zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2023-89-8-76-82zldm-2002Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. MECHANICAL TESTING METHODSИзносостойкость композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с комбинированным наполнениемWear resistance of composite materials based on ultra-high molecular polyethylene with combined fillingВасильевА. П.VasilevA. P.

Андрей Петрович Васильев

677000, Якутск, ул. Белинского, д. 58

Andrey P. Vasilev

58, ul. Belinskogo, Yakutsk, 677000

ДаниловаС. Н.DanilovaS. N.

Сахаяна Николаевна Данилова

677000, Якутск, ул. Белинского, д. 58

Sakhayana N. Danilova

58, ul. Belinskogo, Yakutsk, 677000

dsn.sakhayana@mail.ruОхлопковаА. А.OkhlopkovaA. A.

Айталина Алексеевна Охлопкова

677000, Якутск, ул. Белинского, д. 58

Aitalina A. Okhlopkova

58, ul. Belinskogo, Yakutsk, 677000

ДьяконовА. А.DyakonovA. A.

Афанасий Алексеевич Дьяконов

677000, Якутск, ул. Белинского, д. 58

677000, Якутск, ул. Октябрьская, д. 1

Afanasy A. Dyakonov

58, ul. Belinskogo, Yakutsk, 677000

1, Oktyabrskaya ul., Yakutsk, 677000

ОконешниковаА. В.OkoneshnikovaA. V.

Анастасия Васильевна Оконешникова

677000, Якутск, ул. Белинского, д. 58

Anastasia V. Okoneshnikova

58, ul. Belinskogo, Yakutsk, 677000

МакаровИ. С.MakarovI. S.

Игорь Сергеевич Макаров

677000, Якутск, ул. Белинского, д. 58

Igor S. Makarov

58, ul. Belinskogo, Yakutsk, 677000

Северо-Восточный федеральный университет им. М. К. АммосоваРоссияM. K. Ammosov North-Eastern Federal UniversityRussian FederationСеверо-Восточный федеральный университет им. М. К. Аммосова; Институт физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАНРоссияM. K. Ammosov North-Eastern Federal University; V. P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2023250820238987682Copyright © Васильев А.П., Данилова С.Н., Охлопкова А.А., Дьяконов А.А., Оконешникова А.В., Макаров И.С., 20232023Васильев А.П., Данилова С.Н., Охлопкова А.А., Дьяконов А.А., Оконешникова А.В., Макаров И.С.Vasilev A.P., Danilova S.N., Okhlopkova A.A., Dyakonov A.A., Okoneshnikova A.V., Makarov I.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/2002

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) антифрикционного назначения с самосмазывающимися свойствами находят применение для изготовления различных деталей в узлах трения машин и механизмов. Цель работы — исследование влияния наполнителей (сульфенамида Ц, серы, оксидов магния и цинка) на трибологические параметры полимерных композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Образцы для исследований изготавливали методом горячего прессования — при температуре 175 °C и давлении 10 МПа. Рассматривали композиты с концентрациями наполнителей: 0,5 и 1 % масс. сульфенамида; 0,5 и 1 % масс. сульфенамида с серой; 0,5 и 1 % масс. сульфенамида с серой с вариацией оксида цинка или оксида магния. Установлено, что введение сульфенамида приводит к повышению износостойкости в шесть раз, а введение комбинации наполнителей 0,5 % масс. сульфенамида, серы и оксида магния — в 1,5 раза. Поверхности трения композитов исследовали на сканирующем электронном микроскопе и ИК-спектрометре. На поверхностях трения композитов, наполненных сульфенамидом, выявлено формирование ориентированной упорядоченной структуры в виде кластеров из продуктов износа. В случае комбинированного наполнения на поверхности трения обнаружены вторичные структуры, отличающиеся визуально от поверхности трения СВМПЭ. Методом ИК-спектроскопии поверхности трения композитов с комбинированным наполнением установлено появление пиков в ИК-спектрах, соответствующих кислородсодержащим группам (–C=O, –COOX). Показано, что ИК-спектры композитов с моно- и бинарными наполнителями имеют менее интенсивные пики благодаря формированию вторичных структур. Введение в СВМПЭ сульфенамида совместно с оксидами цинка и магния способствует сшивке макромолекул полимера в зоне трения за счет фрикционного нагрева, сдвиговых нагрузок и воздействия контртела. Разработанные материалы могут быть использованы для изготовления деталей узлов трения машин и другой транспортной техники, поскольку выдерживают жесткие условия эксплуатации в резкоконтинентальном климате.

Polymer composite materials (PCM) of antifriction duty with self-lubricating properties are used for the manufacture of various parts in friction units of machines and mechanisms. PCM can partially replace parts made of metals and alloys, increasing the reliability and service life of the equipment when the use of oils or external lubricants is limited or prohibited. The goal of the study is the effect of fillers (sulfenamide, sulfur, magnesium and zinc oxides) on the tribological parameters of polymer composite materials based on ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE). Samples were prepared by hot pressing at a temperature of 175°C and a pressure of 10 MPa. Composites with filler concentrations 0.5 and 1 wt.% were considered (for sulfenamide, sulfenamide with sulfur, and combinations of 0.5 and 1 wt.% sulfenamide with sulfur and zinc oxide or magnesium oxide). It is shown that the introduction of sulfenamide leads to an increase in the wear resistance by six times, and the introduction of a combination of fillers of 0.5 wt.% sulfenamide, sulfur, and magnesium oxide — by 1.5 times. The friction surfaces of composites were studied using methods of scanning electron microscopy and IR-spectrometry. The formation of an oriented ordered structure in the form of clusters of wear products was revealed on the friction surfaces of composites filled with sulfenamide. In the case of combined filling, secondary structures were found on the friction surface, which visually differ from the UHMWPE friction surface. The appearance of peaks in IR spectra corresponding to oxygen-containing groups (–C=O, –COOX) was observed on the friction surface of composites with combined filling. It is shown that IR spectra of composites with mono- and binary fillers have peaks of less intensity due to the formation of secondary structures. The introduction of sulfenamide into UHMWPE, together with zinc and magnesium oxides, promotes the crosslinking of polymer macromolecules in the friction zone due to frictional heating, shear loads, and the action of a counterbody. The developed materials can be used as parts of friction units for cars and transport equipment that can withstand harsh operating conditions in a sharply continental climate.

сверхвысокомолекулярный полиэтиленполимерный композиционный материалкомбинированное наполнениесерасульфенамид Цоксид цинкаоксид магнияultra-high molecular weight polyethylenepolymer composite materialcombined fillingsulfursulfenamidezinc oxidemagnesium oxideИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-73-00076.ReferencesЗайдес С. А., Горбунов А. В. Определение глубины наклепанного слоя при центробежном обкатывании маложестких валов / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 9. С. 64 – 71. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-9-64-71Zaides S. A., Gorbunov A. V. Determination of the depth of hardened layer after centrifugal rolling of low-rigid shafts / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2018. Vol. 84. N 9. P. 64 – 71 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-9-64-71Kolosov A. E., Sivetskii V. I., Kolosova E. P., et al. Creation of structural polymer composite materials for functional application using physicochemical modification / Adv. Polymer Technol. 2019. Vol. 2019. DOI: 10.1155/2019/3501456Kolosov A. E., Sivetskii V. I., Kolosova E. P., et al. Creation of structural polymer composite materials for functional application using physicochemical modification / Adv. Polymer Technol. 2019. Vol. 2019. DOI: 10.1155/2019/3501456Hsissou R., Seghiri R., Benzekri Z., et al. Polymer composite materials: A comprehensive review / Composite Struct. 2021. Vol. 262. P. 113640. DOI: 10.1016/j.compstruct.2021.113640Hsissou R., Seghiri R., Benzekri Z., et al. Polymer composite materials: A comprehensive review / Composite Struct. 2021. Vol. 262. P. 113640. DOI: 10.1016/j.compstruct.2021.113640Kurtz S. M. UHMWPE biomaterials handbook: ultra-high molecular weight polyethylene in total joint replacement and medical devices. — Academic Press, 2009. — 568 p.Kurtz S. M. UHMWPE biomaterials handbook: ultra-high molecular weight polyethylene in total joint replacement and medical devices. — Academic Press, 2009. — 568 p.Валуева М. И., Колобков А. С., Малаховский С. С. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен: рынок, свойства, направления применения (обзор) / Труды ВИАМ. 2020. № 3(87). С. 49 – 57. DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-3-49-57Valueva M. I., Kolobkov A. S., Malakhovskii S. S. Ultra-high molecular weight polyethylene: market, properties, directions of application (review) / Tr. VIAM. 2020. N 3(87). P. 49 – 57 [in Russian]. DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-3-49-57Danilova S. N., Yarusova S. B., Kulchin Y. N., et al. UHMWPE/CaSiO3 nanocomposite: Mechanical and tribological properties / Polymers. 2021. Vol. 13. N 4. P. 570. DOI: 10.3390/polym13040570Danilova S. N., Yarusova S. B., Kulchin Y. N., et al. UHMWPE/CaSiO3 nanocomposite: Mechanical and tribological properties / Polymers. 2021. Vol. 13. N 4. P. 570. DOI: 10.3390/polym13040570Маркевич И. А., Селютин Г. Е., Дрокин Н. А., Селютин А. Г. Электрофизические и механические свойства композита с повышенной диэлектрической проницаемостью на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, модифицированного углеродными нанотрубками / Журнал технической физики. 2020. Т. 90. № 7. С. 1151 – 1158. DOI: 10.21883/JTF.2020.07.49450.391-19Markevich I. A., Selyutin G. E., Drokin N. A., Selyutin A. G. Electrical and mechanical properties of the high-permittivity ultra-high-molecular-weight polyethylene-based composite modified by carbon nanotubes / Zh. Tekhn. Fiz. 2020. Vol. 90. N 7. P. 1151 – 1158 [in Russian]. DOI: 10.21883/JTF.2020.07.49450.391-19Liang W., Xiaochun Y., Guangjian H., et al. Ultrasound-assisted melt mixing for the preparation of UHMWPE/OMMT nanocomposites / J. Thermoplastic Composite Mater. 2018. Vol. 31. N 6. P. 784 – 802. DOI: 10.1177/089270571772097Liang W., Xiaochun Y., Guangjian H., et al. Ultrasound-assisted melt mixing for the preparation of UHMWPE/OMMT nanocomposites / J. Thermoplastic Composite Mater. 2018. Vol. 31. N 6. P. 784 – 802. DOI: 10.1177/089270571772097Bracco P., Bellare A., Bistolfi A., Affatato S. Ultra-high molecular weight polyethylene: influence of the chemical, physical and mechanical properties on the wear behavior. A review / Materials. 2017. Vol. 10. N 7. P. 791. DOI: 10.3390/ma10070791Bracco P., Bellare A., Bistolfi A., Affatato S. Ultra-high molecular weight polyethylene: influence of the chemical, physical and mechanical properties on the wear behavior. A review / Materials. 2017. Vol. 10. N 7. P. 791. DOI: 10.3390/ma10070791Панин В. Е., Панин С. В., Корниенко Л. А. и др. Влияние механической активации сверхвысокомолекулярного полиэтилена на его механические и триботехнические свойства / Трение и износ. 2010. Т. 31. № 2. С. 168 – 176.Panin V. E., Panin S. V., Kornienko L. A., et al. Effect of mechanical activation of ultra-high-molecular-weight polyethylene on its mechanical and triboengineering properties / Trenie Iznos. 2010. Vol. 31. N 2. P. 168 – 176 [in Russian].Дышин О. А., Габибов И. А., Шамилов В. М., Рустамова К. Б. Структура межфазных областей в полимерных нанокомпозитах / Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2019. № 3. С. 140 – 148. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.3.14Dyshin O. A., Gabibov I. A., Shamilov V. M., Rustamova K. B. The structure of interfacial regions in polymer nanocomposites / Vestn. Perm. Nats. Issl. Politekhn. Univ. Mekhanika. 2019. N 3. P. 140 – 148 [in Russian]. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.3.14Vasilev A. P., Struchkova T. S., Nikiforov L. A., et al. Mechanical and tribological properties of polytetrafluoroethylene composites with carbon fiber and layered silicate fillers / Molecules. 2019. Vol. 24. N 2. P. 224. DOI: 10.3390/molecules24020224Vasilev A. P., Struchkova T. S., Nikiforov L. A., et al. Mechanical and tribological properties of polytetrafluoroethylene composites with carbon fiber and layered silicate fillers / Molecules. 2019. Vol. 24. N 2. P. 224. DOI: 10.3390/molecules24020224Догадкин Б. А., Донцов А. А. Взаимодействие полиэтилена с серой в присутствии меркаптобензотиазола и тетраметилтиурамдисульфида / Высокомолекулярные соединения. 1963. № 1. С. 1107 – 1117.Dogadkin B. A., Dontsov A. A. Reaction of polyethylene with sulfur in the presence of mercaptobenzothiazole and tetramethylthiuram disulfide / Vysokomol. Soed. 1963. N 1. P. 1107 – 1117 [in Russian].Догадкин Б. А., Донцов А. А. Взаимодействие полиэтилена с серой / Доклады Академии наук. 1961. Т. 138. № 6. С. 1349 – 1352.Dogadkin B. A., Dontsov A. A. Interaction of polyethylene with sulfur / Dokl. Akad. Nauk. 1961. Vol. 138. N 6. P. 1349 – 1352 [in Russian].Карасева Ю. С., Башкатова Т. В., Черезова Е. Н., Хусаинов А. Д. Исследование продуктов взаимодействия полиэтилена с серой в качестве вулканизующих агентов / Вестник Казанского технологического университета. 2006. № 5. С. 57 – 62.Karaseva Yu. S., Bashkatova T. V., Cherezova E. N., Khusainov A. D. Study of the products of the interaction of polyethylene with sulfur as vulcanizing agents / Vestn. Kazan. Tekhnol. Univ. 2006. N 5. P. 57 – 62 [in Russian].Дьяконов А. А., Данилова С. Н., Васильев А. П. и др. Исследование влияния серы, дифенилгуанидина и 2-меркаптобензтиазола на физико-механические свойства и структуру сверхвысокомолекулярного полиэтилена / Перспективные материалы. 2020. № 1. С. 43 – 53. DOI: 10.30791/1028-978X-2020-1-43-53D’yakonov A. A., Danilova S. N., Vasil’ev A. P., et al. Study of sulfur, diphenylguanidine and 2-mercaptobenzothiazole effect on physical and mechanical properties and structure of ultra-high molecular weight polyethylene / Perspekt. Mater. 2020. N 1. P. 43 – 53 [in Russian]. DOI: 10.30791/1028-978X-2020-1-43-53Данилова С. Н., Дьяконов А. А., Васильев А. П. и др. Исследование триботехнических свойств сверхвысокомолекулярного полиэтилена, наполненного серой, дифенилгуанидином и 2-меркаптобензтиазолом / Вопросы материаловедения. 2019. № 3. С. 91 – 98. DOI: 10.22349/1994-6716-2019-99-3-91-98Danilova S. N., D’yakonov A. A., Vasil’ev A. P., et al. Tribo-technical properties of ultra-high molecular weight polyethylene filled with sulfur, diphenylguanidine and 2-mercaptobenzothiazole / Vopr. Materialoved. 2019. N 3. P. 91 – 98 [in Russian]. DOI: 10.22349/1994-6716-2019-99-3-91-98Пат. SU 190557 A1 СССР, МПК С 08с. Способ вулканизации натурального и синтетических каучуков / Фульдштейн М. С., Горелик М. В., Белова Л. Н., Певзнер Д. М.; заявитель и патентообладатель Научно-исследовательский институт шинной промышленности. — № 1030643/23-5; заявл. 01.10.1965; опубл. 29.12.1966. Бюл. № 2.Pat. SU 190557 A1 SSSR, MPK S 08s. Method of vulcanization of natural and synthetic rubbers / Ful’dshtejn M. S., Gorelik M. V., Belova L. N., Pevzner D. M.; applicant NII shinnoi promyshlennosti. — N 1030643/23-5; appl. 10.01.1965; publ. 12.29.1966, Byull. N 2 [in Russian].Wang J., Yan F., Xue Q. Friction and wear behavior of ultra-high molecular weight polyethylene sliding against GCr15 steel and electroless Ni — P alloy coating under the lubrication of seawater / Tribol. Lett. 2009. Vol. 35. N 2. P. 85 – 95. DOI: 10.1007/s11249-009-9435-5Wang J., Yan F., Xue Q. Friction and wear behavior of ultra-high molecular weight polyethylene sliding against GCr15 steel and electroless Ni — P alloy coating under the lubrication of seawater / Tribol. Lett. 2009. Vol. 35. N 2. P. 85 – 95. DOI: 10.1007/s11249-009-9435-5Nandiyanto A. B. D., Oktiani R., Ragadhita R. How to read and interpret FTIR spectroscope of organic material / Indonesian J. Sci. Technol. 2019. Vol. 4. N 1. P. 97 – 118. DOI: 10.17509/ijost.v4i1.15806Nandiyanto A. B. D., Oktiani R., Ragadhita R. How to read and interpret FTIR spectroscope of organic material / Indonesian J. Sci. Technol. 2019. Vol. 4. N 1. P. 97 – 118. DOI: 10.17509/ijost.v4i1.15806

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