С распространением и доступностью нанотехногий все большее применение в смазочных материалах имеют уникальные химические материалы. В журнале autoExpert №12`2013 мы дали достаточно полное описание состава и характеристик универсальных смазок для автосервиса, а сегодня расскажем о некоторых передовых разработках на основе полимеров в автомобильных смазках и спецпродуктах для автосервиса.
Полимеры в автомобилестроении
С кузовом и стеклами из фторопласта, с полностью закрытым двигателем из фторопластовых частей, приводимым в движение струей паров термически устойчивых фторуглеродов, начинённым не требующими замены фторуглеродными смазками, тормозной и охлаждающими жидкостями, с шинами из фторэластомеров, более долговечными, чем сам автомобиль, с салоном и сиденьями, облицованными материалами и покрытыми тканями, пропитанными огнестойкими фторуглеродами. Если эту картину дополнить образом сидящего за рулем водителя, который ранее, пользуясь автомобилем обычного типа, попал в тяжёлую аварию, но был чудесным образом исцелён благодаря фторуглеродным кровезаменителям, медицинского инструментария и искусственных органов, в том числе и сердца из фторопластов, то мы получим концентрированную картину той роли, которую играют фторполимеры в нашей жизни.
А если серьезно, то в автомобилестроении полимеры, и фторполимеры в частности, играют существенную роль. Например, почти три четверти внутренней отделки салонов легковых автомобилей, автобусов выполняется ныне из декоративных пластиков, синтетических пленок, тканей, искусственной кожи. С достижением у полимерных материалов необходимой прочности и теплостойкости им стали доверять все более и более ответственные задачи. Рубеж прочностных свойств полимерных материалов удалось преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом стекло- и углепластикам. Роль полимеров в автомобилестроении продолжает расти, и по прогнозам все больше будет проявляться из-за ряда их преимуществ перед металлами.
Полимеры: как все начиналось…
Освоение процесса полимеризации было тесно связано с автомобильной отраслью с самого начала. Еще в 1839 г. американский предприниматель и изобретатель Гудиер разработал процесс вулканизации. Попытки различных ученых синтезировать первые полимеры приводили к осмолению материалов, что останавливало их дальнейшие исследования. Однако уже в 1860 г. был изготовлен целлюллоид, первый сделанный человеком термопласт. Это считается датой рождения всей полимерной индустрии. В 1907 г. был синтезирован первый синтетический полимер — бекелит. На основе эфиров целлюлозы накануне Второй Мировой были основаны производство пленок, волокон, нитрокрасок и загустителей. Примерно в то же довоенное время были открыты синтетический каучук, поливинилхлорид и плексиглас, что отобразилось на строительстве военной техники и автомобилей.
Наиболее распространенным и применяемым видом синтетических полимеров являются разнообразные пластмассы и пластики. Одну из сенсаций в полимерах произвело открытие в 1938 г. уникального вещества — политетрафторэтилена (ПТФЭ (рус.) или PTFE (англ.)), который на сегодняшний день стал одним из наиболее распространенных и известных фторполимеров.
Несмотря на упорные заверения в обратном, политетрафторэтилен появился не как побочный продукт космической программы. Политетрафторэтилен был открыт в апреле 1938 года 27-летним учёным-химиком Роем Планкеттом из компании Kinetic Chemicals, который случайно обнаружил, что газообразный тетрафторэтилен (C2F4), закачанный им в баллоны под давлением и помещенный на несколько дней в холодильник с сухим льдом, спонтанно полимеризовался в белую парафиноподобную массу. Мало того, что материал, названный политетрафторэтиленом, обладал необычайно скользкой поверхностью, он оказался поразительно стойким к воздействию практически всех химикатов и растворителей, включая сильно разъедающие кислоты.
Предприимчивые американцы быстро нашли новому открытию практическое применение — сначала в «Проекте Манхэттен» (кодовое название программы по созданию ядерного оружия в 1942-1946 годах), а затем для кухонной утвари.
В 1941 году компании Kinetic Chemicals был выдан патент на материал, а в 1949 году она стала подразделением американской компании DuPont.
Слово «Тефлон» является зарегистрированной торговой маркой корпорации DuPont. Непатентованное название вещества — «политетрафторэтилен» или «фторополимер». В СССР и России традиционное техническое название этого материала — фторопласт.
Фторопласт — белое, в тонком слое прозрачное вещество, по виду напоминающее парафин или полиэтилен. Плотность по ГОСТ 10007-80 от 2,18 до 2,21 г/см 3 . Обладает высокой тепло- и морозостойкостью, остается гибким и эластичным при температурах от -70 до +270°C, прекрасный изоляционный материал. Обладает очень низкими поверхностным натяжением и адгезией и не смачивается ни водой, ни жирами, ни большинством органических растворителей.
Тефлон — мягкий и текучий материал, в оригинальном виде имеет ограниченное применение в нагруженных конструкциях. DuPont указывает температуру начала деструкции согласно стандарту ASTM D3418 для разных типов тефлона от 260°С до 327°С.
Связь углерод-фтор на сегодняшний день считается одной из наиболее прочных химических связей. Как следствие, по своей химической стойкости политетрафторэтилен превосходит все известные синтетические материалы и благородные металлы. Не разрушается под влиянием щелочей, кислот и даже смеси азотной и соляной кислот. Разрушается расплавами щелочных металлов, фтором и трифторидом хлора.
Фторопласт — великолепный антифрикционный материал, с коэффициентом трения скольжения наименьшим из известных доступных конструкционных материалов (даже меньше, чем у тающего льда). Из-за мягкости и текучести цельные подшипники скольжения из фторопласта используют редко. В высоконагруженных узлах применяют металлофторопластовые подшипникивкладыши и металлофторопластовые опорные ленты. Такой элемент скольжения выдерживает десятки килограммов на квадратный миллиметр и состоит из металлической основы, на которую нанесено фторопластовое покрытие.
PTFE-смазки
Использование пластиков как синтетических органических загустителей привело к новым разработкам в области смазочных материалов. PTFE оказался одним из самых термоустойчивых загустителей для высокотемпературных смазок и смазок длительного использования, базовыми маслами которых являются высококачественные масла, такие как перфторалкиловое сложноэфирное синтетическое масло.
Таким образом появилась группа смазок общего применения, появившаяся на свет примерно около сорока лет назад. Их еще называют тефлоновыми смазками. В отличие от всех других типов смазок, в которых в качестве загустителей в основном используются соединения лития, кальция и реже ряд других соединений, в тефлоновых смазках загустителем базового масла является ультрадисперсный порошок тефлона. Тефлоновые смазки в зависимости от свойств базового масла прекрасно работают в диапазоне температур от -50 до +260°С. Срок их эксплуатации, особенно при температурах выше +150°С, в 10 -15 раз превышает срок эксплуатации практически всех остальных типов смазок. Образующаяся на поверхности пар трения тефлоновая плёнка толщиной несколько микрон резко снижает коэффициент трения, предотвращает контакт деталей между собой и защищает металлические поверхности от коррозии.
Все выше перечисленное делает PTFE-смазки, по мнению специалистов Национального института пластичных смазок (США), смазками XXI века. Сегодня тефлоновые смазки есть в номенклатуре практически всех ведущих производителей смазочных материалов.
Однако следует помнить, что подобные смазки могут применяются в автомобильных узлах только строго по инструкции завода-производителя автомобиля.
PTFE в смазках
Эксперименты с политетрафторполимером привели к использованию его в промышленности масел и смазок, в том числе и для автомобилей. Широко распространенным, и как показала практика, оправданным является введение в различные смазки мелкодисперсного PTFE, который, оседая на трущихся металлических поверхностях, в ряде случаев позволяет механизмам некоторое время работать с полностью отказавшей системой смазки только за счет антифрикционных свойств фторопласта.
Дальнейшие эксперименты с фторопластом для достижения более высоких прочностных характеристик ведутся уже давно. Ученые несколько десятилетий успешно экспериментируют с введением во фторопласты таких наполнителей, как кремний, графит, бронза, кокс, дисульфид молибдена и прочее для получения необходимых характеристик. Это позволяет в 200-1000 раз уменьшить износ уплотнительного элемента, в несколько раз увеличить теплопроводность, в 5-10 раз увеличить прочность при сжатии и твердость, сохраняя их высокую стойкость к агрессивным средам. Введение во фторопласт углеволокна приводит к значительному повышению температуры термической деформации, прочности, твердости, модуля сдвига, стабильности размеров, сопротивления ползучести и деформации под влиянием долговременной нагрузки.
Cerflon
Отдельно следует выделить одну из последних разработок на основе политетрафторэтилена. Успешные исследования армирования ПТФЭ нитридом бора американских ученых привели к синтезу уникального материала под названием Cerflon. Введение нитрида бора в матрицу ПТФЭ позволило в сотни раз уменьшить износ, в несколько раз уменьшить теплопроводность, прочность при сжатии и твердость. Также введение во фторопласт нитрида бора привело к значительному повышению температуры термической деформации, модуля сдвига, стабильности размеров, сопротивления ползучести и деформации под влиянием долговременной нагрузки.
Cerflon позволяет намного уменьшить износ уплотнительного элемента, в несколько раз увеличить теплопроводность, увеличить прочность при сжатии и твердость материала.
Добавление нитрида бора позволило существенно увеличить срок службы и износостойкость фторполимера. Кроме того, нитрид бора сам по себе является хорошим смазочным агентом, поэтому фторполимер и нитрид бора долго остаются на поверхности, обеспечивая граничную смазку деталей.
Нитрид бора является одним из самых твердых материалов на планете, приближающимся по своим свойствам к алмазу. Также он успешно используется в качестве присадки к разнообразным смазочным материалам, потому что, как уже говорилось, обладает отличными смазывающими свойствами.
С 90-х годов прошлого века значительно расширились области применения нитрида бора в различных областях современной техники благодаря его неординарным химическим, механическим, оптическим и электрическим свойства. Указанные свойства сохраняются в широком температурном диапазоне, где нитрид бора проявляет высокую стойкость (в инертном и восстановительном средах стоек до 1800, в вакууме — до 1400 и в окислительной среде — до 1100°С).
Подготовил Максим Белановский, autoExpert №1’2014