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Faktoren, die die Reib- und Verschleißeigenschaften von Kautschuk beeinflussen

2019-11-08View Original

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Aufgrund seiner hohen Elastizität und niedrigen Modulzahl wird die Reibungs- und Abnutzungsleistung von Kautschuk stark von seinen eigenen physikalisch-mechanischen Eigenschaften beeinflusst. Die Härte des Gummis ist gering. Wenn er mit starren Objekten in Berührung kommt, ist die tatsächliche Kontaktfläche groß. Die Größe der tatsächlichen Kontaktfläche ist ein wichtiger Faktor für den Reibungswiderstand. Daher hat die Härte des Gummis einen großen Einfluss auf seine Reibungs-eigenschaften. Der viskoelastische Parameter tanδ des Gummis hat einen direkten Einfluss auf die Reibkraft. Wenn der Grad der Vernetzung des Gummis abnimmt, steigt tanδ an – dadurch erhöht sich auch die Reibkraft. Der Reibungskoeffizient sowie der Verschleiß nehmen ebenfalls zu. Aus physikalisch-chemischer Sicht gilt: Je schwächer die Vernetzung ist, desto höher ist der Abnutzungsgrad – denn eine geringere Vernetzung lässt sich leicht durch mechanische Belastungen zerstören. Studien haben gezeigt, dass die Bestrahlung mit Elektronenstrahlen zu einer erhöhten Vernetzung des EPDM-Kautschuks führt, wodurch der Reibwert sinkt. Das Niveau der Freien Energie der Gummioberfläche bestimmt die Stärke der Wechselwirkungskräfte zwischen dem Gummi und seinem Gegenstück, was wiederum den Haftungs- und Reibungswert des Gummis beeinflusst. Im Allgemeinen nimmt der Reibungskoeffizient mit zunehmender Oberflächenfreienergie zu. Bei der Füllung und Modifizierung von Kautschuk ändern sich nicht nur die physikalisch-mechanischen Eigenschaften des Kautschuks, sondern auch seine tribologischen Eigenschaften. Bei der Untersuchung von kloroprenbasiertem Kautschuk (SFRR), der mit einachsig orientierten Polyamidfasern verstärkt ist, sowie von natürlichem Kautschuk, der mit Aramidkurzfasern verstärkt ist, stellte man fest, dass das tribologische Verhalten der Materialien stark von der Richtung des Schiebens abhängt. Bei Scherkräften, die senkrecht zur Faserrichtung wirken, ist die Abnutzungsrate am geringsten, während sie bei Scherkräften in Richtung der Fasern am größten ist. Bei ölbeständigem Nitrilkautschuk, chlorsulfoniertem Polyethylenkautschuk und Fluorkautschuk führt das Hinzufügen von Schmierstoffen (wie Silikonölen, MoS2 usw.) dazu, dass MoS2 eine Schmierschicht auf der Oberfläche des Kautschuks bildet. Dadurch wird die Oberflächenenergie sowie der Hystereseeffekt verringert, wodurch der Reibungskoeffizient erheblich gesenkt werden kann. Durch die Verwendung der eigenen Ionen zur Unterstützung des Ionenbeschichtungsverfahrens kann auf der Oberfläche des Gummis eine Schicht aus Metallen wie Kupfer, Titan, Wolfram oder Zirkon aufgetragen werden. Dadurch wird die tatsächliche Kontaktfläche zwischen dem Gummi und dem Gegenstück erheblich verringert, wodurch die Reibung stark gesenkt wird. Chlorigierung kann auch den Reibungskoeffizienten des Gummis sowie seine Abhängigkeit von der Schubgeschwindigkeit und der Temperatur verringern. Der Reibungswiderstand von Kautschuk steht in direktem Zusammenhang mit den viskoelastischen Parametern tanδ sowie dem Elastizitätsmodul. Das Elastizitätsmodul nimmt mit steigender Temperatur ab, während tanδ zunächst mit der Temperatur ansteigt und anschließend wieder abfällt (der Temperaturwert des Extremwerts liegt unter 0°). Mit steigender Temperatur sinkt die Elastizitätsmodul des Gummis, und der Abstand zwischen den Abnutzungsmerkmalen nimmt zu. Unter hohen Temperaturen nimmt aufgrund der starken Alterung des Gummis die Reißfestigkeit ab, wodurch die Abnutzungsrate erheblich ansteigt. Zudem weist die Abnutzungsrate periodische, große Schwankungen auf. Durch das Vorhandensein eines Schmierstoffs wird ein direkter Kontakt zwischen dem Gummi und der gegenüberliegenden Oberfläche verhindert. Dadurch verringert sich die Haftreibung erheblich, der Abstand zwischen den Abnutzungsstellen durch Gummiabrieb wird kleiner, und auch die Abnutzungsrate sinkt deutlich. Bei der Auswahl eines Schmierstoffs muss jedoch seine Auswirkung auf die Schwellung des Gummis berücksichtigt werden, sowie die chemische oder thermische Zersetzung des Gummis durch das Schmieren mit Öl bei hohen Temperaturen – andernfalls kann dies die Abnutzung verschlimmern. Unter Schmierbedingungen mit Wasser (oder wässrigen Lösungen) variiert je nach Duale der Einfluss des Wassers auf die Reibungs- und Abnutzungs Eigenschaften von Kautschuk und Duale. Wenn das Duale eine träge Substanz wie Glas ist, kann die Wasserschicht eine sehr gute Schmierfunktion erfüllen. Der Reibungskoeffizient sinkt mit zunehmender Dicke der Schmierschicht. Wenn das Gegenstück besonders beweglich ist – wie zum Beispiel Stahl –, dann kommt es fast zu keiner Abnutzung des Gummis. Die Abnutzung des Gegenstücks hingegen ist im Vergleich zur Reibung zwischen trockenen Oberflächen deutlich größer. Kautschuk ist empfindlich gegenüber der Schwellung durch organische Lösungsmittel und Schmierstoffe. Im Allgemeinen zerstört die Schwellung das Vernetzungssystem des Gummis, was zu einer Abnahme der mechanischen Eigenschaften wie Härte und Reißfestigkeit führt und somit eine erhöhte Abnutzung verursacht. Thavamani et al. untersuchten mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) die Abnutzungsmechanismen von natürlichen Kautschuk, Butadien-Styrol-Kautschuk sowie gehärtetem Nitrilkautschuk unter verschiedenen Bedingungen. Sie stellten fest, dass bei geringer normaler Last keine typischen Abnutzungsmerkmale auftreten. Wenn der Kautschuk jedoch in Toluol oder Dimethylformamid aufquillt, können an seiner abgenutzten Oberfläche deutliche Abnutzungsmerkmale beobachtet werden. Denn nach dem Aufquellen des Gummis nimmt seine Reißfestigkeit ab, der Elastizitätsmodul sinkt deutlich, wodurch im Vergleich zum Zustand vor dem Aufquellen der Abstand zwischen den Abnutzungsstellen größer wird. Bei einigen Gummisorten mit aktiven Funktionsgruppen – wie NBR und HNBR – kann man von ihrer hohen chemischen Aktivität profitieren. Dadurch können sie mit bestimmten Lösungsmitteln reagieren, wodurch eine chemische Schicht auf der Oberfläche des Gummis entsteht. Diese Schicht verbessert die tribologischen Eigenschaften des Gummis. Durch die Schwellwirkung von Jodlösungen wurde Butylkautschuk modifiziert. Bei den modifizierten Varianten von NBR und HNBR sank der Reibungskoeffizient deutlich. Jod verbindet sich mit den Cyanogruppen auf der Oberfläche des Gummis und bildet so eine dünne, harte Modifikationsschicht. Diese Schicht verringert den Reibungswiderstand. Allerdings führt eine übermäßige Schwellung dazu, dass im Kautschuk eine dickere Modifizierungs Schicht entsteht. Aufgrund der schlechten Verbindung dieser Schicht mit dem elastischen Kern führt dies wiederum zu erhöhtem Reibungswiderstand und verstärktem Verschleiß. Faktoren wie Geschwindigkeit und Belastung haben Einfluss auf die Reibungsabnutzung von Kautschuk. Im Allgemeinen nimmt der Reibungskoeffizient von Kautschuk mit zunehmender Last und Geschwindigkeit des Gleitens ab. Zu hohe Lasten und Geschwindigkeiten führen dazu, dass am Prüfkörper Wärme entsteht und die Oberfläche beschädigt wird.

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