов и другие моменты.
Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (две главы), заключение и библиографический список, состоящий из пяти источников литературы.


1. Полимерные материалы. Их характеристики и виды

Полимерные материалы - это химические высокомолекулярные соединения, которые состоят из многочисленных маломолекулярных мономеров (звеньев) одинакового строения. Зачастую для изготовления полимеров используют следующие мономерные компоненты: фенол, формальдегид, меламин, мочевину, стирол, тетрафторэтилен, метилметакрилат, пропилен, винилацетат, этилен, винилхлорид, винилденхлорид,.
1.1 Классификация полимеров
По составу все полимерные материалы делятся на неорганические, органические и элементоорганические. Такие как керамика, асбест, слюда, силикатное стекло атомарный углерод в себе не содержат. Их основой являются оксиды алюминия, магния, кремния и т. д. Наиболее обширный класс составляют полимеры органические. В себе они содержат атомы кислорода, галогена, серы, азота, водорода и углерода. Элементоорганические полимерные материалы – это соединения, которые в составе основных цепей имеют, кроме перечисленных, и атомы кремния, алюминия, титана и других элементов, способных сочетаться с органическими радикалами. Данные комбинации не возникают в природе. Это только полимеры синтетические. Характерными представителями этой группы являются соединения на кремнийорганической основе, главная цепь которых строится из атомов кислорода и кремния. Для получения полимеров с необходимыми свойствами в технике зачастую используют не «чистые» вещества, а их сочетания с органическими или неорганическими компонентами. Такие полимерные материалы, как полимербетоны, стеклопластики, пластмассы, металлопласты служат отличным примером.

1.2 Структура полимерных материалов
Структура данных материалов обуславливает своеобразие их свойств. Данную структуру можно разделить на несколько видов: лестничная группа, пространственная, имеющая специфическое геометрическое строение, линейная и линейно-разветвленная. Рассмотрим вкратце каждую из них. Полимерные материалы с линейно-разветвленной структурой, кроме основной цепи молекул, имеют боковые ответвления. К данным полимерным материалам стоит отнести полиизобутилен и полипропилен. Материалы с линейной структурой имеют длинные зигзагообразные либо закрученные в спирали цепочки. Их макромолекулы прежде всего характеризуются повторениями участков в одной структурной группе звена либо химической единицы цепи. Полимеры с линейной структурой отличаются наличием весьма длинных макромолекул со значительным различием характера связей вдоль цепи и между ними. Имеются ввиду межмолекулярные и химические связи. Макромолекулы таких материалов весьма гибкиеДанное свойство является основой полимерных цепей. Это приводит к новым характеристикам, таким как отсутствие хрупкости и довольно высокой эластичности.
1.3 Физические, химические и механические свойства
В следующих указанных состояниях могут находиться полимерные материалы: стеклообразное деформационное, вязкотекучее, высокоэластическое, кристаллическое фазовое, аморфное, жидкое и твердое. Широкое применение полимерных материалов обусловлено их высокой стойкостью к различным агрессивным средам, таким как концентрированные кислоты и щелочи. Они не подвержены воздействию электрохимической коррозии. Кроме того, с увеличением их молекулярной массы происходит снижение растворимости материала в органических растворителях. Вообще не подвержены воздействию упомянутых жидкостей полимерные материалы, которые обладают пространственной структурой.
Большинство полимеров являются диэлектриками, кроме того, они относятся к немагнитным материалам. Из всех используемых конструкционных веществ только они обладают наименьшей теплопроводностью и наибольшей теплоемкостью, а также тепловой усадкой (примерно в двадцать раз больше, чем у металла). Причиной потерь герметичности различными уплотнительными узлами при условиях низкой температуры является так называемое стеклование резины, а также резкое различие между коэффициентами расширения металлов и резин в застеклованном состоянии

.
Полимерные материалы отличаются широким диапазоном механических характеристик, которые сильно зависят от их структуры. Кроме этого параметра, большое влияние на механические свойства вещества могут оказать различные внешние факторы. К ним относятся: температура, частота, длительность или скорость нагружения, вид напряженного состояния, давление, характер окружающей среды, термообработка и др. Особенностью механических свойств полимерных материалов является их относительно высокая прочность при весьма малой жесткости (по сравнению с металлами).
Полимеры принято делить на твердые и мягкие высокоэластичные вещества. Закономерности и механизм разрушения тех и других различны.
Для полимерных материалов характерны ярко выраженная анизотропия свойств, а также снижение прочности, развитие ползучести при условии длительного нагружения. Вмести с этим они обладают довольно высоким сопротивлением усталости. По сравнению с металлами, они отличаются более резкой зависимостью механических свойств от температуры. Одной из главных характеристик полимерных материалов является деформируемость (податливость). По этому параметру в широком температурном интервале принято оценивать их основные эксплуатационные и технологические свойства.
2. Износ полимерных материалов
С явлением длительной прочности связан также износ полимерных материалов, под которым понимают постепенное уменьшение размеров изделия в результате режущего воздействия твердых инородных частиц или трения. Многократная деформация на шероховатых поверхностях трущихся пар приводит к усталостному разрушению материала. Природа и характер взаимодействия материалов в результате трения определяются высокой подвижностью полимерных цепей в высокоэластичном состоянии.
Молекулярно-кинетические представления о поведении полимеров на границе подвижного контакта с твердыми телами и обширные экспериментальные исследования, выполненные И.В. Крагельским, С.Н. Журковым, М.М. Хрущовым, Г.В. Виградовым, М.А. Бабичевым, М.М. Резниковским, С.Б. Ратнером, Г.М. Бартеневым и другими советскими и зарубежными учеными, позволили создать теоретические основы и практические рекомендации по обоснованному выбору материалов для условий трения и износа. Ниже приводятся некоторые из установленных этими авторами общих положений, в основном обобщенных Г.М. Бартеневым и В.В. Лаврентьевым.1
Основное применение в качестве антифрикционных материалов находят полимеры в стеклообразном или высокоэластичном состоянии. Вязкотекучие и дисперсные полимерные материалы применяются в особых случаях.
Процесс постепенного разрушения полимерного материала в результате явления трения относится к термофлюктуационному, учитывающему разрыв межатомных связей под воздействием теплового движения. По результатам эксперементальных исследований сформирована так называемая кинетическая концепция разрушения полимеров, которая учитывает их релаксационные особенности и основывается на температурно-временной зависимости прочности.
Различными исследованиями установлено влияние на закономерности трения также других факторов: времени и площади контакта, скорости скольжения, температуры, состояния поверхности, типа трущихся пар. Влияние этих факторов для разных материалов различно, иногда даже в противоположных направлениях. Некоторые сведения по учету упомянутых факторов приведены у Г.М. Бартенева.
Оценивая природу трения, Бартенев считает, что вязкое сопротивление контакта, определяемое пластической деформацией твердых тел, связано с дислокационным процессом и не дает основания делать качественные различия между внешним и внутренним трением; для учета этого отличия в первом приближении вполне достаточно оперировать площадью фактического контакта.2
Износостойкость материалов характеризуется их способностью сопротивляться истиранию. По характеру процесса износ условно делится на усталостный и абразивный (микрорезание). К полимерным материалам применима общая теория усталостного износа, разработанная И.В. Крагельским. Высокоэластичные полимеры (резины, каучуки) изнашиваются, кроме того, наволакиванием материала в «скатку».
Исследованиями ряда авторов доказано, что износостойкость полимерных материалов зависит также от адгезионной способности к контртелу, теплопроводности, условий обработки (давления, температуры), условий эксплуатации (температуры, давления, скорости скольжения, наличия смазки). С учетом перечисленных факторов разрабатываются и модифицируются различные композиции на основе полимерных материалов: фторопласты, полиамиды, наполненные полимеры.
Из самостоятельно применяемых конструкционных материалов наиболее стабильными качествами и наименьшим коэффициентом трения обладает фторопласт-4. Исследования показали, что при трении фторопласта по фторопласту, как и по стали, коэффициент трения fт = 0,04—0,1 независимо от температуры в пределах t = 20—200° С.
Коэффициент трения полимерных материалов существенно понижается при введении наполнителей в виде графита и двуокиси молибдена