Древесно-полимерные композиты: сопротивление скольжению и коэффициент трения композитных террасных досок

А.А. Клёсов
«Древесно-полимерные композиты»

Сопротивление скольжению характеризуется количественно через коэффициент трения покоя. Неформально его также называют силой сцепления. Достаточное сопротивление скольжению обусловливает безопасное передвижение человека. Деревянные настилы проявляют весьма высокое сопротивление скольжению, в особенности во влажном состоянии. ДПК обычно имеют более низкое сопротивление скольжению, чем пропитанная древесина. Очевидно, что композитный настил должен быть безопасным для человека в указанном отношении. 

Сопротивление скольжению — это свойство поверхности препятствовать скольжению. В случае композитной террасной доски, это свойство либо отражает природу матрицы (смесь полимера и наполнителей), или оно может создаваться специальными средствами (обработка металлической щеткой, рифление, введение модификаторов скольжения).

Теоретически трение не зависит от площади поверхности, скорости (за исключением случаев, когда объекты покоятся) и температуры. Однако в реальном мире контактная поверхность играет определенную роль. Кроме того, в случае пластиков и композитных материалов, в частности, фактическая площадь контакта определяется с трудом ввиду деформаций полимера. В действительности, приложенная сила, температура испытания, скорость скольжения и продолжительность теста — все имеет значение.

Имеет место пропорциональность между силой трения и взаимным давлением (или силой) между телами, находящимися в контакте. Именно поэтому, чтобы определить коэффициент трения, мы делим силу трения на нормально действующую силу.

Отсюда получаем, что, если для того, чтобы сдвинуть покоящийся на полу блок весом 10 фунтов, необходимо приложить горизонтальную силу в 5 фунтов, то коэффициент трения покоя будет 0,5. В упрощенном эксперименте коэффициент трения покоя равен тангенсу угла к вертикали, при котором начинается скольжение. Если башмак, помещенный на террасную доску, начинает движение при угле 45°, то коэффициент трения покоя для данного конкретного случая составит 1,0. Если башмак начинает движение при угле 27°, то коэффициент трения покоя равен 0,51. Поверхности пола или настила, которые можно считать устойчивыми к скольжению, должны иметь коэффициент трения покоя 0,5 или выше.

Сопротивление скольжению пластмасс

Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) характеризуется низкими коэффициентами трения и высокой плотностью (удельным весом), а также низким статическим (и динамическим) коэффициентом трения. При плотности ПЭ 0,915 г/см³ коэффициент трения равен 0,50; при плотности от 0,932 г/см³ — 0,30, а при 0,965 г/см³ он равен 0,10.

Первостепенными факторами, влияющими на коэффициент трения ПЭВП, являются его молекулярные характеристики, главным образом молекулярный вес и его распределение (численный, весовой и вязкостно-среднечисленный молекулярные веса), а также степень кристалличности, то есть уровни разветвленности. Это, в свою очередь, влияет на молекулярные взаимодействия между поверхностью полимера и находящимся в контакте с ней объектом. Как правило, коэффициент трения ПЭ возрастает с увеличением молекулярного веса и уровней разветвленности, что также ведет к уменьшению плотности (удельного веса). В результате коэффициент трения ПЭВП имеет колоколообразную форму, проходя через максимум. Эта взаимосвязь является следствием вязкоупругой природы ПЭ. Подъем коэффициента трения ПЭ определяется его вязкостным компонентом, а уменьшение — упругим компонентом.

Сопротивление скольжению деревянных настилов

Обычно деревянные настилы имеют хорошую стойкость к скольжению, особенно во влажном состоянии. Кожаная обувь на деревянном настиле имеет в сухом состоянии коэффициент трения покоя 0,3–0,4 (в зависимости от типа древесины).

Однако при проведении испытаний по стандарту ASTM F 1679 (процедура для трибометра с изменяющимся углом), обработанная хлорацетилцеллюлозой под давлением сосна болотная показывает индекс скольжения 0,92 (сухое дерево) и 0,88 (влажное дерево), что, в целом, выше, чем сопротивление скольжению материалов ДПК.

Подобные данные были получены с помощью другого теста ASTM D 2394 (процедура включает подвижный скользящий блок и лоскут кожи); они дали коэффициент трения покоя для дерева 0,72 (сухое, вдоль волокна и поперек) и 0,86–0,89 (влажное, вдоль волокна и поперек соответственно).

Оказывается, что пропитанная древесина менее скользкая, чем композитные террасные доски, и влажная древесина менее скользкая, чем сухая. К настоящему времени не было выполнено глубоких исследований, позволяющих сравнить сопротивление скольжению или коэффициент трения покоя древесины и ДПК. Имеются методы испытаний ASTM для различных материалов, но их результаты очень сильно варьируются в зависимости от таких факторов, как тип материал подошвы башмака (кожа или каучук) и от того, был ли испытуемый образец сухим и/или влажным.

Измерение сопротивления скольжению методом наклонной плоскости

Поскольку практически невозможно сравнивать сопротивление скольжению или коэффициенты трения покоя различных материалов ДПК с помощью одного экспериментального подхода, было произведено упрощенное сравнение с помощью стандартного метода наклонной плоскости. Этот метод реализует обычный эксперимент в механической физике; в нем наклоняется платформа до точки, при которой начинается соскальзывание с нее материала. Угол наклона плоскости в этой точке равен коэффициенту трения покоя.

Для проведения этого исследования метод был проведен с готовыми композитными террасными досками. Каждое испытание осуществлялось с помощью груза весом 11,01 фунта (5,0 кг), помещенного на башмак с кожаной подошвой. Это вызывало приложение давления около 1 фунт/кв. дюйм. Измерение повторялось не менее 20 раз для каждой пары материалов и при различных углах доски. Все испытания проводились в направлении наибольшего скольжения, то есть вдоль волокон и вдоль доски.

Величины коэффициента трения покоя распределены в довольно широком диапазоне. Три наименьших величины относятся к чистому ПЭВП. Обработка металлическими щетками увеличивает коэффициент на 0,05–0,15 единицы в зависимости от качества/износа щеток. 

Как правило, ПЭНП имеет более низкую плотность и, следовательно, более высокий коэффициент трения по сравнению с композитными террасными досками с ПЭВП. Пропитанная древесина имеет значительно более высокий коэффициент трения покоя, чем ДПК. Это замечательная черта древесины вместе с ее непревзойденной прочностью и жесткостью в сравнении с материалами ДПК. Если бы не сравнительно низкая долговечность дерева, его чувствительность к биоразложению и возрастающий дефицит древесины высокого качества, пригодной для изготовления настилов, то композитные материалы с трудом могли бы с ним конкурировать. Интересно, что в противоречии с интуитивным представлением, влажная древесина, как и влажные композитные материалы, имеет более высокое трение, чем сухие материалы. Поверхность влажных террасных досок менее скользкая, чем поверхность сухих досок. Этот феномен является результатом «прихватывания» или «эффекта рывка» на влажных поверхностях, который возникает вследствие капиллярной природы древесины и экструдированных композитных материалов.

Как древесина, так и ДПК являются пористыми материалами, они сильно пронизаны капиллярами и поглощают воду. Именно капилляры и поры поглощают воду. Более высокое трение этих материалов во влажном состоянии является результатом выдавливания воды из пор/капилляров между двумя контактными поверхностями — во время испытания на скольжение или между подошвой и полом при ходьбе образуется временное сцепление между этими поверхностями. При испытаниях с наклонной плоскостью груженый башмак с кожаной подошвой движется медленнее по влажной поверхности, чем по той же самой сухой поверхности.

Собственно говоря, коэффициенты трения, полученные на влажных поверхностях, нельзя назвать «коэффициентами трения покоя», поскольку согласно принятому определению, между испытуемыми поверхностями не должно быть ничего, что могло бы повлиять на трение, включая воду. Однако если нашей целью является реальная оценка поведения скольжения поверхностей настилов, что непосредственно связано с вопросами безопасности, то в таком контексте не имеет реального значения то, как называть полученные величины — коэффициентами трения покоя или коэффициентами скольжения. В любом случае имеем дело с количественными измерениями сопротивления скольжению, имеющими прямое отношение к реальной ситуации.

Влияние состава композита террасной доски на сопротивление скольжению: усилители скольжения

Термин «модификатор скольжения» широко используется при экструдировании полимерных и композитных материалов, где часто наблюдается подача горячего расплава в головке экструдера рывками при слишком медленном и слишком быстром течении расплава. Чтобы избежать смешения понятий, здесь используются термины «усилитель скольжения» или «усилитель трения». Усилитель трения — это материал, увеличивающий трение между двумя поверхностями настолько, чтобы контролируемым образом достичь заданного уровня трения.

Наполнители в композитных материалах, такие как древесное волокно и минеральные наполнители (если таковые используются), являются натуральными усилителями трения, хотя, фактически, они обычно увеличивают истирание, а не трение. Это, впрочем, не имеет значения, поскольку наше рассмотрение касается безопасности, а не выяснения академической проблемы различия между молекулярным взаимодействием и истиранием. Чистый ПЭВП характеризуется низкими коэффициентами трения, и чем выше плотность (удельный вес), тем ниже коэффициент трения покоя. При изменении плотности ПЭВП от 0,915 до 0,965 г/см³ , коэффициент трения падает от 0,50 до 0,10. Однако для большинства промышленных композитных террасных досок коэффициент трения выше 0,50.

Например, в композитных террасных досках GeoDeck часто используется ПЭВП с плотностью 0,955 г/см³. Его коэффициент трения около 0,15. Однако при введении в полимерную матрицу рисовой шелухи и гранулированной смеси карбоната кальция/каолина со свободной от лигнина целлюлозой, коэффициент трения покоя возрастает до 0,53, то есть, на 350% по сравнению с начальным ПЭВП. Это все-таки близко к величине 0,50, которая считается безопасной.

Может показаться, что самый простой способ увеличить трение доски из ДПК — заменить исходный полимер на другой, с более высоким коэффициентом трения, то есть (в случае ПЭВП) на пластик с низкой плотностью или более «каучукоподобный» ПЭВП. Однако это может вызвать проблему текучести композиции в экструдере, повлиять на ее прочность и в еще большей степени — на модуль упругости при изгибе, то есть изгиб, ползучесть и другие свойства конечного материала. Замена полимера — это всегда компромисс и игра на оптимизацию. Если в итоге конечный материал приобрел более высокий коэффициент трения при сохранении остальных свойств примерно на том же уровне или изменившихся в допустимых пределах, а, может быть, даже улучшившихся, то такую замену можно назвать успешной.

Поскольку каучук имеет лучший коэффициент трения по сравнению с полиолефинами, может оказаться полезным добавлять каучук в виде порошка или мелких частиц, скажем, в матрицу композита на основе ПЭВП. Грубые частицы карбоната кальция могут служить той же цели (здесь также будет определенный компромисс при формировании свойств конечного композитного материала). Дополнительный выигрыш можно получить, если одна и та же модифицирующая добавка или один и тот же наполнитель увеличивают как трение, так и ударную прочность (каучук мог бы быть хорошим кандидатом на эту роль).

Обработка щетками и рифление неизбежно увеличивают шероховатость поверхности и, следовательно, сопротивление скольжению. Опять же, это не связано непосредственно с «истинным» трением, то есть сопротивлением за счет молекулярных взаимодействий между двумя соприкасающимися поверхностями, которые движутся друг относительно друга или стремятся начать движение. Однако эта ситуация описывается общим термином «сопротивление скольжению».

Автор: А.А. Клёсов
По материалам: «Древесно-полимерные композиты», издательство НОТ

Источник: Plastinfo.ru