Влияние дисульфида молибдена и углеродных волокон на свойства и структуру полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) представляют большой интерес из-за термической стабильности, высокой химической, коррозионной стойкости и отличных антифрикционных свойств. В работе приведены результаты исследования влияния углеродных волокон (УВ) совместно с дисульфидом молибдена (MoS₂) с ультразвуковой обработкой на физико-механические и триботехнические свойства, а также на структуру ПТФЭ. Полимерные композиционные материалы получены по известной технологии переработки ПТФЭ: метод холодного прессования и спекания. Выявлено, что ультразвуковая обработка MoS₂ – более эффективный способ активации наполнителя по сравнению с механоактивацией. Результаты физико-механических исследований показали, что прочностные свойства при растяжении ПКМ остаются на уровне ненаполненного ПТФЭ, напряжение при сжатии увеличилось на 75 %, а твердость повысилась на 48 % по сравнению с исходным полимером. Структурными исследованиями показано достаточно равномерное распределение волокон в объеме полимера и изотропное армирование материала. Степень кристалличности ПКМ повысилась на 9–11 % относительно исходного полимера. Разработанные композиционные материалы характеризуются низкой скоростью массового изнашивания композитов и низким значением коэффициента трения. Микроскопическими исследованиями поверхности трения ПКМ выявлено, что УВ и MoS₂ локализуются на поверхности трения и защищают материал от изнашивания. Разработанные материалы могут быть предложены в качестве деталей в узлах трения, где ограничено применение смазочных масел или его использование недопустимо.

1. Theiler G., Hübner W., Gradt T., Klein P., Friedrich K. Friction and wear of PTFE composites at cryogenic temperatures. Tribology International. 2002;35(7):449–458. https://doi.org/10.1016/S0301-679X(02)00035-X

2. Tanaka K., Kawakami S. Effect of various fillers on the friction and wear of polytetrafluoroethylene-based composites. Wear. 1982;79(2):221–234. https://doi.org/10.1016/0043-1648(82)90170-3

3. Khedkar J., Negulescu I., Meletis E.I. Sliding wear behavior of PTFE composites. Wear. 2002;(252)5–6:361–369. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(01)00859-6

4. Zhang F., Zhang J., Zhu Y., Wang X., Jin Y. Microstructure and properties of polytetrafluoroethylene composites modified by carbon materials and aramid fibers. Coatings. 2020;10(11):1103. https://doi.org/10.3390/coatings10111103

5. Mazur K., Gądek-Moszczak A., Liber-Kneć A., Kuciel S. Mechanical behavior and morphological study of polytetrafluoroethylene (PTFE) composites under static and cyclic loading condition. Materials. 2021;14(7): 1712. https://doi.org/10.3390/ma14071712

6. Bijwe J., Neje S., Indumathi J., Fahim M. Friction and wear performance evaluation of carbon fibre reinforced PTFE composite. Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2002;21(13):1221–1240. https://doi.org/10.1177/073168402128987743

7. Friedrich K., Chang L., Haupert F. Current and future applications of polymer composites in the field of tribology. London: Springer. 2011:129–167. https://doi.org/10.1007/978-0-85729-166-0_6

8. Shelestova V.A., Grakovich P.N., Zhandarov S.F. A fluoropolymer coating on carbon fibers improves their adhesive interaction with PTFE matrix. Composite Interfaces. 2011;18(5):419–440. https://doi.org/10.1163/156855411X595834

9. Grakovich P.N., Shelestova V.A., Shumskaja V.J., Shylko I.S., Gucev D.M., Bashlakova A.L., Celuev M. J. Influence of the type of carbon fiber filler on the physical–mechanical and tribological properties of PTFE composites. Journal of Friction and Wear. 2019;40(1):11–16. https://doi.org/10.3103/S1068366619010069

10. Shelestova V.A., Grakovich P.N., Shilko I.S., Brundukov A.S., Stratanovich V.A., Gutsev D.M., Ivanov L.F. The Tribotechnical properties of composites based on different grades of fluoroplastic-4 and carbon fibers. Journal of Friction and Wear. 2021;42(2):75–79. https://doi.org/10.3103/S1068366621020094

11. Song I., Park C., Choi H. C. Synthesis and properties of molybdenum disulphide: from bulk to atomic layers. RSC Advances. 2015;5(10):7495–7514. https://doi.org/10.1039/C4RA11852A

12. John M., Menezes P. L. Self-lubricating materials for extreme condition applications. Materials. 2021;14(19): 5588. https://doi.org/10.3390/ma14195588

13. Yan F., Xue Q., Yang S. Debris formation process of PTFE and its composites. Journal of Applied Polymer Science. 1996;61(7):1223–1229. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-4628(19960815)61:7<1223::AIDAPP19>3.0.CO;2-Y

14. Suzuki M., Prat P. Synergism of an MoS2 sputtered film and a transfer film of a PTFE composite. Wear. 1999;225–229:995–1003. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(99)00073-3

15. Aderikha V.N., Krasnov A.P., Shapovalov V.A., Golub A.S. Peculiarities of tribological behavior of lowfilled composites based on polytetrafluoroethylene (PTFE) and molybdenum disulfide. Wear. 2014;320:135–142. https://doi.org/10.1016/j.wear.2014.09.004

16. Lv M., Wang L., Liu J., Kong F., Ling A., Wang T., Wang Q. Surface energy, hardness, and tribological properties of carbon-fiber/polytetrafluoroethylene composites modified by proton irradiation. Tribology International. 2019;132:237–243. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2018.12.028

17. Люкшин Б.А. [и др.] Дисперсно-наполненные полимерные композиты технического и медицинского назначения. Новосибирск: Изд-во СО РАН; 2017. 311 с.

18. Shelestova V.A., Zhandarov S.F., Danchenko S.G., Grakovich P.N. Surface modification of carbon fiber by fluoropolymer in a low-temperature plasma. Inorganic Materials: Applied Research. 2015;6(3):219–224. https://doi.org/10.1134/S2075113315030107

19. Zhang Y., Kou K., Pan C., Li Z., Ji T. Effect of tensile rates on thermal and mechanical properties of porous PTFE composites. Journal of Applied Polymer Science. 2019;136(44):48175. https://doi.org/10.1002/app.48175

20. Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters. 2014;9(1):167. https://doi.org/10.1186/1556-276X-9-167

21. 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;24(2):224. https://doi.org/10.3390/molecules24020224

22. Zhao Y., Qi X., Ma J., Dong Y., Yang Y. Effects of polyimide/silica and polyimide/pores fillers on the morphology, thermal, mechanical, and tribological properties of polytetrafluoroethylene composites. Polymer Composites. 2019;40(9):3438–3452. https://doi.org/10.1002/pc.25205

23. Машков Ю.К. Трибофизика металлов и полимеров: монография. Омск: Изд-во ОмГТУ; 2013. 240 с.

24. Jiang B., Zhu A., Zhang C., Li Y. Interface enhancement between polytetrafluoroethylene and glass fibers modified with a titanate coupler. Journal of Applied Polymer Science. 2017;134(14). https://doi.org/10.1002/app.44668

25. Zhang K., Ji X., Mi Y., Gao L., Wang T. Effects of carbon fibers with different particle sizes on the physical properties of MoS2-filled PTFE composites. Philosophical Magazine Letters. 2021;101(7):277–286. https://doi.org/10.1080/09500839.2021.1917780

26. Охлопкова А.А., Васильев А.П., Стручкова Т.С., Алексеев А.Г., Гракович П.Н. Влияние углеродных волокон и дисульфида вольфрама на свойства и структуру политетрафторэтилена. Полимерные материалы и технологии. 2018;4(3):26–34.

27. Song F., Wang Q., Wang T. Effects of glass fiber and molybdenum disulfide on tribological behaviors and PV limit of chopped carbon fiber reinforced Polytetrafluoroethylene composites. Tribology International. 2016(104): 392–401. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2016.01.015

28. Homayoun M.-R., Golchin A., Emami N. Effect of hygrothermal ageing on tribological behaviour of PTFE-based composites. Lubricants. 2018;6(4):103. https://doi.org/10.3390/lubricants6040103