КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-73-00136
НазваниеРазработка высокопрочных и высокомодульных композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с повышенной износостойкостью
РуководительДайюб Тарек , Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2024 |
Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов
Ключевые словаСВМПЭ, ленты, высокоориентированные материалы, молекулярная масса, ориентация, кавитация, модуль упругости, прочность, полиэтиленовый воск, графеновые нанопластинки, надмолекулярная структура, коэффициент трения, износостойкость, склеивание, адгезионное взаимодействие, бензофенон, целлюлоза
Код ГРНТИ31.25.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Создание высокопрочных материалов путем ориентационной вытяжки полимеров является актуальной темой, поскольку при хорошем понимании механизмов ориентационного упрочнения материалов из крупнотоннажных доступных и дешевых марок СВМПЭ, позволяющих достигать высоких механических и трибологических свойств, а также минимизировать эффект кавитации, возможно добиться значительного повышения эксплуатационных характеристик изделий. Поскольку изотропный СВМПЭ, благодаря своим уникальным особенностям (высокие удельные механические свойства, высокая износостойкость и абразивостойкость, низкий коэффициент трения, высокая ударостойкость), имеет широкое применение в качестве высокопрочных материалов и композиционных материалов трибологического назначения, улучшение механических и трибологических свойств наполненных СВМПЭ–композитов в результате процесса ориентационного упрочнения, представляют большой интерес для исследователей. Применение высокопрочных ориентированных лент СВМПЭ вместо изотропного горячепрессованного СВМПЭ могло бы значительно повысить эксплуатационные характеристики и срок службы различных антифрикционных поверхностей скольжения для таких изделий, как подшипники скольжения, ролики и различные направляющие. По сравнению с композициями политетрафторэтилена (фоторопласт), коэффициент трения изотропного СВМПЭ сравним с коэффициентом трения фоторопласта, но, при этом, СВМПЭ обладает лучшей износостойкостью, чем композиты на основе фоторопласта.
Однако достижение высоких степеней ориентации макромолекул в крупнотоннажных марках СВМПЭ связано с рядом технологических трудностей, в связи с имеющейся в полимере высокой плотностью макромолекулярных зацеплений, и, как следствие, низкого индекса текучести расплава. Т.е. в процессе ориентирования в СВМПЭ зачастую происходит перенапряжение отдельных макромолекул и их разрушение, что не позволяет достичь предельных степеней ориентирования материала. Кроме того, одной из основных проблем, препятствующих процессу термоориентационного вытягивания СВМПЭ, является появление пор в высокоориентированной структуре, которые ухудшают механические свойства – так называемый "эффект кавитации".
С другой стороны, к сожалению, основным методом, который используется при изготовлении пары трения "полимер-металл" для соединения СВМПЭ с металлами, является термопрессование, которое приводит к потере уникальных свойств высокоориентированных лент СВМПЭ из-за приложения высоких температур и давлений, в результате чего происходит релаксация орентированной структуры полимера. Поэтому лучшим решением для фиксации ориентированных лент СВМПЭ на металлах с сохранением их уникальных механических и трибологических свойств является их склеивание с использованием клея. Склеивание СВМПЭ друг с другом или с металлическими материалами считается очень сложной задачей, поскольку отсутствие полярных групп в СВМПЭ делает склеиваемые поверхности инертными. Поэтому, для изготовления антифрикционных поверхностей скольжения на основе ориентированных лент СВМПЭ, необходимо разработать методику предварительной обработки склеиваемых поверхностей. Основным механизмом модификации поверхности является увеличение шероховатости и окисление с использованием метода химического травления; это приводит к увеличению смачиваемости и улучшению адгезионных свойств, по сравнению с немодифицированным СВМПЭ.
В проекте предлагается использовать крупнотоннажный дешевый СВМПЭ марки GUR 4120 не обладающий волокнообразующими свойствами. Для модифицирования структуры СВМПЭ GUR 4120 и придания полимеру волокнообразующих свойств будут использованы полиэтиленовый воск и углеродные наполнители. Полиэтиленовый воск в СВМПЭ выступает в качестве межмолекулярной смазки, что увеличивает подвижность макромолекул СВМПЭ. Углеродные наполнители уже хорошо зарекомендовали себя в качестве армирующего компонента и антифрикционной добавки для полимеров. Добавление графеновых нанопластин (ГНП) в СВМПЭ может приводить к гетерогенной кристаллизации и формированию надмолекулярной структуры с новыми свойствами.
В проекте будут разработан продукт в виде высокопрочной клеящейся ленты на основе СВМПЭ, которая обладает низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью и высокой прочностью, что делает ее перспективным материалом для создания подшипников скольжения, различных направляющих и т.д.
Предлагаемые исследования обладают уникальностью и представляют несомненный научный и практический интерес, следовательно, обладают большим потенциалом для обнародования их в высокорейтинговых рецензируемых международных журналах.
Ожидаемые результаты
В рамках выполнения проекта ожидается решение ряда научно-технических задач, связанных с разработкой и исследованием нового класса композиционных материалов на основе высокоориентированных структур из СВМПЭ. Проведенные исследования позволят установить фундаментальные зависимости влияния механизмов деформации надмолекулярной структуры крупнотоннажных марок СВМПЭ, влияния добавления полиэтиленового воска (ПЭ-воск) и углеродного наполнителя (ГНП), на структуру, процессы термоориентационного упрочнения, вязкоупругие свойства и проявляемые механические и трибологические свойства ориентированных лент СВМПЭ. Впервые будут получены экспериментальные образцы ориентированных лент СВМПЭ, наполненные ГНП и полиэтиленовым воском. Кроме того, проведенные исследования позволят установить фундаментальные зависимости влияния ориентации макромолекул СВМПЭ и содержания наполнителей на размер пор, наблюдаемых в результате деформации лент СВМПЭ на растяжение при процессе ориентационного упрочнения. В рамках выполнения проекта будет предложены физические модели ориентационного упрочнения СВМПЭ в зависимости от механизма трансформации надмолекулярной структуры, которые объяснят механизмы деформации ламеллярной структуры СВМПЭ путем деформации на растяжение и сжатие. Полученные материалы будут обладать улучшенными механическими и трибологическими свойствами по сравнению с композитами СВМПЭ с изотропной структурой. В проекте предлагается провести оригинальные исследования по изучению влияния химической модификации поверхности лент СВМПЭ для повышения его адгезионных свойств. Также в результате реализации данного проекта будет изучено влияние химической модификации СВМПЭ на химический состав поверхности СВМПЭ, механические и трибологические свойства, и на морфологию поверхности модифицированных ориентированных лент СВМПЭ. Будут изучены свойства, структура и составы двух типов клея, с целью определения оптимальных условий форомирования прочного адгезионного взаимодействия между скливаемыми поверхностями.
Цели и задачи данного проекта имеют высокую научную новизну. Во всем мире СВМПЭ признан полимером будущего, на основе которого возможно создание различных композиционных материалов, обладающих уникальными механическими, трибологическими и различными функциональными свойствами. Количество статей, направленных на исследование СВМПЭ растет с каждым годом. Проведение запланированных исследований ориентированных лент СВМПЭ, модифицированных полиэтиленовым воском и армированных графеновыми нанопластинами позволит получить научные результаты соответствующие мировому уровню. Результаты, полученные при реализации проекта, могут быть использованы при получении ориентированных лент СВМПЭ, перспективных для применения в качестве различных антифрикционных поверхностей, которые могут быть использованы при изготовлении подшипников, роликов, различных направляющих и в качестве футеровки. В результате проекта будет разработан товарный продукт с доступной ценой в виде высокопрочной клеящейся ленты на основе СВМПЭ (скотч на основе высокоориентированных лент СВМПЭ), которая обладает низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью и высокой прочностью, что делает ее перспективным материалом для создания подшипников скольжения, различных направляющих и т.д.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках выполнения первого этапа проекта было исследовано влияние добавки графеновых нанопластинок (ГНП/ПАНИ) в матрицу СВМПЭ на структуру, образование пустот (кавитационный процесс), механические и трибологические свойства высокоориентированных лент СВМПЭ. Для получения высокоориентированных лент СВМПЭ использовали процесс термоориентационного упрочнения. Полученные данные показали, что увеличение содержания ГНП/ПАНИ до 2,0 масс. % привело к увеличению максимальной степени вытяжки лент СВМПЭ примерно в два раза по сравнению с ориентированными чистыми лентами СВМПЭ. Межфибриллярное скольжение при интенсивном процессе фибрилляции в процессе термоориентации приводит к интенсификации кавитационных процессов, что, в свою очередь, приводит к снижению механических свойств высокоориентированных лентСВМПЭ/ПЭ-воск/ГНП/ПАНИ. По сравнению с ориентированными чистыми лентами СВМПЭ изображения СЭМ показали увеличение общей площади кавитации на 120–320% и размера пор на 300–400% за счет увеличения содержания ГНП/ПАНИ. На основании ДМА-испытаний ксерогелей СВМПЭ было подтверждено появление плато модуля упругости в области температур плавления, свидетельствующее о скольжении макромолекул СВМПЭ внутри материала на границах раздела ГНП/ПАНИ, что может быть связано с интенсивным внутренним проскальзыванием в материал над поверхностями, насыщенными ГНП/ПАНИ и содержащим низкую плотность поперечных (связей) макромолекул.
Влияние каждого компонента в ориентированных лентах СВМПЭ можно выделить по результатам трибологических испытаний следующим образом:
• ПЭ-воск работает как смазка с низкой молекулярной массой;
• По сравнению с изотропным СВМПЭ процесс термоориентационного упрочнения повышает механические свойства, что увеличивает жесткость материала и снижает деформационную составляющую коэффициента трения (уменьшая проникновение контртела в поверхность испытуемого материала);
• В процессе трения в поверхностных слоях полимерной матрицы наблюдается интенсивное движение макромолекул, направленное на переориентацию полимерных цепей в направлении трения. Уменьшение сдвиговых деформаций для ориентированных лент связано с тем, что не требуется переориентация макромолекул СВМПЭ, что, в свою очередь, приводит к снижению коэффициента трения;
• фибриллярная структура ориентированных лент способствует повышению сопротивления усталостной прочности при трении;
• ГНП/ПАНИ обладает высокой устойчивостью к абразивному износу, что означает, что включение ГНП/ПАНИ в полимерную матрицу снижает общий износ композита.
На основе полученных лент СВМПЭ лучшими являются ленты СВМПЭ/ПЭ-воск/ГНП/ПАНИ с содержанием ГНП/ПАНИ 2,0 масс. %. Они обладают превосходными механическими и трибологическими свойствами с точки зрения предела прочности при растяжении 836 МПа, модуля Юнга 36 ГПа и коэффициента трения 0,122. Эти ленты имеют высокую степень кристалличности 87 %, но их площадь кавитации также высока (42 ± 1 %), а средний размер пор составляет 3,7 ± 0,4 мкм, что объясняет снижение их прочности на разрыв по сравнению с ориентированными лентами СВМПЭ/ПЭ-воск.
Публикации
1. Дайюб, Т ., Максимкин, А ., Олифиров, Л.К., Чуков, Д ., Колесников, Э., Калошкин, С.Д., Телишев, Д.В. Structural, Mechanical, and Tribological Properties of Oriented Ultra-High Molecular Weight Polyethylene/Graphene Nanoplates/Polyaniline Films Polymers MDPI, Polymers 2023, 15, 758 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/polym15030758