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Factores que afectan el rendimiento en términos de fricción y desgaste del caucho

2019-11-08View Original

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Debido a su alta elasticidad y bajo módulo de elasticidad, las propiedades de desgaste por fricción del caucho están muy influenciadas por sus propias propiedades físico-mecánicas. La dureza del caucho es baja; cuando entra en contacto con objetos rígidos, el área de contacto real es mayor. La magnitud del área de contacto real es un factor importante que determina la fricción. Por lo tanto, la dureza del caucho tiene una gran influencia en sus propiedades de fricción. El parámetro de viscoelasticidad del caucho, tanδ, tiene un impacto directo en la fuerza de fricción. Cuando disminuye el grado de reticulación del caucho, tanδ aumenta; por lo tanto, también aumenta la fuerza de fricción. Asimismo, aumentan el coeficiente de fricción y el desgaste. Desde el punto de vista de la físico-química, cuanto más débil es la reticulación, mayor es la tasa de desgaste, ya que una reticulación de menor intensidad se destruye fácilmente bajo la acción de las fuerzas mecánicas. Los estudios han demostrado que la irradiación con haces de electrones aumenta el grado de reticulación del caucho terpolímero de etileno-propileno, lo que a su vez reduce la fricción. El nivel de energía libre de la superficie del caucho determina la magnitud de la fuerza de interacción entre el caucho y su pareja, lo cual a su vez afecta la fricción adhesiva del caucho. En general, el coeficiente de fricción aumenta a medida que aumenta la energía libre de la superficie. Al modificar el caucho mediante la adición de materiales de relleno, además de cambiar sus propiedades físico-mecánicas, también se modifican sus propiedades tribológicas. Al estudiar el caucho cloropreno reforzado con fibras de poliamida orientadas unidireccionalmente (SFRR) y el caucho natural reforzado con fibras cortas de aramida, se descubrió que el comportamiento tribológico del material está estrechamente relacionado con la dirección del deslizamiento. La tasa de desgaste es más baja cuando el deslizamiento ocurre perpendicular a la orientación de las fibras, mientras que es máxima cuando el deslizamiento ocurre a lo largo de dicha orientación. En los caucho nitrílico resistente al aceite, el caucho de polietileno clorosulfonado y el caucho fluorado, al añadir lubricantes como aceites de silicona o MoS2, se observa que este último puede formar una capa lubricante en la superficie del caucho. Esto permite reducir la energía superficial y el efecto de retardo, lo que a su vez disminuye significativamente el coeficiente de fricción. Mediante el recubrimiento iónico asistido por iones propios, se puede depositar en la superficie del caucho una capa de metales como cobre, titanio, tungsteno y zirconio. Esto permite reducir efectivamente el área de contacto real entre el caucho y su contraparte, disminuyendo así significativamente la fricción. La cloración también puede reducir el coeficiente de fricción del caucho y su dependencia de la velocidad de deslizamiento y de la temperatura. La fricción del caucho está directamente relacionada con los parámetros de viscoelasticidad tanδ y el módulo elástico. El módulo elástico disminuye a medida que aumenta la temperatura, mientras que tanδ aumenta al principio y luego disminuye con el aumento de la temperatura (la temperatura del punto de extremo es inferior a 0°). A medida que aumenta la temperatura, el módulo de elasticidad del caucho disminuye, y la distancia entre las marcas de desgaste se incrementa. Bajo condiciones de alta temperatura, debido al grave envejecimiento del caucho, la resistencia a la rotura disminuye, lo que provoca un aumento significativo en la tasa de desgaste. Además, esta tasa de desgaste varía de manera periódica y en grandes magnitudes. La presencia de un lubricante impide el contacto directo entre el caucho y la superficie con la que está en contacto. De este modo, la fricción por adhesión disminuye significativamente. Además, se reduce la distancia entre las marcas causadas por el desgaste de los granos de caucho, y la tasa de desgaste también disminuye considerablemente. Pero al elegir un lubricante, es necesario tener en cuenta su efecto de hinchamiento sobre el caucho, así como la degradación química o térmica del caucho causada por el uso de aceites a altas temperaturas; de lo contrario, esto podría aumentar el desgaste. Bajo condiciones de lubricación con agua (o soluciones acuosas), dependiendo del dúo en cuestión, el efecto del agua en las propiedades de desgaste por fricción entre el caucho y dicho dúo también varía. Cuando el material opuesto es inerte (como el vidrio), la capa de agua puede desempeñar una función de lubricación muy eficaz; el coeficiente de fricción disminuye a medida que aumenta el espesor de la película lubricante. Cuando el contraparte es más resistente (como el acero), el caucho prácticamente no sufre desgaste; en cambio, el desgaste del contraparte es mucho mayor que en el caso de la fricción seca. El caucho es bastante sensible a la expansión causada por los disolventes orgánicos y los lubricantes. En general, la hinchazón destruye el sistema de reticulación del caucho, lo que provoca una disminución en sus propiedades mecánicas como la dureza y la resistencia al desgarro, y a su vez aumenta el desgaste. Thavamani y colaboradores utilizaron un microscopio electrónico de barrido (SEM) para estudiar el mecanismo de desgaste del caucho natural sulfurado, el caucho butadieno estireno y el caucho nitrilo hidrogenado bajo diferentes condiciones. Descubrieron que, cuando la carga normal es baja, no se observan patrones típicos de desgaste. Sin embargo, cuando el caucho se hincha en tolueno o dimetilformamida, se pueden observar patrones claros de desgaste en su superficie. Esto se debe a que, tras la expansión del caucho, su resistencia al desgarro **disminuye**, y su módulo elástico también disminuye significativamente. Por lo tanto, en comparación con antes de la expansión, la distancia entre las marcas de desgaste aumenta. En el caso de algunos caucho con grupos funcionales activos (como el NBR y el HNBR), se puede aprovechar su alta actividad química para hacer que reaccionen con ciertos solventes. De esta manera, se forma una capa química en la superficie del caucho, lo cual mejora sus propiedades tribológicas. Se ha modificado el caucho nitrílico utilizando soluciones de yodo; como resultado, el coeficiente de fricción del NBR y del HNBR modificados disminuyó significativamente. El yodo se combina con los grupos cianuro en la superficie del caucho, formando una capa delgada y dura que modifica las propiedades del material. Esta capa tiene como efecto reducir la fricción. Sin embargo, la hinchazón excesiva hace que el caucho forme una capa modificada más gruesa; como su unión con el cuerpo elástico es deficiente, esto provoca un aumento de la fricción y, por ende, un mayor desgaste. Factores como la velocidad y la carga influyen en el desgaste por fricción del caucho. En general, el coeficiente de fricción del caucho disminuye a medida que aumentan la carga y la velocidad de deslizamiento. Una carga y una velocidad de deslizamiento excesivas pueden causar generación de calor en la muestra, así como daños en su superficie.

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