References

resar

Природные ресурсы Арктики и Субарктики

Arctic and Subarctic Natural Resources

2618-97122686-9683

Академия наук Республики Саха (Якутия)

10.31242/2618-9712-2022-27-4-631-642

resar-84

Research Article

Материаловедение

Materials science

Полимерные материалы на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена: структура и свойства

Polymer materials based on ultra-high molecular weight polyethylene: structure and properties

https://orcid.org/0000-0002-5901-6387

Данилова

С. Н.

Danilova

S. N.

ДАНИЛОВА Сахаяна Николаевна, младший научный сотрудник, AuthorID: 933163, Researcher ID: AAZ-5494-2021

677000, г. Якутск, ул. Белинского, 58

DANILOVA, Sakhayana Nikolaevna, Junior Researcher, AuthorID: 933163, Researcher ID: AAZ-5494-2021

58 Belinsky st., Yakutsk 677000

dsn.sakhayana@mail.ru

https://orcid.org/0000-0002-3647-2718

Оконешникова

А. В.

Okoneshnikova

A. V.

ОКОНЕШНИКОВА Анастасия Васильевна, студент 3 курса

677000, г. Якутск, ул. Белинского, 58

OKONESHNIKOVA, Anastasia Vasilievna, 3rd year student

58 Belinsky st., Yakutsk 677000

anasema2003@mail.ru

https://orcid.org/0000-0003-0691-7066

Охлопкова

А. А.

Okhlopkova

A. A.

ОХЛОПКОВА Айталина Алексеевна, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, AuthorID: 57856, Researcher ID: A-6594-2014

677000, г. Якутск, ул. Белинского, 58

OKHLOPKOVA, Aitalina Alexeevna, Dr. Sci. (Engineering), Professor, Chief Researcher, AuthorID: 57856, Researcher ID: A-6594-2014

58 Belinsky st., Yakutsk 677000

okhlopkova@yandex.ru

Северо-Восточный федеральный университет им. М. К. АммосоваРоссияAmmosov North-Eastern Federal UniversityRussian Federation

2022

09092022

274631642

2022

Данилова С.Н., Оконешникова А.В., Охлопкова А.А.

Danilova S.N., Okoneshnikova A.V., Okhlopkova A.A.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://resar.elpub.ru/jour/article/view/84

Представлены результаты исследования свойств и структуры сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) в зависимости от марок и молекулярной массы. Проведено сравнение марок СВМПЭ 510 и 517, синтезированных в Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, и GUR марок 4022, 4130 и 4150 фирмы «Celanese» (Германия и Китай). Порошки перерабатывались по технологии горячего прессования в вулканизационном прессе в соответствии с ГОСТ 16337-77 с получением образцов для исследований. Изучение структуры полимеров проведено методами рентгеноструктурного анализа и сканирующей электронной микроскопии. Результаты исследования морфологии порошков свидетельствуют, что порошки СВМПЭ состоят из кластеров более мелких субчастиц, связанных между собой фибриллами полимера. В то же время надмолекулярная структура СВМПЭ характеризуется формированием сферолитов, размеры которых уменьшаются с увеличением молекулярной массы. Рентгенограммы СВМПЭ показывают, что с увеличением молекулярной массы формируется более дефектная структура. Данное явление подтверждается методом дифференциально-сканирующей калориметрии. Выявлено уменьшение значений энтальпии плавления и степени кристалличности с увеличением молекулярной массы. Установлено, что значения степени кристалличности и плотности у СВМПЭ марки 517 российского производства сопоставимы с иностранными марками. При этом по физико-механическим и трибологическим параметрам данная марка не уступает иностранным аналогам: зарегистрированы повышение прочности при растяжении, которое достигает 45 МПа, и низкое значение скорости массового изнашивания, равное 0,07 мг/ч.

This paper presents the results of a study of the properties and structure of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) depending on grades and molecular weight. We compared the grades of UHMWPE 510 and 517 synthesized in the Federal Research Center Boreskov Institute of Catalysis, and GUR grades 4022, 4130 and 4150 from Celanese (Germany and China). Powders were processed according to the technology of hot pressing in a vulcanizing press in accordance with GOST 16337-77 to obtain samples for research. The structure of the polymers was studied by X-ray diffraction analysis and scanning electron microscopy. The study of powder morphology indicates that UHMWPE powders consist of clusters of smaller subparticles interconnected by polymer fibrils. At the same time, the supramolecular structure of UHMWPE is characterized by the formation of spherulites, the size of which decreases with increasing molecular weight. X-ray patterns of UHMWPE show that with increasing molecular weight, a more defective structure is formed. This phenomenon is confirmed by the method of differential scanning calorimetry, a decrease in the values of the enthalpy of melting and the degree of crystallinity with increasing molecular weight was revealed. We established that the value of the degree of crystallinity and density of Russian-made brand 517 is comparable to foreign brands. In terms of physical, mechanical and tribological parameters, this brand is not inferior to foreign analogues, since it has a high tensile strength, which reaches up to 45 MPa, and a low mass wear rate of 0.07 mg/h.

полимерный материалсверхвысокомолекулярный полиэтиленизносостойкостьпрочность

polymer materialultra-high molecular weight polyethylenewear resistancestrength

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, НИР № FSRG–2020–0017. В исследовании использовано оборудование ЦКП Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова.

This research was funded by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (grant number [FSRG-2020-0017]). We used the equipment of the Shared core facilities of the Ammosov North-Eastern Federal University.

References1

Kurdi A., Chang L. Recent advances in high performance polymers-tribological aspects. Lubricants. 2018; 7(1): 2. DOI: 10.3390/lubricants7010002.

Склифос В.О., Рыжко А.А., Щеглов Д.П. Наночастицы для полимерных композиционных материалов в строительстве. Перспективы науки. 2021;5: 123–125.

Sklifos V.O., Ryzhko A.A., Shcheglov D.P. Nanoparticles for polymer composite materials in construction. Science Prospects. 2021;5:123–125. (In Russ.)

Шерстюков Б.Г. Климатические условия Арктики и новые подходы к прогнозу изменения климата. Арктика и Север. 2016;24:39–67.

Sherstyukov B.G. The climatic conditions of the Arctic and new approaches to the forecast of the climate change. Arktika i Sever [Arctic and North]. 2016;24:39–67. (In Russ.)

Selyutin G.E., Gavrilov Y.U., Voskresenskaya E.N., Zakharov V.A., Nikitin V.E., Poluboyarov V.A. Composite materials based on ultra-high molecular polyethylene: properties, application prospects. Chemistry for sustainable development. 2010;18(3):301–314.

Abdul Samad M. Recent Advances in UHMWPE/UHMWPE nanocomposite/UHMWPE hybrid nanocomposite polymer coatings for tribological applications: a comprehensive review. Polymers. 2021;13(4): 608. https://doi.org/10.3390/polym13040608.

Chen X., Wang X., Feng Y., Qu J., Yu D., Cao C., Chen X. Enhancing chain mobility of ultrahigh molecular weight polyethylene by regulating residence time under a consecutive elongational flow for improved processability. Polymers. 2021;13(13):2192. DOI: 10.3390/polym13132192.

Андреева И.Н., Веселовская Е.В., Наливайко Е.И., Печенкин А.Д., Бухгалтер В.И., Поляков А.В. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности. Л.: Химия; 1982. 80 с.

Andreeva I.N., Veselovskaya E.V., Nalivajko E.I., Pechenkin A.D., Buhgalter V.I., Polyakov A.V. Ultra high molecular weight polyethylene of high density. L.: Chemistry; 1982. 80 p. (In Russ.)

Галибеев С.С., Хайруллин Р.З., Архиреев В.П. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Тенденции и перспективы. Вестник Казанского технологического университета. 2008;2:50–55.

Galibeev S.S., Hajrullin R.Z., Arhireev V.P. Ultrahigh molecular weight polyethylene. Trends and prospects. Bulletin of the Kazan Technological University. 2008;2:50–55. (In Russ.)

Peacock A.J. Handbook of polyethylene: structures: properties, and applications. CRCpress; 2000. 544 p.

Охлопкова А.А., Охлопкова Т.А., Борисова Р.В. Управление процессами структурообразования в полимерных композиционных материалах на основе СВМПЭ. Наука и образование. 2015;2(78):85–90.

Okhlopkova A.A., Okhlopkova T.A., Borisova R.V. Controlling structure formation processes in polymer composite materials based on UHMWPE. Nauka i Obrazovanie. 2015;2(78):85–90. (In Russ.)

Kossack W., Seidlitz A., Thurn-Albrecht T., Kremer F. Molecular order in cold drawn, strain-recrystallized poly(ε-caprolactone). Macromolecules. 2017;50(3): 1056–1065. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.6b02714.

Hu X.P., Hsieh Y.L. Crystallite sizes and lattice distortions of gel-spun ultra-high molecular weight polyethylene fibers. Polymer journal. 1998; 30(10): 771–774. DOI: 10.1295/polymj.30.771.

Joo Y.L., Han O.H., Lee H.K., Song J.K. Characterization of ultra high molecular weight polyethyelene nascent reactor powders by X-ray diffraction and solid state NMR. Polymer. 2000;41(4):1355–1368. https://doi.org/10.1016/S0032-3861(99)00272-4.

Zamfirova G., Perena J.M., Benavente R., Pé- rez E., Cerrada M.L., Nedkov E. Mechanical properties of ultra-high molecular weight polyethylene obtained with different cocatalyst systems. Polymer journal. 2002; 34(3):125–131. https://doi.org/10.1295/polymj.34.125.

Федоров Л.Ю., Карпов И.В., Ушаков А.В., Лепешев А.А., Иваненко А.А. Структурное состояние сверхвысокомолекулярного полиэтилена при одностадийном осаждении наночастиц из плазмы дугового разряда. Письма в ЖТФ. 2017;43(21):24–32. https://doi.org/10.21883/PJTF.2017.21.45158.16747.

Fedorov L.Yu., Karpov I.V., Ushakov A.V., Lepeshev A.A., Ivanenko A.A. Structural state of ultrahigh molecular weight polyethylene during one-stage deposition of nanoparticles from arc discharge plasma. Technical physics letters. 2017;43(21):24–32. https://doi.org/10.21883/PJTF.2017.21.45158.16747. (In Russ.)

Аулов В.А., Кучкина И.О. Проявление моноклинной фазы в ИК-спектрах сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2009;51(8):1440–1443.

Aulov V.A., Kuchkina I.O. Manifestation of the monoclinic phase in IR-spectra of ultrahigh-molecularweight polyethylene. Polymer Science, Series A. 2009; 51(8):877–880. (In Russ.)

Bracco P., Bellare A., Bistolfi A., Affatato S. Ultrahigh molecular weight polyethylene: influence of the chemical, physical and mechanical properties on the wear behavior. A review. Materials. 2017;10(7):791. https://doi.org/10.3390/ma10070791.

Ней З.Л. Технологические и эксплуатационные свойства наномодифицированного полиэтилена: дис.… канд. тех. наук.: 05.17.06 Москва: 2017. 163 с.

Ney Z.L. Technological and operational properties of nanomodified polyethylene: Dis.… Cand. Sci.: Moscow: 2017. 163 p. (In Russ.)

Galitsyn V., Gribanov S., Kakiage M., Uehara H., Khizhnyak S., Pakhomov P., Moeller E., Nikitin V., Zakharov V., Tshmel A. Straight-chain segment length distributions in UHMWPE reactor powders of different morphological types. International Journal of Polymer Analysis and Characterization. 2007; 12(3):221–230. https://doi.org/10.1080/10236660701245264.

Vadivel H.S., Bek M., Šebenik U., Perše L.S., Kádár R., Emami N., Kalin M. Do the particle size, molecular weight, and processing of UHMWPE affect its thermomechanical and tribological performance? Journal of Materials Research and Technology. 2021;12:1728–1737. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.03.087.

Лебедев Д.В., Иванькова Е.М., Марихин В.А., Мясникова Л.П., Seydewitz V. Строение поверхности насцентных частиц реакторных порошков сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Физика твердого тела. 2009;51(8):1645.

Lebedev D.V., Ivan’kova E.M., Marikhin V.A., Myasnikova L.P., Seydewitz V. Surface structure of nascent particles of ultrahigh molecular weight poly(ethylene) reactor powders. Physics of the Solid State. 2009;51(8): 1645. (In Russ.)

Khalil Y., Hopkinson N., Kowalski A., Fairclough J.P.A. Characterisation of UHMWPE polymer powder for laser sintering. Materials. 2019;12(21):3496. https://doi.org/10.3390/ma12213496.

Michler G.H., Seydewitz V., Buschnakowski M., Myasnikowa L.P., Ivan’Kova E.M., Marikhin V.A., Boiko Y.M., Goerlitz S. Correlation among powder morphology, compactability, and mechanical properties of consolidated nascent UHMWPE. Journal of applied polymer science. 2010;118(2):866–875. https://doi.org/10.1002/app.32346.

Rimell J.T., Marquis P.M. Selective laser sintering of ultra-high molecular weight polyethylene for clinical applications. Journal of Biomedical Materials Research. 2000;53(4):414–420. https://doi.org/10.1002/1097-4636(2000)53:4<414::AID-JBM16>3.0.CO;2-M.

Охлопкова Т.А., Борисова Р.В., Охлопкова А.А., Дьяконов А.А., Васильев А.П., Миронова С.Н. Микроскопические исследования деформации растяжения сферолитных структур в полимерных композиционных материалах. Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. 2015;3(47):75–87.

Okhlopkova T.A., Borisova R.V., Okhlopkova A.A., Dyakonov A.A., Vasiliev A.P., Mironova S.N. Microscopic investigations of spherulitic structures tensile strain in polymeric composite materials. Vestnik NEFU. 2015; 3(47):75–87. (In Russ.)

Галицын В.П. Физико-химические свойства и строение реакторных порошков, гелей и ориентированных волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена: дис.… д-ра хим. наук: 02.00.04 Тверь: 2012. 339 c.

Galitsyn V.P. Physical and chemical properties and structure of reactor powders, gels and oriented fibers made of ultrahigh molecular weight polyethylene: Dis.… Dr Sci. Tver: 2012. 339 p. (In Russ.)

Liu Y.X., Chen E.Q. Polymer crystallization of ultrathin films on solid substrates. Coordination Chemistry Reviews. 2010;254(9-10):1011–1037. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2010.02.017.

Dingler C., Dirnberger K., Ludwigs S. Semiconducting polymer spherulites-From fundamentals to polymer electronics. Macromolecular Rapid Communications. 2019; 40(1): 1800601. https://doi.org/10.1002/marc.201800601.

Cook J.T.E., Klein P.G., Ward I.M., Brain A.A., Farrar D.F., Rose J. The morphology of nascent and moulded ultra-high molecular weight polyethylene. Insights from solid-state NMR, nitric acid etching, GPC and DSC. Polymer. 2000;41(24):8615–8623. https://doi.org/10.1016/S0032-3861(00)00254-8.

Жорник В.И., Ковалева С.А., Григорьева Т.Ф., Киселева Т.Ю., Белоцерковкский М.А., Таран И.И., Валькович И.В., Витязь П.А., Ляхов Н.З. Формирование структуры высоконаполненных композитов на основе СВМПЭ в условиях интенсивной механической активации для получения радиационно-защитных материалов. Механика машин, механизмов и материалов. 2019;4:70–78.

Zhornik V.I., Kovaliova S.A., Grigoryeva T.F., Kiseleva T.Yu., Belotserkovsky M.A., Taran I.I., Valkovich I.V., Vityaz P.A., Lyakhov N.Z. Formation of structure of highly filled UHMWPE composites under conditions of intensive mechanical activation for radiation protective materials. Mechanics of machines, mechanisms and materials. 2019;4:70–78. (In Russ.)

Bergström J.S., Kurtz S.M., Rimnac C.M., Edidin A.A. Constitutive modeling of ultra-high molecular weight polyethylene under large-deformation and cyclic loading conditions. Biomaterials. 2002;23(11):2329–2343. https://doi.org/10.1016/S0142-9612(01)00367-2.

Sobieraj M.C., Rimnac C.M. Ultra high molecular weight polyethylene: mechanics, morphology, and clinical behavior. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials. 2009;2(5):433–443. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2008.12.006.

Galeski A., Bartczak Z., Vozniak A., Pawlak A., Walkenhorst R. Morphology and plastic yielding of ultrahigh molecular weight polyethylene. Macromolecules. 2020;53(14):6063-6077. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.9b02154.

Danilova S.N., Yarusova S.B., Kulchin Y.N., Zhevtun I.G., Buravlev I.Y., Okhlopkova A.A., Gordienko P.S., Subbotin E.P. UHMWPE/CaSiO3 nanocomposite: mechanical and tribological properties. Polymers. 2021;13(4):570. https://doi.org/10.3390/polym13040570.

Way J.L., Atkinson J.R., Nutting J. The effect ofspherulite size on the fracture morphology of polypropylene. Journal of Materials Science. 1974;9(2):293–299. https://doi.org/10.1007/BF00550954.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.