Роль гибридного нанонаполнителя GNP/Al2O3 в повышении механических и трибологических характеристик композита HDPE

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12447 (2023) Цитировать эту статью

122 доступа

Подробности о метриках

Уникальные механические свойства и износостойкость HDPE делают его альтернативой фрикционным материалам. Текущие исследования сосредоточены на использовании гибридных наночастиц с различными наполнителями для определения наилучшего содержания добавок. Были исследованы и оценены механические и трибологические характеристики. Были изготовлены образцы нанокомпозита ПЭВП, содержащие 0,5, 1,0, 1,5 и 2,0 мас.% наполнителя наночастиц (НЧ) Al2O3 и 0,5 и 1,0 мас.% графеновых нанопластинок (НЧ). Результаты показали хорошее улучшение механических и трибологических свойств композитов ПЭВП при наличии нанодобавок. Нанокомпозиты ПЭВП показали лучшие характеристики при количестве загрузки 2,0 мас.% при равном соотношении гибридных нанонаполнителей НЧ Al2O3 и ВНЧ.

Полиэтилен (ПЭ) — один из самых популярных полимеров, уникальность которого заключается в том, что он очень полезен в широком спектре областей, помимо своей экономической эффективности. Полиэтилен высокой плотности HDPE производится при соответствующих температурах и давлениях для контроля профиля пласта. Целевая цепь ПЭВП имеет линейную структуру с небольшими разветвлениями1. Многие наноматериалы используются в качестве наполнителей полиэтилена для усиления химической связи полимерной структуры. Многие нанодобавки, такие как углеродные нановолокна, углеродные нанотрубки и наночастицы Al2O3, были использованы для оценки износостойкости и коэффициента трения ПЭ-нанокомпозитов2. Как полиэтилен высокой плотности (HDPE), так и полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (UHMWPE) широко используются в качестве подшипниковых материалов во многих отраслях промышленности. Это связано с тем, что он обладает выдающимися свойствами стойкости и низкими эффективными затратами3.

Во многих областях, таких как фрикционные материалы в автомобильной промышленности4,5, напорные трубы6 и тихоходные подшипники7, он в основном основан на ПЭВП. С другой стороны, в таких отраслях, как искусственные соединения и износные накладки, СВМПЭ используется в качестве основного материала8,9. Нанокомпозит из СВМПЭ был успешно изготовлен путем добавления экологически чистой добавки (нановолокон целлюлозы из рисовой соломы), что привело к предпочтительной механической прочности, снижению коэффициента трения и скорости износа10. В последнее время СВМПЭ больше не используется только при замене тазобедренного сустава, но также является базовым материалом для полной замены коленного сустава11,12. Численная модель была построена с использованием ANSYS и MATLAB для оценки износа эндопротеза тазобедренного сустава13. В области искусственных тазобедренных суставов полиэтилен HDPE был модифицирован для обеспечения высокой износостойкости и низкой силы трения14,15. Кроме того, СВМПЭ достигает скорости износа всего 0,25 мм/год, что помогает контролировать проблемы с искусственным тазобедренным суставом9.

В последние десятилетия в мире наблюдается тенденция к разработке и улучшению свойств полимеров. Это привело к тому, что нанонаполнители играют выдающуюся роль в повышении износостойкости и прочности материала16,17,18,19. Было проведено несколько исследований по улучшению трибологических и механических свойств ПЭВП путем объединения его с различными наноматериалами, такими как углеродные нанотрубки (УНТ)20,21 или оксид графена22,23,24. Наночастицы Al2O3 являются превосходным наполнителем в матрице полиэтилена, поскольку они имеют низкую стоимость и помогают улучшить трибологические и механические характеристики композита5,25. Сообщалось, что НЧ Al2O3 с низким содержанием нагрузки применялись в качестве наполнителя для улучшения трибологических характеристик. HDPE был армирован 0,1. 0,2, 0,3, 0,4 и 0,5 мас.% НЧ Al2O3. Нанокомпозиты проявляют хорошую реакцию благодаря добавлению НЧ Al2O3. При этом коэффициент трения снизился на 11%, а твердость увеличилась на 9,1%5. Включение наночастиц Al2O3 в СВМПЭ играет жизненно важную роль в ингибировании окисления и повышении износостойкости26. В то время как жесткость, устойчивость к росту трещин и высокая ударопрочность были явно улучшены для ПЭВП, армированного наночастицами CaCO327. МУНТ считаются типичным наполнителем полимерной матрицы, который играет заметную роль в изменении механических и трибологических свойств и способствует увеличению срока службы28,29. В качестве наполнителя ПЭВП были приняты составы 0,2–2,0 мас.% МУНТ. Результаты показали, что скорость изнашивания композитов снижается с увеличением содержания МУНТ20. Кроме того, для изменения характеристик трения нанокомпозитов на основе HDPE были добавлены наноалмазы ND, MWCNT и графеновые нанопластинки GNP. Композиты HDPE/ND демонстрируют отличные характеристики износа по сравнению с чистым HDPE30. Можно сделать вывод, что реакция сцепления между наполнителем и матрицей ПЭВП приводит к улучшению модуля сдвига и износостойкости. Нанокомпозиты МУНТ/ПЭВП были приняты с содержанием загрузки 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 и 2,5 мас.%. Механические свойства нанокомпозитов возрастают с увеличением содержания загрузки до 2,0 мас.%. Нанокомпозит МУНТ/ПЭВП с содержанием 2,0 мас.% показал наилучшие трибологические характеристики31.