Tarcie elastomerów

TOM 3 marzec-kwiecień 1998 r. SCa&twt&Ufs nr 2

r

Dariusz Bieliński*, Ludomir Ślusarski*

Tarcie elastomerów

Publikacja stanowi przegląd kształtowania się wiedzy na temat tarcia i zużycia materiałów, obejmujący okres od Średniowiecza (prace Leonardo da Vinci) aż po czasy współczesne. Na tle klasycznych teorii i praw tarcia zostały przedstawione i omówione obecnie panujące poglądy na temat związku między budową chemiczną i strukturą a właściwościami, w tej mierze również frykcyjnymi, elastomerów. Szczególną uwagę zwrócono na zależność pomiędzy właściwościami elastoplastycznymi, stanem i morfologiąpowierzchni materiału a jego charakterystyką trybologiczną. Przedstawiono dowody na to, że pomimo pewnej niedoskonałości teorii, przewidywania dotyczące mechanizmów tarcia i zużycia znaj duj ąpotwierdzenie w wynikach praktycznej eksploatacji wyrobów gumowych.

Słowa kluczowe: elastomery, tarcie, zużycie

Friction of elastomers

In the paper evolution o f views on friction and wear o f materials from the Middle Ages (works Leonardo da Vinci) up to now has been presented. On the background o f classical theories and the laws o f friction, contemporary views, taking into account a correlation between chemical composition and structure on the one half and properties, among others frictional ones, on the other hand, have been presented and discussed. Special attention has been paid to the influence o f viscoelasticity and the surface character and morphology on tribological properties o f the material. It has been shown that despite some inperfections, the theories on friction and wear o f rubber materials are generally confirmed by results o f their practical exploitation.

Key words: elastomers, friction, wear

Wprowadzenie

Ostatnio wzrasta wyraźnie zastosowanie polim e­

rów jako m ateriałów konstrukcyjnych. Jest to niew ąt­

pliwie wynikiem postępu, zarówno w dziedzinie in­

żynierii materiałowej, jak i technologii przetwórstwa tych materiałów. Polimery charakteryzuje bardzo do­

bry stosunek param etrów w ytrzym ałościow ych do masy, o wiele wyższy w porównaniu np. do metali. W przypadku elastom erów podstaw ow ą w łaściw ością m ateriału w ykorzystyw aną w praktyce jest elastycz­

ność. Ma ona szczególne znaczenie w eksploatacji ta­

kich wyrobów, jak: opony, spody obuwia, uszczelnie­

nia, membrany, sprzęgła, hamulce, przekładnie, pasy transm isyjne, taśm y transporterow e itp. W każdym z wyżej wym ienionych elem entów konstrukcyjnych ogrom ną rolę odgrywają procesy tarcia i zużycia. Po­

mimo tego, że zjawisko tarcia znane jest ju ż od bar­

dzo dawna, to ostateczne wyjaśnienie rządzących nim praw jest jeszcze spraw ą przyszłości. W niniejszej publikacji przedstawiono klasyczne teorie i prawa tarcia, by w dalszej jej części, na ich tle dokładnie omówić współczesne poglądy i stan wiedzy w dzie­

dzinie trybologii elastomerów. Ze względu na jego obszem ość, w przeglądzie nie podjęliśm y tematu na- notrybologii, dyscypliny, która pomimo zaledwie kil­

kunastoletniej historii wzbudza ogromne zaintereso­

* Instytut Polimerów Politechniki Łódzkiej

S& aa& M teny nr 2 marzec - kwiecień 1999 r. TOM 3

wanie. Doceniając jej znaczenie postanowiliśm y po­

święcić tej tem atyce odrębną publikację.

Pojęcie tarcia i zużycia

Źródła encyklopedyczne [1,2] przedstawiają tar­

cie jako proces towarzyszący ruchowi względnemu ciał znajdujących się w kontakcie mechanicznym. Wiąże się on z oporami, jakie napotyka ciało ślizgające, to­

czące się lub płynące po innym ciele. W większości przypadków tarciu towarzyszy “ścieranie” materiału.

W oparciu o powyższą, bardzo ogólną definicję, tar­

cie elastomerów należy rozpatrywać jako proces nie­

odwracalny, będący efektem kilku zjawisk zachodzą­

cych rów nocześnie, a m ianow icie: adhezji, histere- zy i kohezji materiałów.

Opór tarcia określa się zwykle podając siłę tar­

cia lub współczynnik tarcia, definiowany jako stosu­

nek siły tarcia do obciążenia siłą normalną, przy usta­

lonych warunkach dotyczących prędkości względnej i temperatury otoczenia. Zatem wartości tarcia odno­

szą się do ściśle określonego układu trybologicznego, który oprócz elem entów węzła kinematycznego (ciała i przeciwciała) tworzących parę trącą, składa się rów ­ nież ze składnika występującego między nimi (ciało pośrednie lub tzw. otoczenie bliższe) i środowiska (oto­

czenie dalsze) [3]. Niektórzy autorzy [4] jako miarę tarcia podają ilość energii rozproszonej na jednostkę przebytej drogi.

Rozpatrując straty energetyczne w procesie tar­

cia, należy brać pod uwagę obszar, w którym zacho­

dzi konwersja energii. Tarcie elastomerów może mieć charakter adhezyjny (powierzchniowy) bądź histere- zyjny lub kohezyjny (procesy zachodzą głównie w masie materiału).

Straty energii związane z pokonaniem sił kohe­

zji odpow iadają ilości pracy zużytej na utworzenie nowej powierzchni w wyniku oddzielenia fragm en­

tów materiału, pozostającego w kontakcie ciernym.

M iarą podatności m ateriału na tego rodzaju zużycie, zwane ściernym lub abrazyjnym , jest zmiana jego objętości wskutek tarcia zachodzącego w ściśle okre­

ślonych warunkach (obciążenie siłą normalną, pręd­

kość względna, temperatura). Zużycie w rozumieniu trybologicznym jest terminem ogólnym, obejmującym zarówno procesy o charakterze adhezyjnym, jak i zu­

życie abrazyjne (ścierne). Te pierwsze, o podłożu zmę­

czeniowym, są w ynikiem występowania dużej adhe­

zji lokalnej pomiędzy ciałami znajdującymi się w kon­

takcie ciernym, prowadzącej do wyrywania fragm en­

tów m ateriału z ich powierzchni. Produkty zużycia m ają dużą objętość jednostkow ą, a powierzchnia nosi ślady lokalnych “odparzeń”. Zużycie abrazyjne jest wynikiem “rysow ania” powierzchni ciała o mniejszej twardości przez mikronierówności występujące na po­

wierzchni przeciw ciała o większej twardości. Obję­

tość jednostkow a produktów zużycia, dużo mniejsza niż w przypadku zużycia adhezyjnego, zależy od sta­

nu powierzchni trących się ciał oraz ich właściwości mechanicznych, głównie twardości oraz w ytrzym ało­

ści na rozdzieranie. W przypadku elastomerów naj­

częściej mamy do czynienia ze zużyciem o charakte­

rze złożonym, co oznacza, że nie jest ono w prosty sposób związane z adhezją materiału do podłoża. W konsekwencji brak jest bezpośredniego związku po­

między tarciem a zużyciem elastomerów. Param etra­

mi charakteryzującymi proces tarcia są: w spółczyn­

nik tarcia [i (wielkość bezwymiarowa) i zużycie obję­

tościowe W (% objętościowy).

Zjawisko tarcia

K lasyczne praw a tarcia

Pierwsze eksperym enty trybologiczne wykonał Leonardo Da Vinci [5] już w wiekach średnich. U sta­

lił, że tarcie pom iędzy dwoma ślizgającymi się po so­

bie ciałami nie zależy od powierzchni ich kontaktu, natom iast je st w prost proporcjonalne do zadanego obciążenia normalnego. Jego obserwacje, wkrótce za­

pomniane, zostały ’’odkryte na nowo” przez Amonto- sa [6], który jako pierwszy stwierdził, że tarcie jest cechą materiałową. Coulomb [7] potwierdził wyniki badań Amontosa, formułując dodatkowe prawo, zgod­

nie z którym siła tarcia ślizgowego nie zależy od pręd­

kości poślizgu. Termin “w spółczynnik tarcia” (m), zdefiniowany jako stosunek siły tarcia (T) do siły (ob­

ciążenia) normalnego (N), został wprowadzony przez Eulera [8, 9] w okresie późniejszym:

T = |L i • N (1)

W zór ten jest do dziś powszechnie stosowany w obliczeniach technicznych, mimo, że nie uwzględnia wielu zjawisk towarzyszących tarciu.

Klasyczne praw a tarcia, naszym zdaniem nie całkiem słusznie nazywane prawami Eulera od nazwi­

ska uczonego, który podał je w ostatecznej formie, brzm ią następująco:

• współczynnik tarcia jest cechą materiałową,

4

TOM 3 marzec - kwiecień 1998 r. S fa ćto tK & ity nr 2

• współczynnik tarcia nie zależy od nominalnej po­

wierzchni kontaktu,

• współczynnik tarcia nie zależy od obciążenia,

• współczynnik tarcia nie zależy od względnej pręd­

kości trących się ciał.

Z wyjątkiem pierwszego z praw, mającego cha­

rakter ogólny, pozostałe nie m ają zastosow ania do m ateriałów elastycznych. N ależy jednak pamiętać, że zostały one sform ułowane wiele lat temu na podsta­

wie wyników badań ograniczonej liczby sztywnych par materiałów, z użyciem prostych urządzeń zapew ­ niających możliwości wykonania pomiarów w wąskim zakresie obciążenia i prędkości.

Ogólne teorie tarcia - rys historyczny

Tarcie, szczególnie w odniesieniu do elastom e­

rów, jest zjawiskiem bardzo złożonym, na które wpływ wywiera szereg czynników. Nic więc dziwnego, że sformułowano wiele teorii i hipotez, próbując w yja­

śnić mechanizm procesu tarcia. W czesne prace eks­

perymentalne zmierzały przede wszystkim do ozna­

czenia i skatalogowania oporów tarcia wybranych par i skojarzeń ciernych. Dopiero później zainteresowa­

nie badaczy skierowało się w stronę lepszego pozna­

nia i opisania zjawiska tarcia. Intensywne prace w tym obszarze, niewątpliwie zainspirowane przez rozw ija­

jący się bardzo dynamicznie przem ysł m otoryzacyj­

ny, rozpoczęto na początku lat 30. bieżącego stulecia.

W dalszej części pracy przedstawiono w ujęciu chro­

nologicznym teorie tarcia. W czesne, ogólne hipotezy i modele omówiono bardzo zwięźle, natom iast na ich tle w sposób bardziej obszerny scharakteryzow ano obecnie panujące poglądy. Szczegółowe omówienie

“historycznych” teorii tarcia znajdzie czytelnik w pracy Dowsona [10].

Teoria mechaniczna

Najstarsza z istniejących teorii tarcia materiałów jest przypisywana Amontosowi i De la Hire [11]. Tar­

cie postrzegali oni jako wynik m echanicznego zacze­

piania o siebie m ikronierówności w ystępujących na powierzchni m ateriałów znajdujących się w kontak­

cie ciernym. Pomimo, że postęp w dziedzinie m ikro­

skopii optycznej i elektronowej (SEM) potw ierdza zasadność takiej hipotezy, nie wyjaśnia ona zadowa­

lająco różnych przypadków szczególnych. Takich jak np. dlaczego współczynnik tarcia gumy po gładkim szkle jest bardzo wysoki. Chropowatość powierzchni ma jednak niewątpliwie wpływ na warunki tarcia, de­

terminując rzeczyw istą powierzchnię kontaktu przy

danej geom etrii styku. W przypadku elastom erów m echanizm tarcia je s t dodatkow o skom plikow any przez lepko-sprężyste właściwości materiału, takie jak elastyczność, twardość i odporność na odkształcenie trwałe.

Teoria “sczepienia” adhezyjnego

Koncepcja ta narodziła się bardzo wcześnie. Już Coulomb [7] zauważył, że sczepienie adhezyjne m a­

jące miejsce pomiędzy powierzchniam i znajdującymi się w kontakcie ciernym jest odpowiedzialne za w y­

stępowanie oporu tarcia przy próbie ich wzajemnego przemieszczenia. Kolejni badacze idąc jego śladem wysunęli hipotezę, że tarcie powierzchni niesmarowa- nych (tzw. tarcie “na sucho”) jest wynikiem oddziały­

wań molekularnych, dlatego też powinno być propor­

cjonalne do rzeczywistej powierzchni kontaktu oraz odporności na ścinanie warstwy międzyfazowej [12- 15]. Zwolennicy tej teorii przyznają, że “rysow anie”

miękkiej powierzchni danego ciała przez mikronierów­

ności twardego przeciwciała jest dodatkowym czyn­

nikiem wpływającym na wielkość siły tarcia.

Teoria elektrostatyczna

Hipotezę tłum aczącą występowanie oporów tar­

cia istnieniem oddziaływań natury elektrostatycznej jako pierwszy zaproponował Schnurmann [16]. We­

dług niego, wskutek tarcia na powierzchni obu ciał w ytw arzają się ładunki o przeciwnej polarności, które przyciągająje do siebie siłami elektrostatycznymi prze­

ciwstawiając się ich względnem u ruchowi. Połącze­

nie molekularnego opisu tarcia adhezyjnego z opisem elektrostatycznym w jednej zunifikowanej teorii było dziełem Kum m era [4]. W edług zaproponow anego przez niego modelu adhezja jest wynikiem przyciąga­

nia elektrostatycznego między badanym elementem gumowym a bieżnią. Jakkolwiek siły elektrostatyczne niewątpliwie odgrywają pew ną rolę w procesie tarcia (wystarczy chociażby porównać wyniki badań trybo- logicznych w powietrzu i w próżni), to jednak raczej nie sąone obecnie uważane za jego podstaw ową przy­

czynę.

Teoria molekularna

Teoria przyciągania molekularnego zapropono­

wana po raz pierwszy przez Ewinga [17] i rozwinięta później przez H ardy’ego [18] przypisuje istnienie siły tarcia rozpraszaniu energii wskutek “wyciągania” ato­

mów jednego z ciał z powierzchni przeciwciała znaj­

dującego się w kontakcie ciernym. Autorzy tej hipo-

S ta A tM l& iy nr 2 marzec - kwiecień 1999 r. TOM 3

tezy uważają, że jest ona uzupełnieniem teorii adhe- zyjnej, tłum acząc szczepienie adhezyjne jako efekt sczepienia molekularnego, będącego wynikiem wystę­

powania wiązań chem icznych m iędzy makrocząstecz­

kami na stykających się powierzchniach. Zwolennicy teorii adhezyjnej odrzucają teorię m olekularną m ie­

dzy innymi dlatego, że nie w yjaśnia ona, dlaczego od­

separowanie powierzchni ciał pozostających w kon­

takcie ciernym, np. poprzez adsorpcję gazu, nie za­

wsze wpływa na obniżenie współczynnika tarcia w układzie. N a podstaw ie teorii molekularnej można na­

tomiast wytłum aczyć pow ody występowania zmian wartości w spółczynnika tarcia obserwowanych pod­

czas tarcia dynamicznego, a wywołanych dużym wzro­

stem prędkości [19-24]. Teoria ta nie wyjaśnia jednak przyczyny w ystępow ania tarcia przy bardzo małych prędkościach ruchu względnego.

Współczesne teorie tarcia elastomerów

Elastoplastyczna natura tarcia elastomerów - “fa le Schallam acha”

Nowe podejście do problem ów adhezji i tarcia elastomerów zostało zaprezentowane przez Johnson’a i współpracowników [25] w roku

1971. U dow odnili oni, że p o ­ wierzchnia kontaktu m iędzy m a­

teriałem elastycznym a sztywnym jest w rzeczywistości większa, niż wynikałoby to z klasycznej teorii elastyczności i w zorów H ertza [26]. Cytowani autorzy tłum aczą to zjawisko występowaniem m ię­

dzy oboma ciałami sił wzajem ne­

go p rzy c iąg a n ia typu van der Waalsa. Mniej więcej w tym sa­

mym czasie S challam ach [27]

stwierdził brak “czystego” pośli­

zgu p o d c z as p rz e m ie sz c z a n ia twardej, stalowej próbki po ela­

stycznym podłożu. Zam iast tego zaobserwował on fale deformacji, nazwane później od jego nazw i­

ska “falami Schallamacha”, prze- m ie s z c z a ją c e się w w a rstw ie wierzchniej elastomeru pomiędzy początkiem a końcem obszaru styku, z prędkościam i większymi

niż względna prędkość trących się ciał. Proces tw o­

rzenia się fal Schallamacha, wywołujących względny ruch pom iędzy płaską pow ierzchnią elastyczną a kul­

ką stalową znaj dującą się w kontakcie ciernym, przed­

stawia rys. 1.

M ałe regularne fałdy, wypełnione w swych za­

głębieniach powietrzem, przesuwają się po powierzch­

ni kontaktu od strony strefy naprężeń ściskających do strefy naprężeń rozciągających. M echanizm tworze­

nia się i propagacji fal Schallamacha zależy w pełni od elastoplastycznych właściwości elastomeru [28].

Przy małej prędkości ruchu sztywna kulka formuje od frontu wybrzuszenie podłoża, które przemieszcza się w tym samym kierunku i z tą sam ą prędkością w ela­

stycznym m ateriale - rys. 1-1. W momencie osiągnię­

cia krytycznej prędkości ruchu wybrzuszenie to zo­

staje jak gdyby “w chłonięte” pod powierzchnię kulki, przyczepiając się do niej. Początek strefy kontaktu cier­

nego przesuwa się w kierunku ruchu z punktu M 0 do M - rys. 1-2. Od tego momentu wybrzuszenie tworzy pod pow ierzchnią przeciw próbki kanał powietrzny, który przem ieszcza się w kierunku przeciwnym do jej ruchu - rys. 1-3. Jeżeli szybkość poślizgu jest zbyt mała, obserwuje się zanikanie kanału powietrznego i powtór­

ną adhezję powierzchni w strefie kontaktu. W takich warunkach naprężenia deformacyjne występujące w

N - obciążenie (siła norm alna) v - prędkość względna M, M0 - punkty kontaktu

Rys. 1. Schemat ilustrujący tworzenie się tzw. fa l Schallamacha

6

TOM 3 marzec - kwiecień 1998 r. S fa A tw n W f' nr 2

materiale podczas tarcia m ogą ulec relaksacji. Pom i­

mo wykonania wielu prac ekserym entalnych [29-37]

nie udało się do tej pory wyjaśnić zadowalająco m e­

chanizmu pow staw ania fal Schallamaeha. U stalono jedynie, że wielkość tzw. krytycznej prędkości pośli­

zgu, będącej w arunkiem koniecznym do zaistnienia om awianego zjawiska, zależy od kilku czynników, między innymi: wielkości sił adhezji, geometrii strefy kontaktu, elastyczności gumy, obciążenia i tem pera­

tury. Prędkość krytyczna maleje wraz ze zm niejsze­

niem obciążenia (normalnego) lub obniżeniem tem ­ peratury oraz ze wzrostem gładkości powierzchni trą­

cych się ciał [38]. Z dokonanego przeglądu literatury [28-38] wynika, że taki szczególny m echanizm tarcia występuje jedynie wówczas gdy prędkość poślizgu nie jest zbyt duża (praktycznie v < 0,1 mm/s) oraz naprę­

żenia w strefie tarcia (wywołane obciążeniami i adhe­

zją) również nie sązb y t duże. Pojawieniu się tego zja­

wiska towarzyszy powstanie nieciągłości siły tarcia, która narasta stopniowo aż do uzyskania m aksym al­

nej, krytycznej wartości, po czym następuje “poślizg”

wywoływany utratą kontaktu ciernego - czego w yni­

kiem jest gwałtowny spadek siły tarcia. W dalszym etapie procesu dochodzi do powtórnego kontaktu, który stopniowo się “um acnia”, czego efektem jest ponow ­ ny wzrost siły tarcia. Z takiego opisu zjawiska w yni­

ka, że wielkość siły tarcia musi być ściśle związana z siłą odrywania się wierzchołka fali deformacyjnej od powierzchni sztywnego ciała przem ieszczającego się po elastycznym podłożu [39-41]. Tego rodzaju m e­

chanizm tarcia określa się term inem “slip-stick”. W y­

stępuje on jedynie w przypadku elastom erów o małej twardości (słabo- lub nie napełnionych), które odzna­

czają się dużym w spółczynnikiem tarcia - p > 2.

Rozważania mechanizmu “slip-stick” prow adzą do wniosku, że siła oporu tarcia jest w ypadkow ą sił adhezji w obszarze kontaktu i sił odrywania w strefie poślizgu. Podejście to pozwoliło na wyprowadzenie prostego wzoru na siłę tarcia (T) próbki gumowej śli­

zgającej się po szkle (przy założeniu czystego m echa­

nizmu “slip-stick”):

gdzie: Ay - zmniejszenie się energii pow ierzchnio­

wej,

co - prędkość propagacji fal Schallamaeha,

A, - odległość pom iędzy sąsiednimi wierzchołkam i fal, v - prędkość poślizgu.

Tak więc istnieją przesłanki teoretyczne do pro­

jektow ania bezsmarowych, nie ulegających zużyciu węzłów tarcia, w których jednym z elementów pary trącej jest elastomer, jednak bardzo ograniczony za­

kres obciążeń eksploatacyjnych, możliwych do prze­

niesienia przez taką konstrukcję, dyskwalifikuje jej przydatność praktyczną.

Jak wynika z wcześniejszych prac Schallamaeha [19], Thiriona [42] iR oth a [43], siła tarcia w przypad­

ku elastomerów bardzo zależy od obciążenia próbki, szybkości jej poślizgu oraz stanu i geom etrii p o ­ wierzchni, czego nie uwzględniały klasyczne prawa tarcia. Siła tarcia wzrasta w miarę zwiększania obcią­

żenia normalnego, aczkolwiek współczynnik tarcia w tym przypadku maleje. W pływ szybkości poślizgu na wielkość współczynnika tarcia nie jest jednoznaczny w przypadku elastomerów i winien być rozpatrywany w powiązaniu z wpływem temperatury (ogólnie bio­

rąc polim ery źle przew odzą ciepło). Zarówno w łaści­

wości mechaniczne, jak i trybologiczne polimerów za­

leżą od temperatury determinującej właściwości ela- stoplastyczne materiału [44].

Mechanizm tarcia elastomerów

Adhezja oraz lepkosprężyste właściwości poli­

meru zależą od jego budowy chemicznej i warunków otoczenia. Siłę tarcia w ystępującą pomiędzy twardym podłożem a ślizgającym się po nim elastomerem moż­

na rozłożyć na dwie składowe: adhezyjną(T A) i histe- rezyjną (TH) [45-47]:

T = Ta + Th (3)

Wielkość składowej adhezyjnej zależy od stanu powierzchni i właściwości mechanicznych materiału, a ponadto od wielkości nacisku, prędkości przesuwu próbki i temperatury. Uważa się, że adhezja odgrywa dom inującą rolę w przypadku tarcia materiałów o bar­

dzo dużej elastyczności, poruszających się z niew iel­

ką prędkością po perfekcyjnie gładkiej i sztywnej po­

wierzchni, w warunkach znikomego obciążenia [28].

W tym przypadku tarcie może zachodzić wg m echa­

nizmu “slip-stick” . W ystępowanie histerezyjnej skła­

dowej tarcia wiąże się natomiast z rozpraszaniem ener­

gii podczas odkształcania ciała elastoplastycznego [47]. W literaturze przedm iotu wskazuje się na dzia­

łanie mikronierówności powierzchni przeciwciała jako główne źródło strat histerezyjnych. Elastomer przesu­

wając się po sztywnych m ikronierównościach dopa­

sowuje się do ich kształtu ulegając odkształceniom.

S letel'atH & iy nr 2 marzec - kwiecień 1999 r. TOM 3

N ajw iększa am plituda i częstotliw ość odkształceń występują na powierzchni próbki, ale straty energii nie ograniczają się tylko do tej w arstw y materiału. Istotne znaczenie m ają również geom etria kontaktu ciernego i współczynnik kształtu próbki elastomerowej [48], Według M oore’a [47] należy rozróżniać “tarcie w e­

wnętrzne” i tzw. “tarcie zew nętrzne” spowodowane stratami energii zachodzącym i w warstwie w ierzch­

niej materiału.

Chcielibyśm y jeszcze raz podkreślić, że składo­

wa histerezyjna siły tarcia m a podstawowe znaczenie zarówno w procesie tarcia wew nętrznego, jak i ze­

wnętrznego. M im o, że pew ne ilościowe zależności między w ytrzym ałością gum y a histerezą tego m ate­

riału zostały ju ż opracowane przez Payne’a [49], “od­

powiedź” elastom eru na obciążenie dynamiczne na­

dal jest poznana niedostatecznie [50]. Niedawno za­

obserwowano w pływ gęstości usieciowania i budowy sieci na energię pow ierzchniow ą wulkanizatów [51].

Z badań wynika, że zarówno rodzaj zastosowanego zespołu sieciującego, jak i warunki wulkanizacji m ogą mieć w pływ na tarcie ślizgowe gumy. Pewne sugestie na ten tem at znaleźć m ożna również w literaturze [52,

53]. K iedy elastom er staje się “ sztyw niejszy” , np.

wskutek w zrostu gęstości usieciowania, stopnia na­

pełnienia lub m odyfikacji, m echanizm tarcia typu

“ slip-stick” zostaje zastąpiony innym, prowadzącym do zużycia ściernego materiału.

Istnieje w iele prac pośw ięconych w pływ ow i m odyfikacji powierzchni na właściwości trybologicz- ne elastomerów. A utorzy sugerują, że usztywnienie cienkiej warstwy wierzchniej wraz z rozwinięciem po­

w ierzchni m ateriału przew aża nad tow arzyszącym modyfikacji wzrostem adhezji, prowadząc do obniże­

nia współczynnika tarcia elastomeru.

Poznanie zależności między składowymi siły tar­

cia adhezyjną i histerezyjną, przy uwzględnieniu zja­

w isk towarzyszących tarciu, zarówno w masie, jak i na powierzchni m ateriału stwarza przesłanki do prze­

widywania i sterowania procesem tarcia.

N aszym zdaniem , w zór (3) pow inien zostać w zbogacony o trzeci, dodatkowy składnik uwzględ­

niający tę zależność. Słuszność naszego rozum owa­

nia potw ierdza zależność w spółczynnika tarcia od pierwszej stałej elastyczności C, zrów naniaM ooneya - Rivlina, będącej m iarą sztywności elastomeru - rys. 2 [54], Punkty eksperymentalne odpowia- dająwulkanizatom kauczuków syntetycz­

nych o zbliżonej energii powierzchniowej materiału y s = 36-40 w J/nf.

A dhezyjny mechanizm tarcia

Zagadnienie kontaktu adhezyj ne­

go i szybkości tworzenia więzi adhezyj- nej m iędzy gładką powierzchnią elasto­

m eru a sztywnymi podłożami o różnej chropow atości zostało w yczerpująco om ówione przez Barquina [28]. Badał on wpływ obciążenia, geometrii kontak­

tu, jak również właściwości m echanicz­

nych i powierzchniowych elastomeru, na wielkość adhezji oraz współczynnik tar­

cia. “A dhezyjną” powierzchnię kontak­

tu (S) pom iędzy sztywnym cylindrem a płaskim elastycznym podłożem można obliczyć ze wzoru:

S ta ła elastyczn o ści, C ,, [N /m 2]x 1 0 4

powierzchnię wulkanizatów poddano modyfikacji chemicznej

BR - kauczuk butadienowy

SBR - kopolimer butadienowo-styrenowy NBR - kopolimer butadienowo-akrylonitrylowy EPDM - terpolimer etylenowo-propylenowo-dienowy

Rys. 2. Wpływ gęstości usieciowania na właściwości elastomerów

gdzie: R - promień cylindra,

b - p o ło w a szero k o ści p o w ierzch n i kontaktu,

TOM 3 marzec - kwiecień 1998 r. £ tc W fo *K & ity nr 2

E, v - odpowiednio moduł Younga i współczynnik Poissone’a gumy,

W - energia adhezji wg Dupre.

Powierzchnia kontaktu ciernego nie jest syme­

tryczna. Asym etria powiększa się wraz ze wzrostem siły normalnej [55]. Jest to wynikiem różnego charak­

teru odkształcania próbki. W strefie czołowej, tzw. ad- hezyjnej, mamy do czynienia ze ściskaniem m ateria­

łu, podczas gdy w strefie tylnej, tzw. ślizgowej, w y­

stępuje jego rozciąganie. W miarę zwiększania obcią­

żenia normalnego wielkość powierzchni kontaktu osią­

ga maksimum i od tego momentu współczynnik tarcia staje się odwrotnie proporcjonalny do obciążenia. Ze wzrostem prędkości poślizgu również następuje wzrost powierzchni kontaktu, ale wskutek rozciągnięcia jej części ślizgowej [56].

Zaobserwowano dwa różne typy zachowań, w zależności od prędkości poślizgu sztywnego cylindra [29]. Przy niewielkich prędkościach poślizgu istnieje współzawodnictwo pomiędzy naprężeniam i rozciąga­

jącym i będącymi konsekw encją adhezji a ich relaksa­

cją. Istnienie zjaw iska relaksacji tłum aczy opisany przez Schallamacha mechanizm tarcia zwany “slip- stick” [27]. Fragmenty łańcucha polim erowego będą­

ce w kontakcie z przeciw próbką w ykonują małe “sko­

ki” w kierunku przeciwnym do ruchu próbki w m o­

mencie, kiedy wielkość powstających naprężeń jest już zbyt duża i nie daje się zakumulować w warstwie wierzchniej elastomeru.Teoria Schallamacha zakłada wzrost wytrzym ałości wiązań pom iędzy elastomerem a przeciw próbką w miarę w zrostu prędkości, co w powiązaniu ze zm niejszeniem ich liczby prowadzi do uzyskania maksimum na krzywej [i = f(v).

Nie należy jednak sądzić, że rozpraszanie ener­

gii w procesie tarcia jest związane tylko z wytrzyma- łościąpołączenia adhezyjnego. Zachodzi ono również w masie materiału, dzięki jego lepkosprężystym w ła­

ściw ościom , co po raz pierw szy zadem onstrow ał Grosch [44].

Kompleksowe badania dotyczące wpływu geo­

metrii powierzchni (Ra), elastyczności gumy i jej ener­

gii pow ierzchniow ej na w ielkość adhezji w ykonał Tabor [57]. Z jego badań wynika, że adhezja między próbką a przeciw próbką zależy nie tylko od energii powierzchniowej obu ciał, ale jest również funkcją ich względnej prędkości poślizgu [58]. Ostatnio udow od­

niono [40], że naprężenia rozciągające w strefie kon­

taktu w pływ ają na obniżenie energii adhezji, co tłu­

maczy występowanie poślizgu przy większych pręd­

kościach ruchu. Roberts i Thom as [30] użyli jako pierwsi terminu “histereza adhezji” dla określenia zja­

wiska oddziaływań zachodzących w procesie tarcia gumy po szkle, rozpatrując je w kontekście w łaściw o­

ści histerezyjnych elastom eru. Zjawisko relaksacji naprężeń ogranicza “czysto” adhezyjny charakter tar­

cia tylko do procesów zachodzących przy bardzo m a­

łych prędkościach. Według M oore’a [45] maksymalna wartość współczynnika tarcia adhezyjnego - jli^ wy­

stępuje przy prędkości przesuwu próbki v ~ 0,1 m/s.

H isterezyjny mechanizm tarcia

Czysto histerezyjny mechanizm tarcia mógłby występować tylko podczas przebiegu procesu w w a­

runkach idealnego smarowania powierzchni [59]. W przypadku pow ierzchni rzeczyw istych, przy braku środka smarnego, o tarciu decydują zarówno adhezja, jak i histereza. Udział obu składowych zależy od pręd­

kości i temperatury. Element gumowy podlega pod­

czas tarcia zarówno odkształceniom pionowym, jak i poziomym. Należy to wziąć pod uwagę, rozpatrując charakter odkształceń wymuszanych siłą tarcia z punk­

tu widzenia właściwości elastycznych gumy podda­

nej ściskaniu [48].

M echanizm tarcia histerezyjnego elastomerów rozpatrywało wielu autorów. Przegląd istniejących w tym zakresie teorii przedstawili Grosch [48] i ostatnio Moore [47]. Można je najogólniej podzielić na trzy grupy: 1. teorie uwzględniające elastyczne i elasto- plastyczne właściwości materiału, 2. modele jedno- i wieloelem entow e oraz 3. koncepcje energetyczne.

Najstarsze teorie przypisyw ały pojaw ienie się siły stycznej podczas toczenia twardej kuli lub cylindra po płaskiej elastycznej powierzchni tarciu histerezyjne- mu (adhezja jest bardzo mała podczas toczenia) [60].

Późniejsze teorie symulowały lepkosprężyste zacho­

wanie się elastomeru z pom ocą mechanicznego m o­

delu rozpraszania energii. W ykorzystano do tego celu dwa podstawowe modele: Voighta i M axwella oraz ich kombinacje. W przedstawionych ostatnio koncep­

cjach energetycznych bierze się pod uwagę asymetrię nacisku w strefie kontaktu oraz rozpraszanie energii w warstwie wierzchniej elastomeru.

Pionierskie prace Groscha [44] przyczyniły się w znacznym stopniu do pogłębienia wiedzy o m echa­

nizmie tarcia gumy. Autor udowodnił istnienie ścisłe­

go związku między tarciem a elastoplastycznymi w ła­

ściw ościam i m ateriału. W edług Groscha położenie maksimum na krzywej m = f(v) zależy od mikronie- równości powierzchni. Gdy tarcie odbywa się po gład­

StaatatK & U f' nr 2 marzec - kwiecień 1999 r. TOM 3

ki ej powierzchni, m aksim um jest usytuowane syme­

trycznie, w m iejscu odpowiadającym prędkości pro­

porcjonalnej do częstotliwości odkształceń, przy której występuje maksymalny moduł stratności dynamicznej.

Borch [38] zaproponował modyfikację wzoru Coulom- ba, uwzględniającą mikrochropowatość powierzchni:

\i = C N " n (5)

gdzie: \x - w spółczynnik tarcia, N - obciążenie normalne,

C - stała m ateriałowa, zależna od modułu elastomeru, rzeczywistej powierzchni kontaktu i oddziaływań natury adhezyjnej pom iędzy gum ą a przeciwprób- ką,

n - czynnik zależny od wielkości chropowatości po­

wierzchni oraz charakteru odkształceń (plastycz­

nych bądź elastycznych).

rych wykonano jej elem enty składowe. W łaściwości trakcyjne opony “na sucho” i “na m okro” sąnp. zw ią­

zane z w ielkością tłum ienia materiału bieżnika przy dużych częstotliwościach odkształceń . Z drugiej stro­

ny, opory toczenia opony zależą od wielkości tłum ie­

nia m ateriału bieżnika przy stosunkowo małych czę­

stotliwościach odkształceń. W łaściwości lepkospręży- ste sieci polimerowej w warunkach odkształceń dyna­

m icznych uleg ają charakterystycznym zmianom w funkcji częstotliw ości. Przy bardzo dużych często­

ściach odkształceń tłum ienie energii jest kontrolowa­

ne przez ruchy segmentalne łańcucha polimerowego, natom iast gdy częstotliwość odkształceń jest mała, za tłumienie energii są odpowiedzialne dłuższe fragmenty łańcucha.

Mechanizm zużycia

Schallamach [27] zaproponow ał prosty model m echaniczny pow ierzchni gumy, składający się ze sztywnych bloków połączonych sprężynami (zaniedbał zagłębianie się m ikronierówności przeciwpróbki). Za­

łożył on, że bloki poddawane działaniu sił stycznych (T) odkształcają sprężyny. Powierzchnia elastomeru ulega odkształceniu, które opisuje równanie różnicz­

kowe:

gdzie: k - m oduł ścinający elasto­

meru

a - naprężenia w sprężynach łą­

czących,

x, y - odkształcenia w płaszczyźnie poziomej mierzone od pozycji wyjściowej (tj. gdy nie ma de­

formacji).

Model ten nie bierze jednak pod uwagę plastycznej składowej odkształcenia elastomeru.

Tarcie gumy było dyskuto­

wane również przez Fatamurę [53]

z punktu widzenia elastyczności i elastoplastyczności materiału. Au­

tor udowodnił istnienie zależności między w łaściw ościam i trakcyj­

nymi opony a właściwościami lep- kosprężystymi materiałów, z któ-

Pomimo wielu prac opublikowanych na ten te­

mat [61-72] istnieje ciągły postęp w obszarze badań poświęconych zjawiskom zużycia ściernego elastome­

rów. W przypadku polim erów o dużej elastyczności wyróżnia się trzy rodzaje zużycia ściernego: adhezyj- no-kohezyjne, zmęczeniowe i abrazyjne [73], przed­

stawione schem atycznie na rys. 3.

Rys. 3. Rodzaje zużycia w ujęciu schematycznym

10

TOM 3 marzec - kwiecień 1998 r. £(#A t< M ieriy nr 2

Zużycie adhezyjno-kohezyjne następuje wskutek rozpraszania energii w dość dużej strefie przylegającej do warstwy wierzchniej materiału (rys. 4) i zależy od wielkości jego energii kohezji. Skład chemiczny i struk­

tura materiału, o ile nie wpływają na wartość energii kohezji, nie odgrywają w tym przypadku żadnej roli, w przeciwieństwie do mikrodefektów powierzchniowych, stanowiących ogniska propagacji mikropęknięć obniża­

jących wytrzymałość mechaniczną elastomeru.

1 - m ik ro n ie ró w n o ść sztyw ne j p rze ciw p ró b ki, 2 - a trefa a d h e zyjn a , 3 - stre fa ko h e zy jn a

Rys. 4. Obszar materiału uczestniczący w procesie zu­

życia (granicę stref oddziaływań zaznaczono schema­

tycznie)

Zużycie zmęczeniowe, wywołane nagłym wzro­

stem naprężeń w warstwach położonych tuż pod po­

w ierzchnią materiału, jest efektem przesuwania się po nim próbki o sztywnej powierzchni i dużej chropow a­

tości. Naprężenia te prow adzą do powstawania m ikro­

pęknięć, które propagują ku powierzchni, powodując odrywanie się fragmentów m ateriału i w konsekwen­

cji jego zniszczenie.

Zużycie abrazyjne jest spowodowane rozpra­

szaniem energii w bardzo wąskim obszarze warstwy wierzchniej materiału. Przybiera ono dwie zasadnicze formy [74]: lokalnego mechanicznego rozerwania (te­

aring) lub mechanochemicznej degradacji (smearing).

Wielkość pracy niezbędnej do oddzielenia próbki od podłoża gumowego rośnie w miarę wzrostu jego strat- ności na histerezę [75, 76]. Odrywanie od siebie po­

wierzchni ma bowiem charakter elastoplastyczny. Che­

miczny mechanizm tego procesu, noszącego nazwę

“stick-peeling” został ostatnio zaproponowany przez Fu- rukawę [77]. Według autora siła tarcia (T) jest równa

sile odrywania (Fp). W przypadku np. klejów elastycz­

nych Fp jest proporcjonalna do siły adhezji, na którą wpływ mają takie czynniki Teologiczne jak szybkości od­

rywania (v), grubości warstwy (h) i czas relaksacji (x):

T = Fp = Fa (t v/h)1/2 (7) gdzie: FA - siła adhezji.

W procesie tarcia zdom inowanym przez akty

“mechanicznego oddzierania”, powierzchnia wulka- nizatu gumowego przybiera charakterystyczny obraz, tzw. wzór abrazyjny, posiadający dwuwymiarową tek­

sturę. M niejszy z wym iarów jest związany z usuw a­

niem cząstek m ateriału (o rozmiarach rzędu 1-5 |am), podczas gdy drugi, większy - ograniczony w ielkością śladu zużycia, określa rozm iar powstających produk­

tów i decyduje o jego wielkości. Gdy proces tarcia jest zdominowany przez m echanochem icznądegrada­

cję materiału, na powierzchni elastomeru tworzy się oleista, lepka warstwa chroniąca, przynajmniej do pew­

nego stopnia, wnętrze m ateriału przed dalszym zuży­

ciem ściernym.

Proces zużycia ściernego o charakterze mechanicz­

nym tzw. “mechanizm wyciąganiajęzyków” ilustruje rys. 5.

kierunek propagacji mikropęknięcia

T - siła tarcia (styczna), 0 p - kąt propagacji mikropęknięcia

Rys. 5. Model zużycia abrazyjnego (ściernego) gumy Southern i Thomas [66, 78] zaproponowali pro­

stą teorię wiążącą objętość ścieranej gumy z wielkością siły tarcia i podatnością materiału do propagacji naprę­

żeń (mierzoną np. odpornością na powiększanie się rysy w warunkach dynamicznych [79]). Fragment elastome­

ru w postaci “języka” zostaje oderwany od powierzchni materiału u swej podstawy, prowadząc do powstania charakterystycznego obrazu. Wygląd tekstury abrazyj- nej sugeruje, że proces zużycia jest wynikiem zarówno procesów makrodelaminacji, jak i rozdzierania na po­

StcW fotK& Uf, nr 2 marzec-kwiecień 1999 r. TOM 3

ziomie molekularnym [72, 74, 80, 81]. Pierwszy z pro­

cesów, odpowiedzialny bezpośrednio za propagację mi- kropęknięć powierzchniowych, jest według autorów hi­

potezy bezpośrednio odpowiedzialny za wielkość i cha­

rakter zużycia abrazyjnego. Bhowmick i współpracow­

nicy [82-87] starali się rozpoznać mechanizm zużycia na podstawie obserwacji powierzchni po tarciu, wyko­

rzystując do tego celu skaningową mikroskopię elektro­

nową. Zaobserwowano, że ścieranie według mechani­

zmu rozdzierania przeważa w wulkanizatach nie napeł­

nionych, podczas gdy mikrościnanie jest charakterystycz­

ne dla mechanizmu zużycia gumy. Wyniki tych obser­

wacji są zrozumiałe, zważywszy chociażby na wpływ gęstości usieciowania na odporność elastomeru na roz­

dzieranie, przedstawioną na rys. 6.

Rys. 6. Zależność wytrzymałości na rozdzieranie od gęstości usieciowania wulkanizatów

Obszerne studium na temat właściwości trybolo- gicznych polimerów opublikowali Ahman i Schweitz [88]. W celu interpretacji i usystem atyzowania w yni­

ków badań trybologicznych autorzy wyróżnili i opisa­

li główne etapy zużycia polim erów w węzłach tarcia o

“um iarkow anym ” obciążeniu:

- oddzielanie się materiału (spiętrzenie naprężeń i rozdziera­

nie, odrywanie mechaniczne i degradacja mechanoche- miczna, “zwijanie się” odrywanych fragmentów)

- transport produktów zużycia przez strefę kontaktu (efekt łożyskow y - toczny lub ślizgowy, penetracja przeciw powierzchni i zacieranie).

Jak z tego wynika, wielkość zużycia ściernego bar­

dzo silnie zależy od warunków, w jakich przebiegają poszczególne etapy procesu. Np. jeżeli produkty zuży­

cia m ają tendencję do zwijania się i mamy dodatkowo do czynienia z efektem łożyskowym przy ich transpor­

cie w strefie tarcia, to zużycie ścierne w takim węźle, pomijając już znaczne obniżenie współczynnika tarcia, będzie nawet o rząd wielkości mniejsze w porównaniu do przypadku, gdy zachodzi penetracja produktów zu­

życia w warstwę wierzchnią przeciwciała.

W bardzo obciążonych w ęzłach tarcia na po ­ wierzchni elementu gumowego pojawia się lepka, zde­

gradow ana w arstw a, działająca jak swego rodzaju smar, którą pierw szy zauważył Schallamach [89]. Po­

mimo zgodności co do tego, że ten typ zużycia jest wynikiem degradacji m ateriału, istnieją różne poglą­

dy na tem at jej mechanizmu. Jedna z teorii za główną przyczynę degradacji chemicznej uważa efekt termicz­

ny [90], inna tłum aczy proces wspólnym działaniem prom ieniow ania UV i tlenu na wiązania chemiczne [91, 92]. Zhang [80], Gent [92], a ostatnio M uhr i Roberts [93] uważają, że degradację chem iczną po­

wierzchni elastomeru w procesie tarcia m ożna przepi­

sać następuj ącym czynnikom:

- termicznemu rozkładowi spowodowanemu lokalnym wzrostem temperatury,

- utlenianiu, przyśpieszanem u przez wzrost tem pera­

tury oraz

- mechanochemicznej degradacji inicjowanej rodnikowo.

Eksperymenty prowadzone równolegle w powie­

trzu i w próżni w ydają się wskazywać na ostatni z czyn­

ników jako najbardziej istotny - współczynnik tarcia elastomerów oznaczony w próżni jest dużo niższy niż w powietrzu.

Muhr i Thomas [94] zauważyli, że zużycie ścierne silnie zależy od stopnia usieciowania elastomeru. N a­

prężenia powstające w procesie tarcia powodują rozry­

wanie fragmentów połączeń sieci przestrzennej. Utwo­

rzone na nowo połączenia nie posiadają już takiej wy­

trzymałości mechanicznej, co prowadzi do zwiększone­

go zużycia materiału. Taka interpretacja zjawiska wyda­

je się mocno uproszczona, nie bierze bowiem pod uwa­

gę takich czynników jak: struktura i energia węzłów sie­

ci oraz ich natura (fizyczne i chemiczne), a także zastoso­

wanych napełniaczy, środków przeciwstarzeniowych (przede wszystkim antyoksydantów i antyozonantów) oraz plastyfikatorów (zdolnych do segregacji powierzchniowej).

12

TOM 3 marzec-kwiecień 1998 r. SCaat& m entf, nr 2

W yjaśnienie w pływ u koncentracji efektywnych w ęzłów sieci na w ytrzym ałość elastom erów jak o pierwszy przedstaw ił Bueche [95]. Z prac Ślusarskie­

go [96, 97] w ynika, że na w łaściw ości m ech an icz­

ne, a co za tym idzie i trybologiczne elastomerów, m ają również wpływ: budow a chemiczna i struktura poli­

meru oraz rodzaj węzłów sieci. Duża wytrzym ałość wulkanizatów i kauczuku naturalnego na rozciąganie jest przejawem tzw. krystalizacji indukowanej (stress

induced crystallization - SIC), rys. 7.

* np. wzór Oswalda - deW aele'a

SIC - krystalizacja indukowana przez naprężenia rozciągające (tzw.

stress induced crystalization)

T g, Tm, Tf - zeszklenie, mięknięcie i płynięcie

Rys. 7. Zależność właściwości mechanicznych poli­

merów od temperatury, podana na przykładzie wydłu­

żenia przy rozerwaniu

Pomimo, że cis-l,4-polibutadien ma również bu­

dowę stereoregulamą, to jednak nie przejawia właści­

wości mechanicznych zbliżonych do kauczuku natural­

nego lub syntetycznego cis-l,4-poliizoprenu, gdyż tem ­ peratura topnienia jego fazy krystalicznej znajduje się dużo poniżej temperatury otoczenia i wynosi 262 K. Z rys. 7 wynika ponadto, jak istotny jest czynnik tempera­

turowy w procesie tarcia polimerów. Właściwości fizycz­

ne materiału, a więc także charakter tarcia i zużycia po­

limeru, silnie zależą od przedziału temperatur określo­

nych przez warunki eksploatacji. W pływ rodzaju zasto­

sowanego środka (zespołu) sieciującego na właściwości trybologiczne wulkanizatu nie został w pełni wyjaśnio­

ny do chwili obecnej [98]. Okazuje się bowiem, że jest on bardzo złożony i dotyczy nie tylko gęstości usiecio- wania i budowy chemicznej, ale również giętkości frag­

mentów łańcucha i zdolności materiału do tłumienia digań

i relaksacji naprężeń - słowem jego właściwości histerezyj- nych [99,100]. Wpływ rodzaju budowy chemicznej na wła­

ściwości kopolimeru, między innymi trybologiczne, wy­

daje się oczywisty - rys. 8. Wynika to z zależności wła­

ściwości mechanicznych polimerów od ich budowy.

Bardzo interesujący m echanizm zużycia ścier­

nego gumy został ostatnio zaproponowany przez Genta [101]. Rozważa on hipotetyczne procesy prowadzące do powstania mikropęknięć podpowierzchniąmateriału. Za ich źródło autor uważa małe komórkowe przestrzenie wypełnione głównie powietrzem, istniejące w każdym wulkanizacie. W wyniku takich czynników jak:

- wzrost ciśnienia w komórkach (wywołany przez gazy, do tej pory rozpuszczone w gumie, a w wyniku przyłożonego w procesie tarcia obciążenia “w yci­

skane” do tychże komórek),

SC cw fom eny nr 2 marzec - kwiecień 1999 r. TOM 3

- powstające lotne produkty rozpadu (są one w stanie przejść nawet przez grube bloki gumowe [102]), - łączenie się komórek wskutek deformacji ich ścianek,

komórki powiększają swoją objętość, dążąc do powierzchni materiału, gdzie tw orzą mikropęknięcia.

Drugi z wymienionych w kolejności czynników ma wg autora największe znaczenie. Nasuwa się wątpliwość co do słuszności tej hipotezy, nie jest bowiem jasne, w jaki sposób odpowiednia ilość energii cieplnej byłaby w sta­

nie osiągnąć głębsze warstwy próbki gumowej.

Uwagi końcowe

Pomimo znacznego postępu, jaki dokonał się na przestrzeni ostatnich lat w dziedzinie poznania zjawisk rządzących tarciem i zużyciem elastomerów, nadal jed­

nak możliwości dokładnego przewidywania i sterowa­

nia właściwościami trybologicznymi materiałów są ogra­

niczone. Nadal upływa wiele czasu od chwili zakończe­

nia badań na stanowiskach do wdrożenia nowego mate­

riału do produkcji. Zachodzi bowiem potrzeba wykony­

wania długotrwałych i kosztownych prób eksploatacyj­

nych. Pewien postęp w obszarze tzw. “materiałów na miarę” (tailored materials) został już osiągnięty na dro­

dze odpowiedniej modyfikacji elastomerów [103]. Wy­

daje się, że nowe perspektywy postępu w tym zakresie zostały stworzone przez nanotrybologię, naukę zajmu­

jącą się opisem tarcia i zużycia materiałów w skali nano- metrycznej. W wielu ośrodkach naukowych, w ich licz­

bie również w Instytucie Polimerów Politechniki Łódz­

kiej, są prowadzone badania, których celem jest nadanie materiałom elastomerowym pożądanych właściwości try- bologicznych. Przegląd wyników wspomnianych badań zostanie przedstawiony w kolejnej publikacji.

Literatura

1. Allen R. E. Ed. “The Concise Oxford Dictionary o f Current English”, 8th ed., Oxford Univ. Press 1990 2. Encyklopedia Powszechna PW N” Wyd. Naukowe

PWN S.A., Warszawa 1998

3. Zum Gahr K. H.: “Microstructure and wear o f ma­

terials” Tribology Series I d Elsevier, Amsterdam, Oxford, N Y , Tokio 1987

4. Kummer H. W: “Engineering Research Bulletin, B-94”, Pennsylvania State Univ. Press 1966 5. Da Vinci L.(1500): w “II Codice Atlantico”, Acca-

demia dei Lincei, Milano 1960

6. Amontos G. (1699): w “Histoire de FAcademie

Royale des Sciences”, Anne MDCXCIX, Amster­

dam 1734, 259 - cytowane wg [10]

7. Coulomb C. A. (1785) ibid., 161 - cytowane wg [10]

8. Euler L. (1750), Mem Acad. Sci., Berlin 1748, 4, 122 - cytowane wg [10]

9. Euler L. (1750), ibid, 1762,18, 265 - cytowane wg [10]

10. Dowson D.: “History o f Tribology”, Longman Group Ltd., London 1979

11. De la Hire (1699): w “Histoire de l \Academie Roy­

ale des Sciences, Anne MDCXCIX, Amsterdam 1734, 104 - cytowane wg [10]

12. Bowden F. P, Tabor D.: “The Friction and Lubri­

cation o f Solids, Parti ”, Oxford Univ Press 1954 13. Savkoor A. R., Wear 1965, 8, 222

14. Bul gin D., Hubbard G. D., Walters M. H., Proc. 4th Rubber Technol. Conf. IRI, London 1962, 188 15. Ludema K. C., Tabor D., Wear 1966, 9, 329 16. Schnurmann R., ibid 1961, 1, 31

17. Ewing J. A., Proc. Royal Inst. Gt Brit. 1892, 12, 387 - cytowane wg [10]

18. Hardy W. B.: “Analysis o f Commercial Lubricating Oils by Physical Methods”, Cambridge Univ. Press 1936 19. Schallamach A.: Proc. Phys. Soc. 1953, B66. 817 20. Bartenev G. M., Dokt. Akad. NaukSSR 1954, 96,1161 21. Schallamach A., Wear 1963, 6, 375

22. Bartenev G. M., Elkin A. I , ibid. 1965, 8, 8 23. Rieger H., Kautsch. Gummi Kunstst. 1967, 20, 293 24. Levrentev W, Ostreiko R., Plaste u. Kautsh. 1968,

1H 729

25. Johnson K. L., Kendall K., Roberts A. D., Proc.

Royal Soc. London 1971, A 324. 301

26. H. Hertz, Z. Reine, Angew. Math. 1991, 91 156 27. Schallamach A., Wear 1971, 11 301

28. Barquins M., ibid. 1992, 158. 87

29. Barquins M., Courtel R., ibid 1975, 31 133 30. Roberts A. D., Thomas A.G., ibid.1975, 31 45 31. Barguin M., Courtel R., Maugis D., ibid. 1976, 38,

193, 1976, 31 385

32. Briggs G. A. D., Briscoe B. J., Philos. Mag. Part A 1978, 38, 387

33. Roberts A. D., Rubber Chem. Technol. 1979, 52, 23 34. Best B., MeijersP, Savkoor A. R., Wear 1981,65, 385 35. Barquin M, Roberts A. D., J. Phys. PartD 1986,19, 547 36. Barquin M., Roberts A. D., J. Chim. Phys. 1987, 84, 225 37. Barquin M., FelderE., Proc. 5th Int. Congress on Tribo­

logy, Finnish Soc. Tribology, Espoo 1989, vol.3. 295 38. Borch J., J. Polym. Sci.: Polym.: Phys. Ed. 1979,

11, 2241

39. Roberts A. D., Jackson S. A., Nature 1975, 257, 118 40. Briggs G. A. D., Briscoe B. J., Wear 1975, 35, 357

14

TOM 3 marzec - kwiecień 1998 r. S ta & tw ieru f, nr 2

41. Barquins M., ibid. 1983, 91, 103

42. ThirionR, Rev. Gen. Caoutch., Piast. 1946,21, 101 43. Roth F. L., Driscoll R. L., Holt W. L., J. Res. Nat.

Bur. Stand. 1942, 21, 439

44. Grosch K. A., proc Roy. Soc. London 1963, A 274. 21 45. Moore D. F: “The Friction and Lubrication o f

Elastomers”, Pergamon Press Ltd., Oxford 1972 46. Bowden F. P, Tabor D.: “Friction and Lubrica­

tion”, Methuen, London 1967

47. Moore D. F, Geyer W, Wear 1974, 31, 1

48. Grosch K. A., Rubber Chem Technol. 1976, 49, 862 49. Payne A. R., Whittaker R. E., Rubber Chem Tech­

nol. 1972, 41, 1043

50. Rzymski W, Polimery 1991,16, 409

51. Zaborski M., Ruciński J., Bieliński D. M., Polime­

ry 1991, 16 109

52. Barnard D., Baker C. S. L., Wallace I. R., Rubber Chem Technol. 1985, 51, 740

53. FutamuraS., Angew. Makromol. Chem. 1996, 240.137

F

54. Bieliński D., Ślusarski L., Affrossman S., Pethrick R. A., Kautsch. Gummi Kunstst. 1998, 56, 429 55. Barquins M., Felder F, C. R. Acad. Sci. Paris, Serie

II 1991,111, 303

56. Barquins M., J. Nat. Rubber Res. 1990, X 199 57. Fuller K. N. G., Tabor D., Proc. Roy. Soc. London

1975, A 345. 327.

58. Barquins M., J. Adhesion 1988, 26, 1

59. Greenwood J. A., MinshallH., Tabor D., Proc. Roy.

Soc. London 1961, A 259. 480

60. Greenwood J. A., Tabor D., Proc. Phys. Soc. 1958, 71, 989

61. Schallamach A., Wear 1958, 1, 384

62. Tanaka T, UchiyamaY.: “Advances in Polymer Fric­

tion and Wear, in Polymer Science and Technology ”, Lee H. H. Ed., Plenum Press 1974, Ch. 5A i 5B 63. Glaeser W. A., Ludema K. C., Rhee S. K. Eds.:

“Wear o f Materials ” 1977, ASME, New York 1977 64. Briscoe B. J., Tabor D.: “Friction and Wear o f Poly­

mers”, Ch.l “PolymerSurfaces”, Wiley & Sons 1978 65. Briscoe B. 1, Tabor D.: Brit. Polym. J. 1978,16, 74 66. SothernE., Thomas A. G.: “The WearofNon-Me-

tallic Materials”, Mechanical Engineering Publi­

cations Ltd., London 1978, 157

67. Evans D. G., Lancaster J. K.: “The Wear o f Poly­

mers in Material Science and Technology”, Aca­

demic Press 1979, 36

68. Ludema K. C., Glaeser W. A., Rhee S. K. Eds.:

“Wear o f Materials”, ASME, New York 1979 69. Schallamach A., Int. J. Polym. Sci. 1979, 6, T/44 70. Briscoe B., Tribology Int. 1981, 8, 231

71. Southern E., Thomas A. G., Rubber Chem. Tech­

nol. 1979, 51, 1008.

72. Zhang S. W, ibid. 1984, 51, 755

73. Plaza S: “Fizykochemiaprocesów tribologicznych ”, Wyd. Uniwersytetu Łódzkiego, Łódź 1997

74. Zhang S. W, Rubber Chem. Technol. 1984, 51, 769 75. Gent A. N, Petrich R. P, Proc. Roy. Soc. London

1969, A 310. 433

76. Andrews E. H., Kinloch A. J., Proc. Roy. Soc. Lon­

don 1973, A 332. 385

77. FurukawaJ., Bull. Chem. Soc. Japan 1996,69, 2999 78. Southern E., Thomas A. G., Rubber Chem. Tech­

nol. 1979, 51, 1008

79. ISO 133, 1975. Determination o f Resistance to Cut Growth (De Mattia Type Machine)

80. Zhang S.W., Tribology Int. 1989, 2Z 143

81. MuhrA. H., Richards S. C., Kautsch. Gummi, Kun­

stst. 1992, 45, 367

82. Bhowmick A. K , Basu S., De S. K , J. Mater. Sci.

1981,16, 1654

83. Bhowmick A. K , Basu S., De S. K , Rubber Chem.

Technol. 1982, 51, 321

84. Bhowmick A. K , De S. K , ibid 1979, 51, 985 85. Bhowmick A. K , De S. K , ibid 1980, 51, 960 86. Bhowmick A. K , Nanda G. B., Basu S., De S.

K.Jbid. 1980, 51, 327

87. Bhowmick A. K , ibid, 51, 1055

88. Schweitz J. A., Ahman L.: “Wear o f Materials”, ASME, New York 1983, 610

89. Schallamach A., J. Appl. Polym. Sci. 1968,11, 281 90. James D. I. Ed.: „Abrasion o f Rubber”, McLaren

& Sons, London 1967

91. PulfordC. T. R., J. Appl. Polym. Sci. 1983, 21, 709 92. Gent A. N , Rodgers W. R., J. Polym. Sci., Polym

Chem. Ed. 1985, 21, 829

93. MuhrA. H., Roberts A. D., Wear 1992, 111 213 94. MuhrA. H, Thomas A. G., Proc. of Int. Conf. on Rubber

& Rubber-like Materials, India, Jamshedpur 1986, 78 95. Bueche F, J. Polym. Sci. 1957, 24, 189

96. Ślusarski L., Kautsch. Gummi, Kunstst. 1992, 9, 705 97. Bieliński D., Ślusarski L., Proc. Ist World Congress

on Tribology, London 1997, 319

98. Brown P. S., Porter M., Thomas A. G., Kautsch.

Gummi, Kunstst. 1987, 40. 17 99. Vincent P. I , Polymer 1972, 11, 558 100. Boyer R. F, Polymer Lett,. 1976, 12, 925 101. Gent A. N , Rubber Chem. Technol. 1989, 61, 750 102. Gent A. N , Hindi, ibid. 1988, 61, 892

103. Bieliński D. M., Ślusarski L, Affrossman S., Hartshor- ne M, Pethrick R. A., J. Appl. Polym. Sci 1995,56, 853