Úvod
Fenolová živica pre trecie materiálysa bežne používa ako termosetové spojivo v mnohých organických formuláciách suchého trenia. Poskytuje štruktúrnu integritu tým, že spája vlákna, plnivá, modifikátory trenia, abrazíva a tuhé mazivá do koherentnej matrice. Pre inžinierov obstarávania, manažérov kvality a špecialistov na formuláciu je pre informované hodnotenie dodávateľa a výber materiálu nevyhnutné pochopiť, ako správanie živice pri tepelnom a oxidačnom namáhaní ovplyvňuje, ale nezávisle neurčuje výkon trecieho materiálu.
Tento článok skúma termooxidačné správanie fenolových spojív v trecích materiáloch suchých bŕzd s dôrazom na štyri oblasti:
1. Rozdiel medzi tepelnou stabilitou, tepelnou degradáciou, termooxidačnou degradáciou a odolnosťou voči oxidácii.
2. Faktory, ktoré ovplyvňujú oxidačné správanie na úrovni živice a kompozitu.
3. Vzťah medzi testovacími údajmi na úrovni živice a konečným výkonom komponentu.
4. Rámec na hodnotenie nárokov dodávateľov týkajúcich sa vlastností súvisiacich s oxidáciou.
Diskusia sa zameriava predovšetkým na organické trecie materiály pre suché brzdy, ako sú brzdové doštičky a obloženia automobilov. Systémy mokrého trenia, železničné aplikácie a letecké aplikácie môžu mať odlišné požiadavky na zloženie, tepelnú históriu, skúšobné metódy a kvalifikačné kritériá, ktoré tu nie sú uvedené.
Kľúčové pojmy: Tepelná stabilita, degradácia a odolnosť voči oxidácii
Fenolové živice, ako termosetové polyméry, podliehajú chemickým a fyzikálnym zmenám, keď sú vystavené zvýšeným teplotám. Tieto zmeny sú často opísané pomocou výrazov, ktoré spolu súvisia, ale nie sú vzájomne zameniteľné.
Tepelná stabilita
Tepelná stabilita sa vo všeobecnosti vzťahuje na schopnosť materiálu odolávať chemickým alebo štrukturálnym zmenám pod vplyvom tepla.
Tepelná degradácia
Tepelná degradácia opisuje rozpad alebo transformáciu polymérnej štruktúry pod vplyvom tepla a môže zahŕňať procesy, ako je štiepenie väzby, dodatočné zosieťovanie a prchanie.
Termooxidačná degradácia
Termooxidačná degradácia sa týka tepelne riadenej degradácie v prítomnosti kyslíka. Jeho priebeh a produkty sa môžu líšiť od tých, ktoré boli pozorované v inertných podmienkach.
Odolnosť proti oxidácii
Odolnosť proti oxidácii sa vzťahuje na schopnosť materiálu odolávať alebo spomaľovať oxidáciu za špecifikovaných podmienok teploty, atmosféry a času expozície.
Fenolové živice môžu počas tepelného rozkladu vytvárať značné uhlíkaté zvyšky. Výsledný zvyšok môže ovplyvniť následnú degradáciu, ale jeho správanie závisí od živice, stavu vytvrdnutia, formulácie a podmienok expozície. Výťažok uhlia meraný v inertnej atmosfére by sa nemal považovať za priamy prediktor termooxidačného správania vo vzduchu.
Faktory ovplyvňujúce termooxidačné správanie
Termooxidačná odozva fenolovej živice nie je pevnou, bezkontextovou vlastnosťou. Nameraná odozva závisí od viacerých premenných.
Typ živice a systém modifikácie
Chémia novolaku a rezolu, ako aj rôzne modifikačné prístupy sa môžu prejavovať odlišnetepelné odozvy.
State of Cure
Stav vytvrdnutia a výsledná štruktúra siete môžu ovplyvniť nameranú tepelnú a oxidačnú odozvu. Smer a veľkosť tohto účinku závisia od konkrétneho systému a skúšobných podmienok.
Podmienky expozície
História teplôt, trvanie expozície, atmosféra a geometria vzorky môžu ovplyvniť výsledok merania.
Kompletná formulácia
Vlákna, plnivá, modifikátory trenia, abrazíva, mazivá a kovové zložky môžu zmeniť tepelnú odozvu kompozitu. Ich kombinovaný účinok sa musí vyhodnotiť v konkrétnom zložení.
V dôsledku toho údaje súvisiace s oxidáciou získané z čistej alebo vytvrdenej živice nemožno preniesť priamo na predpovedanie výkonu kompletného trecieho materiálu.
Testovanie na úrovni živice verzus výkon na úrovni kompozitu
Tepelné vlastnosti preukázané laboratórnym testovaním živice, ako je termogravimetrická analýza vytvrdenej vzorky alebo diferenciálna skenovacia kalorimetria správania vytvrdzovania, automaticky nepredpovedajú:
1. Koeficient trenia alebo stabilita trenia pri brzdných podmienkach.
2. Fade a zotavenie počas brzdných cyklov.
3. Miera opotrebovania pri konkrétnom použití brzdy.
4. Charakteristiky hluku, vibrácií alebo drsnosti.
5. Životnosť komponentov.
6. Bezpečnosť brzdového systému.
Výkon kompletného trecieho materiálu závisí od interakcií medzi jeho zložkami, výrobnými podmienkami, stavom vytvrdzovania, prevádzkovými podmienkami a dizajnom brzdového systému.
V jednej špecifickej formulácii brzdného trenia zmenila zmena obsahu fenolovej živice namerané tribologické správanie. Toto zistenie by sa nemalo zovšeobecňovať na všetky živice, formulácie alebo brzdné podmienky.
Trecia plocha sa počas prevádzky tiež vyvíja. Výskum organických brzdových doštičiek opisuje kontaktné plošiny a vývoj trecích vrstiev na rozhraní medzi doštičkami a kotúčmi. Tieto procesy rozhrania demonštrujú, prečo správanie hotového trecieho materiálu nemožno odvodiť zo samotných tepelných údajov na úrovni živice.
V špecifických viacfázových trecích materiáloch, ktoré skúmali Hong a spoluautori, bola zmena matrice fenolovej živice spojená s rozdielmi v pozorovanom správaní sa pri opotrebovaní. Tento výsledok sa týka formulácií a testovacích podmienok skúmaných v tejto štúdii a nestanovuje univerzálny vzťah medzi odolnosťou proti oxidácii a opotrebovaním.
Prístupy k hodnoteniu termooxidačného správania
Nasledujúce prístupy môžu byť súčasťou programu vývoja materiálov alebo kvalifikácie dodávateľov. Ich relevantnosť a akceptačné kritériá závisia od požiadavky zákazníka a jeho kvalifikačných požiadaviek.
Charakterizácia na úrovni živice
Termogravimetrická analýza vo vzduchu a inertnej atmosfére sa môže použiť na porovnanie správania pri zmene hmotnosti pri programoch s riadenou teplotou. Porovnanie výsledkov môže pomôcť rozlíšiť reakcie súvisiace s oxidáciou od degradácie za podmienok s obmedzeným kyslíkom, ale porovnanie samo o sebe nestanovuje úplný mechanizmus degradácie na trecom rozhraní.
Diferenciálna skenovacia kalorimetria sa môže použiť na pozorovanie udalostí súvisiacich s vytvrdzovaním alebo tepelných prechodov tam, kde je to vhodné. Interpretácia závisí od materiálu, prípravy vzorky, tepelnej histórie, atmosféry a zvolenej metódy.
Tepelné starnutie vytvrdenej živice
Vzorky vytvrdenej živice môžu byť vystavené kontrolovaným teplotám a atmosfére počas definovaných období. Potom je možné vyhodnotiť zmeny hmotnosti, rozmerov alebo vybraných mechanických vlastností. Výsledky platia len pre uvedenú vzorku, podmienky expozície a skúšobnú metódu.
Hodnotenie na úrovni kompozitov
Kompletný trecí materiál by sa mal hodnotiť pomocou vhodných štandardizovaných alebo zákazníkom definovaných postupov trenia a opotrebovania. Skúška povrchu po teste sa môže použiť na charakterizáciu kontaktných plató, trecích vrstiev a pozorovaných znakov opotrebovania.
Tieto prístupy priamo nepredpovedajú životnosť v teréne, vyblednutie, opotrebovanie, NVH alebo bezpečnosť bez overenia na úrovni formulácie a prípadne na úrovni systému.
Čo môže a nemôže naznačiť termooxidačné testovanie
Pri interpretácii v rámci konzistentného protokolu môže kontrolované testovanie naznačovať:
1. Relatívna zmena hmotnosti vzoriek vytvrdenej živice za špecifikovaných podmienok.
2. Porovnávacie tepelné odozvy medzi triedami živíc testovanými rovnakou metódou.
3. Tvorba zvyškov alebo zmeny povrchu pri zvolenom programe teploty a atmosféry.
4. Zmeny vo vybraných vlastnostiach po definovanom vystavení tepelnému starnutiu.
Bez validácie špecifickej pre formuláciu nemožno výsledky na úrovni živice stanoviť:
1. Koeficient trenia alebo stabilita trenia pri brzdných podmienkach.
2. Miera opotrebovania alebo životnosť hotového trecieho materiálu.
3. Odolnosť voči vyblednutiu alebo zotavenie.
4. Výkon NVH.
5. Bezpečnosť brzdového systému alebo súlad s predpismi.
Vzťah medzi oxidáciou živice a degradáciou trecieho materiálu nie je jednoduchý lineárny vzťah príčiny a účinku. Zmeny vo vlastnostiach trenia pri vysokej teplote môžu zahŕňať interagujúce tepelné, chemické, mechanické a medzifázové procesy a nemali by sa pripisovať samotnej oxidácii živice.
Komunikácia s dodávateľmi a dokumentácia
Priemyselní zákazníci si môžu vyžiadať dostupnú dodávateľskú dokumentáciu počas predbežného hodnotenia materiálu.
Technické listy
Technické listy poskytujú zverejnené informácie o kvalite, ktoré môžu zahŕňať typické tepelné vlastnosti, fyzikálnu formu, návod na spracovanie a odporúčania na skladovanie. Typické hodnoty nie sú nevyhnutne zaručené špecifikácie.
Karty bezpečnostných údajov
Karty bezpečnostných údajov poskytujú informácie o nebezpečenstve, manipulácii, núdzovej reakcii a likvidácii dodaného produktu. Nevykazujú trecie vlastnosti.
Dohodnuté špecifikácie produktu
Dohodnuté špecifikácie produktu môžu definovať použiteľné akceptačné kritériá, skúšobné metódy a prípustné rozsahy pre určené vlastnosti.
Zákazníci si tiež môžu vyžiadať informácie o skladovaní a manipulácii a reprezentatívne vzorky na vyhodnotenie podľa ich vlastných receptúr, výrobných a testovacích podmienok.
Počas predbežných diskusií môžu zákazníci poskytnúť zamýšľanú kategóriu trecieho materiálu, požadovanú funkciu živice, preferovanú formu dodávky, príslušné obmedzenia spracovania, cieľové vlastnosti, požiadavky na dokumentáciu a príslušné kvalifikačné kritériá.
Predbežná technická alebo komerčná komunikácia nestanovuje vhodnosť produktu, výkon trenia, kontinuitu dodávky, bezpečnosť alebo súlad s predpismi. Konečné schválenie by sa malo riadiť príslušným kvalifikačným procesom zákazníka za reprezentatívnych podmienok formulácie, výroby a použitia.
Záver
Termooxidačné správanie fenolovej živice je dôležitým faktorom pri vývoji a obstarávaní trecích materiálov suchých bŕzd, ale musí sa interpretovať v rámci definovaných testovacích hraníc. Nameraná odozva závisí od chemického zloženia živice, stavu vytvrdnutia, teplotného programu, atmosféry, trvania expozície, formy vzorky a kompletného zloženia.
Tepelné údaje na úrovni živice automaticky nepredpovedajú výkon trenia, opotrebovanie, vyblednutie, NVH, životnosť alebo bezpečnosť. Výber materiálu by preto mal kombinovať vhodnú charakterizáciu na úrovni živice s testovaním kompletného zloženia a tam, kde sa to vyžaduje, kvalifikáciou na úrovni komponentov alebo systému.
Tvrdenia dodávateľa týkajúce sa odolnosti voči oxidácii alebo súvisiacich tepelných vlastností by sa mali vyhodnotiť pomocou aktuálnej dokumentácie, reprezentatívneho materiálu, vzájomne pochopených testovacích podmienok a overenia špecifického pre aplikáciu.
Referencie
[1] Gardziella, A., Pilato, LA a Knop, A. (2000). Fenolové živice: chémia, aplikácie, štandardizácia, bezpečnosť a ekológia (2. vydanie). Springer Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-04101-7
[2] Kim, YC, Cho, MH, Kim, SJ, & Jang, H. (2008). Vplyv obsahu fenolovej živice na tribologické vlastnosti brzdových trecích materiálov. Wear, 264 (11-12), 931-936. https://doi.org/10.1016/j.wear.2007.07.005
[3] Eriksson, M., & Jacobson, S. (2000). Tribologické povrchy organických brzdových doštičiek. Tribology International, 33 (12), 817–827. https://doi.org/10.1016/S0301-679X(00)00127-4
[4] Hong, USA, Jung, SL, Cho, KH, Cho, MH, Kim, SJ, & Jang, H. (2009). Mechanizmus opotrebovania viacfázových trecích materiálov s rôznymi matricami z fenolovej živice. Wear, 266 (7-8), 739-744. https://doi.org/10.1016/j.wear.2008.08.008