Коэффициент трения пластиков: расчет и характеристики

О чем речь? Коэффициент трения пластиков — ключевой параметр, который во многом определяет сферу применения полимерных материалов и надежность изделий из них. От этой характеристики зависят износ деталей, энергозатраты на перемещение механизмов, стабильность работы узлов трения и даже безопасность эксплуатации целого ряда устройств.

Что учесть? Сейчас, когда пластики все активнее вытесняют металлы в машиностроении, медицине, упаковке, электронике и быту, понимание природы коэффициента трения и факторов, влияющих на него, приобретает особую актуальность. Грамотный выбор пластика с нужным уровнем трения повышает эффективность производства, продляет срок службы изделий и снижает эксплуатационные расходы.

Что такое коэффициент трения пластиков

Под коэффициентом трения понимают безразмерную величину, которая в числах определяет, как работает сопротивление при скольжении между двумя поверхностями, которые соприкасаются друг с другом. Проще говоря, этот показатель демонстрирует, как легко материалы прилипают друг к другу при движении в одном направлении. Обозначают этот коэффициент как COF (Coefficient of Friction). 

Определить его можно по специальной формуле:

μ = F/N,

где μ — коэффициент трения, F — сила трения (измеряется в ньютонах), N — нормальная сила (в ньютонах), работающая перпендикулярно поверхности контакта. 

Выделяют два основных вида коэффициента трения:

1. Динамический (кинетический). Подразумевает силу, которая нужна для продолжения движения поверхностей, которые начали скользить. Нужен для работы оборудования для упаковки. Данный коэффициент как правило на 20-30 % ниже, чем статический, применительно к полимерным материалам. 
2. Статический. Подразумевает силу, которая нужна для начала движения между двумя пока еще покоящимися поверхностями. Нужен, когда необходимо оценить стабильность штабелирования готовой упаковки.

Какие факторы оказывают влияние на коэффициент трения пластика:

• Температура. Когда она повышена, в полимерных цепях молекулы становятся более подвижными, это снижает коэффициент трения. 
• Тип полимера. Разные виды пластика показывают заметные различия, если речь заходит о показателе коэффициенте трения. Это позволяет выбрать правильный полимер под конкретные задачи. К примеру, политетрафторэтилен (фторопласт-4) обладает довольно низким показателем, поэтому его можно с успехом применять в высоконагруженных узлах. 
• Уровень обработки поверхностей. Если на поверхности есть неровности или брак, то это увеличивает трение.
• Влажность воздуха. Материалы гигроскипического типа (полиамиды) при сильной влажности получают увеличенный коэффициент трения, потому что на их поверхности происходит адсорбция влаги.

Чтобы измерить коэффициент трения, нужно следовать общепринятым стандартам и утвержденным методам:

• ASTM D1894. Этот стандарт измеряет статический и кинетический коэффициенты трения у пленок и листов из пластика. 
• ISO 8295. Это принятый в мире стандарт, который определяет коэффициент трения у пленок и листов. 
• ГОСТ 11629-2017. Данный метод позволяет определить коэффициент для пластмассы способом скольжения образцов по стальной плоскости контртела без смазки. Его используют в ходе испытаний, однако не применяют, если нужно рассчитать данные для изделия, работающего в узлах трения. 

Коэффициент трения применим на разных технических производствах. Это может быть выпуск упаковки, строительство автомобилей или домов. Чтобы подобрать подходящие свойства материалов и обеспечить продукции качество, увеличить производительные обороты, нужно точно измерять данный параметр.

Особенности пластика с низким коэффициентом трения

Пластик с низким коэффициентом трения — особый вид полимерных материалов, которые характеризуются минимальным сопротивлением при контакте с другими поверхностями. Эти материалы часто используются в производстве подвижных деталей, которые подвергаются нагрузкам и трению в процессе работы. Основные области применения таких пластиков включают механизмы и устройства, где требуется снизить износ и повысить эффективность работы, например, в автомобилях, производстве бытовой техники, а также устройствах для тяжелой промышленности.

Низким коэффициентом трения обладают материалы, которые являются скользкими и прочными. Они могут выдерживать разные уровни нагрузки и не разрушаются. Обычно для таких целей выбирают материал, который в естественных условиях не боится фрикций, а также виды пластика, которые модифицированы для улучшения их скользящих свойств. Эти полимеры обладают особой текстурой, содержат различные добавки, улучшающие свойства при использовании.

Рассмотрим характеристики, оказывающие влияние на коэффициент трения пластика:

• Твердость материала. Твердые пластики лучше сохраняют свойства, когда на них оказывается большая нагрузка. Также они менее подвержены износу. Это позволяет дольше сохранять низкий коэффициент трения.
• Состав материала. Чтобы снизить трение, важно добавить в пластик смазки в виде графита, молибдена или политетрафторэтилена. Они образуют пленку, которая покрывает материал, это снижает сопротивление. 
• Гладкость поверхности. Когда поверхность гладкая и ровная, коэффициент трения значительно снижается. Это очень важный фактор, потому что деталь при литье будет менее подвержена браку.

Если пластик имеет низкий коэффициент трения, то деталь из него прослужит долго, характеристики продукта будут улучшены, а энергозатраты заметно снижены. Выбирайте материал правильно, ориентируйтесь на сферу использования, чтобы продукт получился прочным и эффективным.

Читайте также!

Стойкость пластиков к химическим и внешним воздействиям

Подробнее

Типы пластика с низким коэффициентом трения

Есть несколько типов материалов, которые имеют низкий коэффициент трения. Их активно используют на производствах. У них имеются различные свойства, которые позволяют применять их к разным сферам. Разберем самые известные типы пластика и их главные характеристики:

• Полиэтилен (PE). У этого материала низкий коэффициент трения. Его активно задействуют при изготовлении различных деталей. Это касается устройств, где нужно соприкасаться с другими поверхностями, например, скользящими или направляющими в механизмах. Данный материал устойчив перед химическим воздействием и не боится низких температур.
• Полиамид (PA). Если его обрабатывать веществами по типу графита или политетрафторэтилена, то он обладает прекрасными антифрикционными свойствами. Из материала делают детали, которые активно подвергаются давлению, трению, нагрузке. К примеру, это могут быть втулки или подшипники. Полиамид хорошо воспринимает высокие температуры, это позволяет широко использовать его в различных условиях.
• Политетрафторэтилен (PTFE). Этот материал в широких кругах известен как тефлон. Он считается одним из самых скользких видов, который активно задействуется при производстве пластиков с низким коэффициентом трения. Он хорошо защищен от химического воздействия, устойчив перед высокими температурами и прекрасно переносит трение о другую поверхность. Его используют для создания покрытия для разных поверхностей, которые минимально обеспечивают трение, также применяется при создании прокладок и уплотнителей.
• Полипропилен (PP). Он тоже входит в число материалов, которые обладают минимальным коэффициентом трения, при этом механические свойства у него отличные. Он не боится воздействия химии, его активно применяют для создания деталей, которые будут работать в условиях соприкосновения с другой поверхностью. Довольно жесткий и устойчивый перед всякого рода химией.

У разных типов пластика имеется набор уникальных свойств, поэтому при выборе материала надо ориентироваться на характеристики, которые ожидаются от конечного изделия. Также важно учитывать условия использования детали или продукта. Нужно понять, сколько циклов может выдержать материал, чтобы применять его в производстве. Выбирайте те детали, которым необходимо обладать низким коэффициентом трения. Не забывайте о свойствах, связанных с воздействием разного уровня температур, а также химических веществ.

Критерии выбора пластика для литья с низким коэффициентом трения

Чтобы сделать правильный выбор пластика для литья с небольшим коэффициентом трения, необходимо учитывать различные факторы. Для начала обратите внимание на условия использования, требования к химическим и механическим свойствам материала. Чтобы это понять, нужно изучить условия эксплуатации. Также посмотрите, какие нагрузки необходимо выдерживать выбранной детали или предмету. Не забывайте изучить температурные условия при воздействии на материал и нагрузку в виде химических веществ, которые тоже оказывают определенное влияние на различные материалы.

• Условия использования. Если деталь нужно задействовать в условиях с высокими температурами, выбирайте пластики типа полиамид или PTFE, они обладают хорошей теплостойкостью. Если же вы эксплуатируете деталь в условиях, где она подвергается химическому воздействию, то выбирайте полипропилен или полиэтилен.
• Механические нагрузки. Учитывайте, какой вес может выдержать ваша деталь. Если нужно, чтобы она не боялась механического воздействия, выбирайте прочные и износостойкие пластики. К ним, например, относится полиамид. Его часто используют при изготовлении втулок и подшипников.
• Износостойкость. Дольше всего проживут детали, которые имеют высокие антифрикционные свойства. Обычно это материалы с добавками. К примеру, полиамид, который усилен при помощи графита.

Перед тем как сделать выбор, обратите внимание на финансовую сторону вопроса. Некоторые виды пластика могут быть гораздо дороже, чем может показаться. В конечном итоге неправильная покупка может повлиять на стоимость всего производства деталей или механизмов. Учитывайте то, что материал обязательно должен иметь низкий коэффициент трения, обладать нужными свойствами, но при этом не превышать порог определенной стоимости.

Часто задаваемые вопросы о коэффициенте трения пластиков

Зачем определять коэффициент трения пластиков?

Это нужно, чтобы:

• выбрать правильный материал для медицинских изделий и имплантатов;
• спроектировать узлы трения в виде шестеренок, направляющих или подшипников;
• произвести настройки скольжения пленок на упаковочном или печатном станке;
• разработать детали для автомобилей или самолетов;
• подобрать правильный материал для изготовления бытовых изделий или спортивного инвентаря;
• проконтролировать качество при изготовлении листов, профилей и труб. 

Какие особенности оказывают влияние на коэффициент трения пластика?

К ним относят:

• температуру воздуха и влажность;
• температуру самого материала;
• скорость скольжения;
• наличие обработки материала смазкой;
• наличие в материале влаги или грязи;
• текстуру поверхностей и наличие шероховатости;
• уровень давления между поверхностями;
• наличие в пластике примесей в виде наполнителей, смазки или антифрикционных веществ;
• время воздействия и уровень износа поверхностей.

Читайте также!

Прочность пластиков как важнейшая характеристика материала

Подробнее

Каковы обычные значения коэффициента встречаются у наиболее часто используемых типов пластика?

• тефлон: 0,04–0,10;
• полипропилен: 0,30–0,50;
• поликарбонат: 0,35–0,55;
• нейлон: 0,20–0,40;
• полиоксиметилен, делрин: 0,15–0,30;
• АБС-пластик: 0,40–0,60;
• полиэтилен: 0,20–0,40.

Каким образом можно поменять коэффициент трения пластика?

Как повлиять на скольжение:

• применяйте композитные материалы с армированием;
• добавляйте смазку в виде силикона, воска или твердых веществ;
• добавляйте наполнители в виде талька, дисульфида молибдена или графита;
• меняйте тип поверхности с помощью методов полировки, шлифовки или текстурирования;
• наносите различные покрытия – от керамических до тефлоновых или антифрикционных;
• меняйте молекулярную структуру полимера с помощью модификации сополимеров.

Влияет ли температурный режим на показатель?

При повышении градуса термопласты теряют коэффициент трения из-за размягчения. Когда температура близка к режиму плавления, коэффициент увеличивается. Некоторые пластики имеют определенный диапазон температур, при которых коэффициент будет минимальным. При фазовых переходах кристаллические полимеры способны менять показатель.

Не стоить игнорировать такой параметр, как коэффициент трения пластика. Он способен повлиять на качество конечного продукта, увеличить срок эксплуатации и задать необходимые характеристики детали. Его значение зависит от ряда факторов, это может быть тип и состояние поверхности, уровень влажности и температура, наличие смазок и защитных покрытий. Если инженер или технолог на производстве разбирается в теме, то он может правильно подобрать материал для определенных задач. Например, при изготовлении упаковок, деталей по типу втулок, высоконагруженных узлов трения. Если посчитать коэффициент правильно, то можно построить надежную и качественную конструкцию, которую на заводе будут использовать долгие годы. Данный показатель критически важен на производствах, но перед этим нужно проводить предварительные испытания пластика с поверхностью, потому что коэффициент трения не является определяющим параметром для этого материала.

Источник изображения в шапке: freepik / magnific.com