Experimental Comparison of Wear and Mechanical Properties of Cast Polyamide (PA6G) and Other Polymer Materials

Year 2025, EARLY VIEW, 1 - 1

Canset Güneş Arslan , Necati Yalçın , Ramazan Çıtak

https://doi.org/10.2339/politeknik.1637530

Abstract

Thermoplastic polymers, which are widely used in engineering applications, exhibit varying performance in terms of wear resistance, impact strength, and surface hardness. This study investigates the wear behavior of cast polyamide (PA6G), polyamide (PA6), polypropylene (PP), polytetrafluorethylene (Teflon, PTFE), and medium density polyethylene (MDPE) under applied loads, as well as impact resistance and hardness. The experiments were conducted using a pin-on-disk type UTS Tribometer T10/20, applying different load levels (5 N, 10 N, 20 N), a sliding speed of 0.85 m/s, and a sliding distance of 500 m. Shore hardness values, notched and un-notched impact strengths were determined. The findings indicate that PA6 and PA6G demonstrated the highest wear resistance, while PP and PTFE exhibited the highest wear rates at all load levels. It was determined that the wear rate increased with increasing load for all polymers. In terms of mechanical properties, PA6G had the highest hardness value (85 Shore D), whereas PTFE had the lowest hardness (55 Shore D). Impact test revealed that MDPE absorbed the highest energy, while PA6 and PA6G remained unbroken in un-notched tests. This study highlights that PA6G and PA6 outperform the other polymers in terms of resistance, hardness, and impact strength. In contrast, PP and PTFE, due to their lower mechanical strength, are considered more suitable for low-load-bearing applications.

Keywords

Polymers , wear resistance , tribological properties , impact strength , hardness

Project Number

FDK-2023-8670

Döküm Polyamid (PA6G) ve Diğer Polimer Malzemelerin Aşınma ve Mekanik Özelliklerinin Deneysel Karşılaştırılması

Abstract

Mühendislik uygulamalarında yaygın olarak kullanılan termoplastik polimerler, aşınma direnci, darbe dayanımı ve yüzey sertliği gibi mekanik özellikler açısından farklı performanslar sergilemektedir. Bu çalışmada, döküm polyamid (PA6G), polyamid (PA6), Poliprepilen (PP), politetrafloretilen (Teflon, PTFE) ve orta yoğunluklu polietilen (MDPE) malzemelerinin yük altındaki aşınma davranışları, darbe dayanımları ve sertlikleri incelenmiştir. Aşınma deneyleri, pin-on-disk tipi UTS Tribometer T10/20 cihazında, farklı yük seviyeleri (5 N, 10 N, 20 N), 0,85 m/s kayma hızı ve 500 m kayma mesafesi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Shore sertlik değerleri, çentikli ve çentiksiz darbe dayanımları belirlenmiştir. Elde edilen bulgular, PA6 ve PA6G’nin en yüksek aşınma direncine sahip olduğunu göstermiştir. Buna karşın, PP ve PTFE tüm yük seviyelerinde en yüksek aşınma oranlarını sergilemiştir. Artan yükle birlikte tüm polimerlerde aşınma oranlarının arttığı bulunmuştur. Mekanik özelliklerin değerlendirilmesi sonucunda, PA6G en yüksek sertlik değerine (85 Shore D), PTFE ise en düşük sertlik değerine (55 Shore D) sahip olmuştur. Darbe dayanımı testlerinde, MDPE çentikli testlerde en yüksek enerjiyi absorbe ederken, PA6 ve PA6G çentiksiz testlerde kırılma göstermemiştir. Bu çalışma, PA6G ve PA6’nın aşınma direnci, sertlik ve darbe dayanımı açısından diğer polimerlere kıyasla üstün performans sergilediğini ortaya koymuştur. Buna karşılık, PP ve PTFE’nin daha düşük mekanik dayanımları nedeniyle hafif yük taşıma uygulamaları için daha uygun olduğu belirlenmiştir.

Keywords

Polimerler , aşınma direnci , tribolojik özellikler , darbe dayanımı , sertlik

Supporting Institution

Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projesi Birimi

Project Number

FDK-2023-8670

References

• [1] Hutchings, I. M. “Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials.” Butterworth-Heinemann, 287–293. (2016).
• [2] Sinha, S. K., & Briscoe, B. J. “Polymer tribology.” Imperial College Press, 112–114, 245–247. (2009).
• [3] Bahadur, S., & Tabor, D. “The Wear of Polymers.” Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 367(1728), 307–324. (1985).
• [4] Myshkin, N. K., & Kovalev, A. “Tribology of Polymers: Adhesion, Friction, and Wear.” Journal of Friction and Wear, 23(2), 144–154. (2002).
• [5] Tjong, S. C. “Tribological and Mechanical Properties of Polymer Composites Reinforced with Nanoparticles.” Advanced Materials, 18(15), 1855–1872. (2006).
• [6] Krick, B. A., & Sawyer, W. G. “Friction and Wear of Polytetrafluoroethylene (PTFE): Influence of Environmental Conditions.” Tribology Letters, 45(3), 479–487. (2012).
• [7] Miller, R. G., & Spencer, N. D. “Polymer Wear in Tribological Applications.” Wear, 190(1), 58–65. (1995).
• [8] Hanchek, C., & White, J. L. “Wear and Frictional Properties of Polyethylene and Polypropylene.” Polymer Engineering and Science, 32(14), 1000–1010. (1992).
• [9] Unal, H., & Mimaroglu, A. “Friction and wear performance of polyamide 6 and graphite and wax polyamide 6 composites under dry sliding conditions.” Wear, 257(9–10), 941–951. (2004).
• [10] Koç, R. “PA6, PA6G, POM, PEEK ve PET mühendislik plastiklerinin aşınma davranışlarının incelenmesi.” [Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir Üniversitesi]. (2005).
• [11] Turgut, D. “Poliamid 6 ve döküm poliamid 6 malzemelerinin aşınma mukavemetlerinin karşılaştırılması.” [Yüksek Lisans Tezi, Pamukkale Üniversitesi]. (2015).
• [12] Schmidt, M., & Karl-Heinz, G. “Friction, wear and transfer of pure and internally lubricated cast polyamides at various testing scales.” Wear, 237(1), 5–12. (2000).
• [13] Uzuner, H., & Uçar, V. “Polimer malzemelerin aşınma özelliklerinin incelenmesi.” SAÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 5(2), 27–40. (2001).
• [14] Korku, M., Feyzullahoğlu, E., & İlhan, R. “Farklı Türlerde Polyester ve Çekme Katkısı İçeren Cam Elyaf Takviyeli Polyester Kompozit Malzemelerde Çevresel Koşulların Aşınma Davranışlarına Olan Etkilerinin İncelenmesi.” Politeknik Dergisi, 27(1), 197–209. (2024).
• [15] Can, H., & Tan, E. “Investigation of tribological behaviors of pure, self-lubricating and heat-resistant cast polyamide materials.” European International Journal of Science and Technology, 7(4), 1–8. (2018).
• [16] Mimaroglu, A., Sen, U., & Unal, H. “Abrasive wear volume maps for PA6 and PA6 composites under dry working condition.” Applied Composite Materials, 15(1), 13–25. (2008).
• [17] Çetinel, H. “Polietilen ve polipropilenin mekanik özelliklerinin incelenmesi.” DEÜ Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi, 2(3), 79–87. (2000).
• [18] Türk Standartları Enstitüsü (TSE). “TS EN ISO 179-1: Plastiklerin Charpy Darbe Özelliklerinin Belirlenmesi- Bölüm 1: Darbe Dayanımı Test Metodu.” Türk Standartları Enstitüsü, Ankara. (2023).
• [19] Türk Standartları Enstitüsü (TSE). “TS EN ISO 868: Plastik ve Sert Kauçuk Malzemeler- Sertliğin Durometre (Shore Sertliği) Yöntemi ile Tayini.” Türk Standartları Enstitüsü, Ankara. (2006).
• [20] Liu, Y., Jiang, S., Yan, W., Qin, J., He, M., Qin, S., & Yu, J. “Enhanced mechanical and thermal properties of polyamide 6/p (N-(4-F-phenylmaleimide)–alt-styrene) composites based on interfacial complexation inducing crystal transformation.” Polymer, 214, 123237. (2021).
• [21] Şengül, Ö., Şeremet, M., & Kam, M. “Sürdürülebilir üretim için grafit takviyeli polipropilen kompozit ürünlerin bazı termal ve mekanik özelliklerinin deneysel analizi.” BŞEÜ Fen Bilimleri Dergisi, 7(1), 10–20. (2020).
• [22] Taşdemir, M., & Ulutaş, E. “Polipropilen/üre formaldehit polimer karışımının fiziksel özelliklerinin incelenmesi.” UMÜFED Uluslararası Batı Karadeniz Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, 5(2), 36–48. (2023).
• [23] Friedrich, J., & Schlarb, A. K. “Tribology and wear of polymer-based composites.” (2nd ed.). Wiley-VCH, 156–160. (2014).
• [24] Callister, W. D. “Materials science and engineering: An introduction.” (7th ed.). Wiley, 152–153. (2007).
• [25] Yetgin, S. H., Türkmen, E., & Güleşen, M. “Cam Elyaf ve Kauçuk Katkılı PA6 Polimerinin Özelliklerinin İncelenmesi.” Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 4(2), 15–23. (2017).
• [26] Odrobina, M., Deák, T., Székely, L., Mankovits, T., Keresztes, R. Z., & Kalácska, G. “The effect of crystallinity on the toughness of cast polyamide 6 rods with different diameters.” Polymers, 12(2), 293. (2020).
• [27] Maddah, H. A. “Polypropylene as a promising plastic: A review.” American Journal of Polymer Science, 6(1), 1–11. (2016).
• [28] Zhu, T., Li, X., Zhao, X., Zhang, X., Lu, Y., & Zhang, L. “Stress-strain behavior and corresponding crystalline structures of four types of polyethylene under a wide range of strain rates.” Polymer Testing, 106, 107460. (2022).
• [29] Ashby, M. F., & Jones, D. R. H. “The physical basis of Young’s modulus.” In Engineering Materials 1: An introduction to properties, applications and design (4th ed., pp. 83–93). Elsevier. (2012).
• [30] Ma, L., Jia, W., Hou, K., Yang, Y., Li, Z., Yang, S., & Wang, J. “Similar chemical composition with different tribological properties: Influences of C–F bond strength and carbon-skeleton structure on fluorinated graphene and PTFE.” Tribology International, 165, 107250. (2022).
• [31] Li, C., Xiang, M., & Ye, L. “Structure and tribological performance of monomer casting nylon-6/colloidal graphite composites synthesized through in situ polymerization.” Polymer - Plastics Technology Engineering, 56(12), 1345–1357. (2017).
• [32] Yılmaz, İ. “Bor mineral atığı katkılı polipropilen kompozitlerin aşınma ve sürtünme davranışlarının incelenmesi.” [Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü]. (2019).
• [33] Sharvesh, R., Babu, M., & Soundararajan, R. “Appraisal of mechanical and tribological behavior of polyamide 6 with carbon fibre-filled composites fabricated through fused deposition modeling.” Journal of The Institution of Engineers (India): Series D. (2024).