ความต้านทานการสึกหรอของ PA66/GF จะดีขึ้นได้อย่างไรด้วย PTFE, UHMWPE หรือโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์
การเสียดสีและการสึกหรอเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพขั้นพื้นฐานที่วัสดุเผชิญระหว่างการบริการ ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อความน่าเชื่อถือ อายุการใช้งาน และประสิทธิภาพการใช้พลังงานของระบบกลไก เนื่องจากความหนาแน่นต่ำ ต้นทุนปานกลาง ความสามารถในการขึ้นรูปที่ดี และความยืดหยุ่นในการออกแบบสูง คอมโพสิตโพลีเมอร์เมทริกซ์จึงมีคุณสมบัติไตรโบโลยีที่ดีเยี่ยม ในขณะเดียวกันก็ทำให้อุปกรณ์มีน้ำหนักเบาขึ้น ทำให้เป็นวิธีการแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพในการเสียดสีทางอุตสาหกรรมและปัญหาการสึกหรอ
ในขั้นตอนการเสริมแรง ใยแก้ว (GF) จะช่วยกระจายโหลดระหว่างการเสียดสี ป้องกันการถ่ายโอนกาวจากเมทริกซ์ และปรับปรุงการนำความร้อนและอุณหภูมิการโก่งตัวของความร้อนของคอมโพสิต แม้ว่าคอมโพสิต PA ที่เสริมด้วยใยแก้วได้แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบมากมายในการใช้งานทางวิศวกรรมภาคปฏิบัติ แต่ก็ยังมีพื้นที่สำหรับการปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอภายใต้สภาวะการทำงานที่รุนแรง
เพื่อปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอของคอมโพสิตโพลีเมอร์เมทริกซ์ มักใช้สารหล่อลื่นที่เป็นของแข็งเพื่อปรับเปลี่ยนส่วนต่อประสานการเสียดสี ซึ่งจะช่วยลดค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานและอัตราการสึกหรอ สารหล่อลื่นที่เป็นของแข็งโดยทั่วไป ได้แก่ โมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ (MoS₂), โพลีเตตราฟลูออโรเอทิลีน (PTFE) และโพลีเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงพิเศษ (UHMWPE)
PTFE มีแรง van der Waals ที่อ่อนแอเท่านั้นระหว่างสายโซ่โมเลกุล โครงสร้างที่ได้รับการจัดเป็นอย่างดีช่วยให้สร้างผลึกเป็นชั้นๆ ที่เลื่อนได้ง่ายที่ส่วนต่อประสาน ส่งผลให้มีคุณสมบัติในการหล่อลื่นในตัวเองได้ดีเยี่ยม เป็นหนึ่งในสารหล่อลื่นแข็งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด
ในทางกลับกัน UHMWPE ให้ความต้านทานแรงกระแทกที่ดีเยี่ยมและประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำ เช่นเดียวกับคุณสมบัติการหล่อลื่นในตัวเองที่ดีและค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานใกล้กับ 0.1 ทำให้เป็นสารหล่อลื่นของแข็งโพลีเมอร์ที่โดดเด่น
MoS₂ เป็นสารประกอบอนินทรีย์ที่มีโครงสร้างเป็นชั้นที่มีลักษณะเฉพาะ โครงสร้างโมเลกุลประกอบด้วยพันธะ —S—Mo—S— โดยมีอะตอม S สองอะตอมที่อยู่ติดกันซึ่งอยู่เหนือและใต้อะตอม Mo ทำให้เกิดระนาบอะตอมสามชั้นของ S—Mo—S การยึดติดระหว่างชั้นจะอ่อนแอ ทำให้เกิดการเลื่อนหลุดของชั้นระหว่างชั้นได้ง่ายและเกิดฟิล์มถ่ายโอนระหว่างการเสียดสี เมื่อเปรียบเทียบกับสารหล่อลื่นแข็งโพลีเมอร์ เช่น PTFE และ UHMWPE โดยทั่วไปแล้ว MoS₂ จะใช้ในปริมาณที่น้อยกว่า
การศึกษานี้เลือกสารหล่อลื่นแข็งทั่วไปสามชนิดได้แก่ MoS₂, PTFE และ UHMWPE—และตรวจสอบผลกระทบของสารเหล่านี้ต่อคุณสมบัติทางกล ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน และอัตราการสึกหรอของคอมโพสิต PA66 ที่เสริมใยแก้วอย่างเป็นระบบ
1. ผลกระทบของน้ำมันหล่อลื่นแข็งชนิดต่างๆ ต่อคุณสมบัติทางกลของ PA66-GF30
เนื่องจากปริมาณ UHMWPE เพิ่มขึ้นจาก 3% เป็น 10% ความหนาแน่นของวัสดุจึงมีแนวโน้มลดลง (จาก 1.36 g/cm³ เป็น 1.33 g/cm³) ซึ่งมีสาเหตุมาจากความหนาแน่นที่ต่ำกว่าของ UHMWPE ทั้งความต้านทานแรงดึงและความต้านทานแรงดัดงอมีแนวโน้มลดลง โดยความต้านทานแรงดึงลดลงจาก 185 MPa เป็น 164 MPa และความต้านทานแรงดัดงอลดลงจาก 275 MPa เป็น 237 MPa โมดูลัสแรงดัดงอก็ลดลงตามไปด้วย โดยมีสาเหตุหลักมาจากความแข็งแกร่งที่ลดลงของตัว UHMWPE เอง อย่างไรก็ตาม ความต้านทานแรงกระแทกแบบมีรอยบากของวัสดุในลำแสงที่รองรับเพียงอย่างเดียวเพิ่มขึ้นจาก 10.4 kJ/m² เป็น 13.4 kJ/m² ซึ่งบ่งชี้ว่าการเพิ่ม UHMWPE ช่วยเพิ่มความทนทานของวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพ MFR ลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อปริมาณ UHMWPE เพิ่มขึ้น (จาก 7.9 กรัม/10 นาที เป็น 2.7 กรัม/10 นาที) ซึ่งสัมพันธ์กับน้ำหนักโมเลกุลสูงของ UHMWPE
เมื่อเปรียบเทียบกับระบบ UHMWPE การใช้ PTFE มีผลกระทบค่อนข้างน้อยต่อคุณสมบัติทางกล หลังจากเติม PTFE 10% และ 15% ความต้านทานแรงดึงยังคงมีเสถียรภาพส่วนใหญ่ที่ 175–178 MPa และคุณสมบัติการดัดงอยังคงค่อนข้างคงที่ เมื่อปริมาณ PTFE เพิ่มขึ้น ความหนาแน่นของวัสดุก็เพิ่มขึ้นจาก 1.43 g/cm³ เป็น 1.47 g/cm³ ซึ่งเป็นผลมาจากความหนาแน่นของ PTFE ที่สูงขึ้น นอกจากนี้ MFR ของวัสดุยังคงอยู่ในระดับที่ค่อนข้างสูง ซึ่งบ่งชี้ว่า PTFE มีผลกระทบเพียงเล็กน้อยต่อความสามารถในการไหลของวัสดุ
หลังจากเติม MoS₂ 2.5% แล้ว คุณสมบัติทางกลของวัสดุยังคงไม่เปลี่ยนแปลง โดยพื้นฐานแล้วมีความต้านทานแรงดึง 184 MPa และโมดูลัสแรงดัดงอเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเป็น 8,915 MPa ความหนาแน่นเพิ่มขึ้นปานกลางเป็น 1.39 ก./ซม.ลูกบาศก์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง MFR ของวัสดุเพิ่มขึ้นเป็น 11.0 กรัม/10 นาที ซึ่งบ่งชี้ว่าการใช้ MoS₂ ช่วยปรับปรุงการไหลของของเหลวอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งมีผลกระทบเชิงบวกต่อการแปรรูปและการขึ้นรูป
2. ผลกระทบของน้ำมันหล่อลื่นแข็งชนิดต่างๆ ต่อค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของ PA66-GF30
ในการศึกษานี้ การทดสอบการสึกหรอแบบวงแหวนต่อวงแหวนถูกนำมาใช้เพื่อประเมินคุณสมบัติการเสียดสีของคอมโพสิต PA66-GF30 ที่ดัดแปลงด้วยสารหล่อลื่นที่เป็นของแข็งชนิดต่างๆ มีการสร้างเงื่อนไขการทดสอบสองแบบ: สภาวะความเร็วต่ำ (น้ำหนัก 30 กก. ความเร็วในการเลื่อน 0.1 ม./วินาที) และสภาวะความเร็วสูง (น้ำหนัก 30 กก. ความเร็วในการเลื่อน 0.5 ม./วินาที)
ภายใต้สภาวะความเร็วต่ำ ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสำหรับสูตรพื้นฐาน PA66/GF30 คือ 0.45 เนื่องจากปริมาณ UHMWPE เพิ่มขึ้นจาก 3% เป็น 10% ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจึงมีแนวโน้มลดลง โดยมีค่า 0.43, 0.41 และ 0.38 ตามลำดับ กลไกการหล่อลื่นของ UHMWPE นั้นมีพื้นฐานมาจากการทำให้อ่อนลงและการเคลื่อนตัวของมันภายใต้อิทธิพลของความร้อนจากแรงเสียดทาน เนื่องจาก UHMWPE มีขั้วน้อยกว่า PA66 จึงเคลื่อนตัวไปทางพื้นผิวผสมพันธุ์ได้ดีกว่าในระหว่างการเสียดสี ทำให้เกิดชั้นผิวสัมผัสที่มีความต้านทานแรงเฉือนต่ำซึ่งทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่น อย่างไรก็ตาม ที่ปริมาณ UHMWPE ต่ำ (3%) UHMWPE จะพยายามสร้างชั้นการหล่อลื่นที่ต่อเนื่องและมีประสิทธิภาพที่ส่วนต่อประสานการเสียดสี ส่งผลให้ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานลดลงค่อนข้างจำกัด
เมื่อเปรียบเทียบกับ UHMWPE แล้ว PTFE ให้ผลการหล่อลื่นที่สำคัญกว่า เมื่อเพิ่มที่ 10% และ 15% ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานลดลงเหลือ 0.37 และ 0.32 ตามลำดับ PTFE มีพลังงานพื้นผิวต่ำมาก และในระหว่างการเสียดสี จะเคลื่อนตัวไปยังพื้นผิวการผสมพันธุ์เป็นพิเศษ ทำให้เกิดฟิล์มถ่ายโอนที่หนาแน่นอย่างต่อเนื่อง เมื่อปริมาณ PTFE เพิ่มขึ้น ความสม่ำเสมอ ความต่อเนื่อง และความสมบูรณ์ของฟิล์มถ่ายโอนจะได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติม ส่งผลให้การสัมผัสระหว่างพื้นผิวเรียบเนียนขึ้น และค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานลดลงอย่างต่อเนื่อง
หลังจากเพิ่ม MoS₂ 2.5% ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของวัสดุลดลงเหลือ 0.38 ซึ่งเทียบเคียงได้กับค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของการเพิ่ม UHMWPE 10% กลไกการหล่อลื่นของ MoS₂ ขึ้นอยู่กับโครงสร้างชั้นที่เป็นเอกลักษณ์: ความแข็งแรงพันธะระหว่างชั้นของ MoS₂ ค่อนข้างอ่อนแอ ทำให้มีแนวโน้มที่จะเกิดการลื่นไถลของชั้นในภายใต้ความเค้นเฉือน ซึ่งก่อให้เกิดฟิล์มถ่ายโอนที่มีประสิทธิภาพบนพื้นผิวเสียดสี จึงช่วยลดความต้านทานแรงเสียดทาน
เมื่อเปรียบเทียบกับสภาวะความเร็วต่ำ ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของวัสดุทั้งหมดลดลงอย่างมีนัยสำคัญภายใต้แรงเสียดทานที่ความเร็วสูง โดยค่าจะเข้มข้นในช่วง 0.23 ถึง 0.28 การวิจัยระบุว่ากลไกที่ความเร็วในการเลื่อนส่งผลต่อคุณสมบัติการเสียดสีของวัสดุโพลีเมอร์มีความซับซ้อน โดยหลักๆ แล้วเกี่ยวข้องกับปัจจัยต่างๆ เช่น การสร้างและการถ่ายเทความร้อนจากแรงเสียดทาน ตลอดจนการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่ผิวสัมผัส
ภายในช่วงโหลดและความเร็วของการศึกษานี้ ระบบ PA66/GF30 มีสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานลดลงเมื่อความเร็วในการเลื่อนเพิ่มขึ้น สิ่งนี้อาจเกี่ยวข้องกับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิส่วนต่อประสานของแรงเสียดทาน การอ่อนตัวของวัสดุ และการก่อตัวของฟิล์มสารหล่อลื่นอย่างละเอียดมากขึ้นภายใต้สภาวะความเร็วสูง
โดยสรุป ภายใต้สภาวะความเร็วต่ำ ประสิทธิภาพการหล่อลื่นของสารหล่อลื่นชนิดแข็งที่แตกต่างกันจะแตกต่างกันไป โดยที่ PTFE ทำงานได้ดีที่สุด และ MoS₂ ได้รับประสิทธิภาพการหล่อลื่นเทียบเท่ากับ UHMWPE 10% ที่ระดับการเติมที่ต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม ภายใต้สภาวะความเร็วสูง ประสิทธิภาพของสารหล่อลื่นต่างๆ มีแนวโน้มที่จะมาบรรจบกัน ซึ่งบ่งชี้ว่าการปรับปรุงสถานะการหล่อลื่นที่ส่วนต่อประสานภายใต้สภาวะการเสียดสีที่ความเร็วสูงนั้นได้รับแรงผลักดันจากความร้อนจากการเสียดสีและอุณหภูมิของส่วนต่อประสานเป็นหลัก
3. ผลกระทบของน้ำมันหล่อลื่นชนิดแข็งต่างๆ ต่ออัตราการสึกหรอของ PA66-GF30
ภายใต้สภาวะความเร็วต่ำ อัตราการสึกหรอของสูตรพื้นฐาน PA66-GF30 คือ 6 มก. หลังจากเติม UHMWPE และ PTFE อัตราการสึกหรอของวัสดุลดลงอย่างมากเป็น 0.1–0.5 มก. โดยลดการสึกหรอได้มากกว่า 90% แสดงให้เห็นว่าสารหล่อลื่นแข็งโพลีเมอร์แสดงประสิทธิภาพการลดการสึกหรอที่ดีเยี่ยมภายใต้สภาวะความเร็วต่ำ
ในทางตรงกันข้าม อัตราการสึกหรอหลังจากเติม MoS₂ 2.5% คือ 3.4 มก. แม้ว่าสิ่งนี้จะแสดงการปรับปรุงให้ดีขึ้นกว่าสูตรพื้นฐาน แต่การสึกหรอลดลงเพียง 43% และผลลัพธ์มีนัยสำคัญน้อยกว่าน้ำมันหล่อลื่นโพลีเมอร์มาก
ภายใต้สภาวะความเร็วสูง อัตราการสึกหรอเพิ่มขึ้นอย่างมากสำหรับวัสดุทุกชนิด แต่ความแตกต่างด้านประสิทธิภาพระหว่างน้ำมันหล่อลื่นชนิดต่างๆ กลับเด่นชัดยิ่งขึ้น อัตราการสึกหรอของสูตรพื้นฐานเพิ่มขึ้นเป็น 70 มก. เนื่องจากปริมาณ UHMWPE เพิ่มขึ้นจาก 3% เป็น 10% อัตราการสึกหรอจึงมีแนวโน้มลดลง โดยค่าการบันทึกอยู่ที่ 36, 30 และ 23 มก. ตามลำดับ โดยมีอัตราการลดการสึกหรอสูงสุดที่ 67% เมื่อเติม PTFE 10% การสึกหรอจะอยู่ที่ 42 มก. เมื่อปริมาณ PTFE เพิ่มขึ้นเป็น 15% ก็ลดลงอีกเป็น 16 มก. โดยมีอัตราการลดการสึกหรอสูงถึง 77% แสดงให้เห็นถึงความต้านทานการสึกหรอที่ความเร็วสูงที่ดีที่สุด ในทางตรงกันข้าม การสึกหรอของวัสดุคอมโพสิตที่มี MoS₂ 2.5% ยังคงสูงถึง 55 มก. โดยมีอัตราการลดการสึกหรอเพียง 21% ซึ่งบ่งชี้ถึงประสิทธิภาพที่จำกัด
พฤติกรรมการสึกหรอของวัสดุคอมโพสิตที่เสริมใยแก้วเกี่ยวข้องกับการทำงานร่วมกันระหว่างการสึกหรอของเมทริกซ์โพลีเมอร์และการสึกหรอของเส้นใย ซึ่งคุณภาพของการก่อตัวของฟิล์มถ่ายโอนและการสึกหรอจากการเสียดสีของเส้นใยจะร่วมกันกำหนดคุณสมบัติการเสียดสีของวัสดุ สารหล่อลื่นแข็งโพลีเมอร์ (UHMWPE และ PTFE) มีคุณสมบัติในการขึ้นรูปฟิล์มที่ดีเยี่ยมและความเข้ากันได้ของพื้นผิว ทำให้สามารถสร้างฟิล์มถ่ายโอนที่ต่อเนื่องและเสถียรได้อย่างรวดเร็วบนพื้นผิวผสมพันธุ์ ฟิล์มถ่ายโอนเหล่านี้ไม่เพียงแยกการสัมผัสโดยตรงที่ส่วนต่อประสานการเสียดสีอย่างมีประสิทธิภาพ แต่ยังป้องกันการคลายตัวและการหลุดออกของเส้นใยแก้ว ซึ่งช่วยลดโอกาสที่เส้นใยถูกดึงออกจากหรือหักภายในเมทริกซ์ได้อย่างมาก จึงช่วยลดการสึกหรอโดยรวมของวัสดุคอมโพสิตได้อย่างมาก
กลไกการสึกหรอของ MoS₂ นั้นซับซ้อนยิ่งขึ้น แม้ว่าโครงสร้างแบบชั้นจะช่วยอำนวยความสะดวกในการก่อตัวของฟิล์มถ่ายโอน แต่อนุภาคที่มีฤทธิ์กัดกร่อนแข็งจะถูกสร้างขึ้นได้ง่ายในระหว่างการเสียดสี และมีแนวโน้มที่จะติดอยู่ที่ส่วนต่อประสานการเสียดสี อนุภาคเหล่านี้ทำให้เกิดการสึกหรอจากการเสียดสีสามส่วน ทำให้เกิดการตัดขนาดเล็กและการฝัง ซึ่งสร้างจุดรวมความเครียดบนพื้นผิวเสียดสี และกระตุ้นให้เกิดการเริ่มต้นและการแพร่กระจายของรอยแตกขนาดเล็ก ภายใต้การโหลดแบบวน รอยแตกร้าวยังคงแพร่กระจายและนำไปสู่การหลุดร่อนของวัสดุในที่สุด ส่งผลให้เกิดการสึกหรอเพิ่มขึ้น
นอกจากนี้ ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งที่ส่งผลให้การสึกหรอเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญภายใต้สภาวะความเร็วสูงคือผลกระทบของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่เกิดจากแรงเสียดทาน ดังแสดงในรูปที่ 4 เมื่อความเร็วการเลื่อนเพิ่มขึ้นจาก 0.1 ม./วินาที เป็น 0.5 ม./วินาที อุณหภูมิของพื้นผิวเสียดสีจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ เกือบสองเท่า การสะสมความร้อนจากแรงเสียดทานอย่างรวดเร็วช่วยเพิ่มอิทธิพลของคุณสมบัติยืดหยุ่นหนืดของวัสดุต่อประสิทธิภาพของไทรโบโลยี
ตามทฤษฎีการถ่ายโอนแรงเสียดทาน เมื่ออุณหภูมิพื้นผิวเพิ่มขึ้น แนวโน้มในการถ่ายโอนการยึดเกาะในวัสดุโพลีเมอร์จะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้วัสดุเมทริกซ์จำนวนมากขึ้นต้องผ่านวงจรการยึดเกาะและการหลุดลอกในระหว่างกระบวนการเสียดสี ซึ่งนำไปสู่การสึกหรอเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ เป็นที่น่าสังเกตว่าแม้ว่าน้ำมันหล่อลื่นทั้งสามชนิดจะสามารถลดอุณหภูมิพื้นผิวของแรงเสียดทานได้อย่างมีประสิทธิภาพภายใต้สภาวะความเร็วต่ำ ภายใต้สภาวะความเร็วสูงและอุณหภูมิสูง แต่ความแตกต่างของผลการระบายความร้อนจะส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการต้านทานการสึกหรอขั้นสุดท้าย
โดยสรุป สารหล่อลื่นชนิดแข็งโพลีเมอร์แสดงให้เห็นถึงผลการลดแรงเสียดทานที่ดีภายใต้สภาวะการทำงานต่างๆ ในบรรดาผลิตภัณฑ์เหล่านั้น PTFE มีความต้านทานการสึกหรอที่โดดเด่นที่สุดภายใต้สภาวะความเร็วสูง ในขณะที่ MoS₂ มีผลในการลดแรงเสียดทานค่อนข้างจำกัดภายใต้สภาวะโหลดสูงและความเร็วสูง เนื่องจากมีกลไกการสึกหรอแบบเสียดสี
(1) ในระบบ PA66 ที่เสริมด้วยใยแก้ว สารหล่อลื่นชนิดแข็งที่แตกต่างกันมีผลกระทบที่แตกต่างกันต่อคุณสมบัติทางกลของวัสดุ ในบรรดาสิ่งเหล่านั้น UHMWPE และ PTFE มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อคุณสมบัติทางกล ในขณะที่ MoS₂ มีผลกระทบค่อนข้างน้อย
(2) UHMWPE, PTFE และ MoS₂ สามารถลดค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของวัสดุได้ เอฟเฟกต์จะมีนัยสำคัญที่ความเร็วต่ำ แต่มีแนวโน้มที่จะสม่ำเสมอและเด่นชัดน้อยลงที่ความเร็วสูง
(3) UHMWPE และ PTFE มีฤทธิ์ลดแรงเสียดทานที่ดีเยี่ยม ในขณะที่ MoS₂ มีฤทธิ์ลดแรงเสียดทานจำกัด ความเร็วแรงเสียดทานที่เพิ่มขึ้นส่งผลให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดและการสึกหรอเพิ่มขึ้นอย่างมาก