Разработка износостойких полимер-полимерных композиционных материалов на основе СВМПЭ

В работе представлены исследования свойств и структуры полимер-полимерных композитов (ППК) на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (н-СВМПЭ), наполненного радиационно-модифицированным сверхвысокомолекулярным полиэтиленом (х-СВМПЭ). Для обеспечения радиационной сшивки макромолекул полиэтилена использовали γ-излучение (источник 60Со). Смеси получали по стандартной технологии переработки СВМПЭ. Были исследованы физикомеханические и трибологические характеристики полученных полимер-полимерных композитов, установлено снижение скорости изнашивания в 12 раз относительно ненаполненного н-СВМПЭ. При этом деформационно-прочностные показатели полимер-полимерного композита, при содержании до 20 масс.% х-СВМПЭ, существенно не изменяются и остаются на уровне исходной полимерной матрицы. Методом сканирующей электронной микроскопии показано, что х-СВМПЭ распределен в объеме исходного полимера неравномерно. Поскольку порошок х-СВМПЭ не плавится при температуре переработки н-СВМПЭ, он находится в объеме матрицы в виде несвязанных отдельных частиц, что приводит к «структурной фрагментации» композиционного материала. Методом ИК-спектроскопии зарегистрировано наличие полос поглощения, относящихся к валентным колебаниям кислородных групп (С-О и С=О), что свидетельствует о протекании окислительных процессов в х-СВМПЭ при переработке. Для повышения физико-механических свойств ППК использовали армирующий волокнистый наполнитель (волластонит), что обеспечивает повышение прочности при растяжении на 15 % и модуля упругости на 50 % ППК.

1. Бузник В.М., Каблов Е.Н. Арктическое материаловедение. Томск: Издательский дом Томского государственного университета, 2018. Вып. 3. 44 с.

2. Данилова С.Н., Охлопкова А.А., Гаврильева А.А., Охлопкова Т.А., Борисова Р.В., Дьяконов А.А. Износостойкие полимерные композиционные материалы с улучшенным межфазовым взаимодействием в системе «Полимер-волокно» // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова, 2016. № 5 (55). С. 80–92.

3. Baena J. C., Wu J., Peng Z. Wear performance of UHMWPE and reinforced UHMWPE composites in arthroplasty applications: a review // Lubricants. 2015. Vol. 3, No. 2. P. 413–436. DOI:10.3390/lubricants3020413.

4. Севастьянов Д.В., Дориомедов М.С., Дасковский М.И., Скрипачев С.Ю. Самоармированные полимерные композиты – классификация, получение, механические свойства и применение (обзор) // Труды ВИАМ. 2017. № 4 (52). C. 104–118.

5. Hussain M., Naqvi R.A., Abbas N., Khan S.M., Nawaz S., Hussain A., Zahra N., Khalid M.W. UltraHigh-Molecular-Weight-Polyethylene (UHMWPE) as a promising polymer material for biomedical applications: A concise review // Polymers. 2020. Vol. 12, No. 2. P. 323. DOI: 10.3390/polym12020323.

6. Wang H., Xu L., Zhang M., Li R., Xing Z., Hu J., Wang M., Wu G. More wear-resistant and ductile UHMWPE composite prepared by the addition of radiation crosslinked UHMWPE powder // Journal of Applied Polymer Science. 2017. Vol. 134, No. 13. P. 44643–44643. DOI:10.1002/app.44643.

7. Bellare A., D’angelo F., Ngo H.D., Thornhill T.S. Oxidation resistance and abrasive wear resistance of vitamin E stabilized radiation crosslinked ultra-high molecular weight polyethylene // Journal of Applied Polymer Science. 2016. Vol. 133, No. 43. P. 44125. DOI: 10.1002/app.44125.

8. Lewis G. Properties of crosslinked ultra-high-molecular-weight polyethylene // Biomaterials. 2001. Vol. 22. No. 4. P. 371-401. DOI: 10.1016/S0142-9612(00)00195-2.

9. Tong J., Ma Y., Jiang M. Effects of the wollastonite fiber modification on the sliding wear behavior of the UHMWPE composites // Wear. 2003. Vol. 255, No. 1-6. P. 734–741. DOI: 10.1016/S0043-1648(03)00221-7.

10. Vasilev A.P., Struchkova T.S., Nikiforov L.A., Okhlopkova A.A., Grakovich P.N., Shim E.L., Cho J.H. Mechanical and tribological properties of polytetrafluoroethylene composites with carbon fiber and layered silicate fillers // Molecules. 2019. Vol. 24, No. 2. P. 224. DOI: 10.3390/molecules24020224.

11. Ярусова С.Б., Гордиенко П.С., Охлопкова А.А., Данилова С.Н., Силантьев В.Е., Буравлев И.Ю., Жевтун И.Г., Достовалов Д.В., Пашнина Е.В. Влияние условий синтеза на особенности формирования силикатов кальция в различных многокомпонентных системах // Химическая технология. 2019. Т. 20, № 14. С. 661–666.

12. Охлопкова А.А., Гордиенко П.С., Ярусова С.Б., Данилова С.Н., Жевтун И.Г., Буравлев И.Ю., Игнатьева Е.Г., Силантьев В.Е. Влияние синтетического волластонита на функциональные свойства полимерных композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена // Сборник материалов VI Международной конференции по химии и химической технологии, Республика Армения, г. Ереван, 23–27 сентября 2019 г. Ереван: ИОНХ НАН РА, 2019. С. 25–27.

13. Тарасевич Б.Н. ИК-спектры основных классов органических соединений. М.: Справочные материалы, 2012. 55 c.

14. Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК-, ЯМР- и масс-спектроскопии в органической химии: Учебное пособие. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979. 240 с.

15. Doshi B., Ward J.S., Oral E., Muratoglu O.K. Fatigue toughness of irradiated vitamin E/UHMWPE blends // Journal of Orthopaedic Research. 2016. Vol. 34, No. 9. P. 1514–1520. DOI: 10.1002/jor.23168.

16. Affatato S., Ruggiero A., Jaber S.A., Merola M., Bracco P. Wear behaviours and oxidation effects on different UHMWPE acetabular cups using a hip joint simulator // Materials. 2018. Vol. 11, No. 3. P. 433. DOI: 10.3390/ma11030433.

17. Rocha M., Mansur A., Mansur H. Characterization and accelerated ageing of UHMWPE used in orthopedic prosthesis by peroxide // Materials. 2009. Vol. 2, No. 2. P. 562–576. DOI: 10.3390/ma2020562.

18. Липатов Ю.С. Физическая химия наполненных полимеров. М.: Химия, 1977. 304 с.

19. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров. М.: Химия, 1991. 260 с.

20. Проников А.С. Надежность машин. М.: Машиностроение,1978. 592 с.

21. Chan J. X., Wong J. F., Hassan A., Mohamad Z., Othman N. Mechanical properties of wollastonite reinforced thermoplastic composites: A review // Polymer Composites. 2020. Vol. 41. P. 395–429. DOI: 10.1002/pc.25403.

22. Salas-Papayanopolos H., Morales A.B., Lozano T., Barbosa A., Diaz N., Lafleur P.G., Laria J., Sanchez S., Rodriquez F., Martinez G., Cerino F. Improved toughness of polypropylene/wollastonite composites // Soc. Plast. Eng. Eng. 2014. P. 2–4. DOI: 10.2417/spepro.005309.

23. Panin S.V., Alexenko V.O., Buslovich D.G., Anh N.D. Qitao H. Solid-lubricant, polymer–polymeric and functionalized fiber–and powder reinforced composites of ultra-high molecular weight polyethylene // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IOP Publishing. 2018. Vol. 115. No. 1. P. 012010. DOI: 10.1088/1755-1315/115/1/012010.

24. Hadal R., Dasari A., Rohrmann J., Misra R.D.K. Susceptibility to scratch surface damage of wollastonite-and talc-containing polypropylene micrometric composites // Materials Science and Engineering: A. 2004. Vol. 380, No. 1-2. P. 326–339. DOI: 10.1016/j.msea.2004.03.058.

25. Švab I., Musil V., Pustak A., Šmit I. Wollastonite- reinforced polypropylene composites modified with novel metallocene EPR copolymers. II. Mechanical properties and adhesion // Polymer composites. 2009. Vol. 30, No. 8. P. 1091–1097. DOI: 10.1002/pc.20660.

26. Тялина Л.Н., Минаев А.М., Пручкин В.А. Новые композиционные материалы: учебное пособие. Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2011. 80 c.

27. Алексенко В.О. Износостойкие композиты на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с армирующими волокнами для полимер-металлических трибосопряжений в машиностроении: Автореф. дис. канд. тех. наук.: 05.16.09 Томск, 2019. 18 с.