Polymeeripohjaisten nanokomposiittien tribologia

Abstract

Tribologia on kulumista tutkiva tieteenala, jonka sovelluskohteina ovat yleensä metallimateriaalit. Polymeerimateriaaleilla on omat etunsa metalleihin nähden kulumisympäristöissä, kuten kyky toimia kiinteänä voiteluaineena, minkä vuoksi on mielenkiintoista modifioida polymeerimateriaaleja tribologisiin sovelluksiin sopiviksi. Polymeerimateriaaleja on nykypäivänä käytössä mm. laakerimateriaaleina. Kuitenkin monet polymeerimateriaalit ovat puhtaana materiaalina ominaisuuksiltaan soveltumattomia kulumisympäristöihin, mutta lisäämällä niihin nanokokoluokan täyteaineita saadaan ominaisuuksia merkittävästi parannettua.

Nanomateriaalit ovat yleensä polymeerimatriisissa lujittavassa roolissa. Ne parantavat materiaalin jäykkyys- ja lujuusominaisuuksia ja joissakin tapauksissa myös lämmönsietokykyä. Nanomateriaalien adheesio polymeerimatriisiin on parempi verrattuna isompiin partikkeleihin, johtuen siitä, että niiden kokoluokka vastaa polymeeriketjusegmenttien kokoa. Parempi adheesio matriisiin vähentää partikkelien irtoamista kulumissysteemissä, jolloin syntyy vähemmän kulumista lisäävää kovemmasta materiaalista koostuvaa kuonaa pintojen välille. Adheesiota matriisiin edesauttaa myös pienestä kokoluokasta johtuva suuri ominaispinta-ala. Ongelmana nanokomposiiteissa on dispersion laatu: esimerkiksi liian suurilla pitoisuuksilla partikkelit muodostavat herkästi kasaumia, jolloin pienen kokoluokan edut menetetään.

Nanopartikkeleilla on havaittu olevan optimaalinen pitoisuus matriisimateriaalissa, jolla saavutetaan kulumisen kannalta parhaimmat edut. Useimmin tavoitteena on vähentää kitkaa ja materiaalin poistumista pinnoilta. Nanopartikkelit parantavat näitä ominaisuuksia jo pienilläkin pitoisuuksilla. Kuitenkin tietyn pitoisuuden ylittyessä alkavat ominaisuudet heiketä, joten on suoritettava optimointia haluttujen ominaisuuksien suhteen. Optimaalinen pitoisuus riippuu aina käytetystä matriisista ja siihen seostetusta nanomateriaalista. Tietoa ominaisuuksista saadaan pitkälti kokeellisilla menetelmillä.

Komposiittimateriaalien suunnittelu tehdään käyttöympäristön vaatimusten mukaan. Polymeerikomposiitit ovat erinomaisesti räätälöitävissä haluttuihin toimintaympäristöihin, ja niiden valmistus on edullista metalleihin verrattuna. Nanokomposiitteja tutkiva tieteenala on suhteellisen uusi verrattuna mikrokokoluokan täyteaineiden tutkimuksiin, mutta nanolujitettujen polymeeripohjaisten materiaalien käyttö on yleistymässä nopeasti tribologisissa systeemeissä. Erityisesti polymeerien ominaisuus toimia kiinteänä voiteluaineena hyödyttää haastavia kulutusympäristöjä, joissa perinteiset voiteluaineet eivät olisi stabiileja.