رفتار تریبولوژیکی پلاستیک های پلی آمید6 و کاربرد بالقوه شان در حوزۀ صنعت
در این مقاله به بررسی خواص تربیولوژیکی 3 نوع پلی آمید 6 ریخته گری (PA6) موجود در بازار پرداخته شده است: پلیمر PA6 طبیعی، PA6 پرشده با دی سولفید مولیبدن (MoS₂) و PA6 پرشده با روان کنندۀ جامد خاص. برای تحلیل کاربرد بالقوۀ این مواد در حوزه صنعت، به مقایسۀ نتایج تریبولوژیکی آنها با نتایج حاصل از ارزیابی آلیاژ برنز تجاری پرداختیم. تمام مواد (من جمله آلیاژ برنز) بصورت اسلاید بر روی دیسک فولادی SAE 1020 در تریبومتر قرار گرفتند. در این مطالعه از سه نوع تریبوتست مختلف استفاده شد: آزمایش سایش، آزمایش PV (سرعت فشار) و آزمایش لغزش چوب. همچنین از میکروسکوپ نوری نیز برای شناسایی مکانیسم های سایش مواد انتخاب شده در اینجا استفاده شد. PA6 پر شده با روان کننده جامد خاص درصورتی بیانگر خواص تریبولوژیکی برتر در بین پلاستیک ها است که پایین ترین ضریب اصطکاک (COF)، بالاترین مقاومت در برابر سایش و حدPV را به همراه داشته باشد. علاوه براین، نوسانات اندکی از لغزش چوب نسبت به PA6 پرشده با MoS₂ را نیز نشان می دهد. تحلیل میکروگراف سایش را بعنوان مهمترین مکانیسم سایش در PA6 پرشده با روان کننده جامد خاص مطرح کرد. از سوی دیگر، آسیب جدی در سطح PA6 طبیعی و PA6 پرشده با MoS₂ در آزمایشات سایش مشاهده شد. آلیاژ برنز بالاترین میزان سایش در بین مواد مورد مطالعه در اینجا را داشت. در این فلز، مکانیسم چسبندگی فعال تر بود.
کاربرد پلیمرها و کامپوزیت های پلیمری در مهر و موم، بلبرینگ و سایر برنامه های صنعتی که در آنها خواص تریبولوژیکی از اهمیت بالایی برخوردار است به سرعت در حال رشد است. مواد پلاستیکی و کامپوزیتی به دلیل خواص مکانیکی و تریبولوژیکی خوب و همچنین وزن سبک معمولآ در برنامه های صنعتی بعنوان جایگزین مواد فلزی سنتی کاربرد دارند. یکی از پلاستیک های مهندسی که اغلب مورد استفاده قرار می گیرد، پلی آمید 6 (PA6) است چرا که دارای خواص مکانیکی (مقاومت، سختی، چقرمگی، میرایی) و تریبولوژیکی (اسلایدینگ و مقاومت سایشی) خوب است. برهمین اساس از آن بعنوان بوته های بلبرینگ، تراش سایش، قرقره، چرخ دنده و غیره استفاده می شود. برای چنین کاربردهایی نیز از ترکیبات و افزودنی های تقویت شده به منظور افزایش عملکرد مواد پلیمری کمک گرفته می شود. این مواد افزودنی را میتوان براساس عملکردشان به آنتی استاتیک، فیلرها، روان کننده ها، ضد اشتعال و آنتی اکسیداسیون دسته بندی کرد. پلی تترا اورواتیلن (PTFE)، سیالات سیلیکونی، الیاف کربن، گرافیت، دی سولفید مولیبدن و پودرهای متالیک را میتوان بعنوان برخی نمونه ها از این افزودنی های روان کننده نام برد. اطلاعات مربوط به رفتار تریبولوژیکی افزودنی های پلیمری در مقالات علمی بسیار محدود است. همچنین تولیدکنندگان پلاستیک و کامپوزیت دادۀ کاملی از سایش و اصطکاک مواد تولیدی خود ارائه نمی دهند. در مواردی که تولیدکنندۀ پلیمر بتواند برخی از داده های تریبولوژیکی مواد را ارائه دهد، آنها را میتوان حاصل از آزمایشاتی دانست که ممکن است کاربرد واقعی را نشان ندهند. همانطور که سیلوا در سال 2010 گزارش داد، اصطکاک و سایش خواص بسیار منحصر به فردی در ارزیابی تریبوسیستم هستند. به همین دلیل، بررسی دقیق پارامترهایی همچون توپوگرافی و هندسۀ مواد هماهنگ، نوع حرکت (نورد، اسلایدی و یا حرکت جایگزین)، شرایط عملکرد (دما، فشار، سرعت و غیره) برای ارائۀ نتایج تریبولوژیکی بهتر ضروری است.
به گفته برخی نویسندگان، برای دستیابی به این نتایج بایستی عملکرد اصطکاک و سایش مواد تحت شرایط عملی مشابه و در کاربرد واقعی ارزیابی شود. طبق گزارشات ارائه شده در صورت استفاده از یاتاقان مناسب، بایستی لغزش چوب را حذف شده و در شرایط توقف- ری استارت بخوبی رفتار کند. علاوه براین، اسلایدینگ PA6 بر روی فولاد به حرکت لغزشی چوب حساس است که موقعیت دقیق را پیچیده می کند. هدف از این مطالعه بررسی خواص تریبولوژیکی 3 نوع پلی آمید 6 موجود در بازار است. اصطکاک و عملکرد سایش در آزمایشات سایش اندازه گیری شد که براساس شرایط عملکردی در برنامه مهندسی واقعی، یعنی سیستم بلبرینگ شفت طراحی شده بود. همچنین کارهای تجربی انجام شده در اینجا شامل تعیین حد PVو اندازه گیری میزان لغزش چوب ناشی از آزمایشات انجام شده با استفاده از افزودنی های پلیمری هستند. عملکرد سایش و اصطکاک حاصل از آزمایشات سایش با موارد بدست آمده برای آلیاژ برنز که یک فلز سنتی برای بعنوان بوته بلبرینگ است، مقایسه شد.
نتیجۀ آزمایش حد PV
در جدول زیر داده های حاصل از آزمایش حد PV ارائه شده است.
جدول 1:داده های حاصل از آزمایش حد PV برای PA6 سیاه و سبز
باتوجه به اینکه حد PV جزء خواص ثابت است، میانگین و انحراف استاندارد بدست آمده در آزمایشات نیز در این جدول ارائه شده است. همچنین واضح است که PA6 سبز بطور قابل توجهی دارای حد PV بالاتری است. به این معنی که مواد PA6 سبز هنگام اسلایدینگ در برابر فولاد از مقاومت بالاتری در برابر سایش برخوردار هستند؛ یعنی رسیدن به سایش شدید بیشتر طول می کشد. برای مشاهدۀ اینکه چگونه سرعت و فشار تماس خواص PV را تحت تأثیر قرار می دهند، منحنی فشار تماس در مقابل سرعت اسلایدی برای پلاستیک های تحت آزمایش حد PV ترسیم می شود. نتایج حاصل از حد PV به بیان اینکه که چرا PA6 سبز عملکرد بهتری از سایر پلاستیک ها در آزمایش سایش دارد کمک می کند. PA6 سیاه و سبز دارای حد PV کاملا متفاوتی هستند؛ به ترتیب میانگین 0.863 و 2.721 مگاپاسکال است. آزمایش سایش نیز با سرعت لغزش 1.4 متر بر ثانیه و فشار تماس 1.18 مگاپاسکال انجام شد. با این حال، دارای شرایط PV 1.65 مگاپاسکال بر ثانیه است که از حد PV برای مادۀ سیاه فراتر می رود. بنابراین، از مقدار بحرانی PA6 تجاوز نمی کند و حتی ممکن است تفسیر کند که چرا سطح مادۀ سیاه پس از آزمایش سایش دچار آسیب شدید شده است؛ در حالی که رنگ سبز بخوبی عمل کرده و تغییرشکل پلاستیکی قابل توجهی را نشان نمی دهد یا در کل، به سطح آسیب می رساند. اگرچه اطلاعاتی دقیقی از حد PV در مواد سفید رنگ موجود نیست، اما به احتمال زیاد با مقادیر یافت شده در رنگ سیاه مشابه باشند. در نتیجه میتوان گفت که آسیب های شدید مشاهده شده بر روی سطح این ماده ممکن است در اثر عبور از حد PV ایجاد شده باشد.
نتیجه آزمایش لغزش چوب
قبل از پردازش داده ارائه شده در بالا، برخی از منحنی های اصطکاک به منظور دسته بندی اسلایدی ترسیم شده اند و بنابراین میتوان اطمینان حاصل کرد که حرکت لغزش چوب در واقع در حال انجام است. طبق گزارشات گائو و همکارانش، پنج حالت مختلف برای لغزش وجود دارد: لغزش صاف، لغزش چوب، لغزش هارمونیک نزدیک، لغزش چوب منفی و لغزش چوب نامنظم. رفتار کلاسیک لغزش چوب (الگوی دندان اره ای) را میتوان برای PA6 سیاه و سبز مشاهده کرد. در جدول زیر داده بدست آمده از آزمایش لغزش چوب در این مقاله ارائه شده است.
جدول 2: داده حاصل از آزمایش لغزش چوب
با توجه به این جدول میتوان مشاهده کرد که PA6 سیاه نوسانات لغزش را در تمامی شرایط آزمایش شده نشان می دهد. درمورد پلاستیک سبز، حرکت لغزش چوب در فشارهای تماس کمتر از 1.181 مگاپاسکال متوقف شد. علاوه براین، هر دو ماده با کاهش فشار تماس توانسته اند کاهش چشمگیری در تعداد حرکت ها و زمان لغزش را نشان دهند. همچنین با کاهش فشار تماس، روند کاهش لغزش چوب با تفاوت بالایی بین ضریب اصطکاک استاتیک و جنبشی افزایش می یابد. این پارامتر بیشتر برای تفسیر دامنه ارتعاش و مواد اصطکاک ترمز کاربرد دارد. باتوجه به محدودۀ نیروی نرمال که در آن هر دو پلاستیک حرکت لغزش چوب را نشان دادند، میانگین 0.03 و 0.05 به ترتیب برای پلاستیک های سبز و سیاه تعیین شد. در نتیجه میتوان استنباط کرد که شدت نوسان لغزش چوب برای PA6 سبز کمتر از PA6 سیاه است.
نتیجه گیری
آزمایشات و تحلیل های انجام شده در این مطالعه به بررسی و مقایسۀ رفتار اصطکاک و سایش آلیاژ برنز و سه نوع PA6 دیگر می پردازد. با کمک تحلیل میکروسکوپ نوری، مهمترین مکانیسم سایش انتخاب شده در این مطالعه با موفقیت شرح داده شد. تحلیل سایش را میتوان بعنوان مهمترین مکانیسم سایش PA6 با روان کنندۀ جامد خاص بیان کرد. ازطرفی، آسیب جدی به سطح PA6 طبیعی و PA6پرشده با MoS₂ در آزمایش سایش مشاهده شد. آلیاژ برنر که نشان دهندۀ بالاترین میزان سایش در بین مواد مورد مطالعه در اینجا است، چسبندگی را بعنوان مکانیسم سایش غالب نشان داد. در اینجا از میان پلاستیک های انتخاب شده، PA6 پرشده با روان کننده جامد خاص دارای بالاتری خواص تریبولوژیکی است؛ از آنجا که ضریب اصطکاک نسبتآ کم و پایدار و همچنین بیشترین مقاومت در برابر سایش و حد PV را نشان می دهد. نوسانات اصطکاک (لغزش چوب) ناشی از آزمایش سرعت کم همچنین در اینجا ارزیابی شدند. داده ها نیز ازلحاظ پارامترهایی همچون تعداد لغزش چوب، تفاوت بین ضریب اصطکاک استاتیک و جنبشی، میانگین تفاوت بین گشتاور اندازه گیری شده در چوب و فازهای لغزش، قدرت لغزش و جمع بندی قدرت لغزش ارائه شدند. درنهایت، میتوان گفت که PA6 پرشده با روان کنندۀ خاص (پلاستیک سبز) در حین آزمایشات خواص تریبولوژیکی برتری را از خود نشان داده است و باتوجه به اینکه آزمایش سایش براساس شرایط عملکرد سیستم بلبرینگ- شفت چرحشی است، میتوان نتیجه گرفت که این پلاستیک می تواند بعنوان یک بوته بلبرینگ در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار گیرد.
