Износостойкость композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с комбинированным наполнением

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.

1. Зайдес 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: 10.26896/1028-6861-2018-84-9-64-71

2. Kolosov 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: 10.1155/2019/3501456

3. Hsissou 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.2021.113640

4. Kurtz S. M. UHMWPE biomaterials handbook: ultra-high molecular weight polyethylene in total joint replacement and medical devices. — Academic Press, 2009. — 568 p.

5. 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: 10.18577/2307-6046-2020-0-3-49-57

6. Danilova 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/polym13040570

7. Маркевич 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.2020.07.49450.391-19

8. Liang 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: 10.1177/089270571772097

9. Bracco 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/ma10070791

10. Панин 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.

11. 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/2019.3.14

12. Vasilev 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/molecules24020224

13. Догадкин Б. А., Донцов А. А. Взаимодействие полиэтилена с серой в присутствии меркаптобензотиазола и тетраметилтиурамдисульфида / Высокомолекулярные соединения. 1963. № 1. С. 1107 – 1117.

14. Догадкин Б. А., Донцов А. А. Взаимодействие полиэтилена с серой / Доклады Академии наук. 1961. Т. 138. № 6. С. 1349 – 1352.

15. 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.

16. 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-2020-1-43-53

17. Данилова 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: 10.22349/1994-6716-2019-99-3-91-98

18. Пат. 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.

19. 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/s11249-009-9435-5

20. Nandiyanto 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