МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ТВЕРДОСМАЗОЧНЫХ КОМПОЗИТОВ НА МАТРИЦЕ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
Аннотация
Исследованы многокомпонентные композиты на матрице сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), армированные короткими углеродными волокнами (КУВ) и наполненные твердосмазочными частицами мелкодисперсного политетрафторэтилена (ПТФЭ). Показано, что введение сразу двух микронаполнителей (твердосмазочного и армирующего) в матрицу СВМПЭ позволяет одновременно обеспечить повышение механических характеристик (модуль упругости, предел текучести, твердость по Шору D) и сопротивления изнашиванию трехкомпонентных композитов на основе СВМПЭ в различных условиях трибонагружения. Показано, что при умеренных скорости скольжения (V=0,3 м/с) и нагрузке (P=60 Н) рациональным составом композита для обеспечения максимального сопротивления изнашиванию в условиях сухого трения скольжения является “СВМПЭ+5 вес.% флуралита+5 вес. % КУВ” (износостойкость повышается вдвое). Это обусловлено тем, что сформированная структура и отклик материала на поверхности трибоконтакта (поверхности трения) на триботехническое нагружение за счет формирования пленки переноса позволяют повысить сопротивление изнашивающему воздействию скользящего стального контртела. В жестких условиях трибоиспытаний (P=140 Н×V=0,5 м/с) двукратное увеличение износостойкости показывает композит “СВМПЭ+5 вес. % флуралита+10 вес. % КУВ”. Это обусловлено армирующим действием коротких углеродных микроволокон, которые в условиях повышенных температур, вызванных фрикционным нагревом, стимулирующих подплавление и пластификацию поверхностного слоя трибоконтакта, позволяют лучше защитить поверхность трения от комбинированного воздействия сжимающих и сдвигающих нагрузок, передаваемых от стального контртела. С учетом данных о формировании структуры, а также температуре в трибоконтакте, изменении коэффициента трения и топографии поверхностей износа обсуждаются механизмы изнашивания многокомпонентных композитов на основе СВМПЭ.
Литература
Zoo V.S., An J.-W., Lim D.-Ph., Lim D.-S. Effect of car-bon nanotube addition on tribological behavior of UHMWPE. Tribolog. Lett. 2004. V. 16. N 4. P. 305-309.
Wei Z., Zhao Ya-Pu, Ruan S.L., Gao P. A study of the tribological behavior of carbon-nanotube-reinforeed ultrahigh molecular weight polyethylene composites. Surf. Interface Anal. 2006. V. 38. P. 883–886.
Myshkin N.K., Kovalev A.V. Adhesion and Friction of Polymers of Polymer Tribology. Eds: S.K. Sinha, B.J. Bris-coe. Imperial College Press. 2009. P. 3-32.
Gogoleva O.V., Okhlopkova A.A., Petrova P.N. Wear-resistant compo-site materials based on ultrahigh molecular weight polyethylene and basalt fibers. J. Friction and Wear. 2015. V. 36. N 4. P. 301–305. DOI: 10.3103/ S1068366615040054.
Galetz M.C., Blar T., Ruckdaschel H., Sandler K.W., Alstadt V. Carbon nanofibre-reinforced ultrahigh molecular weight polyethylene for tribological applications. J. Appl. Polymer Sci. 2007. V. 104. P. 4173-4181.
Panin S.V., Kornienko L.A., Sergeev V.P., Sonjaitham N., Tchaikina M.V. Wear-Resistant Ultrahigh-Molecular-Weight Polyethylene-Based Nano- and Microcomposites for Implants. J. Nanotechnol. 2012. Article ID 729756. 7 p.
Yudin A.S., Buyaev D.I., Krasnov A.P., Sachek B.Ya., Afonicheva O.V., Bazhenova V.B. Disperse fillers in tribo-logical fiber-reinforced polymer materials. Exploratory re-search. Vopr. Materialoved. 2012. V 72. N 4. P. 231–239 (in Russian).
Panin S.V., Kornienko L.A., Alexenko V.O., Ivanova L.R., Shil’ko S.V. Comparison on efficiency of carbon nano- and microfibers in formation physical-mechanical and tribotechnical properties of polymer composites based on highmoluculat weight matrix. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2016. V. 59. N 9. P. 99–105 (in Rus-sian).
Panin S.V., Shilko S.V., Kornienko L.A, Chernous D.A., Aleksenko V.O. Biomechanical properties of dispersed arti-cle reinforced polymer composites on ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE). MOJ App. Bio. Biomech. 2017. 1(5). P. 00030.
Panin S.V., Kornienko L.A., Nguen Suan T., Ivanova L.R., Korchagin M.A., Shil’ko S.V., Pleskachevskii Yu.M. Wear resistance of composites based on hybrid UHMWPE–PTFE matrix: Mechanical and tribotechnical properties of the matrix. J. Friction and Wear. 2015. V. 36. N 3. P. 249-256.
Krasnov A.P., Aderikha V.N., Afonicheva O.V., Mit V.A., Tikhonov N.N., Vasilkov A.Yu., Said-Galiev E.E., Naumkin A.V., Nikolaev A.Yu. Categorization system of nanofillers to polymer composites. J. Friction and Wear. 2010. V. 31. N 1. P. 68-80.
Briscoe B.J., Sinha S.K. Tribological applications of poly-mers and composites: Past, present and future prospects. Elsevier. 2008. P. 1–14.
Panin S.V., Kornienko L.A., Alexenko V.O., Ivanova L.R., Shilko S.V. Influence of nano- and microfillers on the mechanical and tribotechnical properties of «UHMWPE-PTFE» composites. Key Eng. Mater. 2016. V. 712. P. 161-165. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.712.161.
Panin S.V., Kornienko L.A., Aleksenko V.O., Buslovich D.G., Dontsov Yu.V. Extrudable polymer-polymeric com-posites of ultrahigh molecular weight polyethylene. Sborka v Mashinostr., Priborostr. 2018. V. 19. N 1. P. 16–23 (in Russian).
Kornienko L.A., Panin S.V. Antifriction nanocomposites based on the chemically modified ultra-high molecular weight polyethylene. In: Characterization of Nanocomposites: Tech-nology and Industrial Applications. Ed. by F. Abdi, M. Garg. Pan Stanford Publishing Pte. Ltd. 2017. 486 p.
Kurtz S.M. The UHMWPE handbook: ultra-high molecular weight polyethylene in total joint replacement. Academic press. 2009. 379 p.
Panin S.V., Kornienko L.A., Alexenko V.O., Ivanova L.R., Shilko S.V. Extrudable composites based on UHMWPE: Prospects of application in additive technologies. Nanosciece and Technology. 2017. V. 8. Iss. 2. P. 85-94.
Lee E.M., Oh Y.S., Ha H.S., Kim B.K. Rheological proper-ties of UHMWPE/iPP blends. Polym. Adv. Technol. 2009. 20. Р. 1121-1126.
Liu G., Xiang M., Li X. A Study on Sliding Wear of Ultra-high Molecular Weight Polyethylene/Polypropylene Blends. Polymer Eng. Sci. 2004. 44 (1). Р. 197-208.
Chang N., Naik A.M., Khaira H.K. Development of UHMWPE Modified PP/PET Blends and Their Mechanical and Abrasive Wear Behavior. Polymer Composit. 2007. 5. Р. 267-272.
