V časih, ko stremimo v smeri zelenega gospodarstva, vedno bolj narašča povpraševanje po uporabi okolju prijaznih triboloških sistemov. To je povzročilo, da se je industrija usmerila k novim materialom in mazanju z mazivi na vodni osnovi. Glede na nizko viskoznost vode morajo zato vodno mazani tribološki kontakti delovati v režimu mejnega ali mešanega mazanja, in to dolgotrajno, tekom celotne življenjske dobe. Seveda je pri tem najbolj kritično, da morajo zagotavljati nizko trenje in visoko odpornost proti obrabi pod temi zahtevnimi pogoji tako med zagonom, kot delovanjem in zaustavitvijo delovanja.
Za take zahtevne tribološke aplikacije so zato med polimeri najprimernejši visoko zmogljivi termoplasti, ki imajo odlične mehanske lastnosti, možnost recikliranja, nizko trenje, visoko odpornost proti obrabi, koroziji in različne kemične značilnosti. V raziskavah, opravljenih v Luleå-i in Ljubljani s številnimi polimeri je bilo ugotovljeno, da se polietilen z ultra visoko molekulsko maso (UHMWPE) dobro obnese v zmernih pogojih mazanja z vodo. Vendar pa podobni polimeri, in tudi UHMWPE, brez uporabe ojačitev in dodatkov v zahtevnih aplikacijah mejnega mazanja z vodo, ne dosegajo zadovoljivih rezultatov glede obrabe, trenja ter življenjske dobe. Eden od načinov za izboljšanje lastnosti in učinkovitosti polimerov je torej dodajanje ojačitev in dodatkov. Kombinirano dodajanje mikro in nano ojačitvenih materialov za ustvarjanje novih večskalnih kompozitov je v tem pogledu pokazalo velik potencial.
V tem doktorskem delu smo razviti in ovrednotili večskalne polimerne kompozite na osnovi UHMWPE za tribološke kontakte, mazane z vodo. Raziskava se začne z oceno vpliva velikosti delcev, molekulske mase in postopkov izdelave različnih vrst UHMWPE na njihove termomehanske lastnosti in tribološko delovanje. Ugotovljeno je bilo, da imajo vsi različni materiali UHMWPE podobne termomehanske lastnosti in tribološke lastnosti.
Na podlagi zbranih informacij in po izbiri ene vrste UHMWPE smo izdelali različne kompozite, ki vsebujejo ojačitve na osnovi ogljika, kot so nanodiamant (ND), grafen oksid (GO) in kratka ogljikova vlakna (SCF) v različnih količinah (wt%). Kompozit z ojačitvami na več skalah, ki vsebuje vse ojačitvene materiale v razmerju: UHMWPE (89wt%) + GO (0,5wt%) + ND (0,5wt%) + SCF (10wt%), je izkazoval najboljše tribološke lastnosti. Pri tem kompozitu se je tudi temperatura oksidacije in razgradnje zvišala, kar kaže na izboljšanje življenjske dobe večskalnega kompozita. Da bi še bolje ocenili njihovo življenjsko dobo smo razvite kompozite izpostavili pospešenemu higrotermnemu staranju. Ugotovljeno je bilo, da se celo po dolgotrajnem staranju pri povišani temperaturi in vlažnosti, struktura in tribološko delovanje večskalnega kompozita ni poslabšalo. Nadalje smo z namenom uporabe takšnih kompozitov v praktičnih aplikacijah raziskave in razvoj usmerili tudi v njihove časovno odvisne lastnosti. Analizirali smo viskoelastičnost (VE) in viskoplastičnost (VP) v kratkotrajnih testih lezenja. Poleg tega smo izvedli še podporne preskuse cikličnega obremenjevanja, da smo ocenili vplive na togost kompozita. Na splošno opazimo, da dodajanje ojačitev izboljša časovno odvisno vedenje. Natančneje, večskalni kompozit kaže najvišjo odpornost na lezenje in zmanjševanje togosti.
Za boljše razumevanje delovanja večskalnih kompozitov v hidroenergetskih aplikacijah in za njihovo približevanje uporabi v resničnem svetu smo dodatno preveriti njihovo tribološko obnašanje v ustreznih triboloških pogojih. To vključuje višji kontaktni tlak in različne pogoje mazanja, vključno s pomanjkljivim mazanjem (suhim), morsko vodo in klasičnim okolju prilagojenem mazivu (EAL). V triboloških testih, opravljenih s temi cilji, je bilo ugotovljeno, da je zmogljivost večskalnega kompozita odvisna od vrste mazanja. Kot zaključno študijo v tem doktorskem delu pa smo razviti večskalni kompozit primerjali z nekaterimi drugimi razvitimi in komercialnimi materiali. Ugotovljeno je, da je njegova tribološka zmogljivost v zahtevnih pogojih podobna ali enaka ostalim materialom.
Če torej povzamemo ugotovitve vseh izvedenih študij v okviru doktorskega dela, lahko na kratko zapišemo; ugotovljeno je bilo, da velikost delcev, molekulska masa ali postopek izdelave UHMWPE ne vplivajo na njegove termomehanske lastnosti in tribološko delovanje. Z uspešnim vključevanjem vseh predvidenih polnil in dodatkov, je bil v večskalnem kompozitu dosežen sinergijski učinek. Ta kompozit izkazuje 21% nižji koeficient trenja in 15% nižjo specifično stopnjo obrabe v primerjavi z osnovnim UHMWPE pri mazanju z vodo. Podaljšana življenjska doba večskalnega kompozita je razvidna iz njegove višje temperature oksidacije in razgradnje ter sposobnosti, da ohrani dobro tribološko delovanje tudi po higrotermičnem staranju. Opazili smo do 77% oziroma 70% izboljšanje modula in napetosti tečenja. Določeni so bili parametri za model viskoplastične deformacije za kompozite UHMWPE in napovedano je bilo obnašanje večskalnega kompozita za dolgotrajno delovanje. Pri mazanju z morsko vodo se z večskalnim kompozitom doseže največje zmanjšanje koeficienta trenja, kar za 77%, in specifične stopnje obrabe zmanjšane celo za 88%, v primerjavi z osnovnim UHMWPE. Pri enakih razmerah se pri mazanju z mazivom EAL obraba zmanjša za 75%. Dobljeni izvirni rezultati bodo prispevali k nadalnjemu razvoju novih večskalnih kompozitov na osnovi UHMWPE za aplikacije z vodnim mazanjem
|
