CC BY
0Литература
1. Ильин В.М., Резова А.К. Производство хлоропреновых каучуков в мире // Каучук и резина. 2014. № 6. С.52-56.
2. Захаров Н.Д. Хлоропреновые каучуки и резины на их основе. М.: Химия, 1978. 272 с.
3. Большой справочник резинщика. Ч.2. Резины и резинотехнические изделия/ Под ред. С.В. Резинченко, Ю.Л. Морозова. Москва: ООО «Издательский центр «Техинформ» МАИ», 2012. 649 с.
4. Гришин Б.С. Резиновая промышленность России - от настоящего, через прошлое к будущему //Промышленное производство и использование эластомеров. 2015. № 1. С. 3-9.
5. Бузник В.М., Василевич Н.И Материалы для освоения арктических территорий - вызовы и решения // Лаборатория и производство. 2020. № 1 (11). С. 98-107.
6. Чайкун А.М., Елисеев О.А., Наумов И.С., Венедиктов М.А. Особенности построения рецептур для морозостойких резин // Авиационные материалы и технологии. 2013. № 3. С. 53-55.
DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1 -268-271
ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА, МОДИФИЦИРОВАННОГО 2-МЕРКАПТОБЕНЗТИАЗОЛОМ
И ОКСИДОМ МЕДИ
Васильев А.П.1, Дьяконов А.А.1' 2, Данилова С.Н.1, Макаров И.С.1, Оконешникова А.В.1, Охлопкова А.А.1
1 Северо-Восточный федеральный университет, г. Якутск 2 Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, г. Якутск
В данной работе приведены результаты исследования триботехнических свойств сверхвысокомолекулярного полиэтилена, наполненного нано-CuO и 2-меркаптобензтиазолом в разных массовых соотношениях. Показано, что введение наполнителей в полимер приводит к повышению износостойкости в 2,95-3,27раз при трении по стали 45 и на 48-57% при трении по абразивной бумаге. Разработанные материалы могут найти применение в качестве деталей узлов трения машин и техники.
Введение. В настоящее время все большее внимание уделяется применению полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе полимерной матрицы с самосмазывающимися свойствами в качестве деталей узлов трения. Особенно актуальным является применение ПКМ в техники и технологическом оборудовании, эксплуатирующихся в суровом климате Арктики и северных территорий РФ. Среди полимерных материалов с высокой морозостойкостью, химической стойкостью и отличными антифрикционными свойствами выделяется сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Полимерная матрица СВМПЭ часто используется в сочетании с наполнителями, которые обеспечивают улучшение триботехниче-ских характеристик [1-3]. Для модификации триботехнических свойств полимеров наиболее предпочтительными являются нанонаполнители, имеющие по крайней мере один размер в диапазоне от 1 до 100 нм [4]. С целью разработки композиционных материалов триботехни-ческого начначения в качестве наполнителя особенно примечателен оксид меди (CuO). Оксид меди обладает рядом существенных преимуществ, так он легко синтезируется, а наночастицы CuO обладают более превосходными свойствами в отношении износостойкости и снижения трения, чем другие наночастицы, такие как оксид алюминия, циркония, железа и кобальта [5, 6]. Ускоритель вулканизации каучука 2-меркаптобензотиазол (МБТ) представляет собой би-циклическую гетероатомную молекулу, широко используемую в производстве шин, резиновой обуви и других резиновых изделий [7]. Благодаря высокой химической активности потенциально может повысить его совместимость с неорганическими наполнителями при введении
в полимер. Так, нами ранее были изучено влияние волластонита и 2-меркаптобензотиазола на свойства СВМПЭ [8].
В данной работе для разработки износостойких композиционных материалов на основе СВМПЭ предлагается применение 2-меркаптобензотиазола для усиления межфазного взаимодействия между СВМПЭ и нано-CuO, что способствует улучшению триботехнических свойств. Таким образом целью настоящей работы является исследование на трение полимерных композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, модифицированного оксидом меди с 2-меркаптобензтиазолом.
Материалы и методы исследования. Полимерной матрицей служил СВМПЭ марки Ticona GUR-4130 (Celanese, Китай) с молекулярной массой 6,8*106 г/моль и плотностью 0,93 г/см3. В качестве наполнителей СВМПЭ использовали 2-меркаптобензотиазол (МБТ) (ГОСТ 739-74) и наноразмерный оксид меди CuO (ТУ 1791-003-36280340-2008) с чистотой не менее 99,8%, со средними размерами частиц 50 нм и удельной поверхностью 15-20 м2/г.
Для получения комплексного наполнителя применяли планетарную мельницу Актива-тор-2S (Россия). Смешение смеси наполнителей проводили в планетарной мельнице при 600 об/мин в течение 10 мин. В массовых соотношениях оксид меди CuO / МБТ - 1:1 далее 1СиО/1МБТ и CuO / МБТ - 2:1 далее 2СиО/1МБТ. В данной работе содержание комплексных наполнителей составляло от 0,5 до 2 масс.%. Далее порошки СВМПЭ и комплексный наполнитель смешивали в лопастном смесителе в сухом виде со скоростью вращения перемешивающего устройства 1200 об/мин в течение 2 мин. Изготовление композитов из СВМПЭ проводилось методом горячего прессования при температуре 175±5°С, давлении 10±0,5 МПа и выдержке 20 мин с последующим охлаждением до 80°С. Триботехнические характеристики определяли на трибомашине UMT-3 (CETR, США). Коэффициент трения определяли согласно ГОСТ 11629-2017 по схеме трения «палец - диск». Для чего, были изготовлены образцы с диаметром 10,0 ± 0,1 мм и высотой 20 ± 1 мм. В качестве контртела используется стальной диск из стали #45 с твердостью 45-50 HRC, шероховатостью Ra = 0,06-0,08 мкм. При этом удельная нагрузка на образец составляет 1,9 МПа, линейная скорость скольжения - 0,3 м/с, продолжительность испытания 3 ч. Характеристики абразивного износа оценивались по схеме трения «палец - диск» на абразивной бумаге P320 (aluminium oxide, размер зерна ~50 мкм), путь трения составлял - 200 м, нагрузка - 10 Н, при постоянной скорости скольжения - 0,2 м/с. После каждого эксперимента меняли абразивную бумагу, образец очищали и взвешивали на аналитических весах (0,00001 г). Износ измеряли по разнице веса до и после эксперимента и рассчитывали объемный износ. Более подробно по методикам исследований приведены в ранее проведенной работе [9].
Результаты и их обсуждение. Результаты скорости изнашивания и коэффициента трения (/) по стали 45 исходного СВМПЭ и ПКМ на его основе, содержащих комплексные наполнители (CuO/МБТ в массовом соотношении 1:1 и 1:2) представлены на рис. 1.
6,0
5,0
щ
Ür4,0
г
г
о
* 2,0
JC
1,0
0,0
(а)
Рис. 1. Трибологические характеристики исходного СВМПЭ и ПКМ на его основе: а) интенсивность изнашивания; б) коэффициент трения
исходный 0,5 мас.% 1 мас.% 2 мас.% СВМПЭ
&ИСиО:1МБТ в2СиО:1МБТ
(б)
dB
исходный 0,5 мас.% 1 мас.% 2 мас.% СВМПЭ
®1СиО:1МБТ я2СиО:1МБТ
Из рис. 1 видно, что износостойкость нанокомпозитов на основе СВМПЭ повышается во всех образцах, и с увеличением содержания комплексных наполнителей достигает наименьшего значения при содержании 2 масс.% при массовом соотношении компонентов наполнителя 2:1. Видно, что интенсивность изнашивания при массовом соотношении компонентов 1:1 в ПКМ снижается в 1,88-2,95 раз, а при соотношении 2:1 в 2,56-3,27 раз относительно полимерной матрицы. Коэффициент трения полимерных композитов во всех образцах находится в диапазоне 0,39-0,41. Таким образом, для полимерных композитов сохраняется относительно низкое значение коэффициента трения, соответствующая значениям исходного полимера, независимо от содержания и соотношения компонентов наполнителя.
На рис. 2 приведены результаты исследования абразивного изнашивания полимерных композитов по наждачной бумаге Р320 в условиях сухого трения в зависимости от их массового соотношения и содержания комплексных наполнителей.
0,50
0,45
0,40
0,35 -
(а)
исходный 0,5 мас.% 1 мас.% 2 мас.с СВМПЭ
ш 1СиО:1МБТ =2СиО:1МБТ
0,30
нкв
(б)
исходный 0,5 мас.% 1 мас.% 2 мае.0/ СВМПЭ
^ 1СиО:1МБТ и2СиО:1МБТ
Рис. 2. Трибологические характеристики исходного СВМПЭ и ПКМ на его основе: а) скорость изнашивания; б) коэффициент трения
Как видно из рис. 2 а, стойкость к абразивному изнашиванию ПКМ с содержанием 0,5 масс.% комплексных наполнителей находится на уровне исходного СВМПЭ, также как и коэффициент трения. Сравнительно низкая стойкость к абразивному изнашиванию при содержании 0,5 масс.% СиО/МВТ в СВМПЭ в обоих массовых соотношениях, возможно связано с пластической деформацией полимера и композитов, тем самым наблюдаются относительно высокие значения коэффициента трения. Видно, что при содержании 1 масс.% комплексных наполнителей в СВМПЭ наблюдается снижение объемного износа на 34-57%, а при содержании 2 мас.% на 34-48% относительно полимерной матрицы. Коэффициент трения ПКМ снижается на 9-13% при содержании 1 масс.% и на 7-13% при содержании 2 мас.%, соответственно. Это возможно связано с тем, что СиО/МВТ может накапливаться на изношенной поверхности, образуя смазочную пленку.
Видно, что в результате абразивного изнашивания с увеличением содержания комплексных наполнителей в полимерной матрице значение объема изнашивания проходит через минимум при соотношении 1:1. Значение объема износа СВМПЭ+1 масс.% 2СиО/1МБТ ниже на 34%, по сравнению с СВМПЭ+1 мас.% 1СиО/1МБТ. В случае СВМПЭ+2 масс.% 2СиО/1МБТ ниже на 21% относительно ПКМ при соотношении 1:1. Из рис. 2 б видно, что коэффициент трения ПКМ при соотношении 2:1 на 5-6% ниже по сравнению с композитами при соотношении 1:1 во всех массовых содержаниях комплексного наполнителя. Таким образом выявлено, что при большем содержании нано-СиО оказались более эффективными в полимерных композитах, так стойкость к абразивному износу выше, а коэффициент трения ниже.
Заключение. Исследованы триботехнические свойства полимерных композитов на основе СВМПЭ, наполненного комплексными наполнителями СиО/МБТ, отличающихся массовым соотношением 1:1 и 2:1. Триботехнические исследования показали улучшение износостойкости во всех ПКМ относительно полимерной матрицы. Наилучшие результаты по износостойкости получены в ПКМ с 2 масс.% 2СиО/1МБТ и 1 мас.% 1СиО/1МБТ, что
в 2,95-3,27 раз выше исходного полимера. Результаты абразивного изнашивания показали, что наилучшие результаты показали ПКМ при содержании 1 масс.% гибридных наполнителей в СВМПЭ, независимо от соотношения компонентов. Полимерный композит состава СВМПЭ+1 масс.% 2СиО/1МБТ характеризуется высокой устойчивостью к абразивному изнашиванию и на 34% ниже по сравнению с СВМПЭ+1 мас.% 1СиО/1МБТ. Полученные данные могут быть интересны разработчикам материалов, работающих с комплексными наполнителями, а как материалы могут найти применение в технических приложениях, где необходима высокая износостойкость и низкий коэффициент трения.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-73-00076, (https://rscf.ru/project/22-73-00076/»).
Литература
1. Влияние наноразмерных оксидов металлов и 2-меркаптобензтиазола на свойства и структуру сверхвысокомолекулярного полиэтилена / А. П. Васильев, С. Н. Данилова, А. А. Дьяконов [и др.] // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2024. Т. 17, № 2. С. 162-174.
2. Влияние термически обработанного политетрафторэтилена на триботехнические свойства сверхвысокомолекулярного полиэтилена / А. П. Васильев, С. Н. Данилова, А. А. Дьяконов [и др.] // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 15, № 7. С. 850-860.
3. Исследование комплекса активных наполнителей на механические свойства СВМПЭ / А. П. Васильев, С. Н. Данилова, А. А. Дьяконов [и др.] // Южно-Сибирский научный вестник. 2023. № 2(48). С. 146-151.
4. Chan J. X. et al. Effect of nanofillers on tribological properties of polymer nanocomposites: A review on recent development // Polymers. 2021. Vol. 13, № 17. P. 2867.
5. Li Y. et al. UHMWPE Modified by Halogenating Reagents: Study on the Improvement of Hydrophilicity and Tribological Properties // Tribology Transactions. 2022. Vol. 65, № 2. P. 193-209.
6. Jatti V.S., Singh T.P. Copper oxide nano-particles as friction-reduction and anti-wear additives in lubricating oil // Journal of Mechanical Science and Technology. 2015. Vol. 29. P. 793-798.
7. Skotnicka A., Kabatc-Borcz J. Design, Synthesis, and Spectral Properties of Novel 2-Mer-captobenzothiazole Derivatives // Materials. 2024. Vol. 17, № 1. P. 246.
8. Danilova S.N. et al. Study on the Impact of a Combination of Synthetic Wollastonite and 2-Mercaptobenzothiazole-Based Fillers on UHMWPE Polymeric Matrix //Journal of Composites Science. 2023. Vol. 7, № 10. P. 431.
9. Vasilev A.P. et al. Effect of Nano-CuO and 2-Mercaptobenzothiazole on the Tribological Properties of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene // Lubricants. 2024. Vol. 12, № 5. P. 174.
