Come si può migliorare la resistenza all'usura del PA66/GF, con PTFE, UHMWPE o bisolfuro di molibdeno?
L'attrito e l'usura sono fenomeni fisici fondamentali che i materiali incontrano durante il servizio, influenzando in modo significativo l'affidabilità, la durata e l'efficienza energetica dei sistemi meccanici. Grazie alla loro bassa densità, al costo moderato, alla buona lavorabilità e all’elevata flessibilità di progettazione, i compositi a matrice polimerica offrono eccellenti proprietà tribologiche consentendo al tempo stesso di alleggerire le apparecchiature, rendendoli una soluzione efficace ai problemi di attrito industriale e usura.
Come fase di rinforzo, la fibra di vetro (GF) aiuta a distribuire i carichi durante l'attrito, impedisce il trasferimento dell'adesivo dalla matrice e migliora la conduttività termica del composito e la temperatura di deflessione del calore. Sebbene i compositi PA rinforzati con fibra di vetro abbiano dimostrato numerosi vantaggi nelle applicazioni pratiche di ingegneria, c’è ancora spazio per migliorare la loro resistenza all’usura in condizioni operative severe.
Per migliorare la resistenza all’usura dei compositi a matrice polimerica, vengono spesso introdotti lubrificanti solidi per modificare l’interfaccia di attrito, riducendo così il coefficiente di attrito e il tasso di usura. I lubrificanti solidi tipici includono disolfuro di molibdeno (MoS₂), politetrafluoroetilene (PTFE) e polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE).
Il PTFE ha solo deboli forze di van der Waals tra le sue catene molecolari. La sua struttura ben ordinata gli consente di formare cristalli stratificati che scivolano facilmente alle interfacce, conferendo eccellenti proprietà autolubrificanti. È uno dei lubrificanti solidi più utilizzati.
L'UHMWPE, d'altro canto, offre un'eccellente resistenza agli urti e prestazioni alle basse temperature, oltre a buone proprietà autolubrificanti e un coefficiente di attrito vicino a 0,1, che lo rendono un eccezionale lubrificante solido polimerico.
Il MoS₂ è un composto inorganico con una caratteristica struttura stratificata. La sua struttura molecolare è costituita da legami —S—Mo—S—, con due atomi di S adiacenti posizionati sopra e sotto un atomo di Mo, formando un piano atomico a tre strati di S—Mo—S. Il legame tra gli strati è debole, consentendo un facile scivolamento degli strati intermedi e la formazione di una pellicola di trasferimento durante l'attrito. Rispetto ai lubrificanti solidi polimerici come PTFE e UHMWPE, il MoS₂ viene generalmente utilizzato in quantità minori.
Questo studio ha selezionato tre tipici lubrificanti solidi – MoS₂, PTFE e UHMWPE – e ha studiato sistematicamente i loro effetti sulle proprietà meccaniche, sul coefficiente di attrito e sui tassi di usura dei compositi PA66 rinforzati con fibra di vetro.
1. L'effetto di diversi lubrificanti solidi sulle proprietà meccaniche di PA66-GF30
Poiché il contenuto di UHMWPE è aumentato dal 3% al 10%, la densità del materiale ha mostrato una tendenza decrescente (da 1,36 g/cm³ a 1,33 g/cm³), attribuita alla minore densità di UHMWPE. Sia la resistenza alla trazione che la resistenza alla flessione hanno mostrato un trend decrescente, con la resistenza alla trazione che è scesa da 185 MPa a 164 MPa e la resistenza alla flessione che è diminuita da 275 MPa a 237 MPa. Anche il modulo di flessione è diminuito di conseguenza, principalmente a causa della minore resistenza dell’UHMWPE stesso. Tuttavia, la resistenza all'impatto con intaglio del materiale in una trave semplicemente supportata è aumentata da 10,4 kJ/m² a 13,4 kJ/m², indicando che l'aggiunta di UHMWPE ha effettivamente migliorato la tenacità del materiale. L’MFR è diminuito significativamente all’aumentare del contenuto di UHMWPE (da 7,9 g/10 min a 2,7 g/10 min), che è correlato all’elevato peso molecolare dell’UHMWPE.
Rispetto al sistema UHMWPE, l'introduzione del PTFE ha un effetto relativamente minore sulle proprietà meccaniche. Dopo aver aggiunto il 10% e il 15% di PTFE, la resistenza alla trazione è rimasta sostanzialmente stabile a 175–178 MPa, e anche le proprietà di flessione sono rimaste relativamente stabili. All'aumentare del contenuto di PTFE, la densità del materiale è aumentata da 1,43 g/cm³ a 1,47 g/cm³, il che è attribuito alla maggiore densità del PTFE. Inoltre, l'MFR del materiale è rimasto a un livello relativamente elevato, indicando che il PTFE ha scarsi effetti sulla scorrevolezza del materiale.
Dopo l'aggiunta del 2,5% di MoS₂, le proprietà meccaniche del materiale sono rimaste sostanzialmente invariate, con una resistenza alla trazione di 184 MPa e un leggero aumento del modulo di flessione a 8.915 MPa. La densità è aumentata moderatamente fino a 1,39 g/cm³. In particolare, l'MFR del materiale è aumentato a 11,0 g/10 min, indicando che l'introduzione di MoS₂ ha effettivamente migliorato il flusso del materiale fuso, con implicazioni positive per la lavorazione e lo stampaggio.
2. Effetto di diversi lubrificanti solidi sul coefficiente di attrito di PA66-GF30
In questo studio sono stati utilizzati test di usura anello su anello per valutare le proprietà di attrito dei compositi PA66-GF30 modificati con diversi lubrificanti solidi. Sono state stabilite due condizioni di prova: condizioni di bassa velocità (carico di 30 kg, velocità di scorrimento di 0,1 m/s) e condizioni di alta velocità (carico di 30 kg, velocità di scorrimento di 0,5 m/s).
In condizioni di bassa velocità, il coefficiente di attrito per la formulazione base PA66/GF30 era 0,45. Poiché il contenuto di UHMWPE è aumentato dal 3% al 10%, il coefficiente di attrito ha mostrato una tendenza decrescente, con valori rispettivamente di 0,43, 0,41 e 0,38. Il meccanismo di lubrificazione dell'UHMWPE si basa principalmente sul suo rammollimento e migrazione sotto l'influenza del calore da attrito. Poiché l'UHMWPE è meno polare del PA66, migra preferenzialmente verso la superficie di accoppiamento durante l'attrito, formando uno strato interfacciale con bassa resistenza al taglio che agisce come lubrificante. Tuttavia, a un basso contenuto di UHMWPE (3%), l'UHMWPE fatica a formare uno strato lubrificante continuo ed efficace sull'interfaccia di attrito, determinando una riduzione relativamente limitata del coefficiente di attrito.
Rispetto all'UHMWPE, il PTFE mostra un effetto lubrificante più significativo; quando aggiunto al 10% e al 15%, il coefficiente di attrito è diminuito rispettivamente a 0,37 e 0,32. Il PTFE ha un'energia superficiale estremamente bassa e, durante l'attrito, migra preferenzialmente verso la superficie di accoppiamento, formando una pellicola di trasferimento continua e densa. All'aumentare del contenuto di PTFE, l'uniformità, la continuità e l'integrità della pellicola di trasferimento vengono ulteriormente migliorate, determinando un contatto interfacciale più fluido e una continua diminuzione del coefficiente di attrito.
Dopo l'aggiunta del 2,5% di MoS₂, il coefficiente di attrito del materiale è sceso a 0,38, un risultato paragonabile a quello ottenuto aggiungendo il 10% di UHMWPE. Il meccanismo lubrificante del MoS₂ si basa sulla sua struttura stratificata unica: la forza di legame tra gli strati del MoS₂ è relativamente debole, rendendolo incline allo scivolamento tra gli strati sotto stress di taglio, che forma un efficace film di trasferimento sulla superficie di attrito, riducendo così la resistenza all'attrito.
Rispetto alle condizioni di bassa velocità, il coefficiente di attrito per tutti i materiali è diminuito significativamente in condizioni di attrito ad alta velocità, con valori concentrati nell’intervallo compreso tra 0,23 e 0,28. La ricerca indica che il meccanismo attraverso il quale la velocità di scorrimento influenza le proprietà di attrito dei materiali polimerici è complesso e coinvolge principalmente fattori come la generazione e il trasferimento del calore di attrito, nonché i cambiamenti nella temperatura interfacciale.
All'interno degli intervalli di carico e velocità di questo studio, il sistema PA66/GF30 ha mostrato una diminuzione del coefficiente di attrito all'aumentare della velocità di scorrimento. Ciò potrebbe essere correlato all'aumento della temperatura dell'interfaccia di attrito, al rammollimento del materiale e alla formazione più completa del film lubrificante in condizioni di alta velocità.
In sintesi, in condizioni di bassa velocità, le prestazioni di lubrificazione dei diversi lubrificanti solidi variano, con il PTFE che offre le migliori prestazioni e il MoS₂ che raggiunge prestazioni di lubrificazione paragonabili a quelle del 10% UHMWPE a un livello di aggiunta inferiore. In condizioni di alta velocità, tuttavia, le prestazioni di vari lubrificanti tendono a convergere, indicando che i miglioramenti nello stato di lubrificazione all’interfaccia in condizioni di attrito ad alta velocità sono principalmente guidati dal calore da attrito e dalla temperatura dell’interfaccia.
3. Effetto di diversi lubrificanti solidi sul tasso di usura di PA66-GF30
In condizioni di bassa velocità, il tasso di usura della formulazione base di PA66-GF30 era di 6 mg. Dopo l'aggiunta di UHMWPE e PTFE, il tasso di usura del materiale è sceso significativamente a 0,1–0,5 mg, con una riduzione dell'usura di oltre il 90%, indicando che i lubrificanti solidi polimerici presentano eccellenti prestazioni di riduzione dell'usura in condizioni di bassa velocità.
Al contrario, il tasso di usura dopo l'aggiunta del 2,5% di MoS₂ era di 3,4 mg. Nonostante ciò rappresentasse un miglioramento rispetto alla formulazione base, la riduzione dell'usura è stata solo del 43% e l'effetto è stato molto meno significativo rispetto a quello dei lubrificanti polimerici.
In condizioni di alta velocità, i tassi di usura sono aumentati in modo significativo per tutti i materiali, ma le differenze di prestazione tra i vari lubrificanti sono diventate ancora più pronunciate. Il tasso di usura della formulazione base è salito a 70 mg; all'aumentare del contenuto di UHMWPE dal 3% al 10%, il tasso di usura ha mostrato un trend decrescente, registrando valori rispettivamente di 36, 30 e 23 mg, con un tasso massimo di riduzione dell'usura del 67%. Quando è stato aggiunto il 10% di PTFE, l'usura è stata di 42 mg; quando il contenuto di PTFE è stato aumentato al 15%, è sceso ulteriormente a 16 mg, con un tasso di riduzione dell'usura pari al 77%, dimostrando la migliore resistenza all'usura ad alta velocità. Al contrario, l'usura del materiale composito contenente il 2,5% di MoS₂ è rimasta fino a 55 mg, con un tasso di riduzione dell'usura solo del 21%, indicando un'efficacia limitata.
Il comportamento all'usura dei compositi rinforzati con fibra di vetro implica l'interazione sinergica tra l'usura della matrice polimerica e l'usura delle fibre, in cui la qualità della formazione del film di trasferimento e l'usura abrasiva delle fibre determinano congiuntamente le proprietà di attrito del materiale. I lubrificanti solidi polimerici (UHMWPE e PTFE) possiedono eccellenti proprietà filmogene e compatibilità interfacciale, che consentono loro di formare rapidamente film di trasferimento continui e stabili sulle superfici accoppiate. Queste pellicole di trasferimento non solo isolano efficacemente il contatto diretto sull'interfaccia di attrito, ma prevengono anche l'allentamento e il distacco delle fibre di vetro, riducendo significativamente i casi di fibre che vengono estratte o spezzate all'interno della matrice, riducendo così sostanzialmente l'usura complessiva del materiale composito.
Il meccanismo di usura del MoS₂ è ancora più complesso. Sebbene la sua struttura a strati faciliti la formazione di una pellicola di trasferimento, le particelle abrasive dure vengono facilmente generate durante l'attrito e tendono a rimanere intrappolate nell'interfaccia di attrito. Queste particelle innescano l'usura abrasiva a tre corpi, provocando effetti di microtaglio e incorporamento, che creano punti di concentrazione dello stress sulla superficie di attrito e inducono l'inizio e la propagazione di microfessure. Sotto carico ciclico, le crepe continuano a propagarsi e alla fine portano alla scheggiatura del materiale, con conseguente aumento dell'usura.
Inoltre, un altro fattore importante che contribuisce al significativo aumento dell’usura in condizioni di alta velocità è l’effetto dell’aumento della temperatura indotto dall’attrito. Come mostrato in Figura 4, quando la velocità di scorrimento aumenta da 0,1 m/s a 0,5 m/s, la temperatura della superficie di attrito aumenta significativamente, quasi raddoppiando. Il rapido accumulo di calore da attrito aumenta l'influenza delle proprietà viscoelastiche del materiale sulle prestazioni tribologiche.
Secondo la teoria del trasferimento per attrito, all’aumentare della temperatura interfacciale, aumenta la tendenza al trasferimento di adesione nei materiali polimerici, facendo sì che più materiale della matrice subisca cicli di adesione- distacco durante il processo di attrito, il che porta ad un aumento significativo dell’usura. Vale la pena notare che, sebbene tutti e tre i lubrificanti possano ridurre efficacemente la temperatura interfacciale dell’attrito in condizioni di bassa velocità, in condizioni di alta velocità e alta temperatura, le differenze nei loro effetti di raffreddamento influiscono direttamente sulle prestazioni finali di resistenza all’usura.
In sintesi, i lubrificanti solidi polimerici dimostrano buoni effetti di riduzione dell’attrito in varie condizioni operative. Tra questi, il PTFE mostra la resistenza all'usura più eccezionale in condizioni di alta velocità, mentre il MoS₂ ha effetti di riduzione dell'attrito relativamente limitati in condizioni di carico elevato e alta velocità a causa della presenza di un meccanismo di usura abrasivo.
(1) Nei sistemi PA66 rinforzati con fibra di vetro, diversi lubrificanti solidi hanno effetti diversi sulle proprietà meccaniche del materiale. Tra questi, UHMWPE e PTFE hanno un impatto significativo sulle proprietà meccaniche, mentre il MoS₂ ha un effetto relativamente minore.
(2) UHMWPE, PTFE e MoS₂ possono tutti ridurre il coefficiente di attrito del materiale; l'effetto è significativo alle basse velocità, ma tende a diventare consistente e meno pronunciato alle alte velocità.
(3) UHMWPE e PTFE mostrano eccellenti effetti di riduzione dell'attrito, mentre il MoS₂ ha un effetto di riduzione dell'attrito limitato. Un aumento della velocità di attrito porta ad un aumento più pronunciato della temperatura e ad un aumento significativo dell'usura.