Modification of Polyether ether ketone for higher wear durability in tribological applications

Abstract

يعتبر كيتون الإيثر عديد الإيثر ( بولي الكيتونات) من البوليمرات الهندسية لتميزه بعدة مزايا منها خفة الوزن و الاستقرار الحراري والقوة بالإضافة للمتانة ، لذا فإنه يستعمل كبديل لبعض المعادن في تطبيقات المدحرجات و أجزاء المكابس والمضخات و المواد المستخدمة في التطبيقات الحيوية. يعيب بولي الكيتونات ضعف مقاومته للتآكل وارتفاع معامل الاحتكاك تحت تأثير القوى العالية، وهو ما يحد من استخدامه على نطاق واسع. تتراوح قيمة معامل الاحتكاك لبولي الكيتونات بين 0.22 و 0.38 ، وهو أعلى من مقابله للبولي إثيلين فائق الوزن الجزيئي المرتفع ( ≈0.11 ) ولمتعدد رباعي فلورو الإيثيلين ( ≈0.06 ). أثبتت الدراسات أن معامل الاحتكاك لبولي الكيتونات أكبر بثمانية مرات من معامل احتكاك للبولي إثيلين فائق الوزن الجزيئي المرتفع ، ولذا فإن تحسين أداء بولي الكيتونات من جهة الاحتكاك - ممثلة في الحصول على معامل احتكاك منخفض و مقاومة عالية للتآكل- يعد ضروريا للتمكن من استخدامه في تطبيقات مختلفة. اتبعت طرق مختلفة في هذا السياق لتحسين أداء الاحتكاك لبولي الكيتونات ومنها تقويته باستخدام أنواع مختلفة من الحشوات النانوية كأنابيب الكربون النانوية والجرافين وألياف الزجاج وألياف الكربون، والتي وجد أنها جميعا تزيد من مقاومة البولي الكيتونات للاحتكاك. إلى جانب ذلك ، أضيفت بوليمرات أخرى لتحسين أداء بولي الكيتونات كالبولي إثيلين فائق الوزن الجزيئي المرتفع ومتعدد رباعي فلورو الإيثيلين، والتي نتج عنها تخفيض معامل الاحتكاك ومعدل التآكل. اتخذت هذه الدراسة اتجاها آخرًا متميزا في تحسين أداء الاحتكاك لبولي الكيتونات ، وذلك عن طريق طلائه بطبقة رقيقة من البولي إثيلين فائق الوزن الجزيئي المرتفع، والذي يتميز بانخفاض معامل احتكاكه ومقاومته الشديدة للكشط بالإضافة لامتلاكه لأعلى قوة اصطدام عند مقارنته باللدائن الحرارية المعروفة.بالإضافة لما سبق، يتميز البولي إثيلين فائق الوزن الجزيئي المرتفع بكونه مناسبا لاستخدامه كمادة طلاء رقيقة على الأسطح المعدنية في صورته الأولية و المركبة في البيئات الجافة والمزيتة نظرًا لمقاومته العالية للتآكل وانخفاض معامل احتكاكه عند اختباره مقابل المواد المعدنية والسيراميكية. تركز هذه الدراسة على اختبار إمكانية استخدام طبقة طلاء رقيقة من البولي إثيلين فائق الوزن الجزيئي المرتفع على بولي الكيتونات لتحسين أداء الاحتكاك، وذلك بدراسة أثر القوة العمودية وسرعة الانزلاق في مقابل كرة الصلب المقاوم للصدأ في ظروف جافة. أجريت اختبارات التآكل باستخدام نظام الكرة والقرص لتقييم أداء الاحتكاك لعديد الإيثر المعالج بالبلازما والمطلي بالبولي إثيلين فائق الوزن الجزيئي المرتفع تحت قوى عمودية مختلفة ( 5 ، 7 ، 9 نيوتن ) وبسرعات انزلاق متفاوتة كذلك ( 0.1 ، 0.2 ، 0.5 متر/ثانية ). أثبتت الدراسة أن معامل الاحتكاك لبولي الكيتونات المطلي (0.09≈) أقل من مثيله غير المطلي (≈0.3). وجدت الدراسة كذلك أن البولي إثيلين فائق الوزن الجزيئي المرتفع يملك عمر تآكل يزيد على 5000 دورة عند استخدام قوى عمودية قدرها 5 و 7 نيوتن، إلا أنه يفشل عن مقاومة التآكل بعد 3600 دورة إذا ما زيدت القوة إلى 9 نيوتن، ولذلك فقد استخدمت أنابيب الكربون النانوية لتقوية البولي إثيلين فائق الوزن الجزيئي المرتفع، وهو ما نتج عنه زيادة عمر التآكل إلى أكثر من 25000 دورة تحت تأثير قوة عمودية مقدارها 9 نيوتن لنسبة كتلية من الأنابيب قدرها 0.2%.