Научная статья на тему 'Влияние углеродных нановолокон/нанотрубок на формирование физико-механических и триботехнических характеристик полимерных композитов на основе термопластичных матриц СВМПЭ и ПЭЭК'

Влияние углеродных нановолокон/нанотрубок на формирование физико-механических и триботехнических характеристик полимерных композитов на основе термопластичных матриц СВМПЭ и ПЭЭК Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
175
32
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ ПОЛИЭТИЛЕН / ПОЛИЭФИРЭФИРКЕТОН / НАПОЛНИТЕЛЬ / УГЛЕРОДНЫЕ НАНОВОЛОКНА И НАНОТРУБКИ / ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ / НАДМОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Панин Сергей Викторович, Корниенко Людмила Александровна, Алексенко Владислав Олегович, Нгуен Дык Ань, Иванова Лариса Рюриковна

Твердая смазка может быть эффективна при экстремальных условиях эксплуатации, когда жидкие либо пастообразные смазки не выдерживают жестких условий нагружения. Использование твердосмазочных наполнителей позволяет повысить износостойкость композитов с незначительным изменением механических свойств. Для сравнительной оценки вклада нановолокон/нанотрубок углерода в композитах на основе двух различных по природе (структуре) термопластичных матриц (сверхвысокомолекулярный полиэтилен и полиэфирэфиркетон) исследованы механические и триботехнические характеристики смесей на основе СВМПЭ и ПЭЭК в условиях сухого трения скольжения. Показано, что механические характеристики композитов различным образом изменяются при наполнении разнородных по структуре матриц нановолокнами и нанотрубками; износостойкость же полимерных композиций СВМПЭ+1 вес. % УНВ и композиций ПЭЭК+1 вес. % УНВ возрастает в 2 раза в условиях сухого трения скольжения. Более высокое содержание нанонаполнителя затрудняет его равномерное распределение в матрице (агломерации) и приводит, как следствие, к повышению износа в сравнении с исходной матрицей. Исследования надмолекулярной структуры полимеров и нанокомпозиций на их основе показали различие в надмолекулярной структуре сверхвысокомолекулярной матрицы СВМПЭ и ароматического полукристаллического ПЭЭК. Показано, что надмолекулярная структура играет второстепенную роль в формировании износостойкости нанокомпозитов, что косвенно указывает на твердосмазочную роль нанонаполнителей. Нановолокна и нанотрубки в равной степени повышают сопротивление изнашиванию композитов на различных матрицах. Проведен сравнительный анализ роли нановолокон/нанотрубок углерода в изменении механических и триботехнических свойств полимерных композиций на основе СВМПЭ и ПЭЭК.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Панин Сергей Викторович, Корниенко Людмила Александровна, Алексенко Владислав Олегович, Нгуен Дык Ань, Иванова Лариса Рюриковна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Влияние углеродных нановолокон/нанотрубок на формирование физико-механических и триботехнических характеристик полимерных композитов на основе термопластичных матриц СВМПЭ и ПЭЭК»

Т 60 (9)

ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИИ. Серия «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ»

2017

V 60 (9)

IZVESTIYA VYSSHIKH UCHEBNYKH ZAVEDENIY KHIMIYA KHIMICHESKAYA TEKHNOLOGIYA

RUSSIAN JOURNAL OF CHEMISTRY AND CHEMICAL TECHNOLOGY

2017

DOI: 10.6060/tcct.2017609.7у УДК: 678.073:661.481

ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОВОЛОКОН/НАНОТРУБОК НА ФОРМИРОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ МАТРИЦ СВМПЭ И ПЭЭК

С.В. Панин, Л.А. Корниенко, В.О. Алексенко, Нгуен Дык Ань, Л.Р. Иванова

Сергей Викторович Панин *, Владислав Олегович Алексенко

Лаборатория механики полимерных композиционных материалов, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, просп. Академический, 2/4, Томск, Российская Федерация, 634055 Кафедра материаловедения в машиностроении, Институт физики высоких технологий, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, просп. Ленина, 30, Томск, Российская Федерация, 634050

E-mail: svp@ispms.tsc.ru*, vl.aleksenko@mail.ru

Людмила Александровна Корниенко, Лариса Рюриковна Иванова

Лаборатория «механики полимерных композиционных материалов», Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, просп. Академический, 2/4, Томск, Российская Федерация, 634055 E-mail: rosmc@ispms.tsc.ru, lir1952@mail.ru

Нгуен Дык Ань

Кафедра материаловедения в машиностроении, Институт физики высоких технологий, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, просп. Ленина, 30, Томск, Российская Федерация, 634050 E-mail: nda.ttndvn@gmail.com

Твердая смазка может быть эффективна при экстремальных условиях эксплуатации, когда жидкие либо пастообразные смазки не выдерживают жестких условий нагру-жения. Использование твердосмазочных наполнителей позволяет повысить износостойкость композитов с незначительным изменением механических свойств. Для сравнительной оценки вклада нановолокон/нанотрубок углерода в композитах на основе двух различных по природе (структуре) термопластичных матриц (сверхвысокомолекулярный полиэтилен и полиэфирэфиркетон) исследованы механические и триботехнические характеристики смесей на основе СВМПЭ и ПЭЭК в условиях сухого трения скольжения. Показано, что механические характеристики композитов различным образом изменяются при наполнении разнородных по структуре матриц нановолокнами и нанотруб-ками; износостойкость же полимерных композиций СВМПЭ+1 вес. % УНВ и композиций ПЭЭК+1 вес. % УНВ возрастает в 2 раза в условиях сухого трения скольжения. Более высокое содержание нанонаполнителя затрудняет его равномерное распределение в матрице (агломерации) и приводит, как следствие, к повышению износа в сравнении с исходной матрицей. Исследования надмолекулярной структуры полимеров и нанокомпозиций на их основе показали различие в надмолекулярной структуре сверхвысокомолекулярной матрицы СВМПЭ и ароматического полукристаллического ПЭЭК. Показано, что надмолекулярная структура играет второстепенную роль в формировании износостойкости нанокомпозитов, что косвенно указывает на твердосмазочную роль нанонаполнителей. Нановолокна и нанотрубки в равной степени повышают сопротивление изнашиванию

композитов на различных матрицах. Проведен сравнительный анализ роли нановоло-кон/нанотрубок углерода в изменении механических и триботехнических свойств полимерных композиций на основе СВМПЭ и ПЭЭК.

Ключевые слова: сверхвысокомолекулярный полиэтилен, полиэфирэфиркетон, наполнитель, углеродные нановолокна и нанотрубки, износостойкость, надмолекулярная структура

INFLUENCE OF NANOFIBERS/NANOTUBES ON PHYSICAL-MECHANICAL AND TRIBOTECHNICAL PROPERTIES OF POLYMER COMPOSITES BASED ON THERMOPLASTIC UHMWPE AND PEEK MATRIXES

S.V. Panin, L.A. Kornienko, V.O. Alexenko, Nguyen Duc Anh, L.R. Ivanova

Sergei V. Panin*, Vladislav O. Alexenko

Laboratory of Polymer Composite Materials, Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of RAS, Akademicheskiy pr, 2/4, Tomsk, 634055, Russia

Department of Material Science in Mechanical Engineering, Institute of High Technology Physics, National Research Tomsk Polytechnic University, Lenina ave., 30, Tomsk, 634050, Russia E-mail: svp@ispms.tsc.ru*, vl.aleksenko@mail.ru

Lyudmila A. Kornienko, Larisa R. Ivanova

Laboratory of Polymer Composite Materials, Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of RAS, Akademicheskiy pr, 2/4, Tomsk, 634055, Russia E-mail: rosmc@ispms.tsc.ru, lir1952@mail.ru

Nguyen Duc Anh

Department of Material Science in Mechanical Engineering, Institute of High Technology Physics, National Research Tomsk Polytechnic University, Lenina ave., 30, Tomsk, 634050, Russia E-mail: nda.ttndvn@gmail.com

Solid lubricants can be effective under extreme operating conditions when liquid or pasty greases fail to withstand severe loading conditions. The use of solid lubricant fillers makes it possible to increase wear resistance of composites with a slight change (decrease) in mechanical properties. To evaluate the contribution of carbon nanofibers/nanotubes in composites based on two different by nature (structure) thermoplastic matrixes (ultrahigh molecular weight polyethylene and polyetheretherketone) mechanical and tribotechnical characteristics of mixtures based on them under dry sliding friction were investigated. It is shown that mechanical characteristics of the composites vary in different ways when the nanofibers and nanotubes are loaded into the different matrixes. The wear resistance of the polymer composites "UHMWPE + 1 wt. % CNF" and "PEEK+1 wt. %o CNF" increases by a factor of two under dry sliding friction. A higher content of the nanofiller hinders its uniform distribution in the matrix (due to agglomeration) and, as a consequence, leads to an increase in wear intensity as compared with the neat matrix. Investigations of the supramolecular structure of the polymers and nanocomposites on their basis have shown a difference in the supramolecular structure of the ultra-high-molecular matrix of UHMWPE and aromatic semicrystalline PEEK. It was revealed that supramolecular structure plays a secondary role in providing wear resistance of the nanocomposites which indirectly indicates the solid lubricating role of the nanofillers. Nanofibers and nanotubes in an equal way increase wear resistance of the composites based on various matrixes. A comparative analysis of the role of carbon nanofibers/nanotubes in the change in mechanical and tribotechnical properties of the polymer composites of UHMWPE and PEEK was carried out.

Key words: ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE), polyetheretherketone (PEEK), filler, carbon nonafibers, carbon nanotubes, wear resistance, supramolecular structure

Для цитирования:

Панин С.В., Корниенко Л.А., Алексенко В.О., Нгуен Дык Ань, Иванова Л.Р. Влияние углеродных нановолокон/нано-трубок на формировании физико-механических и триботехнических характеристик полимерных композитов на основе термопластичных матриц СВМПЭ и ПЭЭК. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2017. Т. 60. Вып. 9. С. 45-51 For citation:

Panin S.V., Kornienko L.A., Alexenko V.O., Nguyen Duc Anh, Ivanova L.R. Influence of nanofibers/nanotubes on physical-mechanical and tribotechnical properties of polymer composites based on thermoplastic UHMWPE and PEEK matrixes. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2017. V. 60. N 9. P. 45-51

ВВЕДЕНИЕ

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) обладает приемлемыми характеристиками прочности, а также низким коэффициентом трения, высокой износо- и химической стойкостью, высокой ударной вязкостью, что обеспечивает возможность его широкого применения в различных областях техники в экстремальных условиях эксплуатации и медицине. Композиционные материалы на основе СВМПЭ позволяют существенно повысить износостойкость изделий в узлах трения [1-3].

Высокотехнологичный конструкционный пластик полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) отличается исключительным и сбалансированным сочетанием механических, физических и химических свойств, что определяет его нарастающую популярность в авиационно-космической технике и имплантало-гии [4]. Однако, являясь высокопрочным и термостойким в широком интервале температур (-65 °С до +260 °С), ПЭЭК обладает низкой износостойкостью. В последнее время разрабатываются композиты на основе полиэфирэфиркетона. Тип и размер наполнителей определяются областью применения и средой использования композиций [5-7].

Для «металл-полимерных» трибосопряже-ний углеродные нановолокна и нанотрубки, помимо ключевой функции повышения механических свойств полимерного композита, могут также выступать в качестве твердой смазки при недостатке либо в отсутствие смазочной среды [8]. Отметим, что твердая смазка может быть эффективна при очень низких температурах (например, криогенные температуры), когда жидкие либо пастообразные смазки не выдерживают экстремальных условий эксплуатации.

С целью применения нанонаполнителя в роли упрочняющей (армирующей) «фазы» и твердой смазки исследованы механические и триботех-нические характеристики композитов на основе ПЭЭК и СВМПЭ с углеродными нанотрубками и нановолокнами в условиях сухого трения скольже-

ния. Выбор различных по природе (структуре) полимеров обусловлен, с одной стороны, определением роли нанонаполнителей (нанотрубок/наново-локон) на формирование надмолекулярной структуры и, как следствие, механических и триботехни-ческих свойств нанокомпозитов. С другой стороны, расширением номенклатуры высокопрочных и антифрикционных композитов для широкого спектра условий эксплуатации изделий (температура, нагрузка, скорость, агрессивная среда и т.д.). Проведен сравнительный анализ эффективности углеродных нанотрубок и нановолокон в формировании механических и триботехнических характеристик полимерных композитов на основе двух различных термопластических матриц.

МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

В работе использовали порошок СВМПЭ фирмы Ticona (GUR-2122) молекулярной массой 4,0 млн и размером частиц 5-15 мкм, порошок ПЭЭК фирмы Victrex (PEEK 450G), углеродные нановолокна «Таунит» (0 60 нм) и углеродные нанотрубки Tuball (0 2 нм). Композиты на основе СВМПЭ получали горячим прессованием при давлении 10 МПа и температуре 200 °С со скоростью последующего охлаждения 5 °С/мин. Композиты на основе ПЭЭК спекали при T = 380 °С из холод-нопрессованных заготовок с последующим охлаждением под давлением.

Перемешивание порошков полимерных связующих СВМПЭ, ПЭЭК и наполнителей проводили в планетарной шаровой мельнице МР/0,5*4 с предварительным диспергированием взвеси компонентов в этиловом спирте в ультразвуковой ванне.

Механические характеристики определяли при разрывных испытаниях на электромеханической испытательной машине Instron 5582 при растяжении образцов в форме двойной лопатки при количестве образцов одного типа не менее 5 (ГОСТ 11262-80).

Износостойкость образцов в режиме сухого трения определяли по схеме «вал-колодка» при нагрузках на образец 60 Н и скорости скольжения

0,3 м/с на машине трения СМТ-1 в соответствии с ASTM G99/DIN 50324. Размер образцов равнялся 15,8^6,4x10,0 мм3. Диаметр контртела, выполненного из стали ШХ15, составлял 35 мм; шероховатость контртела 0,25 мкм. Величину износа определяли по глубине дорожки трения с помощью контактного профилометра Alpha-Step IQ (KLA-Tencor).

Степень кристалличности оценивали на совмещенном анализаторе SDT Q600. ИК спектры получали на спектрометре NIKOLET 5700. Структурные исследования проводили на растровом электронном микроскопе LEO EVO 50 при ускоряющем напряжении 20 кВ по поверхностям скола, полученным механическим разрушением образцов с надрезом, предварительно выдержанных в жидком азоте.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В таблице представлены механические характеристики композитов на основе ПЭЭК и СВМПЭ, наполненных 1 вес.% углеродных нано-трубок и нановолокон.

Таблица 1

Механические свойства композитов на основе ПЭЭК и СВМПЭ с углеродными нанотрубками

(УНТ) и нановолокнами (УНВ) Table 1. Mechanical properties of UHMWPE and PEEK based composites loaded with carbon nanofibers (CNF) and carbon nanotubes (CNT)

Содержание Твер- Модуль упругости E, MPa Предел прочности оВ, МПа Удлинение Кри-стал-

наполнителя, вес.% дость по Шору D до раз- руш. е, % личность X, %

ПЭЭК 78,3 2690 109 23 38,7

1В 80,2 - - - 33,2

1Т 79,5 2447 96,2 5,6 39,3

СВМПЭ 57,7 405 36 482 56,6

1В 57,9 410 30 368 42,2

1Т 59,2 532 37,8 417 -

Из таблицы следует, что механические свойства СВМПЭ и ПЭЭК (твердость, модуль упругости, предел прочности) незначительно изменяются при наполнении нановолокнами и нанотрубками различных по природе матриц. При наполнении ПЭЭК модуль упругости, предел прочности, удлинение до разрушения уменьшаются. В то же время при наполнении СВМПЭ нанотруб-ками модуль упругости и предел прочности возрастают, хотя и несущественно. При этом кристалличность композиций несколько уменьшается при наполнении обеих матриц нановолокнами и нано-трубками.

Различное влияния нанонаполнителей (нановолокон/нанотрубок) на механические свойства, наиболее вероятно, связано с характером формирующейся в процессе кристаллизации наполненных полимеров надмолекулярной структуры (тип структуры, кристалличность, размеры кристаллитов, однородность).

Исследования надмолекулярной структуры полимеров и нанокомпозиций на их основе показали различие в надмолекулярной структуре сверхвысокомолекулярной матрицы СВМПЭ и ароматического полукристаллического ПЭЭК. В СВМПЭ и нанокомпозите на его основе с углеродными нано-волокнами/нанотрубками формируется сферолит-ная надмолекулярная структура с кристалличностью 48,6% (рис. 1 а-в).

д е

Рис. 1. Надмолекулярная структура и микрофотографии поверхностей износа СВМПЭ (а, г), СВМПЭ + 1 вес. % УНВ (б, д),

СВМПЭ + 1 вес. % УНТ (в, е) Fig. 1. Supramolecular structure and optical micrographs of friction surface of UHMWPE based composites (a, г), UHMWPE + + 1 wt. % CNF (б, д), UHMWPE + 1 wt. % CNT (в, е)

Размеры сферолитов уменьшаются при наполнении СВМПЭ нановолокнами и нанотрубками и составляют соответственно 150, 120 и 80 мкм. В образцах ПЭЭК формируется фрагментарная надмолекулярная структура с кристалличностью 38,5%, размеры фрагментов которой меняются при

наполнении матрицы нановолокнами и нанотруб-ками и составляют соответственно (100x27 мкм), (80x17 мкм) и (78x21 мкм) (рис. 2 а-в).

Из рис. 2 видно, что при введении нанотру-бок структура композита становится неоднородной и более рыхлой. Это в меньшей степени наблюдается при введении УНВ, хотя и там структура отличается от исходной: структурные фрагменты становятся более мелкими и разделены пустотами.

д е

Рис. 2. Надмолекулярная структура и микрофотографии поверхностей износа ПЭЭК (а, г), ПЭЭК + 1 вес. % УНВ (б, д),

ПЭЭК + 1 вес. % УНТ (в, е) Fig. 2. Supramolecular structure and optical micrographs of friction surface of PEEK based composites (a, г), PEEK + 1 wt. % CNF (б, д), PEEK + 1 wt. % CNT (в, е)

Результаты исследований молекулярной структуры нанокомпозитов на основе матриц СВМПЭ и ПЭЭК методом ИК-спектроскопии представлены на рис. 3 и 4, из которых следует, что наблюдается небольшое увеличение интенсивности пиков С=О (1850-1700 см-1), С-О (1200 и 802 см-1) в СВМПЭ, а также С=С (1276 и 1659 см-1), С=О (864 и 1604 см-1), С-О-С (1096 см-1) в ПЭЭК. Это свидетельствует о появлении в нанокомпозитах дополнительных химических связей.

Таким образом, введение нановолокон/на-нотрубок в различные по структуре термопластичные матрицы в объеме до 1 вес.% в качестве армирующих включений не обеспечивают существенных изменений механических характеристик композиций.

c-h 719

2

1464

-r'ch=chr2-

966

4000 3500 3000

2000 -1

1500 1000 500

2500 CM-

Рис. 3. ИК спектры СВМПЭ (1) и нанокомпозитов на его основе с содержанием УНВ 0,01(2), 0,065 (3), 0,1(4), 0,5(5) и 1 (6) вес. %

Fig. 3. IR-spectra of UHMWPE (1) and its nanocomposites with CNF loading of 0.01(2), 0.065 (3), 0.1(4), 0.5(5) and 1 (6) wt. %

0,100,080,060,040,020,00-

-0,02-

C=O 1604

I

C=C 1247

CH2 1414

C=O 864-849

C-O-Cjj 1096

VJl/ V

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600

CM

Рис. 4. ИК спектры нанокомпозитов на основе ПЭЭК (1), ПЭЭК + 1 вес. % УНТ (2), ПЭЭК + 1 вес. % УНВ (3) Fig. 4. IR-spectra of PEEK (1) and its nanocomposites "PEEK + 1 wt. % CNT" (2), "PEEK + 1 wt. % CNF" (3)

В работе проведены триботехнические испытания нанокомпозитов на основе ПЭЭК и СВМПЭ. Рис. 5 иллюстрирует данные трибоиспы-таний композитов на основе ПЭЭК с углеродными нанотрубками и нановолокнами с содержанием

1 вес.%. Из рис. 5 следует, что, во-первых, введение нанонаполнителя в указанных количествах позволяет снизить объемный износ ПЭЭК примерно в

2 раза. Во-вторых, нановолокна и нанотрубки в равной мере вносят вклад в износостойкость композитов на основе матрицы ПЭЭК. Это подтверждают и микрофотографии поверхностей изнашивания нанокомпозитов «ПЭЭК+1 вес. %УНВ» и «ПЭЭК+1 вес. %УНТ» (рис. 2 г-е). При этом следует указать, что двукратное увеличение износостойкости нанокомпозитов на основе ПЭЭК в условиях сухого трения скольжения наблюдается

■1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

при умеренной скорости скольжения (0,3 м/с) и нагрузке 30 Н. Температура поверхностей изнашивания у них также примерно одинакова и составляет 27 °С.

1 2 3

Рис. 6. Объемный износ (мм3) СВМПЭ (1) и композитов на его основе с 1 вес.% УНВ (2), 1 вес.% УНТ (3) при нагрузке

60 Н и скорости 0,3 м/с. Путь 3240 м Fig. 6. Volume wear (mm3) of UHMWPE (1)and its composites with 1 wt. %CNF (2), 1 wt. % CNT (3); applied load: 60 N and sliding velocity of 0.3 m/s. Friction distance is 3240 m

Для иллюстрации идентичности вклада углеродных нановолокон/нанотрубок в износостойкость композитов на различных полимерных матрицах на рис. 7 приведены данные о скорости (интенсивность) износа на стадии установившегося изнашивания для нанокомпозитов на основе ПЭЭК и СВМПЭ.

1 2 3

Рис. 5. Объемный износ (мм3) ПЭЭК (1) и композитов на его основе с 1 вес. % УНВ (2), 1 вес. %УНТ (3) при нагрузке 30 Н

и скорости 0,3 м/с. Путь 1080 м Fig. 5. Volume wear (mm3) of PEEK (1) its composites with 1 wt. %CNF (2), 1 wt. % CNT (3); Applied load: 30 N and sliding velocity of 0.3 m/s. Friction distance is 1080 m

На рис. 6 приведены результаты исследований изнашивания СВМПЭ и нанокомпозиций на его основе. Из рис. 6 следует, что износостойкость СВМПЭ возрастает также в два раза при наполнении его нановолокнами/нанотрубками. При этом вклад от нанотрубок и нановолокон в износостойкость композиций на основе СВМПЭ одинаков. В отличие от нанокомпозитов на основе ПЭЭК, двукратного увеличения износостойкости нанокомпо-зиты на основе СВМПЭ достигают в условиях величины приложенной нагрузки 60 Н и скорости скольжения 0,3 м/с (рис. 1 и табл. 1).

1 2 3 4 5 6 Рис. 7. Скорость износа (10"6 мм3/Н-м) ПЭЭК (1), «ПЭЭК + 1 вес. % УНВ» (2), «ПЭЭК + 1 вес. % УНТ» (3), СВМПЭ (4), «СВМПЭ + 1 вес. % УНВ» (5), «СВМПЭ + 1 вес. % УНТ» (6) на стадии установившегося изнашивания при сухом трении скольжения

Fig. 7. Wear rate (10-6 mm3/N-m) for the composites: PEEK (1),

«PEEK + 1 wt. % CNF» (2), «PEEK + 1 wte. % CNT» (3), UHMWPE (4), «UHMWPE + 1 wt. % CNF» (5), «UHMWPE + 1 wt. % CNT» (6) at steady state of wear under dry sliding friction

По мнению авторов, нановолокна (нано-трубки), «осциллируя» в поверхностном деструк-турированном слое матрицы, могут обеспечить поглощение подводимой упругой энергии, выступая в качестве своеобразной твердосмазочной среды для «металл-полимерного» трибосопряжения и, тем самым, снизить интенсивность изнашивания деталей при сухом трении скольжения [3].

Сравнительный анализ роли углеродных нанотрубок и нановолокон в обеспечении износостойкости композитов на основе ПЭЭК и СВМПЭ в условиях сухого трения скольжения, в том числе по данным проведенных нами ранее исследований, [3, 8] показал, что УНВ/УНТ эффективны при содержании не более 1 вес. %. Более высокое содержание нанонаполнителя затрудняет его равномерное распределение в матрице (агломерации) и приводит, как следствие, к повышению износа в сравнении с исходной матрицей. Для исследованных нанокомпозиций (1 вес. % нановолокон/нанотру-бок) на различных матрицах СВМПЭ и ПЭЭК надмолекулярная структура играет второстепенную роль в формировании износостойкости нано-композитов, что косвенно указывает на твердосма-зочную роль нанонаполнителей.

ВЫВОДЫ

Углеродные нановолокна и нанотрубки в равной степени выполняют роль твердосмазочной среды в трибосопряжении композитов на различных по природе термопластических матрицах (сверхвысокомолекулярной, высокопрочной) и обеспечивают повышение вдвое износостойкости таких нанокомпозитов в требуемых условиях эксплуатации (низкие и повышенные температуры, агрессивные среды, высокие и средние нагрузки).

Нанокомпозиты с углеродными нановолок-нами/нанотрубками на основе СВМПЭ обеспечивают наилучшие трибомеханические характеристики при умеренных скоростях (0,3 м/с) и нагрузках до 60 Н.

Нанокомпозиты с углеродными нановолок-нами/нанотрубками на основе ПЭЭК могут быть эффективно использованы в трибоузлах при умеренных скоростях скольжения и невысоких нагрузках (не выше 30 Н).

Работа выполнена в рамках плана фундаментальных научных исследований государственных академий наук 2013-2020 гг, а также проекта РФФИ 16-48-700192_р_а «Научные основы создания многоуровневых твердосмазочных, экстудиру-емых, антифрикционных композитов на базе перспективных термопластичных полимеров для медицины и машиностроения» с использованием оборудования ЦКП «Нанотех» ИФПМ СО РАН и Аналитического центра НИ ТПУ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Stein H.L. Engineered Materials Handbook. 1999. V. 2. Engineering Plastics. Р. 280.

2. Люкшин Б.А., Панин С.В. Компьютерное моделирование и конструирование наполненных композиций. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2015. 263 с.

3. Панин С.В., Корниенко Л.А., Алексенко В.О., Иванова Л.Р., Шилько С.В. Сравнение эффективности углеродных нано и микроволокон в формировании физико-механических и триботехнических характеристик полимерных композитов на основе высокомолекулярной матрицы. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2016. Т. 59. Вып. 9. C. 99-105.

4. Zalaznik M., Kalin M., Novak S., Jaksa G. Effect of the type, size and concentration of solid lubricants on the tribo-logical properties of the polymer PEEK. Wear. 2016. 364. Р. 31-39.

5. Diez-Pascual A.M., Naffakh M., Marco C., Ellis G., Gomez-

Fatou M.A. High-performance nanocomposites based on polyetherketones. Prog. Mater. Sci. 2012. V. 57. P. 1106-1190.

6. Kuo M., Tsai C., Huang J., Chen M. PEEK composites reinforced by nano-sized SiO2 and AhO3 particulates. Mater. Chem. Phys. 2005. 90. P. 185-195.

7. Qiao H.B., Guo Q., Tian A.G., Pan G.L., Xu L.B. A study on friction and wear characteristics of nanometer Al2O3/PEEK composites under the dry sliding condition. Tri-bol. Int. 2007. 40. P. 105-110.

8. Lurie S.A., Volkov-Bogorodskiy D.B., Knyzeva A.G., Panin S.V., Kornienko L.A. Scale effects in tribological properties of solid-lubricating composites made of ultra-high molecular weight polyethylene filled with calcium stearate particles. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. 124. P. 012035. DOI: 10.1088/1757-899X/124/1/012035.

ЛИТЕРАТУРА

1. Stein H.L. Engineered Materials Handbook. 1999. V. 2. Engineering Plastics. Р. 280.

2. Lyukshin B.A., Panin S.V. Computer simulation and design of filled polymer composites. Novosibirsk: Izd-vo SO RAS (SB RAS Publishing House). 2015. 263 p. (in Russian).

3. Panin S.V., Kornienko L.A., Alexenko V.O., Ivanova L.R., Shilko S.V. Comparison on efficiency of carbon nano-and microfibers in formation physical-mechanical and tribo-technical properties of polymer composites based on high-moluculat weight matrix. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2016. V. 59. N 9. P. 99-105 (in Russian).

4. Zalaznik M., Kalin M., Novak S., Jaksa G. Effect of the type, size and concentration of solid lubricants on the tribo-logical properties of the polymer PEEK. Wear. 2016. 364. Р. 31-39.

5. Diez-Pascual A.M., Naffakh M., Marco C., Ellis G., Gomez-Fatou M.A. High-performance nanocomposites based on polyetherketones. Prog. Mater. Sci. 2012. V. 57. P. 1106-1190.

6. Kuo M., Tsai C., Huang J., Chen M. PEEK composites reinforced by nano-sized SiO2 and AhO3 particulates. Mater. Chem. Phys. 2005. 90. P. 185-195.

7. Qiao H.B., Guo Q., Tian A.G., Pan G.L., Xu L.B. A study on friction and wear characteristics of nanometer AhO3/PEEK composites under the dry sliding condition. Tribol. Int. 2007. 40. P. 105-110.

8. Lurie S.A., Volkov-Bogorodskiy D.B., Knyzeva A.G., Panin S.V., Kornienko L.A. Scale effects in tribological properties of solid-lubricating composites made of ultra-high molecular weight polyethylene filled with calcium stearate particles. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. 124. P. 012035. DOI: 10.1088/1757-899X/124/1/012035.

Поступила в редакцию 04.07.2017 Принята к опубликованию 07.09.2017

Received 04.07.2017 Accepted 07.09.2017

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.