Application of ion bombardment to modify tribological properties of elastomers

In the paper effects of surface modification of various elastomers upon irradiation with H+, He+, F+ or Ar+ ions are presented. Changes to chemical composition and physical structure of rubber macromolecules are discussed in terms of influence of the treatment on modification of surface layer of the elastomers. Hydrogen release induced graphitization together with post-treatment oxidation of rubber macromolecules increase surface wettability of the materials, facilitating lowering of „wet” friction. Free radicals being created due to interactions between energetic ions and macromolecules produce additional crosslinking, which manifests itself by increased hardness of the elastomers. Modification of mechanical properties of the surface layer changes mechanism of elastomer friction from the bulk to the surface one, what results in significant reduction of friction. Despite crosslinking induced shrinkage of the surface layer, which results in its micro-cracking, ion beam treated elastomers showed to be wear resistant due to the lack of delamination under stress. Interesting results were obtained for heavy Ar+ ions surface etched butadiene-acrylonitrile rubber/multiwalled carbon nanotube (NBR/MWCNT) composites. Nanotube agglomerates created from rubber substrate resulted in „island” morphology, significantly reducing friction of the material.

---

W artykule przedstawiono wpływ modyfikacji powierzchni różnego rodzaju elastomerów za pomocą wysokoenergetycznej wiązki jonów: H+, He+, F+ lub Ar+ na ich morfologię, charakterystykę mechaniczną i energię powierzchniową oraz właściwości tribologiczne. Dobór jonów był podyktowany chęcią sprawdzenia, jak na efekty modyfikacji wpływa ich masa i reaktywność chemiczna. Porównano także właściwości zmodyfikowanej w następstwie bombardowania jonowego warstwy wierzchniej elastomerów w zależności od składu wulkanizatów (rys. 1—3). Stwierdzono, że efekty modyfikacji są widoczne również w przypadku elastomerów specjalnego przeznaczenia, odpornych na konwencjonalną, „mokrą” modyfikację chemiczną za pomocą chlorowania lub sulfonowania (rys. 4). Uwalnianie wodoru powodujące grafityzację oraz utlenianie zachodzące w wyniku kontaktu z powietrzem, sprzyjają obniżeniu współczynnika tarcia elastomerów modyfikowanych „na mokro”. Wolne rodniki, powstające w następstwie oddziaływania pomiędzy wysokoenergetycznymi jonami a makrocząsteczkami, prowadzą do wzrostu gęstości ich usieciowania, które przejawia się większą twardością warstwy wierzchniej elastomerów (rys. 1). Modyfikacja właściwości mechanicznych tej warstwy zmienia mechanizm tarcia elastomerów z objętościowego na powierzchniowy (rys. 5), czego skutkiem jest znaczące obniżenie oporów tarcia. Pomimo skurczu (wywołanego sieciowaniem) materiału, który doprowadził do pojawienia się spękań na jego powierzchni (rys. 2), praktycznie nie zaobserwowano zużycia ściernego elastomerów poddanych bombardowaniu jonowemu. Tak znaczny wzrost odporności elastomerów na zużycie ścierne przypisuje się brakowi występowania delaminacji zmodyfikowanej warstwy wierzchniej poddanej działaniu naprężeń w strefie kontaktu ciernego. Interesujące wyniki uzyskano w odniesieniu do kompozytów elastomerowych zawierających wielościenne nanorurki węglowe. Ich wulkanizaty poddane działaniu wiązki ciężkich jonów Ar+, która trawi elastomerową matrycę, uzyskują „wyspową” morfologię powierzchni (rys. 6), co prowadzi do znacznego obniżenia oporów tarcia materiału (rys. 7).