Получение износостойких полимерных композиционных материалов на основе сверхвысоко-молекулярного полиэтилена

1.

Министерство науки и высшего образования РФ
ФГАОУ ВО Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова
Специализированный учебно-научный центр
ПОЛУЧЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО
ПОЛИЭТИЛЕНА С ДОБАВЛЕНИЕМ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И
МОНТМОРИЛЛОНИТА
самидинова З.р.
Протопопова М.Ю.
ученица СУНЦ СВФУ
ученица СУНЦ СВФУ
г. Якутск,
2023

2.

Актуальность
В настоящее время ведется постоянный
поиск новых материалов, отвечающих
суровым климатическим условиям
Арктической зоны России.
Наиболее остро поднимается проблема
эксплуатации техники в регионах с
экстремальным климатом.
Существует необходимость в новых
материалах с улучшенными свойствами
для оптимальной работы оборудования.
Применение их в ответственных узлах
трения
позволяет
повысить
работоспособность и срок службы
транспортных средств.
02

3.

Цель
Разработка
износостойких
полимерных
композиционных
материалов с повышенными прочностными характеристиками на
основе СВМПЭ с добавлением углеродных нанотрубок и
органомодифицированного монтмориллонита.
новизна
Использование в работе марки СВМПЭ
Celanesе (GUR-4022) и наполнителей:
углеродных
нанотрубок
(TUBALL),
монтмориллонита
(1Р3)
в
качестве
армирующего свойства.
03

4.

Задачи
Провести литературный обзор по тематике работы
Освоить технологию получения полимерных композиционных
материалов на основе СВМПЭ с УНТ, наполненным
монтмориллонитом
Создать образцы полимерных композиционных материалов с
различной степенью содержания наполнителя
Исследовать
физико-механические
и
триботехнические
характеристики ПКМ в зависимости от концентрации
наполнителей
Структурные
исследования
методом
дифференциально
сканирующей калориметрии и ик-спеткроскопии.
04

5.

объекты исследования
Полимерная матрица
Cверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ)
марки
GUR-4022
6
(Celanese, Китай), с молекулярной массой 5,3 · 10 г/моль, со средним
3
размером частиц 145 мкм и плотностью 0,93 г/см.)
05

6.

объекты исследования
Наполнители
Одностенные углеродные
нанотрубки торговой марки
TUBALL российской компании
OCSiAL
Рисунок 1. Строение ОУНТ
Органомодифицированный
монтмориллонит 1Р3 производителя
АО “ МЕТАКЛЭЙ” марки Монамет
Рисунок 2. Строение оММТ
06

7.

Сравнение аналогов полимерной матрицы
Матрица
Молекулярный
Наполнитель
вес
Прочность при
Относительное
Модуль упругости,
растяжении, Мпа
удлинение, %
Мпа
Khasraghi S. S., Rezaei M.
+ 1 мас.% Многостенные углеродные
СВМПЭ
Аldrich Co.
(Канада)
СВМПЭ
GUR 1020
4538730
г/моль
5 млн г/моль
Preparation and
characterization of
нанотрубки Shenzhen Co. (Китай),
диаметр 10-20 нм и длина 5-15 мкм
+ 10 мас.% Полиэтилен высокой
Источники
UHMWPE/H
26
480
791
DPE/MWCNT
melt-blended
nanocomposites //Journal
of Thermoplastic
Composite Materials. –
5
305-326
плотности Iran Petrochemical Co. (Иран)
201 . – Т. 28. – №. 3. – С.
+ 5% мас.% Многостенные углеродные
Galetz M. C. et al. Carbon
нанотрубки, диаметр 100-200 нм и
ultrahigh molecular weight
nanofibre‐reinforced
35
длина 30-100 мкм
430
750
+Вазелиновое масло ( Merck: парафин,
polyethylene for tribological
applications //Journal of
Applied Polymer Science. –
2007. – Т. 104. – №. 6. – С.
4173-4181.
высокожидкий)
+ 1 мас.% Многостенные углеродные
СВМПЭ
Goodfellow
(Англия)
3-6 млн
г/моль
нанотрубки NANOCYL
TM
NC7000(
Бельгия), диаметр 9,5 нм и длина 1,5
Martínez-Morlanes M. J.
et al. Effects of gammairradiation on UHMWPE/
26
мкм
580
309
309
628
MWNT nanocomposites //
Composites Science and
Technology. – 2011. – Т.
71. – №. 3. – С. 282-288.
+1 мас.% Одностенные углеродные
СВМПЭ
GUR 4022
5 млн. г/моль
нанотрубки OCSiAl (Россия),
диаметр 1,6 + 0,4 нм и длина >5 мкм
38
Таблица 1. Сравнительная таблица аналогов полимерной матрицы
-

8.

Технологическая схема изготовления ПКМ
на основе СВМПЭ
СВМПЭ
Сушка 4 ч. при 100 °C
Смешение
Наполнитель
Спекание под давлением
( Р=10 МПа, Т= 175°C)
Охлаждение
Рисунок 3. Печь Пэ-0041
ПКМ
Рисунок 4. Вулканизационный
пресс пкмв-100
08

9.

предметы исследования
механические
“АUTOGRAPH AGS-J” по
ГОСТ 11262
Рисунок 5
дСК
рисунок 7
Удлинение при разрыв
Предел прочности при
растяжени
Модуль упругости
DSC 204 F1 Phoenix
Температура начала плавлени
Температура пика плавления
Энтальпия плавления
Степень кристаличности
Трибологические
Трибометр UMT-3, схема
“палец-диск”, ГОСТ 11629
Рисунок 6
Коэффициент трени
Линейный изно
Скорость массового
изнашивания
ИК спектроскопия
Varian FT-IR 7000 (Varian,
USA)
рисунок 8
Полосы поглощения
09

10.

Обсуждение результатов
механические свойства свмпэ + унт
исх. СВМПЭ
0,1% УНТ
1% УНТ
2% УНТ
5% УНТ
Рис.9.А. Зависимость относительного
удлинения при разрыве от одержания УНТ
исх.СВМПЭ 0,1% УНТ
1% УНТ
2% УНТ
5% УНТ
Рис.9.В. Зависимость предела прочности при
растяжении от содержания УНТ
исх. СВМПЭ 0,1% УНТ
1% УНТ
2% УНТ
5% УНТ
Рис. 9.С. Зависимость модуля упругости от
содержания УНТ
10

11.

Обсуждение результатов
Трибологические свойства свмпэ + унт
исх. СВМПЭ 0,1% УНТ
1% УНТ
2% УНТ
5% УНТ
Рис.10.А. Зависимость коэффициента
трения от содержания УНТ
исх. СВМПЭ 0,1% УНТ
1% УНТ
2% УНТ
5% УНТ
Рис.10.В. Зависимость линейного износа от
содержания УНТ
исх. СВМПЭ
0,1% УНТ
1% УНТ
2% УНТ
5% УНТ
Рис.10.С. Зависимость скорости массового
изнашивания от содержания УНТ
11

12.

Обсуждение результатов
механические свойства свмпэ + оммт
исх. СВМПЭ
0,5% оММТ
1% оММТ
Рис.11.А. Относительного удлинения при
разрыве от содержания оММТ
исх. СВМПЭ
0,5% оММТ
1% оММТ
Рис.11.В. Зависимость предела прочности
при растяжении от содержания оММТ
исх. СВМПЭ
0,5% оММТ
1% оММТ
Рис.11.С. Зависимость модуля упругости
от содержания оММТ
12

13.

Обсуждение результатов
Трибологические свойства свмпэ + оммт
исх. СВМПЭ
0,5% оММТ
1% оММТ
Рис.12.А. Зависимость коэффициента трения
от содержания оММТ
исх. СВМПЭ
0,5% оММТ
1% оММТ
Рис.12.В. Зависимость линейного износа
от содержания оММТ
исх. СВМПЭ
0,5% оММТ
1% оММТ
Рис.12.С. Зависимость массового
изнашивания от содержания оММТ
13

14.

дифференциальная сканирующая калориметрия
Б
А
Г
В
Д
Рис.13: А - исх. СВМПЭ, Б - СВМПЭ+0,1% УНТ, В - СВМПЭ + 1% УНТ, Г - СВМПЭ + 2% УНТ, Д - СВМПЭ + 5% УНТ
14

15.

дифференциальная сканирующая калориметрия
Образец
Тнач.пл.
тпика пл.
α, %
ΔН, дж/Г
СВМПЭ исх.
СВМПЭ+ 0,1
масс. % УНТ
СВМПЭ + 1
масс. % УНТ
СВМПЭ + 2
масс. % УНТ
СВМПЭ + 5
масс. %УНТ
СВМПЭ + 0,5
масс. % оММТ
СВМПЭ + 1
масс. % оММТ
127,7
144,7
58,8
171,1
125,9
56,3
126,2
141,3
141,8
54,9
165,1
161,0
125,6
141,5
54,4
150,1
126,2
51,2
128,1
141,2
142,4
159,5
169,9
122,2
142,2
57,5
57,1
168,8
Таблица 2. Результаты дифференциально сканирующей калориметрии.
Примечание: Тнач.пл, °C - температура начала плавления; Тпика пл, °C - температура пика плавления; ΔНпл,.Дж/г - энтальпия
плавления; α, % - степень кристалличности.
15

16.

1740
v(-C=O)
2916
v(-CH2-)
СВМПЭ GUR-4022
СВМПЭ GUR-4022 + 0,1% УНТ
СВМПЭ GUR-4022 + 1% УНТ
СВМПЭ GUR-4022 + 2% УНТ
СВМПЭ GUR-4022 + 5% УНТ
2876
v(-CH2-)
1476
σ(-CH2-)
1150
v(-C-O-C)
Волновое число, см -1
Рисунок 14.А. ИК
спектроскопия до трения
Пропускание, %
Пропускание, %
Результаты ИК СПЕКТРОСКОПИЯ свмпэ + УНТ
2150
v(-C=C=O-)
2916
v(-CH2-)
СВМПЭ GUR-4022
СВМПЭ GUR-4022 + 0,1% УНТ
СВМПЭ GUR-4022 + 1% УНТ
СВМПЭ GUR-4022 + 2% УНТ
СВМПЭ GUR-4022 + 5% УНТ
1740
v(-C=O)
2876
v(-CH2-)
1150
v(-C-O-C-) 1000
v(-CH2-)
1476
σ(-CH2-)
Волновое число, см -1
Рисунок 14.В. ИК спектроскопия
после трения
16

17.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИК СПЕКТРОСКОПИИ СВМПЭ + оммт
1740
v(-C=O)
1000
v(C=C)
1150
v(-C-O-C-)
807
v(C=C)
1476
σ(CH2)
726
σ(СН2)x
1689
v(-C=O)
3339
v(-OH)
1596
v(-C=O)
1476
σ(CH2)
t
2916
v(CH2)
2876
v(CH2)
2923
v(CH2)
__ СВМПЭ GUR - 4022
022+ 0,5% oMMT
__ СВМПЭ GUR - 4022
022
__ СВМПЭ GUR - 4022
+ 1% oMMT
1064
v(C=C) 824
v(C=C)
726
σ(СН2)x
2850
v(CH2)
022
0
__ СВМПЭ GUR - 4022
022+ 0,5% oMMT
__ СВМПЭ GUR - 4022
022
__ СВМПЭ GUR - 4022
+ 1% oMMT
0
Рисунок 15.A. ИК спектроскопия до
трения
Рисунок 15.B. ИК спектроскопия
после трения
17

18.

Заключение
Был проведен литературный обзор
Освоена технология получения полимерных композиционных материалов на основе
СВМПЭ с УНТ, наполненным монтмориллонитом
Получены ПКМ с различными процентными содержаниями УНТ: 0,1%, 1%, 2%, 5%. оММТ:
0,5%, 1%
Показано, что УНТ и оММТ являются эффективными армирующими модификаторами
полимерной матрицы. Улучшаются механические характеристики.
Структурные исследования методом ДСК определили, что энтальпия плавления и степень
кристалличности снижаются, что говорит о аморфном основании ПКМ наполненных УНТ и
оММТ. В результате инфракрасной спектроскопии после трения в спектрах ПКМ
наполненных УНТ по сравнению с исходны СВМПЭ, обнаружены новые пики в области
1000-2150 см-1. А в спектре ПКМ наполненных оММТ также появляются новые пики в
области 824 - 689 см-1 также на поверхности трения ПКМ образуются вторичные
продукты, что говорит о протекании окислительных реакций.
18

19.

Спасибо за внимание!

20.

Список литературы
Аввакумов, Е. Г. Механические методы активации химических процессов / Е. Г. Аввакумов, А. С. Колосов – 2-е
изд. перераб. и доп. – Новосибирск:Наука, 1986 - 306 с.
Андреева, И.Н. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности / И.Н. Андреева [и др.] - Л.:
Химия, 1982. - 80 с.
Архиреев В. П., Галибеев С.С., Хайруллин Р.З. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Тенденции и
перспективы // Казанский национальный исследовательский технологический университет. - Казань, 2008.
- №6. - 407 с.
Баженов С. Л. Механика и технология композиционных материалов: научное издание. – Долгопрудный
«Интеллект», 2014. – 328 с
Бахов Ф. Н. Получение органомодифицированного монтмориллонита с повышенной термической
стабильностью // Вестник евразийской науки. 2013. № 3 (16). С.
Борисова Р. В., Гаврильева А. А., Данилова С. Н., Охлопкова А. А., Охлопкова Т. А. Износостойкие полимерные
композиционные материалы с улучшенным межфазовым взаимодействием в системе «полимерволокно» // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. МК Аммосова. - Якутск, 2016. - №5. 92 с.
Бондалетова Л.И. Полимерные композиционные материалы (часть 1): учебное пособие / Л.И. Бондалетова,
В.Г. Бондалетов. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 118 с
Берштейн В. А., Егоров В. М., Дифференциальная сканирующая калориметрия в физикохимии полимеров –
Л.: Химия, 1990. – 256 с
Галибеев С.С., Хайруллин Р.З., Архиреев В. П. 3. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Тенденции и
перспективы// Казанский национальный исследовательский технологический университет. – Казань, 2008 № 6 – 407 с.
Галицын В. П. Физико-химические свойства и строение реакторных порошков, гелей и ориентированных
волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена - Тверь, 2012. 339 c.;

21.

Сравнение аналогов унт (физ-мех свойства )
Матрица
СВМПЭ
GUR-4150
Наполнитель
Модуль упругости,
МПа
Предел прочности,
Удлинение при
МПа
разрыве, %
Источники
Алексенко В. О.
5 масс.% БВ
591
38,2
437
“ИЗНОСОСТОЙКИЕ
КОМПОЗИТЫ НА
ОСНОВЕ
СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУ
ЛЯРНОГО
СВМПЭ
GUR-4150
10 масс.%
Стекловолокно
ПОЛИЭТИЛЕНА С
805
36,1
384
АРМИРУЮЩИМИ
ВОЛОКНАМИ ДЛЯ
ПОЛИМЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ В
МАШИНОСТРОЕНИИ”
СВМПЭ
5 масс. % УВ
GUR-4150
СВМПЭ
GUR-4150
СВМПЭ
GUR-4150
5 масс. %оУНТ
1 масс. % оУНТ
05.16.09 –
810
39,2
372
570
36
270
_
628
38
309
_
Материаловедение
(машиностроение)

22.

Сравнение аналогов унт (триботехнические свойства )
Матрица
СВМПЭ
GUR-4150
Наполнитель
Коэфф. трения
Скорость массового
Скорость линейного
изнашивания, мг/ч
износа, мм
Источники
Колесова Е.С.,
5 масс.% УВ
0,33
0,16
Гоголева О.В.
_
Изучение влияния
различный
технологий
обработки
СВМПЭ
GUR-4150
5 масс.% УВ
(в сухом виде)
0,26
0,15
_
компонентов
композита на
эксплуатационные
свойства ПКМ на
основе СВМПЭ //
СВМПЭ
GUR-4150
СВМПЭ
GUR-2122
СВМПЭ
GUR-4022
5 масс. % УВ
(в спирте)
5 масс. % УНВ
5 масс. % оУНТ
0,28
0,16
_
0,06
0,6
_
0,4
0,03
0,05
Сборник трудов
НПК, 2018. С. 92-96
Л.А.,
Алексенко В.О., Иванова Л.Р.,
Шилько С.В., Буслович Д.Г.
Панин С.В., Корниенко
_

23.

Сравнение аналогов оммт
Матрица Наполнитель
СВМПЭ
GUR-4022
оММТ
1Н1
СВМПЭ
GUR-4022
оММТ
1О1/1О2
СВМПЭ
GUR-4150
СВМПЭ
GUR-4022
оММТ
1Р3
оММТ
1Р3
Удлинение при
разрыве, %
Предел
прочности
при растяжении,
МПа
Модуль
упругости,
МПа
Скорость
массового
изнашивания
Скорость
линейного
износа
Коэфф.
трения
34
588
0,31
0,38
0,12
337
41
710
0,1
0,2
0,31
329
42
654
0,08
0,11
0,37
353
39
431
0,41
0,13
0,14
304
34
461
0,41
0,02
0,03
338
32
555
0,38
0,31
0,12
344
43
749
0,4
0,04
0,05
311
Источники
Иванов А.Н.1 , Данилова
С.Н.1 , Охлопкова А.А.1 ,
Саввинова О.Р.
Исследование полимерных
композиционных
материалов на основе
СВМПЭ полиэтилена,
наполненного очищенным
природным
монтмориллонитом –
Якутск: издательство СВФУ,
2018 - 67 с.;
-