fwjТрение и и износTitle in english0000-00000000-0000AGU10.32864/0202-4977-2024-45-1-38-48621.892fwj-6Research ArticleСтатьиМолекулярные механизмы изнашивания полиоксиметиленаMolecular Mechanisms of Polyoxymethylene WearПоздняковА. О.PozdnyakovA. O.

ул. Политехническая, д. 26, г. Санкт-Петербург 194021, Россия

В.О. Большой просп., д. 61, г. Санкт-Петербург, 199178, Россия

Polytechnicheskaya str., 26, Saint-Petersburg 194021, Russia

Boljshoy prospect V.O., d.61, Saint-Petersburg 199178, Russia

ao.pozd@mail.ioffe.ruСяньшуньЛиSyanshunLi

ул. Политехническая, д. 29, г. Санкт-Петербург 195251, Россия

Polytechnicheskaya str., 29, Saint-Petersburg 195251, Russia

СедаковаЕ. Б.SedakovaE. B.

В.О. Большой просп., д. 61, г. Санкт-Петербург, 199178, Россия

Boljshoy prospect V.O., d.61, Saint-Petersburg 199178, Russia

ФГБУН Физико-Технический Институт им. А.Ф. Иоффе РАН; Институт проблем машиноведения РАНРоссияIoffe Institute; Institute for Problems in Mechanical Engineering of the Russian Academy of SciencesRussian FederationСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic UniversityRussian FederationИнститут проблем машиноведения РАНРоссияInstitute for Problems in Mechanical Engineering of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2024260920264513848Copyright © AGU, 20262026AGUAGUhttps://fwj.ejournal.by/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://fwj.ejournal.by/jour/article/view/6

Исследованы трение и износ полиоксиметилена относительно полиоксиметилена и полиэфирэфиркетона. Показано, что в гомогенной паре трения полиоксиметилен-полиоксиметилен износ экспоненциально возрастает при увеличении контактного давления и скорости скольжения. В гетерогенной паре трения полиэфирэфиркетон-полиоксиметилен изнашивание полиоксиметилена существенно ниже и мало зависит от скорости скольжения и давления на контакте. Методом масс-спектрометрии показано, что в паре трения полиэфирэфиркетон-полиоксиметилен образование продуктов трибодеструкции макромолекул не наблюдается, в отличие от термодинамически совместимой пары полиоксиметилен-полиоксиметилен. В паре полиоксиметилен-полиоксиметилен продукты трибодеструкции полиоксиметилена регистрируются, причём кинетика их образования прямо коррелирует с ростом силы трения уже при мощности трения на уровне 10–2 МПа·м/c. Различия в износе проинтерпретированы как следствие взаимопроникновения макромолекул через границу раздела пары полиоксиметилен-полиоксиметилен и их разрывов в поле сдвига. Термоактивированное взаимопроникновение макромолекул визуализировано методом молекулярной динамики. Разработанный подход и получаемые им результаты будут полезны для детального исследования молекулярных механизмов трения и изнашивания практически используемых полимеров и их композитов.

Friction and wear of polyoxymethylene upon friction against polyoxymethylene and polyetheretherketone have been analyzed. It is shown that wear exponentially increases upon growth of contact pressure and sliding velocity in the homogeneous friction pair polyoxymethylene-polyoxymethylene. In the heterogeneous pair polyetheretherketone-polyoxymethylene the wear of POM is small and exhibits no registered dependence on sliding velocity and contact pressure. Mass-spectrometric analysis shows that the macromolecular decomposition products are not detected for polyetheretherketone-polyoxymethylene pair. However, for thermodynamically compatible polyoxymethylene-polyoxymethylene pair their formation, accompanied by the growth of friction force, is detected at the levels of friction power as low as 10–2 MPa·m/s. These differences have been interpreted to result from interpenetration of polyoxymethylene macromolecules and their rupture in the shear field at the homogeneous polyoxymethylene-polyoxymethylene friction interface, absent in polyetheretherketone-polyoxymethylene pair. Thermally activated interpenetration of macromolecules for polyoxymethylene-polyoxymethylene pair and its absence in polyetheretherketone-polyoxy­methylene pair has been visualized by means of molecular dynamics calculations. The experimental approach and the results of its application will be useful in detailed studies of molecular level friction mechanisms of friction and wear of industrially used polymers and their composites.

полимерпара трениясила тренияизносостойкостьвакууммасс-спектрометрияпластические деформациитемпература в зоне тренияполиоксиметиленполиэфирэфиркетонтемпература стеклованиямолекулярная динамикатермодинамическая совместимостьpolymerfriction pairfriction forcewear resistancevacuummass-spectrometryplastic deformationstemperature in friction zonepolyoxymethylenepolyetheretherketoneglass transition temperaturemolecular dynamicsthermodynamic compatibilityReferencesМышкин Н.К., Петроковец М.И. Трение, смазка и износ: физические основы и технические при-ложения трибологии. — Москва: Физматлиб. — 2007Myshkin N.K., Petrokovec M.I. Trenie, smazka i iznos: fizicheskie osnovi i technicheskie prilojeniya tribologii. — Moskva: Fizmatlib. — 2007 (in Rus-sian)Bin-Bin Jia, Xu-Jun Liu, Pei-Hong Cong, and Tong-Sheng Li. An Investigation on the Relation-ships between Cohesive Energy Density and Tribo-logical Properties for Polymer-Polymer Sliding Com-binations // Wear. — 2008 (264), nos. 7-8, 685—692. DOI: 10.1016/j.wear.2007.06.004Bin-Bin Jia, Xu-Jun Liu, Pei-Hong Cong, and Tong-Sheng Li. An Investigation on the Relation-ships between Cohesive Energy Density and Tribo-logical Properties for Polymer-Polymer Sliding Com-binations // Wear. — 2008 (264), nos. 7-8, 685—692. DOI: 10.1016/j.wear.2007.06.004Laux K.A. and Schwartz C.J. Effects of Contact Pressure, Molecular Weight, and Supplier on the Wear Behavior and Transfer Film of Polyether-etherketone (PEEK) // Wear. — 2013 (297), nos. 1–2, 919—925. DOI: 10.1016/j.wear.2012.11.013Laux K.A. and Schwartz C.J. Effects of Contact Pressure, Molecular Weight, and Supplier on the Wear Behavior and Transfer Film of Polyether-etherketone (PEEK) // Wear. — 2013 (297), nos. 1–2, 919—925. DOI: 10.1016/j.wear.2012.11.013Sivebaek I.M., Samoilov V.N., and Persson B.N.J. Frictional Properties of Confined Polymers // Eur. Phys. J. — 2008, no. 27, 37—46. DOI: 10.1140/epje/i2008-10349-8Sivebaek I.M., Samoilov V.N., and Persson B.N.J. Frictional Properties of Confined Polymers // Eur. Phys. J. — 2008, no. 27, 37—46. DOI: 10.1140/epje/i2008-10349-8Поздняков А.О. Образование продуктов де-струкции макромолекул при трении полимера по полимеру // Письма ЖТФ. — 2023 (49), № 10, 17—20. DOI: 10.21883/PJTF.2023.10.55428.19537Pozdnyakov A.O. Formation of Decomposition Products of Macromolecules upon Friction of Poly-mer Against Polymer // Technical Physics Let-ters. — 2023 (49), no. 5, 56—59. DOI: 10.21883/TPL.2023.05.56030.19537Eds. Friedrich K. and Schlarb A.K., Tribology of Polymeric Nanocomposites (First Edition). — But-terworth-Heinemann. — 2008Eds. Friedrich K. and Schlarb A.K., Tribology of Polymeric Nanocomposites (First Edition). — But-terworth-Heinemann. — 2008Поздняков А.О., Чернышов М.И., Семен-ча А.В., Николаев В.И., Кобыхно И.А., Фадин Ю.А. Прибор для регистрации параметров тре-ния // Изв. вузов. Приборостроение. — 2020 (63), № 10, 950—955. DOI: 10.17586/0021-3454-2020-63-10-950-955Pozdnyakov A.O., Chernyshov M.I., Semen-cha A.V., Nikolaev V.I., Kobichno I.A., Fa-din Yu.A. Pribor dlya registracii parametrov terni-ya // Izv. Vyzov. Priborostroenie. — 2020 (63), № 10, 950—955. DOI: 10.17586/0021-3454-2020-63-10-950-955 (in Russian)Седакова Е.Б., Козырев Ю.П., Влияние фрикци-онного переноса в паре трения полимер-сталь на трибологические свойства политетрафторэтиле-на при разных контактных температурах // Вестник машиностроения. — 2017, № 7, 45—47Sedakova E.B., Kozyrev Yu.P. Vliyanie frikcion-nogo perenosa v pare treniya polymer-stal' na tribo-logicheskie svoistva polytetraftoretylena pri raznih kontaktnih temperaturah // Vestnik Mashi-nostroeniya. — 2017, № 7, 45—47 (in Russian)Persson B.N.J. Sliding Friction, Phys. Principles and Applications, 2nd ed. — Springer. — 2000Persson B.N.J. Sliding Friction, Phys. Principles and Applications, 2nd ed. — Springer. — 2000Brandrup J., Immergut E.H., and Grulke E.A. Polymer Handbook, 2 Volumes Set, 4th ed. — J. Wiley and Sons. — 1989Brandrup J., Immergut E.H., and Grulke E.A. Polymer Handbook, 2 Volumes Set, 4th ed. — J. Wiley and Sons. — 1989Conte M., Pinedo B., and Igartua A. Frictional Heating Calculation Based on Tailored Experi-mental Measurements // Tribology International. — 2014 (74), 1—6. DOI: 10.1016/j.triboint.2014.01.020Conte M., Pinedo B., and Igartua A. Frictional Heating Calculation Based on Tailored Experi-mental Measurements // Tribology International. — 2014 (74), 1—6. DOI: 10.1016/j.triboint.2014.01.020Mergler Y.J., Schaake R.P., and Huis in’t Veld A.J., Material Transfer of POM in Sliding Con-tact // Wear. — 2004 (256), nos. 3-4, 294—301. DOI: 10.1016/S0043-1648(03)00410-1Mergler Y.J., Schaake R.P., and Huis in’t Veld A.J., Material Transfer of POM in Sliding Con-tact // Wear. — 2004 (256), nos. 3-4, 294—301. DOI: 10.1016/S0043-1648(03)00410-1Samyn P., and De Baets P. Friction and Wear of Acetal: A Matter of Scale // Wear. — 2005 (259), 697—702. DOI: 10.1016/j.wear.2005.02.055Samyn P., and De Baets P. Friction and Wear of Acetal: A Matter of Scale // Wear. — 2005 (259), 697—702. DOI: 10.1016/j.wear.2005.02.055Поздняков А.О., Гинзбург Б.М., Лишевич И.В., Попов Е.О., Поздняков О.Ф. Масс-спектрометрические исследования трения поли-меров // Вопросы Материаловедения. — 2013, № 4(72), 265—274Pozdnyakov A.O., Ginzburg B.M., Lishevich I.V., Popov E.O., Pozdnyakov O.F., Mass-spektrometricheskie isslefovaniya treniya polym-erov // Voprosi Materialovedeniya. — 2013, № 4(72), 265—274 (in Russian)Sawada H. Thermodynamics of Polymerization. — New York: Marcel Dekker. — 1976Sawada H. Thermodynamics of Polymerization. — New York: Marcel Dekker. — 1976Rigby D., Sun H., and Eichinger B.E. Computer Simulations of Poly (Ethylene Oxide): Force Field, PVT Diagram and Cyclization Behaviour // Polymer International. — 1997 (44), 311—330. DOI: 10.1002/(SICI)1097-0126(199711)44:3<311::AID-PI880>3.0.CO;2-HRigby D., Sun H., and Eichinger B.E. Computer Simulations of Poly (Ethylene Oxide): Force Field, PVT Diagram and Cyclization Behaviour // Polymer International. — 1997 (44), 311—330. DOI: 10.1002/(SICI)1097-0126(199711)44:3<311::AID-PI880>3.0.CO;2-HПривалко В.П. О температуре стеклования по-литетрафторэтилена и полиоксиметилена // Вы-сокомолекуляр. соединения A. — 1976 (18), № 6, 1213Privalko V.P. O temperature steklovaniya polytet-raftoretylena i polyoksimetilena // Visokomole-kulyar. Soed., A. — 1976 (18), № 6, 1213 (in Rus-sian)Li S. and Sedakova E.B. Application of Molecular Dynamic Modeling to Study the Structural Changes During Adhesive Wear of Polytetrafluoroethylene and Its Composite // In: Evgrafov A.N. (Ed.) Ad-vances in Mechanical Engineering. Lecture Notes in Mechanical Engineering. — Springer, Cham. — 2022, 70—77. DOI: 10.1007/978-3-030-91553-7_8Li S. and Sedakova E.B. Application of Molecular Dynamic Modeling to Study the Structural Changes During Adhesive Wear of Polytetrafluoroethylene and Its Composite // In: Evgrafov A.N. (Ed.) Ad-vances in Mechanical Engineering. Lecture Notes in Mechanical Engineering. — Springer, Cham. — 2022, 70—77. DOI: 10.1007/978-3-030-91553-7_8Islam K., Saha S., and Masud A.K.M. Molecular Dynamics Simulation of the Mechanical Properties of CNT-Polyoxymethylene Composite with a Reac-tive Force Field // J. Molecular Simulation. — 2020 (46), no. 5, 380—387. DOI: 10.1080/08927022.2020.1711904Islam K., Saha S., and Masud A.K.M. Molecular Dynamics Simulation of the Mechanical Properties of CNT-Polyoxymethylene Composite with a Reac-tive Force Field // J. Molecular Simulation. — 2020 (46), no. 5, 380—387. DOI: 10.1080/08927022.2020.1711904Chen N., Maeda N., Tirrell M., and Israelachvili J. Adhesion and Friction of Polymer Surfaces: The Ef-fect of Chain Ends // Macromolecules. — 2005 (38), no. 8, 3491—3503. DOI: 10.1021/ma047733eChen N., Maeda N., Tirrell M., and Israelachvili J. Adhesion and Friction of Polymer Surfaces: The Ef-fect of Chain Ends // Macromolecules. — 2005 (38), no. 8, 3491—3503. DOI: 10.1021/ma047733e

The authors declare that there are no conflicts of interest present.