Разработка композиционных материалов на основе СВМПЭ и углеродного и базальтового волокон

В современном материаловедении ключевым стратегическим направлением является создание высокопрочных композиционных материалов на основе полимеров. Для решения данной задачи эффективно использование в качестве модификаторов полимерной матрицы волокнистых наполнителей, которые способствуют существенному повышению несущей способности. В работе рассматривается влияние базальтового и углеродного волокон на механические, трибологические свойства и на процессы структурообразования в сверхвысокомолекулярном полиэтилене (СВМПЭ). Концентрация волокнистых наполнителей составляла 5, 10 и 20 мас.%, они были введены в полимерную матрицу без дополнительной модификации. Установлено, что композиты с 20 мас.% углеродного волокна отличаются наибольшим повышением модуля упругости – на 66 % и снижением коэффициента трения на 65 % относительно исходного полимера. Кроме того, наблюдается снижение скорости изнашивания на 23 %. При введении углеродного и базальтового волокон в СВМПЭ зафиксировано повышение предела прочности при растяжении на 37 и 28 % соответственно. Методом ИК-спектроскопии исследованы поверхности трения композитов, установлено, что оба волокна не влияют на трибохимические процессы при изнашивании. Морфология поверхностей трения композитов свидетельствует о преимуществе углеродного волокна по сравнению с базальтовым, участии УВ в ориентационных эффектах и формировании износостойкого слоя. Разработанные материалы могут быть использованы для изготовления антифрикционных изделий, в частности для высоконагруженных опорных частей скольжения мостовых конструкций.

1. Артеменко С.Е., Кадыкова Ю.А. Полимерные композиционные материалы на основе углеродных, базальтовых и стеклянных волокон. Химические волокна. 2008;(1):30–32.

2. Чуков Д.И., Жеребцов Д.Д., Нематуллоев С.Г. Исследование структуры и свойств самоармированных композиционных материалов на основе волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Фундаментальные исследования. 2017;(11-1):145–150.

3. Селютин Г.Е., Гаврилов Ю.Ю., Воскресенская Е.Н. и др. Композиционные материалы на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена: свойства, перспективы использования. Химия в интересах устойчивого развития. 2010;18(3):375–388.

4. Wang H., Xu L., Zhang M., et al. More wear‐resistant and ductile UHMWPE composite prepared by the addition of radiation cross-linked UHMWPE powder. Journal of Applied Polymer Science. 2017;134(13):44643. https://doi.org/10.1002/app.44643.

5. Salama A., Kamel B.M., Osman T.A., Rashad R.M. Investigation of mechanical properties of UHMWPE composites reinforced with HAP+ TiO2 fabricated by solvent dispersing technique. Journal of Materials Research and Technology. 2022;21:4330–4343. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.11.038.

6. Охлопкова Т.А. Триботехнические материалы на основе СВМПЭ, модифицированного наноразмерными оксидными керамиками: Дис. … канд. техн. наук. Томск; 2018. 156 с.

7. Danilova S.N., Yarusova S.B., Kulchin Y.N., et al. UHMWPE/CaSiO3 nanocomposite: Mechanical and tribological properties. Polymers. 2021;13(4):570. https://doi.org/10.3390/polym13040570.

8. Wu H., Zhu L.N., Yue W., et al. Wear-resistant and hydrophobic characteristics of PTFE/CF composite coatings. Progress in Organic Coatings. 2019;128:90–98. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2018.12.013.

9. Васильев А.П., Стручкова Т.С., Лазарева Н.Н. и др. Влияние дисульфида молибдена и углеродных волокон на свойства и структуру полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена. Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2022;27(4):618–630. https://doi.org/10.31242/2618-9712-2022-27-4-618-630.

10. Kadykova Y.A. A structural polymeric composite material reinforced with basalt fiber. Russian Journal of Applied Chemistry. 2012;85:1434–1438. https://doi.org/10.1134/S1070427212090212.

11. Данилова С.Н., Охлопкова А.А., Гаврильева А.А. и др. Износостойкие полимерные композиционные материалы с улучшенным межфазовым взаимодействием в системе «Полимер-волокно». Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. 2016;5(55):80–92.

12. Bednarowski D., Bazan P., Kuciel S. Enhancing strength and sustainability: evaluating glass and basalt fiber-reinforced biopolyamide as alternatives for petroleum-based polyamide composite. Polymers. 2023;15(16): 3400. https://doi.org/10.3390/polym15163400.

13. Chukov D.I., Stepashkin A.A., Maksimkin A.V., et al. Investigation of structure, mechanical and tribological properties of short carbon fiber reinforced UHMWPEmatrix composites. Composites Part B: Engineering. 2015; 76:79–88. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2015.02.019.

14. Cui W., Yang S., Zhang X., et al. High wear resistance of ultralow-wear polyethylene with different molecular weights under different contact pressure. Tribology Letters. 2022;70(2):51. https://doi.org/10.1007/s11249-022-01595-2.

15. Жорник В.И., Ковалева С.А., Григорьева Т.Ф. и др. 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.

16. Guo Z., Xu R., Xue P. Study on preparation of ultrahigh-molecular-weight polyethylene pipe of good thermalmechanical properties modified with organo-montmoril- lonite by screw extrusion. Materials. 2020;13(15):3342. https://doi.org/10.3390/ma13153342.

17. Дебердеев Т.Р., Андрианова К.А., Амирова Л.М. Обзор путей развития и применения полимерных волокнистых композиционных материалов. Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2021;6(396):5–13. https://doi.org/10.47367/0021-3497_2021_6_5.

18. Ушканов А.А., Лазарева Н.Н., Охлопкова А.А., Васильев А.П. Исследование полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена и углеродных волокон. Ползуновский вестник. 2023;(4): 223–229. https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2023.04.028.

19. Vadivel H.S., Golchin A., Emami N. Tribological behaviour of carbon filled hybrid UHMWPE composites in water. Tribology International. 2018; 124:169–177. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2018.04.001.

20. Буров А.Е. Модели разрушения волокнистых композиционных материалов. Сибирский аэрокосмический журнал. 2008;3(20):133–138.

21. Екименко А.Н. Перспективы использования органосиланов в термопластичных композитах с растительным наполнителем. Пластические массы. 2018;(1-2):28–33.

22. Wang B., Yu S., Mao J., et al. Effect of basalt fiber on tribological and mechanical properties of polyetherether-ketone (PEEK) composites. Composite Structures. 2021;266:113847. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113847.

23. Васильев А.П., Стручкова Т.С., Охлопкова А.А., Алексеев А.Г. Исследование влияния углеродных и базальтовых волокон с ультрадисперсным ПТФЭ на триботехнические свойства политетрафторэтилена. Южно-Сибирский научный вестник. 2020;(1):89–95.

24. Краснов А.П., Наумкин А.В., Юдин А.С. и др. Природа первичных актов фрикционного взаимодействия СВМПЭ с поверхностью стали. Трение и износ. 2013;34(2):154–164. https://doi.org/10.3103/S1068366613020074.

25. Liu H., Luo B., Shen S., Li L. Design and mechanical tests of basalt fiber cloth with MAH grafted reinforced bamboo and poplar veneer composite. European Journal of Wood and Wood Products. 2019;77:271–278. https://doi.org/10.1007/s00107-018-1378-9.

26. Kim H.I., Hang W., Choi W.-Ki, et al. Effects of maleic anhydride content on mechanical properties of carbon fibers-reinforced maleic anhydride-grafted-poly-propylene matrix composites. Carbon Letters. 2016;20:39– 46. https://doi.org/10.5714/CL.2016.20.039