Nästan alla är bekanta med polytetrafluoreten (PTFE), annars känd som teflon, varumärket som används av kemiföretaget DuPont. Känd för att vara "icke-klibbig" och vattenavvisande, PTFE är ett torrt smörjmedel som används på maskinkomponenter överallt, från köksredskap och motorcylindrar till rymd- och biomedicinska tillämpningar.
Nyligen, ingenjörsforskare vid University of Arkansas hittade ett sätt att göra polymeren ännu mindre vidhäftande. De behandlade tunna filmer av PTFD med nanopartiklar av kiseldioxid och fann att det smörjande materialet avsevärt minskade slitaget på polymeren samtidigt som det bibehöll en låg friktionsnivå. Forskarnas arbete kommer att göra det möjligt för maskiner att hålla längre och fungera mer effektivt.
"Polytetrafluoreten är en stor, skrämmande ord, sa Min Zou, en docent i maskinteknik. "Vad vi pratar om här är ett materialskikt eller beläggning - en film - som i princip inte fastnar och är hydrofob, vilket betyder att det stöter bort vatten."
Fasta smörjmedel som PTFE är tilltalande eftersom de fungerar bra i höga temperaturer, har låga underhållskostnader och är rena jämfört med vätskor. De är viktiga i en industriell miljö, där ytorna på olika mekaniska delar ständigt kommer i kontakt med varandra.
PTFE kan jämföras med andra fasta smörjmedelsmaterial på grund av dess självsmörjande egenskaper, dess förmåga att producera låg friktion och dess motståndskraft mot höga temperaturer och kemikalier. Den har använts som smörjpolymer i många år, och nyligen har forskare och ingenjörer försökt förbättra materialet genom att inkorporera nanopartikel-"fyllmedel" som minskar slitaget på materialet och därmed förlänger dess livslängd. Dock, höga koncentrationer av dessa nanofyllmedel har skapat ett problem:samtidigt som de minskar slitage, de har också ökat materialets förmåga att skapa friktion.
"Ett stort hinder i mikro- och nanokompositfilmer har varit oförmågan att hitta ett fyllnadsmaterial som ger bra slitstyrka samt en låg friktionskoefficient, " sa Zou.
Men det är precis vad Zou hittade i kiseldioxid. Efter att ha integrerat nanopartikelmaterialet i PTFE i två olika koncentrationer, hon och hennes doktorand Samuel Beckford applicerade de tunna filmerna på ett substrat av rostfritt stål. De utsatte filmerna för abrasiva tester för att mäta graden av friktion och slitstyrka. För jämförelse, de gjorde samma experiment på en ren PTFE-film och på rent rostfritt stål. Andrew Wang med Ocean NanoTech, ett lokalt teknikföretag, hjälpte till med storlekskarakterisering av nanopartiklarna.
"Mikrografier avslöjade att kompositfilmerna med högre koncentration av kiseldioxid hade mycket smalare slitspår efter att proverna utsatts för gnidningstester, " sa Zou.
Studien publicerades i Tribologitransaktioner , en tidskrift från Society of Tribologists and Lubrication Engineers (STLE), och fick STLE Al Sonntag-priset för bästa tidning publicerad om fasta smörjmedel.
