Влияние механохимической активации диоксида церия на структуру и свойства политетрафторэтилена

В условиях растущих требований к надежности и долговечности полимерных материалов, используемых в узлах трения и уплотнительных системах, актуальной задачей является разработка композитов с улучшенными триботехническими и механическими свойствами. Политетрафторэтилен (ПТФЭ) широко применяется благодаря своим уникальным антифрикционным характеристикам, однако его низкая износостойкость ограничивает использование в экстремальных условиях. Модификация ПТФЭ наполнителями, такими как диоксид церия (CeO₂), позволяет улучшить его эксплуатационные свойства. Цель исследования: изучение влияния механохимической активации оксида церия на свойства и структуру ПТФЭ для улучшения механических и триботехнических характеристик. В работе использовались методы переработки полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе ПТФЭ. Механохимическая активация CeO₂ проводилась в планетарной мельнице. Для анализа структуры и свойств применялись рентгеноструктурный анализ, дифференциальная сканирующая калориметрия, ИК-спектроскопия, а также механические и триботехнические испытания. Установлено, что введение 2 мас.% CeO₂ в ПТФЭ повышает степень кристалличности и энтальпию плавления ПКМ при использовании механоактивированного наполнителя. Триботехническими испытаниями установлено повышение износостойкости ПКМ с механоактивированным CeO₂ в 254 раза при сохранении коэффициента трения на уровне исходного полимера. Исследование поверхностей трения ПКМ методом ИК-спектроскопии выявило образование перфторкарбоксилатных солей в процессе изнашивания, что свидетельствует о протекании трибохимических процессов. Разработанные ПКМ на основе ПТФЭ с механоактивированным CeO₂ демонстрируют улучшенные механические и триботехнические свойства, что делает их перспективными материалами для применения в узлах трения и уплотнительных системах.

1. Kosenko E.A., Baurova N.I., Zorin V.A. Impact toughness of carbon fiber-reinforced polymers under extremely low arctic temperature conditions: the role of hybrid matrix components. Russian Metallurgy (Metally). 2023;(13):2167–2172. https://doi.org/10.1134/S0036029523700246

2. Kosenko E.A., Baurova N.I., Zorin V.A. Investigation of the mechanical properties of polymer composite materials with various types of hybrid matrices in the extreme conditions of the Arctic. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021;1159:012053. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1159/1/012053

3. Liu F., Feihua Liu, Jin Y., et al. Improved coefficient thermal expansion and mechanical properties of PTFE composites for high-frequency communication. Composites Science and Technology. 2023;241:110142. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.110142

4. Mhaske S.T., Mohanty J.D., Chugh K.W. Fluoropolymers: brief history, fundamental chemistry, processing, structure, properties, and applications. In: Deshmukh K., Hussain Ch.M. (eds.) Advanced Fluoropolymer Nanocomposites. Woodhead Publishing; 2023, pp. 1–27. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-95335-1.00006-2

5. Пугачев А.К., Росляков О.А. Переработка фторопласта в изделия. Л.: Химия; 1987. 166 с. Pugachev A.K., Roslyakov O.A. Processing of fluoroplastic into products. Leningrad: Khimiya Publ.; 1987. 166 p. (In Russ.)

6. Sonawane A., Deshpande A., Chinchanikar S., Munde Y. Dry sliding wear characteristics of carbon filled polytetrafluoroethylene (PTFE) composite against Aluminium 6061 alloy. Materials Today: Proceedings. 2021;44(5):3888–3893. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.12.929

7. Rajak D.K., Wagh P.H., Linul E. Manufacturing technologies of carbon/glass fiber-reinforced polymer composites and their properties: a review. Polymers. 2021;13(21):3721. https://doi.org/10.3390/polym13213721

8. Markova M.A., Petrova P.N. Influence of carbon fibers and composite technologies on the properties of PCM based on polytetrafluoroethylene. Inorganic Materials: Applied Research. 2021;12:551–7. https://doi.org/10.1134/S2075113321020362

9. Sidebottom M.A., et al. Nanomechanical filler functionality enables ultralow wear polytetrafluoroethylene composites. ACS Applied Materials & Interfaces. 2022;14(48):54293–54303. https://doi.org/10.1021/acsami.2c13644

10. Van Meter K.E., Babuska T.F., Junk C.P., et al. Ultralow wear behavior of iron–cobalt-filled PTFE composites. Tribology Letters. 2023;71:4. https://doi.org/10.1007/s11249-022-01679-z

11. Li G., Li H., Xu Y., et al. Dual-function hybrid coatings based on polytetrafluoroethylene and Cu2O for anti-biocorrosion and anti-wear applications. Coatings. 2024;14(5):592. https://doi.org/10.3390/coatings14050592

12. Shiv J.K., Kumar K., Jayapalan S. Recent advances in polymer using metal oxides nanocomposite and its hybrid fillers for tribological application. Advances in Materials and Processing Technologies. 2024;10(4):2720–2731. https://doi.org/10.1080/2374068X.2023.2171673

13. Иванов В.К., Шариков Ф.Ю., Полежаева О.С., Третьяков Ю.Д. Формирование нанокристаллического диоксида церия из водно-спиртовых растворов нитрата церия (III). Доклады Академии наук. 2006;411(4):485–487.

14. Аристова Н.М. Термодинамические свойства диоксида церия в конденсированном состоянии. Теплофизика высоких температур. 2022;60(6):824–829. https://doi.org/10.31857/S0040364422040093

15. Иванов В.К., Полежаева О.С., Копица Г.П. и др. Особенности высокотемпературного роста наночастиц диоксида церия. Журнал неорганической химии. 2009;54(11):1767–1775.

16. Panda P.K., Dash P., Yang J.M., et al. Development of chitosan, graphene oxide, and cerium oxide composite blended films: structural, physical, and functional properties. Cellulose. 2022;29:2399–2411. https://doi.org/10.1007/s10570-021-04348-x

17. Li H., Wang Z., Song Q., et al. Polyetheretherketone microspheres loaded with cerium dioxide nanoparticles mitigate damage from cellular oxidative stress and promote bone repair. Materials & Design. 2023;225:111426. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111426

18. Selvaraj S., Chauhan A., Radhakrishnan A., et al. Cerium oxide nanoparticles and their polymeric composites: advancements in biomedical applications. Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. 2024;34:5691–5717. https://doi.org/10.1007/s10904-024-03263-5

19. Oh S., Shim J., Seo D., et al. Organic/inorganic hybrid cerium oxide-based superhydrophobic surface with enhanced weather resistance and self-recovery. Progress in Organic Coatings. 2022;170:106998. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2022.106998

20. Popescu I., Ionita G., Dobrinescu D., et al. Improved characteristics of hydrophobic polytetrafluoroethylene–platinum catalysts for tritium recovery from tritiated water. Fusion Engineering and Design. 2008; 83(10-12):1392–1394. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2008.05.026

21. Singh H., Sodhi G.P.S., Singh M., et al. Study: wear and superhydrophobic behaviour of PTFE-ceria composite. Surface Engineering. 2019;35(6):550–556. https://doi.org/10.1080/02670844.2018.1499176

22. Васильев А.П., Охлопкова А.А., Стручкова Т.С., Алексеев А.Г. Влияние модифицированного серицита на свойства и структуру политетрафторэтилена. Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2020; 25(2):147–1556. https://doi.org/10.31242/2618-9712-2020-25-2-12

23. Стручкова Т.С., Васильев А.П., Охлопкова А.А. и др. Исследование влияния талька и технического углерода на структуру и свойства политетрафторэтилена. Полимерные материалы и технологии. 2021;7(4):39–49.

24. Кахраманов Н.Т., Гулиев А.Д., Аллахвердиева Х.В. Состояние проблемы получения и исследования структуры и свойств нанокомпозитов на основе полиолефинов и минеральных наполнителей. Пластические массы. 2022;(11-12):46–52. https://10.35164/0554-2901-2021-11-12-46-52

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

26. Teplov A.A., Belousov S.I., Golovkova E.A., et al. Tribological, physicomechanical, and other properties of composites based on ultra-high molecular-weight polyethylene, polytetrafluoroethylene, and ethylene–tetrafluoroethylene copolymer with quasicrystalline filler Al–Cu–Fe. Crystallography Reports. 2021;66:883–96. https://doi.org/10.1134/S1063774521060420

27. Zhang R., Tian J., Wu Y., et al. An investigation on shape memory behaviors of UHMWPE-based nanocomposites reinforced by graphene nanoplatelets. Polymer Testing. 2021;99:107217. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2021.107217

28. Sleptsova S.A., Okhlopkova A.A. Study of the thermodynamic parameters of composite materials based on polytetrafluoroethylene and ultrafine fillers. International Polymer Science and Technology. 2001;28(7):44–48. https://doi.org/10.1177/0307174X0102800708

29. Ning N., Fu S., Zhang W., et al. Realizing the enhancement of interfacial interaction in semicrystalline polymer/filler composites via interfacial crystallization. Progress in Polymer Science. 2012;37(10):1425–55. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2011.12.005

30. Mazur K., Gądek-Moszczak A., Liber-Kneć А., et al. 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

31. Vishal K., Rajkumar K., Sabarinathan P. Effect of recovered silicon filler inclusion on mechanical and tribological properties of polytetrafluoroethylene (PTFE) composite. Silicon. 2022;14:4601–4610. https://doi.org/10.1007/s12633-021-01250-w

32. Adamov A.A., Keller I.E., Ostrer S.G., et al. Evaluation of the performance of antifriction PTFE composites at a pressure over 60 MPa. I. Comparison of their hardness and deformation properties under free and constrained compression. Mechanics of Composite Materials. 2022;58(5):673–678. https://doi.org/10.1007/s11029-022-10058-7

33. Адаменко Н.А., Игнатьева Л.Н., Агафонова Г.В. и др. Исследование молекулярной структуры политетрафторэтилена после взрывной обработки. Известия Волгоградского государственного технического университета. 2014;136(9):45–48.

34. Van Meter K.E., Junk Ch.P., Campbell K.L., et al. Ultralow wear self-mated PTFE composites. Macromolecules. 2022;55(10):3924–3935. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.1c02581