A ВОЛЛАСТОНИТ, ПОЛУЧЕННЫЙ В МОДЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ CaCl2–Na2SiO3–H2O, КАК МОДИФИКАТОР СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА

  • Sakhayana N. Danilova Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова
  • Sofya B. Yarusova Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук
  • Aitalina A. Okhlopkova Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова
  • Pavel S. Gordienko Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук
  • Nadezhda N. Lazareva Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова
Ключевые слова: сверхвысокомолекулярный полиэтилен, волластонит, кальцит, силикат кальция, полимерный композиционный материал

Аннотация

В данной работе рассматривается влияние волластонита, синтезированного при обжиге гидросиликата кальция, полученного в модельной многокомпонентной водной системе CaCl2–Na2SiO3–H2O при температуре 20 ºС, на физико-механические свойства и структуру сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Предложена возможность оптимизации процесса синтеза волластонита, заключающаяся во взаимодействии исходных компонентов в водном растворе при комнатной температуре. Исследование синтезированных порошков выявило формирование мелкодисперсных пористых частиц различной формы. Рентгенофазовый анализ осадка после обжига исходного продукта синтеза в интервале температур 850-1000 ºС свидетельствует об образовании волластонита триклинной модификации. Показано, что введение волластонита в полимерную матрицу приводит к существенному повышению модуля упругости на 58% и прочности при сжатии при относительной деформации 25% на 27% по сравнению с ненаполненным сверхвысокомолекулярным полиэтиленом. С использованием сканирующей электронной микроскопии установлено, что частицы волластонита способствуют трансформации надмолекулярной структуры СВМПЭ с формированием сферолитных образований меньшего размера, чем у исходного полимера. Методом ИК-спектроскопии зафиксировано наличие новых пиков, относящихся к сложноэфирной группе у композитов, содержащих волластонит. Наличие нового кислородсодержащего пика обусловлено протеканием окислительных процессов во время переработки композитов, которые активируются за счет наличия в порах волластонита адсорбированной воды и кислорода. Показано, что протекание окислительных процессов и испарение адсорбированной воды приводит к слабому межфазному взаимодействию (слабой адгезии) в граничной области между наполнителем и полимерной матрицей. Однако протекание окислительных процессов в пределах аморфной фазы обусловливает повышение жесткости материала. Методом дифференциально-сканирующей калориметрии установлено уменьшение значений энтальпии плавления и степени кристалличности при введении волластонита.

Для цитирования:

Данилова С.Н., Ярусова С.Б., Охлопкова А.А., Гордиенко П.С., Лазарева Н.Н. Волластонит, полученный в модельной системе CaCl2–Na2SiO3–H2O, как модификатор сверхвысокомолекулярного полиэтилена. 2023. Т. 66. Вып. 1. С. 105-113. DOI: 10.6060/ivkkt.20236601.6681.

Литература

Abakunova E.V., Danilova S.N., Sleptsova S.A., Okhlopkova A.A. Polymer composite materials based on polytetrafluoroethylene filled with modified montmoril-lonite. YUSNV. 2021. N 6(40). P. 113-118 (in Russian). DOI: 10.25699/SSSB.2021.40.6.005.

Valueva M.I., Kolobkov A.S., Malakhovskiy 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: 10.18577/2307-6046-2020-0-3-49-57.

Tcherdyntsev V.V. Reinforced Polymer Composites. Polymers. 2021. V. 13. N 4. P. 564. DOI: 10.3390/polym13040564.

Zhu J., Abeykoon C., Karim N. Investigation into the effects of fillers in polymer processing. Int. J. Lightweight Mater. Manuf. 2021. V. 4. N 3. P. 370-382. DOI: 10.1016/j.ijlmm.2021.04.003.

Panin S.V. Kornienko L.A., Alexenko V.O., Buslovich D.G., Bochkareva S.A., Lyukshin B.A. Increasing wear resistance of UHMWPE by loading enforcing carbon fibers: Effect of irreversible and elastic deformation, fric-tion heating, and filler size. Materials. 2020. V. 13. N 2. P. 338. DOI: 10.3390/ma13020338.

Kirillina I.V., Nikiforov L.A., Okhlopkova A.A., Sleptsova S.A., Yoon C., Cho J.H. Nanocomposites based on polytetrafluoroethylene and ultrahigh molecular weight polyethylene: A brief review. Bull. Korean Chem. Soc. 2014. V. 35. N 12. P. 3411-3420. DOI: 10.5012/bkcs.2014.35.12.3411.

Ray S.S., Okamoto M. Polymer/layered silicate nano-composites: a review from preparation to processing. Prog. Polym. Sci. 2003. V. 28. N 11. P. 1539-1641. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2003.08.002.

Mahfoudh A., Cloutier A., Rodrigue D. Characterization of UHMWPE/wood composites produced via dry‐blending and compression molding. Polym. Compos. 2013. V. 34. N 4. P. 510-516. DOI: 10.1002/pc.22455.

Lee E.M., Jeong H.M., Kim B.K. Mechanical, Thermal, and Surface Properties of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene/Polypropylene Blends. J. Macromol. Sci. Phys. 2010. V. 49. N 5. P. 854-863. DOI: 10.1080/00222341003600723.

Danilova S.N., Vasilev A.P., Dyakonov A.A., Okhlopkova A.A., Sleptsova S.A., Yarusova S.B., Gerasimova Yu.S. Development of high-strength materi-als based on UHMWPE modified with 2-mercaptobenzothiazole. Aviats. Mater. Tehnol. 2020. N 3. P. 10-18 (in Russian). DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-3-10-18.

Chang B.P., Akil H.M., Nasir R.B.M. Comparative study of micro-and nano-ZnO reinforced UHMWPE composites under dry sliding wear. Wear. 2013. V. 297. N 1-2. P. 1120-1127. DOI: 10.1016/j.wear.2012.11.083.

Dayyoub T., Maksimkin A.V., Kaloshkin S., Kolesnikov E., Chukov D., Dyachkova T.Y.P., Gutnik I. The struc-ture and mechanical properties of the UHMWPE films modified by the mixture of graphene nanoplates with polyaniline. Polymers. 2018. V. 11. N 1. P. 23. DOI: 10.3390/polym11010023.

Chang B.P., Akil H.M., Nasir R.M. Mechanical and tribological properties of zeolite-reinforced UHMWPE composite for implant application. Procedia Eng. 2013. V. 68. P. 88-94. DOI: 10.1016/j.proeng.2013.12.152.

Dias R.R., Lavoratti A., Piazza D., da Silva C.R., Zat-tera A.J., Lago R.M., de Oliveira Patricio D.S., Pereira I.M. Effect of molecular structures on static and dynamic compression properties of clay and amphiphilic clay/carbon nanofibers used as fillers in UHMWPE/composites for highenergy‐impact loading. J. Appl. Polym. Sci. 2019. V. 136. N 8. P. 47094. DOI: 10.1002/app.47094.

Danilova S.N., Okhlopkova A.A., Pesetsky S.S., Mironova S.N., Savvinova O.R., Spiridonov A.M. In-vestigation of physico-mechanical and tribotechnical properties of ultra-high molecular weight polyethylene modified by organoclay. Polimer. Mater. Tekhnol. 2018. V. 4. N 3. P. 57-65 (in Russian). DOI: 10.32864/polymmattech-2018-4-3-57-65.

Meng Z., Wang Y., Xin X., Liu H., Yan Y., Yan F. The influence of several silicates on the fretting behavior of UHMWPE composites. J. Appl. Polym. Sci. 2020. V. 137. N 43. P. 49335. DOI: 10.1002/app.49335.

Gürgen S. Wear performance of UHMWPE based composites including nano-sized fumed silica. Compos B Eng. 2019. V. 173. P. 106967. DOI: 10.1016/j.compositesb.2019.106967.

Panin S.V., Huang Q., Alexenko V.O., Buslovich D.G., Kornienko L.А., Berto F., Bochkareva S.A., Panov I.L., Ryabova N.V. Design of wear-resistant UHMWPE-based composites loaded with wollastonite microfibers treated with various silane coupling agents. Appl. Sci. 2020. V. 10. N 13. P. 4511. DOI: 0.3390/app10134511.

Ribas R.G., Campos T.M.B., Schatkoski V.M., de Menezes B.R.C., Montanheiro T.L.d.A., Thim G.P. α-wollastonite crystallization at low temperature. Ceram. Int. 2020. V. 46. N 5. P. 6575-6580. DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.11.143.

Yarusova S.B., Gordienko P.S., Okhlopkova A.A., Danilova S.N., Silantev V.E., Buravlev I.Yu., Zhevtun I.G., Dostovalov D.V., Pashnina E.V. Influence of synthesis conditions on formation features of calcium sili-cates in various multicomponent systems. Khim. Tekhnol. 2019. N 14. P. 661-666 (in Russian). DOI: 10.31044/1684-5811-2019-20-14-661-666.

Gordienko P.S., Mikhailov M.M., Banerjee S., Sharma Y.C., Yarusova S.B., Zhevtun I.G., Vlasove V.A., Shabalina I.A., Sushkova Yu.V. Effect of annealing conditions on the structure, phase and granulometry composition, and reflectance spectra and their changes on irradiation for calcium silicate powders. Mater. Chem. Phys. 2017. V. 197. P. 266-271. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2017.04.033.

Kholkin A.I., Akatieva L.V. Modern raw material recy-cling processes for calcium silicate and composite materials production. Tr. KNC RAN. 2015. N 5 (31). P. 37-39 (in Russian).

Danilova S.N., Yarusova S.B., Kulchin Y.N., Zhevtun I.G., Buravlev I.Y., Okhlopkova A.A., Gordienko P.S., Subbotin E.P. UHMWPE/CaSiO3 nanocomposite: Me-chanical and tribological properties. Polymers. 2021. V. 13. N 4. P. 570. DOI: 10.3390/polym13040570.

Chang B.P., Akil H.M., Nasir R.M. The Effect of Zeolite on the Crystallization Behaviour and Tribological Properties of UHMWPE Composite. Adv. Mater. Res. 2013. V. 812. P. 100–106. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.812.100.

Kurtz S.M. Ultra-high molecular weight polyethylene in total joint replacement: UHMWPE handbook. Elsevier Acad. Press. 2004. 379 p.

Vasilev S.V., Gogoleva O.V. Investigation of properties of the polymer composite material based on polytetraflu-oroethylene and basalt fiber production waste. Nauka Obrazovanie. 2016. N 3 (83). P. 63-67 (in Russian).

Chvalun S.N. Polymer nanocomposites. Priroda. 2000. V. 7. P. 22-30 (in Russian).

Rocha M.F., Mansur A.A., Martins C.P., Barbosa-Stancioli E.F., Mansur H.S. Macrophage response to UHMWPE submitted to accelerated ageing in hydrogen peroxide. Open Biomed. Eng. J. 2010. V. 4. P. 107. DOI: 10.2174/1874120701004010107.

Rocha M., Mansur A., Mansur H. Characterization and accelerated ageing of UHMWPE used in orthopedic pros-thesis by peroxide. Materials. 2009. V. 2. N 2. P. 562-576. DOI: 10.3390/ma2020562.

Vorobyova E.V., Borisov I.M. Features of oxidation of saturated hydrocarbons (C10-C15) in contact with dis-persed copper, the relationship of the process with physical-chemical indicators. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Kliim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 7. P. 79-87 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20226507.6577.

Zhang R., Tian J., Wu Y., Chou W., Yang J., Xue P. An investigation on shape memory behaviors of UHMWPE-based nanocomposites reinforced by graphene nanoplatelets. Polym. Test. 2021. V. 99. P. 107217. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2021.107217.

Sobieraj M.C. Rimnac C.M. Ultra High Molecular Weight Polyethylene: Mechanics, Morphology, and Clinical Behavior. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2009. V. 2. N 5. P. 433-43. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2008.12.006.

Опубликован
2022-11-19
Как цитировать
Danilova, S. N., Yarusova, S. B., Okhlopkova, A. A., Gordienko, P. S., & Lazareva, N. N. (2022). A ВОЛЛАСТОНИТ, ПОЛУЧЕННЫЙ В МОДЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ CaCl2–Na2SiO3–H2O, КАК МОДИФИКАТОР СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 66(1), 105-113. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20236601.6681
Раздел
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ неорг. и органических веществ, теоретические основы