resarПриродные ресурсы Арктики и СубарктикиArctic and Subarctic Natural Resources2618-97122686-9683Академия наук Республики Саха (Якутия)10.31242/2618-9712-2025-30-2-337-346resar-941Research ArticleМатериаловедение и химические технологииMaterials science and chemical technologiesИсследование изменения свойств СВМПЭ в натурных условиях г. Якутск в зависимости от сезона экспонированияStudy of the changes in the properties of UHMWPE under the natural environmental conditions of Yakutsk based on seasonal exposurehttps://orcid.org/0009-0009-9422-9298КсюМ.XuM.

КСЮ Мингсян, профессор, заместитель директора

Scopus Author ID: 58069441600

Цзинань

XU Mingxian, Associate Professor, Chief Sector

Scopus Author ID: 58069441600

Jinan

1225602976@qq.comhttps://orcid.org/0000-0001-5425-2295ГоголеваО. В.GogolevaO. V.

ГОГОЛЕВА Ольга Владимировна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник

ResearcherID: A-5450-2014, Scopus Author ID: 13905668500

г. Якутск

GOGOLEVA, Olga Vladimirovna, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

ResearcherID: A-5450-2014, Scopus Author ID: 13905668500

Yakutsk

oli-gogoleva@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2306-5870СоколоваМ. Д.SokolovaM. D.

СОКОЛОВА Мария Дмитриевна, доктор технических наук, доцент, главный научный сотрудник

ResearcherID: A-5266-2014, Scopus Author ID: 56896257700

г. Якутск

SOKOLOVA, Marina Dmitrievna, Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor, Chief Researcher

ReseacherID: A-5266-2014, Scopus Author ID: 56896257700

Yakutsk

marsokol@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1859-8034ПетроваП. Н.PetrovaP. N.

ПЕТРОВА Павлина Николаевна, кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник

ResearcherID: A-6427-2014, Scopus Author ID: 13906602000

г. Якутск

PETROVA, Pavlina Nikolaevna, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Leading Researcher

ResearcherID: A-6427-2014, Scopus Author ID: 13906602000

Yakutsk

ppavlina@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1718-2643ФедоровА. Л.FedorovA. L.

ФЕДОРОВ Андрей Леонидович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник

ResearcherID: A-5442-2014, Scopus Author ID: 55845420304

г. Якутск

FEDOROV, Andrey Leonidovich, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

ResearcherID: A-5442-2014, Scopus Author ID: 55845420304

Yakutsk

gelvirb@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9771-7427КондаковМ. Н.KondakovM. N.

КОНДАКОВ Михаил Николаевич, кандидат технических наук, научный сотрудник

ResearcherID: AAZ-8507-2020, Scopus Author ID: 57193235069

г. Якутск

KONDAKOV, Mikhail Nikolaevich, Cand. Sci. (Eng.), Researcher

ResearcherID: AAZ-8507-2020, Scopus Author ID: 57193235069

Yakutsk

kondakovmix@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0003-3019-0060ЧжанД.JiangD.

ЧЖАН Дайфен, PhD, ассистент профессора

Author ID: 55847205900

Цзинань

JIANG Daifeng, PhD, Assistant Professor

Author ID: 55847205900

Jinan

lichenjdf@lzb.comВысокотехнологичная промышленная база (промежуточных исследований) Шаньдунской Академии наук (бизнес-инкубатор обучающихся за границей)КитайThe Science of Technology Service Platform of Shandong Academy of Sciences (Shandong Academy of Sciences Overseas Chinese Entrepreneurship Park)ChinaИнститут проблем нефти и газа СО РАНРоссияInstitute of Oil and Gas Problems of the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202509072025302337346Copyright © Ксю М., Гоголева О.В., Соколова М.Д., Петрова П.Н., Федоров А.Л., Кондаков М.Н., Чжан Д., 20252025Ксю М., Гоголева О.В., Соколова М.Д., Петрова П.Н., Федоров А.Л., Кондаков М.Н., Чжан Д.Xu M., Gogoleva O.V., Sokolova M.D., Petrova P.N., Fedorov A.L., Kondakov M.N., Jiang D.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/941

В работе приведены результаты сравнительных исследований физико-механических свойств сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и модифицированных полимерных композиционных материалов (ПКМ) после стендовых натурных испытаний на климатическом полигоне в г. Якутск, проведенных в марте и в октябре. Исследования физико-механических показателей экспонированных образцов проводились через 30, 105, 135, 180, 270 и 365 дней. Выявлено, что старение образцов СВМПЭ приходятся на летние месяцы, независимо от сезона выставления. Рассмотрены изменения физико-химической структуры методом ИК-спектроскопии. Установлена интенсификация процессов фотохимической деструкции СВМПЭ в присутствии углеродных волокон. Проведены расчеты температур поверхности образцов при облучении солнечной радиацией в условиях натурной экспозиции в г. Якутск, используя линейную регрессионную модель для оценки температуры поверхности материалов с покрытиями разного цвета.

Получены новые данные о влиянии климатических факторов Якутии на изменение деформационно-прочностных свойств СВМПЭ. Установлены механизмы воздействия факторов окружающей среды: температуры, солнечной радиации, сезона экспонирования на процессы старения СВМПЭ и его композитов. Результаты получат развитие в полимерном материаловедении для решения вопросов по снижению старения полимеров. На основании проведенных работ композиционные материалы на основе СВМПЭ, предназначенные для работы под открытым воздухом в условиях Якутии, например футеровки, рекомендуется дополнительно модифицировать эффективными стабилизаторами с целью предотвращения процессов светового старения.

This research presents the results of comparative analyses of the physical and mechanical properties of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) and modified polymer composite materials (PCMs) following field bench testing. These analyses were conducted at a climatic testing facility in Yakutsk during March and October. The study examined changes in the physical and mechanical properties of the samples after exposure durations of 30, 105, 135, 180, 270, and 365 days. The findings indicate that the aging process of UHMWPE predominantly occurs during the summer months, despite variations associated with seasonal changes. Infrared (IR) spectroscopy was utilized to investigate modifications in the physicochemical structure of the materials. A notable acceleration in the photochemical degradation of UHMWPE was observed in the presence of carbon fibers. Additionally, surface temperature calculations for samples exposed to solar radiation under real-world conditions in Yakutsk were performed using a linear regression model. This model was employed to evaluate the surface temperatures of materials with varying colored coatings. The study elucidates the mechanisms by which environmental variables, including temperature, solar radiation, and seasonal exposure, affect the aging processes of UHMWPE and its composites in Yakutia. The results are expected to have significant implications for addressing challenges related to the mitigation of polymer aging. Consequently, it is recommended to further enhance UHMWPE composite materials intended for outdoor applications in Yakutia, such as linings, by incorporating effective stabilizers to reduce light-induced aging effects.

сверхвысокомолекулярный полиэтиленстарениедеградациясолнечная активностьтемператураultra-high molecular weight polyethyleneagingdegradationsolar activitytemperatureДанная работа выполнена в рамках Государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ №122011100162-9 с использованием научного оборудования Центра коллективного пользования Федерального исследовательского центра «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук».This study was conducted within the state assignment from the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (No. 122011100162-9), using the scientific equipment available at the Core Shared Research Facilities of the Federal Research Centre “The Yakut Scientific Centre of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”.ReferencesВалуева М.И. Современные материалы и технологии для получения бронезащитных изделий. Вопросы материаловедения. 2017;(2):197–207.Valueva M.I. Modern materials and technologies used for body armor. Voprosy Materialovedeniya. 2017;(2):197–207 (In Russ.).Валуева М.И., Железина Г.Ф., Гуляев И.Н. Полимерные композиционные материалы повышенной износостойкости на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Все материалы. Энциклопедический справочник. 2017;(6):23–29.Valueva M.I., Zhelezina G.F., Gulyaev I.N. Polymer composite materials with increased wear resistance based on ultra-high molecular weight polyethylene. All Materials. Encyclopedic Reference Book. 2017;(6):23–29 (In Russ.).Михайлин Ю.А. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (часть 1). Полимерные материалы. 2003;(3):18–21.Mikhailin Yu.A. Ultra-high molecular weight polyethylene (part 1). Polymer materials. 2003;(3):18–21. (In Russ.).Колесова Е.С., Гоголева О.В., Петрова П.Н., Протопопов Ф.Ф. Исследование работоспособности сверхвысокомолекулярного полиэтилена при трении в среде различных смазочных масел. Нефтегазовое дело. 2021;19(4):97–106. https://doi.org/10.17122/ngdelo-2021-4-97-106.Research Ultra-High Molecular Weight Polyethylene performance at friction in the medium of various lubricating oils. Petroleum Engineering. 2021;19(4):97–106. (In Russ.). https://doi.org/10.17122/ngdelo-2021-4-97-106.Сенатов Ф.С. Микроструктура и свойства композитов медицинского назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена: Дис. … канд. физ.-мат. наук. М. 2013. 158 с.Senatov F.S. Microstructure and properties of medical grade composites based on ultra-high molecular weight polyethylene: Diss. ... Cand. Sci. Мoscow. 2013. 158 p. (In Russ.).Данилова С.Н., Охлопкова А.А., Оконешникова А.В. Разработка композиционных материалов на основе СВМПЭ и углеродного и базальтового волокон. Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2024; 29(4):661–674. https://doi.org/10.31242/2618-9712-2024-29-4-661-674Danilova S.N., Okhlopkova A.A., Okoneshnikova A.V. Development of composite materials based on UHMWPE using carbon and basalt fibers. Arctic and Subarctic Natural Resources. 2024;29(4):661–674 (In Russ.). https://doi.org/10.31242/2618-9712-2024-29-4-661-674Borisova R.V., Nikiforov L.A., Spiridonov A.M., et al. Brominated UHMWPE influence on tribological characteristics and wearing features of polymeric nanocomposites based on UHMWPE and nanoparticles. Journal of Friction and Wear. 2019;40:27–32. https://doi.org/10.3103/S1068366619010045Borisova R.V., Nikiforov L.A., Spiridonov A.M., et al. Brominated UHMWPE influence on tribological characteristics and wearing features of polymeric nanocomposites based on UHMWPE and nanoparticles. Journal of Friction and Wear. 2019;40:27–32. https://doi.org/10.3103/S1068366619010045Дайюб Т., Максимкин А.В. Влияние химической модификации на механические, трибологические и адгезионные свойства ориентированных лент СВМПЭ. Машиностроение. 2024;11(2):86–91. https://doi.org/10.24892/RIJIE/20240214Dayyub T., Maksimkin A.V. Influence of chemical modification on mechanical, tribological and adhesive properties of oriented UHMWPE tapes. Russian Internet Journal of Industrial Engineering. 2024;11(2):86–91 (In Russ.). https://doi.org/10.24892/RIJIE/20240214Спиридонов А.М. Адсорбция цетилтриметиламмоний бромида природным цеолитом и свойства его модифицированной поверхности: Дис. … канд. хим. наук. Якутск. 2021. 115 с.Spiridonov A.M. Adsorption of cetyltrimethylammonium bromide by natural zeolite and properties of its modified surface: Diss. ... Cand. Sci. Yakutsk. 2021. 115 p. (In Russ.).Колесова Е.С., Гоголева О.В., Петрова П.Н. Разработка ПКМ на основе СВМПЭ с высокой стабильностью свойств в условиях резко-континентального климата. Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2021;26(4):122–131. https://doi.org/10.31242/2618-9712-2021-26-4-122-131.Kolesova E.S., Gogoleva O.V., Petrova P.N. Development of polymer composite materials based on Ultra-High Molecular Weight Polyethylene with the high stability of characteristics under the conditions of sharply continental climate. Arctic and Subarctic Natural Resources. 2021;26(4):122–131 (In Russ.). https://doi.org/10.31242/2618-9712-2021-26-4-122-131.Мировой Центр Радиационных Данных [Электронный ресурс]. 2023. Режим доступа: https://wrdc.mgo.rssi.ru/wwwrootnew/wrdc_ru_new.htm (дата обращения: 23.11.2023).World Radiation Data Center [Electronic resource]. 2023. Available at: https://wrdc.mgo.rssi.ru/wwwrootnew/wrdc_ru_new.htm (accessed: 23.112023).Гостев С.С. Реакторные полимерные композиции сверхвысокомолекулярного полиэтилена с низкомолекулярным полиэтиленом высокой плотности: синтез на металлоценовых и пост-металлоценовых катализаторах, морфология, свойства. Дис. … канд. хим. наук. М. 2023. 141 с.Gostev S.S. Reactor polymer compositions of ultrahigh molecular weight polyethylene with low molecular weight high-density polyethylene: synthesis on metallocene and post-metallocene catalysts, morphology, properties. Diss. ... Cand. Sci. Moscow. 2023. 141 p. (In Russ.).Stein H.L. Ultrahigh molecular weight polyethylenes (UHMWPE). In: Engineered materials handbook. 1998;(2):167 р.Stein H.L. Ultrahigh molecular weight polyethylenes (UHMWPE). In: Engineered materials handbook. 1998;(2):167 р.Мельникова М.А. Полимерные материалы: свойства, практическое применение: учебное пособие. Благовещенск: Амурский гос. ун-т; 2013. 86 с.Melnikova M.A. Polymer materials: properties, practical application: textbook. Blagoveshchensk: Amur State University; 2013. 86 p. (In Russ.).Gogoleva O.V., Petrova P.N., Kolesova E.S. Development of polymer composite materials based on Ultrahigh-Molecular Weight Polyethylene and Carbon Fillers. Materials Science Forum. 2019;(945):362–368.Gogoleva O.V., Petrova P.N., Kolesova E.S. Development of polymer composite materials based on Ultrahigh-Molecular Weight Polyethylene and Carbon Fillers. Materials Science Forum. 2019;(945):362–368.Колесова Е.С., Гоголева О.В., Петрова П.Н. и др. Разработка композитов триботехнического назначения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Материаловедение. 2020;(9):34–37. https://doi.org/10.31044/1684-579X-2020-0-9-34-37.Kolesova E.S., Gogoleva O.V., Petrova P.N., et al. Development of composites for tribotechnical purposes, based on Ultrahigh-Molecular Weight Polyethylene. Materials Science. 2020;(9):34–37. (In Russ.). https://doi.org/10.31044/1684-579X-2020-0-9-34-37.Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. III. Значимые факторы старения. Деформация и разрушение материалов. 2011;(1):34–40.Kablov E.N., Startsev O.V., Krotov A.S., Kirillov V.N. Climatic aging of composite materials for aviation purposes. III. Significant aging factors. Deformatsiya i Razrushenie materialov=Deformation and Fracture of Materials. 2011;(1):34–40 (In Russ.).Fisher R.M., Ketola W.D. Surface temperatures of materials in interior exposures and accelerated tests. In: Ketola W.D., Grossman D. (eds.) Accelerated and Outdoor Durability Testing of Organic Materials. Philadelphia, USA; 1994, pp. 88–114.Fisher R.M., Ketola W.D. Surface temperatures of materials in interior exposures and accelerated tests. In: Ketola W.D., Grossman D. (eds.) Accelerated and Outdoor Durability Testing of Organic Materials. Philadelphia, USA; 1994, pp. 88–114.Shi W., Dong H., Bell T. Tribological behaviour and microscopic wear mechanisms of UHMWPE sliding against thermal oxidation-treated Ti 6 Al 4 V. Materials Science and Engineering. 2000;29(1-2):27–36.Shi W., Dong H., Bell T. Tribological behaviour and microscopic wear mechanisms of UHMWPE sliding against thermal oxidation-treated Ti 6 Al 4 V. Materials Science and Engineering. 2000;29(1-2):27–36.Diffey B. L. Sources and measurement of ultraviolet radiation. Methods. 2002;28(1):4–13. https://doi.org/10.1016/s1046-2023(02)00204-9.Diffey B. L. Sources and measurement of ultraviolet radiation. Methods. 2002;28(1):4–13. https://doi.org/10.1016/s1046-2023(02)00204-9.Wolf A.T. Environmental degradation factors, their characterization and effects on sealed building joints. In: Wolf A.T. (ed.) Durability of Building Sealants. State-of-the-Art Report of RILEM TC 139-DBS; Cachan: RILEM Publications; 1999, pp. 41–72.Wolf A.T. Environmental degradation factors, their characterization and effects on sealed building joints. In: Wolf A.T. (ed.) Durability of Building Sealants. State-of-the-Art Report of RILEM TC 139-DBS; Cachan: RILEM Publications; 1999, pp. 41–72.Каблов Е.Н., Старцев В.О. Измерение и прогнозирование температуры образцов материалов при экспонировании в различных климатических зонах. Авиационные материалы и технологии. 2020;(4-61):47–58. https://doi.org/10.18577/2071-9140-2020-0-4-47-58Kablov E.N., Startsev V.O. Measurement and forecasting of materials samples’ temperature during weathering in different climatic zones. Aviation Materials and Technologies. 2020;(4-61):47–58 (In Russ.). https://doi.org/10.18577/2071-9140-2020-0-4-47-58Шевченко А.А. Химическое сопротивление неметаллических материалов и защита от коррозии. М.: Химия, КолосС; 2004. 248 с.Shevchenko A.A. Chemical resistance of non-metallic materials and corrosion protection. Moscow: Khimiya, KolosS; Publ.; 2004. 248 р.(In Russ.).Кулезнев В.Н., Шершнев В.А. Химия и физика полимеров. М.: Химия, Колосс; 2007. 367 с.Kuleznev V.N., Shershnev V.A. Chemistry and physics of polymers. Moscow: Khimiya, KolosS Publ.; 2007. 367 р (In Russ.).Тагер А.А. Физико-химия полимеров. Москва: Химия; 1968. 536 с.Tager A.A. The physical and chemical properties of polymers. Moscow: Khimiya Publ.; 1968. 536 р. (In Russ.).

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