Frottement
Le frottement est la force opposée qui se développe lorsque deux surfaces se déplacent l’une par rapport à l’autre. Fondamentalement, il existe deux propriétés de frottement présentées par toute surface ; le frottement statique et le frottement cinétique. L’éventail des propriétés de frottement est assez large. Les propriétés de frottement des plastiques sont importantes dans des applications telles que les produits de machines et dans les applications de glissement telles que les courroies et les unités structurelles telles que les portes coulissantes. Dans les applications de friction suggérées ainsi que dans beaucoup d’autres, il y a des domaines importants qui concernent leur approche de conception.
Cela commence dans la sélection et la modification du plastique pour fournir une friction élevée ou faible selon les besoins de l’application. Il y a aussi la détermination de la géométrie requise pour fournir le niveau de force de frottement nécessaire en contrôlant la surface de contact et la qualité de la surface pour fournir le niveau de frottement. La dissipation de la chaleur est un facteur limitant toute application particulière de la force de frottement. Cela est vrai si l’application des charges de frottement est un processus continu ou un processus répétitif avec un cycle de travail élevé. L’utilisation de structures de refroidissement, soit incorporées dans les produits, soit par l’utilisation de dispositifs de refroidissement externes tels que des liquides de refroidissement ou des flux d’air, doit être prise en compte lors de la conception. Pour une conception réussie, la chaleur générée par la friction doit être dissipée aussi vite qu’elle est générée pour éviter la surchauffe et la défaillance.
La relation entre la force normale et la force de friction est utilisée pour définir le coefficient de friction statique. Le coefficient de frottement est le rapport entre la force qui est nécessaire pour amorcer le mouvement de frottement d’une surface contre une autre et la force agissant perpendiculairement aux deux surfaces en contact. Les coefficients de frottement varient pour un plastique particulier de la valeur juste au moment où le mouvement commence à la valeur qu’il atteint en cours de mouvement. Le coefficient dépend de la surface du matériau, qu’elle soit rugueuse ou lisse. Ces variations et d’autres encore rendent nécessaire la réalisation d’essais minutieux pour une application qui repose sur les caractéristiques de frottement des plastiques. Cependant, une fois que les caractéristiques de frottement sont définies, elles sont stables pour un matériau particulier fabriqué selon une méthode prescrite.
Les caractéristiques au niveau moléculaire qui créent les forces de frottement sont les forces d’attraction intermoléculaires d’adhésion. Si les deux matériaux qui constituent les surfaces de glissement en contact ont un degré élevé d’attraction l’un pour l’autre, le coefficient de frottement est élevé. Cet effet est modifié par les conditions de surface et les propriétés mécaniques des matériaux. Si le matériau est rugueux, il y a une interaction mécanique de blocage qui s’ajoute à l’effet de friction. Dans ces conditions, le glissement entraîne la rupture du matériau et la résistance au cisaillement du matériau est un facteur important des propriétés de friction. Si la surface est polie et lisse, le facteur déterminant induit par les conditions de surface est la surface de contact entre les surfaces. Dans le cas d’une grande surface de contact et d’une bonne adhérence, le coefficient de frottement est élevé car il y a un contact intime entre les surfaces. Il est possible par l’ajout de matériaux de surface qui ont une forte adhérence d’augmenter le coefficient de friction.
Si l’une ou les deux surfaces de contact ont un faible module de compression, il est possible de faire un contact intime entre les surfaces, ce qui conduira à des forces de friction élevées dans le cas de plastiques ayant une bonne adhérence. Il peut s’ajouter aux forces de friction d’une autre manière. Le déplacement du matériau devant l’objet en mouvement ajoute un élément mécanique aux forces de friction.
En ce qui concerne la contamination de la surface, si la surface est recouverte d’un matériau qui empêche les forces d’adhésion d’agir, le coefficient est réduit. Si le matériau est un liquide, qui a une faible viscosité de cisaillement, il existe une condition de glissement lubrifié où les caractéristiques du liquide contrôlent le frottement plutôt que les caractéristiques de frottement de surface des plastiques.
L’utilisation de plastiques pour les engrenages et les roulements est le domaine dans lequel les caractéristiques de frottement ont été examinées le plus attentivement. A titre d’exemple, les plastiques hautement polaires tels que les nylons et les polyesters TP ont, en raison des forces de surface sur le matériau, une adhérence relativement faible pour eux-mêmes et des surfaces de glissement telles que l’acier. Les plastiques stratifiés font d’excellents engrenages et roulements. Le coefficient de friction typique de ces matériaux est de 0,1 à 0,2. Lorsqu’ils sont moulés par injection (IM), la peau formée lorsque le plastique refroidit contre le moule a tendance à être plus dure et plus lisse qu’une surface coupée, de sorte que le produit moulé présente une friction de glissement plus faible et est excellent pour ce type d’application. Une bonne conception pour ce type d’application consiste à rendre les surfaces aussi lisses que possible sans pour autant les rendre lisses comme du verre, ce qui tend à augmenter l’intimité du contact et à augmenter la friction au-dessus de celle d’une surface fine.
Pour réduire la friction, il existe des lubrifiants qui vont diminuer la friction et aider à évacuer la chaleur. On utilise des mélanges de matériaux additifs légèrement incompatibles, comme l’huile de silicone, dans un plastique IM. Après l’IM, l’additif migre vers la surface du produit et agit comme une source renouvelable de lubrifiant pour le produit. Dans le cas des roulements, on va encore plus loin en rendant le plastique du roulement poreux et en le remplissant d’un matériau lubrifiant d’une manière similaire aux roulements en métal fritté, le graphite, et le sulfure de molybdène sont également incorporés comme lubrifiants solides.
Les charges peuvent être utilisées pour augmenter la conductivité thermique du matériau comme les fibres de verre et de métal. Le filtre peut être un matériau comme le plastique PTFE (polytétrafluoroéthylène) qui a un coefficient de friction beaucoup plus faible et le matériau exposé en surface réduira la friction.
Avec les portes coulissantes ou les courroies transporteuses qui glissent sur des surfaces de support, on rencontre différents types d’applications à faible friction ou à faible traînée. Les forces normales sont généralement faibles et les problèmes de charge de friction sont de type adhérent. Certains plastiques présentent d’excellentes surfaces pour ce type d’application. Les PTFE (tétrafluoroéthylène) ont le coefficient le plus bas de tous les matériaux solides et représentent l’une des surfaces les plus glissantes connues. Le problème majeur du PTFE est que sa résistance à l’abrasion est faible, de sorte que la plupart des applications utilisent des compositions chargées avec des matériaux de remplissage en céramique pour améliorer la résistance à l’abrasion.
En plus du PTFE dans la réduction de la friction en utilisant des matériaux solides ainsi que des films et des revêtements, il existe d’autres matériaux avec d’excellentes propriétés pour le glissement de surface. Le polyéthylène et les polyoléfines en général ont une faible friction de surface, notamment contre les surfaces métalliques. L’UHMWPE (polyéthylène de poids moléculaire ultra élevé) présente un avantage supplémentaire, à savoir une bien meilleure résistance à l’abrasion, et est préféré pour les applications de convoyeur et les applications impliquant des matériaux glissant sur le produit. Dans l’industrie textile, les produits de métier à tisser utilisent également beaucoup ce matériau car il peut gérer les effets du fil et de la fibre passant sur la surface avec un faible frottement et une usure relativement faible.
Il existe des applications où les frictions élevées ont des applications telles que les surfaces de couple dans les embrayages et les freins. Certains plastiques tels que les polyuréthanes et les compositions vinyliques plastifiées ont des coefficients de friction très élevés. Ces matériaux constituent d’excellentes surfaces de traction pour des produits allant des courroies de transmission aux rouleaux d’entraînement où le plastique entraîne ou est entraîné par un autre élément. Les courroies transporteuses en nylon orienté et en tissus sont revêtues de composés élastomères de polyuréthane pour fournir à la fois la traction d’entraînement et pour déplacer les objets transportés sur des pentes assez raides en raison de la friction élevée générée. Les rouleaux d’entraînement destinés à déplacer le papier dans les presses d’imprimerie, les photocopieuses et les machines commerciales sont fréquemment recouverts d’uréthane ou de vinyle pour servir d’éléments d’entraînement avec un minimum de glissement.
.