Modification of Polyether ether ketone for higher wear durability in tribological applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS_Thesis_-_M._Irfan_Fareed.pdf Download (6MB) | Preview

Arabic Abstract

يعتبر كيتون الإيثر عديد الإيثر ( بولي الكيتونات) من البوليمرات الهندسية لتميزه بعدة مزايا منها خفة الوزن و الاستقرار الحراري والقوة بالإضافة للمتانة ، لذا فإنه يستعمل كبديل لبعض المعادن في تطبيقات المدحرجات و أجزاء المكابس والمضخات و المواد المستخدمة في التطبيقات الحيوية. يعيب بولي الكيتونات ضعف مقاومته للتآكل وارتفاع معامل الاحتكاك تحت تأثير القوى العالية، وهو ما يحد من استخدامه على نطاق واسع. تتراوح قيمة معامل الاحتكاك لبولي الكيتونات بين 0.22 و 0.38 ، وهو أعلى من مقابله للبولي إثيلين فائق الوزن الجزيئي المرتفع ( ≈0.11 ) ولمتعدد رباعي فلورو الإيثيلين ( ≈0.06 ). أثبتت الدراسات أن معامل الاحتكاك لبولي الكيتونات أكبر بثمانية مرات من معامل احتكاك للبولي إثيلين فائق الوزن الجزيئي المرتفع ، ولذا فإن تحسين أداء بولي الكيتونات من جهة الاحتكاك - ممثلة في الحصول على معامل احتكاك منخفض و مقاومة عالية للتآكل- يعد ضروريا للتمكن من استخدامه في تطبيقات مختلفة. اتبعت طرق مختلفة في هذا السياق لتحسين أداء الاحتكاك لبولي الكيتونات ومنها تقويته باستخدام أنواع مختلفة من الحشوات النانوية كأنابيب الكربون النانوية والجرافين وألياف الزجاج وألياف الكربون، والتي وجد أنها جميعا تزيد من مقاومة البولي الكيتونات للاحتكاك. إلى جانب ذلك ، أضيفت بوليمرات أخرى لتحسين أداء بولي الكيتونات كالبولي إثيلين فائق الوزن الجزيئي المرتفع ومتعدد رباعي فلورو الإيثيلين، والتي نتج عنها تخفيض معامل الاحتكاك ومعدل التآكل. اتخذت هذه الدراسة اتجاها آخرًا متميزا في تحسين أداء الاحتكاك لبولي الكيتونات ، وذلك عن طريق طلائه بطبقة رقيقة من البولي إثيلين فائق الوزن الجزيئي المرتفع، والذي يتميز بانخفاض معامل احتكاكه ومقاومته الشديدة للكشط بالإضافة لامتلاكه لأعلى قوة اصطدام عند مقارنته باللدائن الحرارية المعروفة.بالإضافة لما سبق، يتميز البولي إثيلين فائق الوزن الجزيئي المرتفع بكونه مناسبا لاستخدامه كمادة طلاء رقيقة على الأسطح المعدنية في صورته الأولية و المركبة في البيئات الجافة والمزيتة نظرًا لمقاومته العالية للتآكل وانخفاض معامل احتكاكه عند اختباره مقابل المواد المعدنية والسيراميكية. تركز هذه الدراسة على اختبار إمكانية استخدام طبقة طلاء رقيقة من البولي إثيلين فائق الوزن الجزيئي المرتفع على بولي الكيتونات لتحسين أداء الاحتكاك، وذلك بدراسة أثر القوة العمودية وسرعة الانزلاق في مقابل كرة الصلب المقاوم للصدأ في ظروف جافة. أجريت اختبارات التآكل باستخدام نظام الكرة والقرص لتقييم أداء الاحتكاك لعديد الإيثر المعالج بالبلازما والمطلي بالبولي إثيلين فائق الوزن الجزيئي المرتفع تحت قوى عمودية مختلفة ( 5 ، 7 ، 9 نيوتن ) وبسرعات انزلاق متفاوتة كذلك ( 0.1 ، 0.2 ، 0.5 متر/ثانية ). أثبتت الدراسة أن معامل الاحتكاك لبولي الكيتونات المطلي (0.09≈) أقل من مثيله غير المطلي (≈0.3). وجدت الدراسة كذلك أن البولي إثيلين فائق الوزن الجزيئي المرتفع يملك عمر تآكل يزيد على 5000 دورة عند استخدام قوى عمودية قدرها 5 و 7 نيوتن، إلا أنه يفشل عن مقاومة التآكل بعد 3600 دورة إذا ما زيدت القوة إلى 9 نيوتن، ولذلك فقد استخدمت أنابيب الكربون النانوية لتقوية البولي إثيلين فائق الوزن الجزيئي المرتفع، وهو ما نتج عنه زيادة عمر التآكل إلى أكثر من 25000 دورة تحت تأثير قوة عمودية مقدارها 9 نيوتن لنسبة كتلية من الأنابيب قدرها 0.2%.

English Abstract

Polyether ether ketone (PEEK), an engineering polymer with many advantages such as lightweight, high thermal stability, high strength coupled with toughness, has often been used as a substitute for metals in applications such as bearings, piston parts, pumps and even biomaterials. However, in pristine form, PEEK exhibits poor wear resistance and higher coefficient of friction especially under high loads which restricts its wider use. The coefficient of friction of PEEK (0.22 - 0.38) is significantly higher than that of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE ≈ 0.11) and Polytetrafluoroethylene (PTFE ≈ 0.06). Studies have shown that the wear rate of PEEK is approximately 8 times higher than that of UHMWPE. Hence, to utilize the various advantages of PEEK in demanding applications it is necessary to improve its tribological performance in terms of lowering the coefficient of friction and wear rates. Various approaches have been followed to improve the tribological performance of PEEK. One such approach was to develop PEEK composites by reinforcing it with different types of nanofillers such as carbon nanotubes, graphene, glass fiber, carbon fiber etc., whereby it was found that the wear resistance of PEEK increased considerably with the addition of these fillers. Another approach taken was to reinforce PEEK with particles of another polymer such as PTFE and UHMWPE. In this case as well, a reduction in coefficient of friction and wear rate has been observed. However, in this study, we intend to take up a unique approach of improving the tribological performance of PEEK by coating it with a thin film of UHMWPE. UHMWPE has been selected for this study because it exhibits a very low coefficient of friction, has a high abrasion resistance and has the highest impact strength of any thermoplastic material known. Moreover, UHMWPE has been found to be an excellent candidate as a thin coating on metallic substrates in its pristine and composite form both under dry and lubricated conditions because it offers very high resistance to wear and low coefficient of friction against metallic and ceramic materials. Hence the focus of the present study is to evaluate the feasibility of using a thin coating of UHMWPE on PEEK substrates to improve its tribological performance. In the present study, effect of normal load and sliding speed are investigated on the tribological properties of a thin film of ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) coated onto a polyether ether ketone (PEEK) substrate sliding against a stainless steel ball in dry conditions. Wear tests are carried out with a ball-on-disc configuration to evaluate the tribological properties of the plasma treated PEEK samples coated with UHMWPE film at different normal loads (5, 7 and 9 N) and sliding speeds (0.1, 0.2 and 0.5 m/s). The coated samples exhibited a very low coefficient of friction of ~ 0.09 as compared to that of uncoated PEEK samples which showed a coefficient of friction of ~ 0.3. The wear life of the pristine coating was observed to be greater than 5000 cycles at normal loads of 5 and 7 N respectively. However, the pristine UHMWPE coating failed after ~3600 cycles at a load of 9 N. Hence, to increase the wear resistance of the pristine UHMWPE coating, it was reinforced with different loadings of carbon nanotubes (CNTs). It was observed that the wear life of the UHMWPE coating increased beyond 25000 cycles at a normal load of 9 N for a 0.2 wt. % of CNTs.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Abdul Samad, Mohammed
Committee Members:	Mezghani, Khaled and Sorour, Ahmad
Depositing User:	MUHAMMAD I FAREED (g201303830)
Date Deposited:	02 Jun 2016 05:59
Last Modified:	01 Nov 2019 16:34
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140005