Relación entre propiedades tribológicas y estructura de polietilenos

Abstract

El uso de polímeros en partes importantes de dispositivos sometidos a deslizamiento o en contacto con superficies en movimiento relativo, se ha extendido ampliamente en aplicaciones de ingeniería, donde las propiedades tribológicas del material resultan de relevancia. En este trabajo se estudia el comportamiento tribológico de polietilenos en contacto deslizante con acero. El propósito es brindar información sobre la manera en que la modificación de la estructura molecular de estos polímeros por entrecruzamiento químico afecta su resistencia al desgaste y el coeficiente de fricción. El estudio involucró un polietileno de alta densidad (PE) y un copolímero de etilenoocteno de muy baja densidad (CEO). Estos polímeros se modificaron químicamente mediante ataque con diferentes concentraciones de peróxido orgánico, lo que permitió obtener un conjunto de materiales con diferentes grados de entrecruzamiento molecular. La reacción de modificación se indujo durante el procesamiento por moldeo por compresión en estado fundido. La caracterización de la estructura molecular incluyó el fraccionamiento selectivo con solventes orgánicos para determinar el porcentaje de gel generado y medidas de hinchamiento para calcular el peso molecular entre entrecruzamientos. También se realizaron ensayos calorimétricos para determinar la temperatura de fusión y la entalpía de fusión; y ensayos de evaluación de propiedades mecánicas como microdureza Vickers y resistencia a esfuerzos de tracción. Las propiedades tribológicas se evaluaron mediante ensayos de desgaste del tipo block-on-ring, en un ambiente controlado de temperatura. Los materiales en forma de bloque se hicieron deslizar sobre una superficie rugosa de un disco de acero rotando a velocidad constante. Las propiedades que se determinaron son la velocidad de desgaste y el coeficiente de fricción, aplicando distintas cargas normales sobre el bloque polimérico. Para establecer los mecanismos de desgaste actuantes se analizaron las superficies de desgaste tanto del polímero desgastado como la del metal usando microscopía óptica y electrónica. Los resultados de la caracterización efectuada muestran que en ambos polietilenos el contenido de gel aumenta hasta comprender prácticamente el total de la masa del material cuando se utilizan las mayores concentraciones de peróxido. En paralelo, el peso molecular entre entrecruzamientos se reduce indicando la formación de una red altamente entrecruzada. En los PE entrecruzados, el aumento en la cantidad de gel produce una disminución en el grado de cristalinidad, en la temperatura de fusión y en la microdureza Vickers. Se observa que existe una relación prácticamente proporcional entre cristalinidad y dureza. Por otro lado, en el caso del CEO, la modificación de su estructura no afecta la cristalinidad ni la temperatura de fusión del material. Los PE entrecruzados presentan un aumento de la velocidad de desgaste con la concentración de peróxido hasta que se alcanza una proporción gel de 80 %p/p. Los materiales con mayor proporción de gel poseen velocidad de desgaste menor a la del PE inicial. Para el caso de los copolímeros, en cambio, se observa que la velocidad de desgaste disminuye continuamente con el porcentaje de peróxido incorporado. El coeficiente de fricción de los PE entrecruzados es levemente superior al correspondiente al PE, aunque no cambia de valor con el grado de entrecruzamiento. En el caso de los CEO no es posible determinar un valor de coeficiente de fricción debido a que la fuerza de fricción varía en forma periódica durante el transcurso del ensayo. El valor promedio de la fuerza de fricción es mayor al de la fuerza normal aplicada.

The use of polymers in important parts of devices subjected to sliding or in contact surfaces with relative motion, has spread widely in engineering applications where the tribological properties of the material become relevant. In this work the tribological behavior of polyethylenes is determined under friction against steel. The study involves a high density polyethylene (PE) and a ethylene-octene copolymer with very low density (CEO). The aim is to provide information on the effect of the incorporation of chemical crosslinks to the molecular structure of the polymers on the wear resistance and friction coefficient. The polyethylenes were modified by chemical attack using different concentrations of an organic peroxide in order to obtain a set of materials with ample differences in their degree of crosslinking. The modification reaction was performed during melt processing by compression molding. The characterization of the molecular structure included selective fractionation with organic solvents to determine the percentage of gel generated, and swelling measurements to calculate the molecular weight between crosslinks. The enthalpy and temperature of fusion were determined by scanning calorimetry. In addition, mechanical properties such as tensile strength and Vickers microhardness were determined. The tribological properties were evaluated by performing block-on-ring wear tests under a controlled environmental temperature. Block-shaped samples of each material were placed in sliding contact on the rough surface of a steel disc rotating at constant speed. The wear rate and friction coefficient were determined by applying different normal loads. The worn surfaces of the worn polymer and the metal ring were analyzed by microscopy to establish the wear mechanisms. The results show that the gel content increases with the peroxide concentration for both type of polyethylenes. The gel reaches the total mass of the material at the highest concentrations of peroxide used. In parallel, the molecular weight between crosslinks diminishes indicating the formation of a highly crosslinked network. In the case of PE, the increase in the degree of crosslink results in a decrease in the degree of crystallinity and Vickers microhardness. It is observed that a proportional relationship exists between crystallinity and hardness exists. On the other hand, in the case of CEO, the chemical modification does not significantly affect the crystallinity of the material. The crosslinked PE´s have higher wear rate than the original polyethylene at low concentrations of peroxide. When the gel amount exceeds 80% by mass, the wear rate of the crosslinked polyethylenes is lower than the initial polymer. In the case of the croslinked copolymers, the wear rate decreases continuously with the content of peroxide. The coefficient of friction of crosslinked PE is slightly higher than that for PE. However, the coefficient values do not vary with the degree of crosslink. For CEO’s it is not possible to determine a value of coefficient of friction because the frictional force shows a large periodic variation during the test. The average value of the friction force is always greater than the normal force applied.