ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВОЛЛАСТОНИТА ИЗ ТЕХНОГЕННОГО ОТХОДА НА СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА
Аннотация
В работе представлены результаты исследования синтетического волластонита из отходов производства борной кислоты (борогипса) на физико-механические и трибологические свойства полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена. Волластонит синтезирован из борогипса путем его гидротермальной обработки в щелочной среде и последующего обжига полученного осадка при 900–1000 °С в течение 1 ч. Продукт с удельной поверхностью 1,4 м2/г и плотностью 3,06 г/см3, полученный в вышеуказанных режимах, характеризуется наличием волластонита триклинной модификации и наличием ангидрита CaSO4. Частицы волластонита имеют игольчатую форму с диаметром иголок ~100 нм. Показано, что игольчатые частицы волластонита соединены между собой и образуют конгломераты и агломераты размером от 10 до 70 мкм. Агломераты частиц характеризуются широким унимодальным распределением пор с максимумом 3,78 нм с конической и щелевидной формами. Установлено, что применение волластонита приводит к повышению износостойкости полимерных композиционных материалов на основе ПТФЭ. Композиты, наполненные 10 и 20 мас.% волластонита, характеризуются снижением скорости массового изнашивания в 700 раз относительно исходного полимера. Физико-механические исследования ПКМ показывают, что введение волластонита приводит к увеличению прочности при сжатии и модуля упругости. Однако зафиксировано снижение деформационно-прочностных показателей. Методом сканирующей электронной микроскопии выявлено формирование вторичных структур на поверхностях трения, которые играют роль в адаптации композита к изнашиванию. Методом ИК-спектроскопии поверхностей трения зафиксировано появление новых пиков, соответствующих гидроксильным, карбонильным и карбоксильным соединениям. Это указывает на определенный вклад частиц волластонита в трибохимические процессы.
Для цитирования:
Данилова С.Н., Тарасова П.Н., Ярусова С.Б., Капитонова Ю.В., Осипова В.Н., Охлопкова А.А., Гордиенко П.С. Оценка влияния волластонита из техногенного отхода на свойства полимерного композита на основе политетрафторэтилена. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 12. С. 102-112. DOI: 10.6060/ivkkt.20246712.7064.
Литература
Smelov A.V. Mechanical properties and tribological capabilities of modified polytetrafluoroethylene. Sovremen. Probl. Nauki Obrazov. 2012. N 6. P. 73-73 (in Russian).
Lin Z., Zhang K., Ye J., Li X., Zhao X., Qu T., Liu Q., Gao B. The effects of filler type on the friction and wear performance of PEEK and PTFE composites under hybrid wear conditions. Wear. 2022. V. 490. P. 204178. DOI: 10.1016/j.wear.2021.204178.
Vasilev A.P., Lazareva N.N., Struchkova T.S., Okhlopkova A.A., Danilova S.N. Mechanical and Tribo-logical Properties of Polytetrafluoroethylene Modified with Combined Fillers: Carbon Fibers, Zirconium Diox-ide, Silicon Dioxide and Boron Nitride. Polymers. 2023. V. 15. N 2. P. 313. DOI: 10.3390/polym15020313.
Kahramanov N.T., Kasumova G.Sh., Osipchik V.S., Gadzhieva R.Sh. Wear-resistant polymer materials. Struc-ture and properties. Plast. Massy. 2017. N 11-12. P. 8-15 (in Russian). DOI: 10.35164/0554-2901-2017-11-12-8-15.
Makowiec M.E., Blanchet T.A. Improved wear re-sistance of nanotube-and other carbon-filled PTFE com-posites. Wear. 2017. V. 374. P. 77-85. DOI: 10.1016/j.wear.2016.12.027.
Vishal K., Rajkumar K., Sabarinathan P. Effect of recovered silicon filler inclusion on mechanical and tribo-logical properties of polytetrafluoroethylene (PTFE) composite. Silicon. 2022. V. 14. N 9. P. 4601-4610. DOI: 10.1007/s12633-021-01250-w.
Vasilyev A.P., Struchkova T.S., Okhlopkova A.A., Alekseev A.G. Study of the influence of carbon and basalt fibers with ultrafine PTFE on the tribological properties of polytetrafluoroethylene. YuSNV. 2020. N 1. P. 89-95 (in Russian).
Mashkov Yu.K., Ovchar Z.N., Surikov V.I. Composite materials based on polytetrafluoroethylene. Structural modification. М.: Mashinostroenie. 2005. 240 p. (in Rus-sian).
Tulyaganov D.U., Dimitriadis K., Agathopoulos S., Baino F., Fernandes H.R. Wollastonite-containing glass-ceramics from the CaO–Al2O3–SiO2 and CaO–MgO–SiO2 ternary systems. Open Ceram. 2023. P. 100507. DOI: 10.1016/j.oceram.2023.100507.
Risbud M.V., Hambir S., Jog J., Bhonde R. Biocompat-ibility assessment of polytetrafluoroethylene/wollastonite composites using endothelial cells and macrophages. J. Biomater. Sci. Polym. Edit. 2001. V. 12. N 11. P. 1177-1189. DOI: 10.1163/156856201753395734.
Yu J.H., Li C., Yao Q.S. Study on the performance of wollastonite modified PTFE composite material. AMR. 2015. V. 1089. P. 28-32. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.1089.28.
Souza D.N., Melo A.P., Caldas L.V.E. TL and TSEE response of Wollastonite–Teflon composites in X-ray beams. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2007. V. 580. N 1. P. 338-341. DOI: 10.1016/j.nima.2007.05.170.
Vereshchagin V.I., Kurbanbayev M.Y., Yessimov B.O., Root L.O., Mogilevskaya N.V. Sintering processes, phase and structure formation and properties of electrical porcelain with the use of marshallit and wollastonite addi-tives. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 5. P. 87-98 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20246705.6960.
Yarusova S.B., Gordienko P.S., Papynov E.K., Shichalin O.O., Buravlev I.Yu., Ivanets A.I., Grigoryan K.G., Khachatryan A.A., Zhevtun I. O.G., Okhlopkova A.A., Danilova S.N. Functional ceramic and composite materi-als for practical purposes: synthesis, properties, application. Chap. 3. Synthesis of wollastonite and functional materials based on it using waste: monografiya. Vladivostok: Izd-vo VVGU. 2022. 240 p. (in Russian). DOI: 10/12466/0677-0-2022.
Yarusova S.B., Gordienko P.S., Zhevtun I.G., Buravlev I.Yu. Production of synthetic wollastonite using gypsum technogenic raw materials. Abstract of the report of the Congress with international participation and conference of young scientists "Fundamental research and applied development of the processes of processing and utilization of technogenic formations": «TEKHNOGEN-2019». Ekaterinburg: UrO RAN. 2019. P. 182–184 (in Russian).
Yarusova S.B., Gordienko P.S., Sharma Y.C., Perfilev A.V., Kozin A.V. Industrial waste as raw material for producing synthetic wollastonite in Russia. Int. J. Environ. Sci. Develop. 2017. V. 8. N 1. P. 1–5. DOI: 10.18178/ ijesd.2017.8.1.910.
Yarusova S.B., Gordienko P.S. Complex processing of gypsum industrial waste to produce functional materials. Collection of reports of the Int. Conf. “Modern problems of complex and deep processing of mineral raw materials of natural and man-made origin. Plaksinskie chteniya – 2022». Vladivostok: Izd-vo DVFU. 2022. P. 412-415 (in Russian). DOI: 10.24866/7444-5340-4.
Danilova S.N., Yarusova S.B., Okhlopkova A.A., Gor-dienko P.S., Lazareva N.N. Wollastonite obtained in the model system CaCl2-Na2SiO3-H2O as a modifier of ultrahigh molecular weight polyethylene. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 1. P. 105-113 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236601.6681.
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: mechanical and tribological properties. Polymers. 2021. V. 13. N 4. P. 570. DOI: 10.3390/polym13040570.
Danilova S.N., Yarusova S.B., Buravlev I.Yu., Sleptsova S.A., Ignatieva E.G., Yagofarov V.Yu., Gordienko P.S., Okhlopkova A.A. Modification of UHMWPE with wollastonite synthesized from boron production waste. Polim. Mater. Tekhnol. 2021. V. 7. N 1. P. 71 (in Russian). DOI: 10.32864/polymmattech-2021-7-1-71-82.
Gavrilova N.N., Nazarov V.V. Analysis of porous structure based on adsorption data. М.: RKhTU im. D.I. Men-deleeva. 2015. 132 p. (in Russian).
Mazur K., Gądek-Moszczak A., Liber-Kneć A., Kuciel S. Mechanical behavior and morphological study of poly-tetrafluoroethylene (PTFE) composites under static and cyclic loading condition. Materials. 2021. V. 14. N 7. P. 1712. DOI: 10.3390/ma14071712.
Bandaru A.K., Khan A.N., Durmaz T., Alagirusamy R., O'Higgins R.M. Improved mechanical properties of multi-layered PTFE composites through hybridization. Construct. Build. Mater. 2023. V. 374. P. 130921. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.130921.
Okhlopkova A.A., Struchkova T.S., Alekseev A.G., Vasiliev A.P. Development and research of polymer composite materials based on the activation of polytetra-fluoroethylene and carbon fillers. Vestn. SVFU. 2015. V. 48. N 4. P. 51-63 (in Russian).
Okhlopkova A.A., Danilova S.N., Dyakonov A.A., Va-silev A.P., Tuisov A.G., Kychkin A.K. Tribological Properties of Composites Based on a UHMWPE Modified Borpolymer. Wear. 2022. V. 43. N 1. P. 27-34. DOI: 10.3103/S1068366622010081.
Marshall J.E., Zhenova A., Roberts S., Petchey T., Zhu P., Dancer C.E., McElroy C.R., Kendrick E., Goodship V. On the solubility and stability of polyvinylidene fluo-ride. Polymers. 2021. V. 13. N. 9. P. 1354. DOI: 10.3390/polym13091354.
Piwowarczyk J., Jędrzejewski R., Moszyński D., Kwiatkowski K., Niemczyk A., Baranowska J. XPS and FTIR studies of polytetrafluoroethylene thin films obtained by physical methods. Polymers. 2019. V. 11. N 10. P. 1629. DOI: 10.3390/polym11101629.
Novak U., Grdadolnik J. Infrared Spectra of Hydrogen Bond Network in Lamellar Perfluorocarboxylic Acid Monohydrates. Spectrochim. Acta Pt. A: Molec. Biomolec. Spectrosc. 2021. V. 253. P. 119551. DOI: 10.1016/j.saa.2021.119551.
Kapitonova Iu.V., Lazareva N.N., Tarasova P.N., Okhlopkova A.A., Laukkanen S., Mukhin V.V. Mor-phology analysis of friction surfaces of composites based on PTFE and layered silicates. Polymers. 2022. V. 14. N 21. P. 4658. 10.3390/polym14214658.
Sleptsova S.A., Lazareva N.N., Fedoseeva V.I., Kapitonova Yu.V., Okhlopkova A.A. The Influence of Metal Cations of Mechanoactivated Bentonite on Tri-bochemical Processes in PTFE. Wear. 2018. V. 39. N 6. P. 469-475. DOI: 10.3103/S1068366618060120.
Sleptsova S.A., Okhlopkova A.A., Kapitonova I.V., Lazareva N.N., Makarov M.M., Nikiforov L.A. Spectroscopic study of tribooxidation processes in modified PTFE. Wear. 2016. V. 37. P. 129-135. DOI: 10.3103/S106836661602015X.
Chapurkin V.V., Medvedev V.P., Chapurkin S.V. Features of the synthesis of primary peroxide derivatives of the reaction of fluorine-containing carbonyl compounds with hydrogen peroxide. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2015. V. 58. N 10. P. 21-24 (in Russian).
Sleptsova S.A., Lazareva N.N., Fedoseeva V.I., Kapitonova Yu.V., Okhlopkova A.A. Influence of metal cations of mechanically activated bentonite on tribochemical processes in PTFE. Trenie Iznos. 2018. V. 39. N 6. P. 604-611 (in Russian). DOI: 10.3103/S1068366618060120.
