PA66/GFの耐摩耗性を向上させる方法

PTFE、UHMWPE、または二硫化モリブデンを使用して、PA66/GF の耐摩耗性をどのように改善できるでしょうか?

摩擦と摩耗は、使用中に材料が遭遇する基本的な物理現象であり、機械システムの信頼性、耐用年数、エネルギー効率に大きな影響を与えます。ポリマーマトリックス複合材料は、低密度、適度なコスト、優れた加工性、高い設計柔軟性により、優れた摩擦特性を提供すると同時に装置の軽量化を可能にし、工業用の摩擦と摩耗の問題に対する効果的な解決策となります。

強化相としてのガラス繊維 (GF) は、摩擦中の荷重の分散に役立ち、マトリックスからの接着剤の移行を防ぎ、複合材料の熱伝導率と熱たわみ温度を向上させます。ガラス繊維強化 PA 複合材料は、実際の工学用途において多くの利点を実証していますが、厳しい使用条件下での耐摩耗性にはまだ改善の余地があります。

ポリマーマトリックス複合材料の耐摩耗性を向上させるために、多くの場合、固体潤滑剤が導入されて摩擦界面が改質され、それによって摩擦係数と摩耗率が低減されます。代表的な固体潤滑剤には、二硫化モリブデン (MoS2)、ポリテトラフルオロエチレン (PTFE)、超高分子量ポリエチレン (UHMWPE) などがあります。

PTFE の分子鎖間には弱いファンデルワールス力しかありません。規則正しい構造により層状結晶を形成し、界面で滑りやすく、優れた自己潤滑性を発揮します。最も広く使用されている固体潤滑剤の 1 つです。

一方、UHMWPEは耐衝撃性、低温性能に優れ、自己潤滑性も良好で摩擦係数が0.1に近い優れた高分子固体潤滑剤です。

MoS₂ は、特徴的な層状構造を持つ無機化合物です。その分子構造は-S-Mo-S-結合で構成されており、隣接する2つのS原子がMo原子の上下に位置し、S-Mo-Sの3層原子面を形成しています。層間の結合が弱いため、摩擦により層間がずれやすく、転写膜が形成されます。 PTFE や UHMWPE などのポリマー固体潤滑剤と比較して、MoS2 は通常、少量で使用されます。

この研究では、MoS₂、PTFE、UHMWPE の 3 つの代表的な固体潤滑剤を選択し、ガラス繊維強化 PA66 複合材料の機械的特性、摩擦係数、摩耗率に対するそれらの影響を体系的に調査しました。

1. PA66-GF30の機械的特性に対する各種固体潤滑剤の影響

UHMWPE 含有量が 3% から 10% に増加するにつれて、材料密度は減少傾向を示しました (1.36 g/cm3 から 1.33 g/cm3 へ)。これは UHMWPE の密度が低いことに起因します。引張強さ、曲げ強さともに低下傾向を示し、引張強さは185MPaから164MPaに低下し、曲げ強さは275MPaから237MPaに低下した。それに応じて、主に UHMWPE 自体の強度が低下したため、曲げ弾性率も低下しました。ただし、単純に支持された梁の材料のノッチ付き衝撃強度は 10.4 kJ/m 2 から 13.4 kJ/m 2 に増加し、UHMWPE の添加が材料の靭性を効果的に強化したことを示しています。 ＵＨＭＷＰＥ含有量が増加するにつれて（７．９ｇ／１０分から２．７ｇ／１０分へ）、ＭＦＲは著しく減少したが、これはＵＨＭＷＰＥの高分子量に関連している。

UHMWPE システムと比較して、PTFE の導入による機械的特性への影響は比較的小さいです。 10% および 15% PTFE を添加した後、引張強度は 175 ～ 178 MPa でほぼ安定しており、曲げ特性も比較的安定しています。 PTFE 含有量が増加するにつれて、材料密度は 1.43 g/cm3 から 1.47 g/cm3 に上昇しました。これは PTFE の密度が高くなったことが原因と考えられます。さらに、材料の MFR は比較的高いレベルに留まり、PTFE が材料の流動性にほとんど影響を与えないことを示しています。

2.5% MoS2 を添加した後、材料の機械的特性は本質的に変化せず、引張強度は 184 MPa、曲げ弾性率は 8,915 MPa にわずかに増加しました。密度は 1.39 g/cm3 まで適度に増加しました。特に、材料の MFR は 11.0 g/10 分に増加しました。これは、MoS2 の導入によりメルト フローが効果的に改善されたことを示しており、これは加工と成形にプラスの影響を及ぼします。

2. PA66-GF30の摩擦係数に対する各種固体潤滑剤の影響

この研究では、リングオンリング摩耗試験を使用して、さまざまな固体潤滑剤で改質された PA66-GF30 複合材料の摩擦特性を評価しました。試験条件は、低速条件（荷重30kg、滑り速度0.1m/s）と高速条件（荷重30kg、滑り速度0.5m/s）の2つを設定した。

低速条件下では、PA66/GF30 ベース配合の摩擦係数は 0.45 でした。 UHMWPE 含有量が 3% から 10% に増加するにつれて、摩擦係数は減少傾向を示し、値はそれぞれ 0.43、0.41、および 0.38 でした。 UHMWPE の潤滑メカニズムは主に、摩擦熱の影響下でのその軟化と移動に基づいています。 UHMWPE は PA66 よりも極性が低いため、摩擦中に相手表面に向かって優先的に移動し、潤滑剤として機能する低いせん断強度の界面層を形成します。しかし、UHMWPE 含有量が低い (3%) と、UHMWPE は摩擦界面に連続的かつ効果的な潤滑層を形成するのに苦労し、その結果、摩擦係数の低下が比較的限定的になります。

UHMWPE と比較して、PTFE はより顕著な潤滑効果を示します。 10% および 15% で添加すると、摩擦係数はそれぞれ 0.37 および 0.32 に減少しました。 PTFE は表面エネルギーが非常に低く、摩擦中に優先的に合わせ面に移動し、連続した緻密な転写フィルムを形成します。 PTFE 含有量が増加すると、転写フィルムの均一性、連続性、完全性がさらに向上し、その結果、界面接触がよりスムーズになり、摩擦係数が継続的に低下します。

2.5% MoS₂ を添加した後、材料の摩擦係数は 0.38 に減少し、10% UHMWPE を添加した場合に達成される結果と同等の結果になりました。 MoS₂ の潤滑機構はその独特な層状構造に基づいています。MoS₂ の層間結合力は比較的弱く、せん断応力下で層間滑りが起こりやすく、摩擦面に効果的な転写膜を形成して摩擦抵抗を低減します。

低速条件と比較して、高速摩擦下ではすべての材料の摩擦係数が大幅に減少し、値は 0.23 ～ 0.28 の範囲に集中しました。研究によると、滑り速度がポリマー材料の摩擦特性に影響を与えるメカニズムは複雑で、主に摩擦熱の発生と伝達、界面温度の変化などの要因が関与しています。

この研究の負荷と速度の範囲内で、PA66/GF30 システムは、滑り速度が増加するにつれて摩擦係数の減少を示しました。これは、摩擦界面温度の上昇、材料の軟化、および高速条件下でのより徹底的な潤滑膜の形成に関連している可能性があります。

要約すると、低速条件下では、さまざまな固体潤滑剤の潤滑性能は異なります。PTFE が最高の性能を発揮し、MoS₂ はより低い添加レベルで 10% UHMWPE に匹敵する潤滑性能を達成します。しかし、高速条件下では、さまざまな潤滑剤の性能は収束する傾向があり、高速摩擦条件下での界面での潤滑状態の改善は主に摩擦熱と界面温度によって引き起こされることが示されています。

3. PA66-GF30の摩耗率に対する各種固体潤滑剤の影響

低速条件下では、PA66-GF30 ベース配合物の摩耗量は 6 mg でした。 UHMWPE と PTFE を添加した後、材料の摩耗量は 0.1 ～ 0.5 mg に大幅に低下し、摩耗低減率は 90% 以上でした。これは、ポリマー固体潤滑剤が低速条件下で優れた摩耗低減性能を示すことを示しています。

対照的に、2.5% MoS2 を添加した後の摩耗率は 3.4 mg でした。これは基本配合よりも改善されたことを示していますが、摩耗の減少はわずか 43% であり、その効果はポリマー潤滑剤の効果よりもはるかに小さいものでした。

高速条件下では、すべての材料で摩耗率が大幅に増加しましたが、さまざまな潤滑剤間の性能の違いはさらに顕著になりました。基本処方の摩耗率は 70 mg まで急増しました。 UHMWPE 含有量が 3% から 10% に増加するにつれて、摩耗率は減少傾向を示し、それぞれ 36、30、および 23 mg の値を記録し、最大摩耗減少率は 67% でした。 10% PTFE を添加した場合、摩耗は 42 mg でした。 PTFE 含有量を 15% に増やすと、PTFE 含有量は 16 mg にさらに減少し、摩耗低減率は 77% に達し、最高の高速耐摩耗性を示しました。対照的に、2.5% MoS2 を含む複合材料の摩耗は 55 mg にとどまり、摩耗減少率はわずか 21% であり、有効性が限られていることを示しています。

ガラス繊維強化複合材料の摩耗挙動には、マトリックスポリマーの摩耗と繊維の摩耗の間の相乗的な相互作用が関与しており、転写膜形成の品質と繊維の摩耗による摩耗が材料の摩擦特性を決定します。ポリマー固体潤滑剤 (UHMWPE および PTFE) は、優れた膜形成特性と界面適合性を備えており、合わせ面上に連続的で安定した転写膜を迅速に形成できます。これらの転写フィルムは、摩擦界面での直接接触を効果的に隔離するだけでなく、ガラス繊維の緩みや剥離を防止し、繊維がマトリックスから引き抜かれたり、マトリックス内で切れたりする事例を大幅に減らし、それによって複合材料の全体的な摩耗を大幅に低減します。

MoS₂ の摩耗メカニズムはさらに複雑です。層状構造のため転写膜の形成は容易ですが、摩擦時に硬い砥粒が発生しやすく、摩擦界面に残留しやすいです。これらの粒子は三体摩耗を引き起こし、微細な切断と埋め込み効果を引き起こし、摩擦面に応力集中点を生成し、微細亀裂の発生と伝播を誘発します。周期的な荷重がかかると、亀裂は広がり続け、最終的には材料の剥離につながり、摩耗が増加します。

さらに、高速条件下での摩耗の大幅な増加に寄与するもう 1 つの重要な要因は、摩擦による温度上昇の影響です。図4に示すように、滑り速度が0.1m/sから0.5m/sに増加すると、摩擦面の温度は2倍近くに大幅に上昇します。摩擦熱が急速に蓄積すると、材料の粘弾性特性がトライボロジー性能に及ぼす影響が増大します。

摩擦転移理論によると、界面温度が上昇するにつれてポリマー材料の付着転移の傾向が高まり、摩擦プロセス中により多くのマトリックス材料が付着・剥離サイクルを受けることになり、摩耗が大幅に増加します。 3 つの潤滑剤はすべて、低速条件下、高速および高温条件下で摩擦界面温度を効果的に下げることができますが、冷却効果の違いが最終的な耐摩耗性能に直接影響することに注目する価値があります。

要約すると、ポリマー固体潤滑剤は、さまざまな動作条件下で優れた摩擦低減効果を示します。中でも PTFE は高速条件下で最も優れた耐摩耗性を発揮しますが、MoS₂ は摩耗機構の存在により高負荷高速条件下では摩擦低減効果が比較的限定的です。

(1) ガラス繊維強化 PA66 システムでは、さまざまな固体潤滑剤が材料の機械的特性にさまざまな影響を及ぼします。このうち、UHMWPE と PTFE は機械的特性に大きな影響を与えますが、MoS₂ の影響は比較的小さいです。

(2) UHMWPE、PTFE、MoS₂ はすべて、材料の摩擦係数を下げることができます。この効果は低速では顕著ですが、高速では一貫性があり、顕著ではなくなる傾向があります。

(3) UHMWPE や PTFE は優れた摩擦低減効果を示しますが、MoS₂ の摩擦低減効果には限界があります。摩擦速度が増加すると、温度がより顕著に上昇し、摩耗が大幅に増加します。