Fricción
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Fricción
Los polímeros y sus compuestos son materiales tribológicos importantes para aplicaciones en la industria aeroespacial, componentes de automoción, micro máquinas y biosistemas. En el pasado, se ha llevado a cabo una considerable cantidad de investigación para comprender los mecanismos de fricción y desgaste cuando una superficie de polímero interactúa con otra superficie (dura o blanda ). Este conocimiento ha llevado a un mayor uso de materiales poliméricos y sus compuestos en aplicaciones tribológicas. Generalmente hay dos tipos de procesos de fricción; deslizamiento y rodamiento. El proceso de deslizamiento implica tanto la deformación del subsuelo como las funciones adhesivas de la interfaz, mientras que el proceso de laminado incorpora principalmente la pérdida de trabajo viscoelástica del subsuelo que depende de la naturaleza de los materiales que interactúan y de la trayectoria de deformación impuesta. El coeficiente de fricción de Coulombic clásico se define como μ= F/N. donde μ es el coeficiente de fricción, F es la fuerza de fricción y N es la carga normal aplicada. Por definición, el coeficiente de fricción es una propiedad de dos superficies sólidas que interactúan e independiente de la carga normal aplicada. Sin embargo, en la práctica, el coeficiente de fricción depende de varios factores y entre ellos son importantes la carga normal, la velocidad de deslizamiento relativa. el medio ambiente y la temperatura. La fricción entre dos superficies surge debido a interacciones tanto a nivel micro como macroscópico. Un resultado importante de la fricción es la generación de calor y un aumento de la temperatura interfacial. En el caso de los polímeros orgánicos, esto a menudo tiene consecuencias importantes y limita sus aplicaciones. La sabiduría actual es que hay dos interacciones superficiales principales que son de gran importancia en la fricción de sólidos en general y de polímeros en particular. Estas interacciones son los componentes de arado y adherencia. El arado es un proceso que implica una deformación significativa del subsuelo y quizás la remoción de material de la superficie más blanda por la acción de asperezas en la superficie de un cuerpo más duro. El proceso se lleva a cabo mediante la deformación viscoelástica y plástica de la superficie blanda. El mecanismo de arado se ocupa de una deformación de volumen relativamente grande e implica tensiones relativamente pequeñas. El componente de adhesión, por otro lado, se debe a la unión entre dos cuerpos que interactúan en las regiones de contacto y al cizallamiento repetido posterior de estas uniones. El mecanismo de adhesión generalmente opera cuando las dos superficies son bastante lisas y libres de 'suciedad' extraña para facilitar el contacto entre moléculas o átomos de la dos superficies.
La cantidad relativa de estos dos tipos de deformaciones que tiene lugar en una interacción superficial depende de las respectivas rugosidades superficiales de los materiales y de la temperatura interfacial generada durante el proceso, así como de la geometría de contacto. A menudo se supone que la fuerza de fricción medida durante un proceso interactivo de dos cuerpos es la suma de los componentes de arado y de adhesión. Ésta es la proposición del modelo de fricción de dos términos.
El término de adhesión en fricción
La adopción del "término de adhesión en fricción" entre dos cuerpos sólidos fue popularizada por primera vez por Bowden y Taborl. La fuerza adhesiva en polímeros y elastómeros surge de las fuerzas electrostáticas e intermoleculares entre las moléculas de los dos cuerpos que interactúan (ver Adhesión de elastómeros). La fuerza de cizallamiento requerida para superar esta adhesión entre sólidos es el término de adhesión en fricción. La interacción adhesiva durante el deslizamiento puede ocurrir en dos modos. Si la unión del polímero a la superficie opuesta es más débil que el polímero, el deslizamiento ocurre verdaderamente en la interfaz: si es más fuerte que el polímero, el cizallamiento se producirá a una corta distancia de la interfaz dentro del propio polímero. Esta distancia puede variar desde unos pocos nanómetros hasta unos pocos micrómetros. Todavía existe un gran debate sobre el mecanismo real de adhesión entre sólidos. Algunas de las teorías han sido discutidas críticamente por Tabor. En contraste con la aceptación general de la adhesión como uno de los mecanismos de fricción, Bikerman cree que "en la verdadera fricción no se produce ninguna adhesión". Según él, la adhesión entre dos sólidos siempre se evita debido a la presencia de una capa muy fina de aire en la superficie de los materiales. En general, se acepta que las fuerzas intermoleculares y electrostáticas son las principales causas de adhesión entre sólidos. Para los cauchos, Schallamach observó "ondas de desprendimiento" que atravesaban la superficie adherida durante el deslizamiento del caucho contra la superficie lisa del vidrio.
La fricción de los polímeros contra sí mismos o una superficie dura (metal o cerámica) depende en gran medida de los factores que influirán en las fuerzas adhesivas y de arado. Los factores importantes que afectan la fricción son la rugosidad de la superficie, la temperatura interfacial, la carga normal y la velocidad relativa entre las superficies. La temperatura interfacial que es el resultado de la generación de calor por fricción influye en las propiedades mecánicas de los materiales. El ablandamiento y la fusión de los polímeros pueden ocurrir cerca de la interfaz, lo que conduce a una reducción inicial del coeficiente de fricción. Esto se debe a que se requiere una menor cantidad de energía para cortar una capa más blanda de polímero que para superar las fuerzas de adherencia y arado cuando las superficies son más duras. La fusión de la superficie es un factor importante en el deslizamiento de polímeros contra superficies duras a mayor velocidad de deslizamiento y condiciones de carga normales. En tales situaciones, la fricción está totalmente controlada por las propiedades viscosas de la fina capa fundida del polímero formado en la interfaz. Se ha realizado una cantidad considerable de investigación en tribología de polímeros para comprender el mecanismo de baja fricción de polímeros como el PTFE y el polietileno de alta y ultra alta densidad. Estos polímeros dan una fricción muy baja (tan baja como 0.05 para PTPE) cuando se deslizan contra superficies duras y lisas y han encontrado muchas aplicaciones (por ejemplo, recubrimiento de PTPE para componentes deslizantes en máquinas, engranajes y sartenes de cocción antiadherentes, UHMWPE para reemplazo de hueso femoral, etc. .). Se ha especulado que la baja fricción de estos polímeros se debe a su estructura molecular. Las estructuras moleculares de estos polímeros se caracterizan por cadenas lineales no ramificadas 'molecularmente' suaves 'sin grupo lateral voluminoso o polar SID. Durante el deslizamiento, estos polímeros depositan una capa de transferencia sobre la superficie de contacto y la interacción subsiguiente tiene lugar entre el polímero a granel y la película de transferencia. Las películas de transferencia son muy delgadas (quizás unos cientos de nanómetros) y contienen cadenas moleculares fuertemente orientadas en paralelo a la dirección de deslizamiento.