Структура, механические и триботехнические свойства нанокомпозитов на основе условно химически модифицированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена

Сомпонг Пирияон

Материаловедение (по отраслям)

автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Структура, механические и триботехнические свойства нанокомпозитов на основе условно химически модифицированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена

кандидата технических наук: Сомпонг Пирияон
город: Томск
год: 2012
специальность ВАК РФ: 05.16.09

Диссертация по металлургии на тему «Структура, механические и триботехнические свойства нанокомпозитов на основе условно химически модифицированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена»

Автореферат диссертации по теме "Структура, механические и триботехнические свойства нанокомпозитов на основе условно химически модифицированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена"

На правах рукописи

СОМПОНГ ПИРИЯОН

СТРУКТУРА, МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ УСЛОВНО ХИМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННОГО СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА

Специальность 05.16.09 Материаловедение (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2012

005047878

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук и Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный руководитель -

доктор технических наук, доцент Панин Сергей Викторович Официальные оппоненты:

Тарасов Сергей Юльевич - доктор технических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, старший научный сотрудник лаборатории физики упрочнения поверхности

Коваль Евгений Олегович - кандидат химических наук, ООО Томскнефтехим, руководитель центра исследований и разработок

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Защита состоится « 9 » ноября 2012 г. в 16:30 час. на заседании диссертационного совета Д 003.038.02 при ИФПМ СО РАН по адресу: 634055, г. Томск, пр. Академический, 2/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН. Автореферат разослан « 5 » октября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Полимерные композиты, обладающие низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью в сочетании с приемлемыми деформационно-прочностными характеристиками и хорошей технологичностью, являются объектом активных научных исследований в приложении к созданию полимерных композиционных материалов для машиностроения. Вид используемых наполнителей определяется областью применения и условиями эксплуатации подобных антифрикционных материалов. Новые возможности открывает применение нанокомпозитов, поскольку уменьшение размеров армирующих частиц приводит к существенному изменению практически всех физических и химических свойств, как исходных компонентов, так и композита в целом [Галец М.К., 2007, Жиансонг Жу, 2005, Руан С.Л., 2003, Жу Ваобауг, 2004].

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) в ряду полимерных связующих занимает особое место, благодаря высокой коррозионной и химической стойкости [Синха С.Р., 2009, Ши В., 2004], а также биоинертности, открывая возможности применения этого полимера в медицине, в первую очередь, при создании эндопротезов. Основной проблемой при разработке антифрикционных композитов на основе СВМПЭ является его низкая адгезия к нанонаполнителям из-за отсутствия полярных групп. Поиск путей повышения адгезии сверхвысокомолекулярного полиэтилена к нанонаполнителям является актуальной научно-технической задачей [Бузник В.М., 2005, Купер Дж., 1993]. В настоящей работе сделана попытка улучшения адгезии СВМПЭ к нанонаполнителям путем условной химической модификации полимера введением порошков СВМПЭ и полиэтилена низкого давления (ПЭНД), привитых стиролом малеинового ангидрида (СМА) и более сложным многополярным компонентом - винилтриметоксисиланом (ВТМС - C5H12O3SÍ) в целях создания на его основе антифрикционных нанокомпозитов. Привитые сополимеры с функциональными группами являются эффективными компатибилизаторами (совместителями), улучшающими межфазную адгезию [Прут Э.В., 2001]. Механизм действия компатибилизатора заключается в том, что привитые сополимеры на основе СВМПЭ и ПЭНД имеют термодинамическое сродство с наполняемым неполярным полимером того же типа и хорошо совмещаются с ним. В то же время, компатибилизатор за счет активных функциональных групп может образовать химические связи с наполнителем, что позволяет реализовать усиливающий эффект нано-наполнителей в плане физико-механических и триботехнических свойств СВМПЭ [Прут Э.В., 2001, Краснов А.П., 2007 и др.]. Подход, основанный на модификации материала путем образования более прочных связей на границе раздела фаз «полимер-нанонаполнитель», может оказаться эффективным и перспективным на пути расширения номенклатуры полимерных материалов и улучшения их технологических и эксплуатационных свойств.

Цель настоящей работы - разработка новых композиционных материалов на основе СВМПЭ, модифицированных введением привитых сополимеров и нанонаполнителей; исследование структуры, механических и триботехнических свойств СВМПЭ, модифицированного введением различных по природе компатибилизаторов (малеиновый ангидрид - СМА и винилтриметоксисилан -ВТМС), а также нанокомпозитов на их основе.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи.

1. Исследовать структуру, механические и триботехнические свойства полимерных композиционных материалов на основе СВМПЭ, модифицированных введением различного весового содержания СВМПЭ и ПЭНД, привитых малеиновым ангидридом (СВМПЭ-прив-СМА, ПЭНД-прив-СМА).

2. Изучить влияние нанонаполнителей (БЮг, А12Оз, Си и углеродных нановолокон - УНВ) на структуру, механические и триботехнические свойства композиционных материалов на основе СВМПЭ, условно химически модифицированного введением привитых малеиновым ангидридом СВМПЭ и ПЭНД (СВМПЭ-прив-СМА и ПЭНД-прив-СМА).

3. Исследовать влияние введения ПЭНД, привитого тривинилметаксисила-ном (ПЭНД-прив-ВТМС) и нанонаполнителей (БЮг, А120з, Си и УНВ) на структуру, механические и триботехнические свойства композиционных материалов на основе СВМПЭ.

Научная новизна. В работе впервые:

Показано, что условная химическая модификация СВМПЭ введением полимерных порошков СВМПЭ-прив-СМА, ПЭНД-прив-СМА, ПЭНД-прив-ВТМС при компрессионном спекании повышает степень кристалличности композита при сохранении сферолитной надмолекулярной структуры, что обеспечивает заметное повышение предела прочности на растяжение, а также возрастание в несколько раз сопротивления изнашиванию при сухом трении скольжения.

Установлено, что введение нанонаполнителей в условно химически модифицированный СВМПЭ приводит к некоторому снижению степени кристалличности при сохранении сферолитной надмолекулярной структуры, а механические свойства и сопротивление изнашиванию несколько меньше таковых для композитов на основе исходного СВМПЭ. Показано, что износостойкость нанокомпозитов на основе условно химически модифицированного СВМПЭ в значительной степени определяется характером сформировавшейся надмолекулярной структуры и в меньшей степени наличием нанонаполнителя.

Практическая значимость работы. Условная химическая модификация СВМПЭ путем введения порошков СВМПЭ и ПЭНД, привитых СМА и ВТМС, может быть рекомендована для изготовления из подобных композиционных полимерных материалов деталей машин, предназначенных для работы в трибосопряжениях (подшипников, роликов, шестерней, звездочек) с целью существенного улучшения их триботехнических свойств. Особую актуальность эта задача приобретает для изготовления футеровочных плит для продук-топроводов, рудоспусков, ковшей экскаваторов и прочих металлических изделий, эксплуатируемых при отрицательных температурах для исключения залипания породы, а также кратного снижения износа.

Введение в СВМПЭ порошка ПЭНД, привитого СМА и ВТМС, позволяет повысить технологические свойства смеси, в частности, текучесть расплава. Это обеспечивает возможность заметного снижения нагрузок на технологическое оборудования для компрессионного спекания и шнековой экструзии при повышении механических и триботехнических свойств изделий, получаемых из химически модифицированного СВМПЭ.

Работа выполнялась в рамках следующих грантов, договоров и программ: РФФИ 10-08-90011-Бел_а «Разработка, диагностика и аттестация нанострук-турированных полимерных композиционных материалов для имплантатов»;

РФФИ 09-08-00752-а «Научные основы повышения механических характеристик композиционных материалов на основе СВМПЭ с наномоди-фикаторами путем активации межфазных взаимодействий на интерфейсах "полимер-наполнитель"; Г/К №П1913 от 29 октября 2009 г. «Исследование основных электрофизических и физико-механических характеристик новых твердых полимерных нанодиэлектриков»; Г/К № П407 от 30 июля 2009 г. «Разработка, создание и исследование микро- и нано-структурированных полимерных композиционных материалов с повышенными физико-механическими характеристиками для электроразрядных и пучково-плазменных технологий»; совместный проект фундаментальных исследований НАНБ и ИФПМ СО РАН № 8 «Создание отечественных биосовместимых нано-композитов на основе СВМПЭ и ПТФЭ для эндо- и кардиопротезов»; проект программы ОЭМППУ РАН № 13.2 «Разработка многоуровневой гибридной модели пластической деформации и разрушения в условиях трибосопряжения».

Достоверность результатов определяется применением комплекса современных методов исследований, систематическим характером проведения экспериментов и их обработки, согласием с результатами подобных исследований других авторов.

Вклад автора. Вклад автора состоит в приготовлении порошковых смесей для компрессионного спекания образцов; проведении испытаний образцов на износ, растяжение; подготовке образцов для определения их структуры на ИК-спектрометре и степени кристалличности на дифференциальном сканирующем калориметре (в Научно-аналитическом центре ТПУ); подготовке сколов образцов для исследования надмолекулярной структуры на растровом электронном микроскопе (в Центре коллективного пользования «Нанотех» ИФПМ СО РАН); определении твердости образцов по Шору Д; измерении интенсивности изнашивания, механических свойств, анализа шероховатости дорожек трения на оптическом профилометре; обработке результатов экспериментов, совместном участии в написании текста статей.

Положения, выносимые на защиту

1. Условная химическая модификация СВМПЭ путем введения порошков СВМПЭ-прив-СМА и ПЭНД-прив-СМА приводит к повышению степени кристалличности, что обусловливает заметное повышение механических свойств и кратное увеличение износостойкости при сухом трении скольжения. Различная эффективность введения привитого малеиновым ангидридом СВМПЭ по сравнению с ПЭНД на повышение износостойкости обусловлена меньшей степенью его прививки, проводившейся для первого в твердой фазе.

2. Введение нанонаполнителей в условно химически модифицированный СВМПЭ (СВМПЭ-прив-СМА и ПЭНД-прив-СМА) в большинстве случаев приводит к некоторому снижению степени кристалличности при сохранении исходного химического состава, в результате чего механические свойства и сопротивление изнашиванию несколько снижаются. Это связано с конкурирующим влиянием наличия привитых групп и наночастиц на процесс кристаллизации и формирования надмолекулярной структуры.

3. Условная химическая модификация СВМПЭ путем введения ПЭНД-прив-ВТМС по сравнению с ПЭНД-прив-СМА, вследствие меньшей реакционной способности первого, в меньшей степени повышает кристалличность и обусловливает меньшее увеличение механических свойств и сопротивления изнашиванию.

4. Условная химическая модификация СВМПЭ введением ПЭНД, привитого СМА и ВТМС, является эффективным и экономичным способом повышения технологических, механических и триботехнических свойств, что обусловлено возможностью существенной модификации структуры при компрессионном спекании при добавлении недорогих полимерных порошковых компа-тибилизаторов.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на следующих конференциях: XV, XVI, XVII Международных научнопрак-тических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Новая техника и технологии», Томск, Россия, 2009, 2010, 2011; IV International Forum on Strategic Technologies (IFOST'2009), Ho Chi Minh City, Vietnam, 2009; The 3rd International conference on Fundamental bases of mechanochemical technologies, Novosibirsk, Russia, 2009. Sino-Russia International Conference on Material science, Shenyang, China, 2009; The 3rd International Conference on Deformation & Fracture of Materials and Nanomaterials (DFMN-2009), Moscow, Russia, 2009; XVI International Conference on Mechanics of Composite Materials (MCM-2010), Riga, Latvia, 2010; The 12th International Conference on Mesomechanics, Taipei, Taiwan, 2010; International conference on Strength of Materials and Structure Elements, Kyiv, Ukraine. 2010; The 3rd International Conference on heterogeneous material mechanics (ICHMM-2011), Shanghai (Chong Ming Island), China, 2011; The 13th International Conference on Mesomechanics, Vicenza, Italy, 2011; III Всероссийская конференция по наноматериалам (НАНО-2009), Международной конференции (Поликомтриб-2009), Гомель, Беларусь, 2009; III Всероссийской конференции по наноматериалам (НАНО-2009) ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, 2009; Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, г. Томск, 2009; IX, X Всероссийских школах-семинарах «Новые материалы. Создание, структура, свойства», г. Томск, 2009, 2010; VI Международном симпозиуме по трибофатике, Минск, Беларусь, 2010; Всероссийской научно-технической конференции «Трибология - Машиностроению, г. Москва, 2010; IV Всероссийская конференция по наноматериалам (НАНО-2011), г. Москва, 2011; Международной конференции по физической мезомеханике материалов, Томск, 2011, The 7th International Forum on Strategie Technologies (IFOST'2012), Tomsk, 2012.

Публикации. Результаты работы изложены в 17 публикациях (в том числе 7 статей в рецензируемых журналах).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 разделов, введения, заключения и списка литературы из 154 источников, всего 176 листов машинописного текста, 141 рисунков, 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определена цель исследований, сформулированы положения, выносимые на защиту, научная новизна результатов и практическая ценность, представлена структура диссертации.

полимерного связующего и наполнителя. Представлен анализ работ, посвященных повышению триботехнических свойств СВМПЭ введением микро- и нанонаполнителей различной природы. В завершение первого раздела на основе проведенного литературного обзора приводится постановка задачи исследований.

Во втором разделе описываются материалы и экспериментальные методы, использованные в работе. Для условной химической модификации СВМПЭ применяли порошки, привитые СМА и ВТМС. Прививку порошка СВМПЭ проводили в планетарной шаровой мельнице в твердой фазе в атмосфере озона. Степень прививки была значительно меньше 1 %. ПЭНД прививали в расплаве в шнековом экструдере с последующим формированием гранулята размером несколько миллиметров. Последующее измельчение в порошок дисперсностью несколько сотен мкм проводили путем механического помола при комнатной температуре. Степень прививки составляла -1.5%. Для аттестации структуры использовали дифференциальную сканирующую колориметрию, сканирующую электронную микроскопию, ИК-спектрометрию. Механические испытания проводили на электромеханической машине Instron 5582, испытания по схеме вал-колодка проводили на машине СМТ-1. Шероховатость дорожек трения оценивали с помощью оптического интерференционного профилометра New View 6200. Твердость по Шору Д оценивали с использованием прибора Instron 902 (Duro 2000).

Третий раздел посвящен исследованиям механических и триботехнических характеристик композиций на основе СВМПЭ с различным содержанием (320 мае. %) СВМПЭ-прив-СМА, введенного в исходную порошковую смесь. В табл. 1 приведены физико-механические характеристики образцов, приготовленных на основе таких порошковых смесей.

Таблица 1. Физико-механические свойства СВМПЭ, модифицированного введением п мае. % СВМПЭ-прив-СМА

Содержание СВМПЭ-прив-СМА, мае. % Плотность d, г/см3 Модуль упругости Е, МПа Твердость по ШоруД Предел текучести 0о 2, МПа Предел прочности а в, МПа Удлинение при разрыве е,%

0 3 5 10 20 0,93±0,1 0,92±0,2 0,92+0,2 0,92±0,2 0,92+0,2 549,4±18,4 594,3+12,4 539,5+21,2 563,4+14,0 574,4+15,3 56,1 ±0,1 55,7+1,2 56,1+0,8 56,8±0,6 55,7±1,1 20,0±1,1 17,6+1,4 18,9+1,2 20,0±0,9 19,3+1,1 34,3+1,8 28,3±1,0 28,4+1,2 32,0±1,4 32,5±1,4 474,3+10,1 442,0+20,0 429,9±21,4 477,0±13,3 441,7±18,3

Из табл. 1 следует, что упругопластические характеристики СВМПЭ (модуль упругости, предел текучести, предел прочности и удлинение) изменяются несущественно с увеличением содержания введенного привитого одноименного полимера. Плотность и твердость по Шору Д данного композита остаются неизменными с увеличением содержания наполнителя. Для смеси СВМПЭ с ПЭНД-прив-СМА плотность и твердость также несущественно изменяются с ростом содержания привитого наполнителя. В то же время упругопластические свойства возрастают по сравнению с исходным СВМПЭ (табл. 2). Наиболее существенны изменения удлинения до разрушения: композиционная смесь становится значительно пластичнее (на 15-30 %).

Проведены испытания на износ и определена износостойкость всех указанных выше материалов при сухом трении скольжения. На рис. 1 и 2 приведены диаграммы, характеризующие интенсивность изнашивания композиционных образцов СВМПЭ, модифицированных введением привитых компонентов. Показано, что интенсивность износа уменьшается при

модификации СВМПЭ в обоих случаях. Сопоставление интенсивности изнашивания СВМПЭ, модифицированного 10 мае.% как СВМПЭ-прив-СМА, так и ПЭНД-прив-СМА показало, что износостойкость СВМПЭ, модифицированного добавлением привитого ПЭНД несколько выше (примерно в 3 раза), чем для модифицированного привитым СВМПЭ (2,6 раза).

Таблица 2. Физико-механические свойства СВМПЭ, модифицированного введением п мае. % ПЭНД-прив-СМА

Содержание Плотность с/, г/см3 Модуль Твердость Предел Предел Удлинение

ПЭНД-прив- СМА, мае. % упругости Е, МПа по ШоруД текучести сто.2, МПа прочности а в, МПа при разрыве е, %

0 0,93±0,1 549,4±18,4 56,7±0,7 20,0±1,1 34,3±1,8 474,3±10,1

1 0,92+0,2 595,6+15,4 57,8+0,5 23,3±1,0 40,4±1,2 491,7+12,5

3 0,93+0,1 552,9+24,1 56,6±0,4 24,4±1,4 38,4+1,6 478,5±20,0

5 0,93+0,1 582,8± 19,5 58,8±1,2 24,8±0,9 38,8±1,6 486,6±18,8

10 0,93±0,1 586,8±15,5 56,9±0,5 24,9±1,2 39,2±1,9 486,7+17,2

Рис. 1. Диаграммы интенсивности изнашивания СВМПЭ (1), модифицированного введением различного количества СВМПЭ-прив-СМА: (2) -3, (3) - 5, (4) - 10, (5) - 20 мас.%

Рис. 2. Диаграммы интенсивности изнашивания СВМПЭ (1), модифицированного введением различного количества ПЭНД-прив-СМА: (2) -1, (3) - 3, (4) - 5, (5)- 10 мас.%.

Для выяснения характера структурных изменений в СВМПЭ при его условной химической модификации различными компонентами проведены исследования надмолекулярной структуры и шероховатости дорожек трения при варьировании содержании привитого компонента. Установлено, что в модифицированном СВМПЭ при кристаллизации так же, как и в чистом СВМПЭ, формируется сферолитная структура (рис. 3). Следует отметить, что при введении ПЭНД-прив-СМА формируется более мелкая сферолитная структура (рис. 3,а). Оценки показывают, что средний размер сферолитов в первом случае (рис. 3,а) на 20-25 % меньше, чем во втором (рис. 3,6). Внутренняя структура сферолитов (упаковка молекул) в обоих случаях одинакова.

а I '—' ИЯРМДДВ б

Рис. 3. РЭМ-изображения надмолекулярной структуры СВМПЭ, наполненного 10 мае. % ПЭНД-прив-СМА (а) и 10 мае. % СВМПЭ-прив-СМА (б)

Анализ степени кристалличности полимеров, проведенный методом ДСК, указывает на то, что в образцах СВМПЭ, модифицированных ПЭНД-прив-СМА, кристалличность (х) значительно выше (табл. 3).

Таблица 3. Результаты анализа структуры химически модифицированного СВМПЭ

Образец Кристалличность 7. (ДСК), %

СВМПЭ 48,6

СВМПЭ+10%ПЭНД-прив-СМА 68,0

СВМПЭ+10%СВМПЭ-прив-СМА 56,5

Анализ дорожек трения показал, что их шероховатость в химически модифицированном СВМПЭ уменьшается до Ла=0.154 км, причем ее значение минимально в СВМПЭ, наполненном ПЭНД-прив-СМА (Ла=0.159 мкм), в то время как в чистом СВМПЭ она составляет Яа=0.206 мкм. Это полностью согласуются с полученными данными по износостойкости. Таким образом, повышение износостойкости в условно химически модифицированном СВМПЭ

связано, в основном, с изменением степени кристалличности и, как следствие, размером сферолитов. Подтверждением сказанному являются ПК-спектры (рис. 4), которые для чистого и модифицированного СВМПЭ практически идентичны. Наличие в образцах на основе смесей «СВМПЭ +СВМПЭ-прив-СМА» и «СВМПЭ+ ПЭНД-прив-СМА» свободных функциональных групп изменяет процесс кристаллизации и, как следствие, предопределяет формирование надмолекулярной структуры. Несвязанные функциональные группы являются активаторами (центрами) кристаллизации и способствуют формированию сферолитной структуры.

В четвертом разделе исследованы наполненные нанопорошками и нановолокнами композиты на основе смесей, механические и триботехнические свойства которых представлены в предыдущем разделе. Анализировали механические и фрикционные характеристики нанокомпозитов на основе смесей «СВМПЭ+СВМПЭ-прив-СМА» и «СВМПЭ+ПЭНД-прив-СМА» с различным их содержанием (3-20 мае. %). Использовали нановолокна углерода УНВ (внешний 0 60 нм, длина 2-3 мкм) и АЬ03 (0 1-10 нм), а также наночастицы Си (0 -90 нм) и ЗЮ2 (0 20-30 нм) с содержанием 0,5 мас. %. В табл. 4 приведены деформационно-прочностные характеристики при растяжении образцов условно химически модифицированного СВМПЭ, наполненного УНВ. Дополнительно, для целей сравнения, были изготовлены образцы только из привитого СВМПЭ, модифицированного введением нанонаполнителей (100 мае. % СВМПЭ-прив-СМА).

4000 3000 2000 1000

см1

Рис. 4. ПК-спектры исходного СВМПЭ (1), «СВМПЭ+СВМПЭ-прив-СМА» (2) и «СВМПЭ+ ПЭНД-прив-СМА» (3).

Таблица 4. Механические характеристики образцов смесей «СВМПЭ+« мае. % СВМПЭ-прив-СМА», наполненных 0,5 мае. % УНВ

ДоляСВМПЭ Плотность <1, г/см3 Модуль Твердость Предел Предел Удлинение

-прив-СМА, мас.% упругости Е, МПа по ШоруД текучести Со2> МПа прочности св, МПа при разрыве е,%

0 0,93+0,1 487,1 + 15,8 56,4+0,6 14,6+0,9 17,2±1,4 399,4+16,6

3 0,92±0,1 486,8±18,4 56,3±0,5 16,1+1,7 24,2±1,2 427,0±12,4

5 0,92±0,2 572,1+21,1 56,0+0,7 17,8+1,3 29,9±1,6 454,4±14,0

10 0,92±0,1 582,8±24,3 56,0±0,6 18,6+1,4 29,3±1,5 457,5±13,6

20 0,93±0,1 484,0±16,4 55,5+1,2 18,9+0,9 28,5±0,9 440,0±18,8

100 0,94+0,1 478,2+16,8 56,3+0,8 22,3±0,8 28,1+1,1 514,2±21,0

Из табл. 4 следует, что основные характеристики нанокомпозитов с различным содержанием компатибилизатора п мае. % СВМПЭ-прив-СМА повышаются незначительно по сравнению с аналогичными свойствами нанокомпозитов на основе чистого СВМПЭ. Подобная картина наблюдается и для нанокомпозитов на основе смеси «СВМПЭ+ п мае. % ПЭНД-прив-СМА» (табл. 5). Вместе с тем, удлинение до разрушения (е) нанокомпозитов на смеси чистого и привитого СВМПЭ выше, чем на основе чистого полимера. Аналогичная картина наблюдается для всех исследованных композитов с нанонаполнителями УНВ, А1203, БЮг и Си. Установлено, что при наполнении наночастицами смеси СВМПЭ и привитых СМА полимеров повышение механических характеристик выше, чем при наполнении нановолокнами.

Таблица 5. Физико-механические характеристики образцов смесей «СВМПЭ+ п мае. % ПЭНД-прив-СМА», наполненных 0,5 мае. % УНВ

Доля ПЭНД- Плотность Модуль Твердость Предел Предел Удлинение

прив-СМА, г/см3 упругости по текучести прочности при разрыве

масс.% Е, МПа ШоруД о0 2, МПа ав, МПа е, %

0 0,93±0,1 487,1±15,8 56,4±0,6 14,6±0,9 17,2+1,4 399,4+16,6

3 0,94+0,1 512,5+16,9 55,7+0,7 22,0±0,8 32,6±1,2 449,5+18,8

5 0,93±0,1 496,2±18,4 55,4±0,4 22,8+1,1 29,6±1,4 464,4±18,1

10 0,93±0,1 487,8±20,4 56,7+0,5 22,5+1,4 31,5+1,6 466,3±13,9

20 0,93±0,1 526,9±15,5 57,0±0,3 23,4+1,2 29,7+0,9 459,0±18,0

Проведена оценка износостойкости нанокомпозитов на основе смесей СВМПЭ с компатибилизаторами в сопоставлении с триботехническими свойствами композитов на основе немодифицированного СВМПЭ (рис. 5). Видно, что, во-первых, интенсивность изнашивания нанокомпозитов на основе условно химически модифицированного СВМПЭ близка к таковой для нанокомпозитов на основе исходного полимера. Тип нанонаполнителей (волокна, частицы) заметно не меняет характера изнашивания всех исследованных в работе композиций. Во-вторых, износостойкость условно химически модифицированного СВМПЭ возрастает в 2,5-3 раза по сравнению с исходным полимером (рис.5, столбцы 1, 2, 3). Наполнение наночастицами и нановолокнами образцов смесей СВМПЭ с компатибилизатором не сопровождается повышением износостойкости (столбцы 5, 11, 14). В то же время износостойкость нанокомпозитов на основе 100 мае.% СВМПЭ-прив-СМА возрастает в 1.5-2 раза по сравнению с «СВМПЭ+10 мас.% СВМПЭ-прив-СМА» (столбцы 3, 6, 9, 12, 15) и выше износостойкости нанокомпозитов на основе чистого СВМПЭ (столбцы 1, 4, 7, 10, 13). На диаграмме на рис. 5,6

12 3 4 5 6 7 8 9 101112 131415 12 3 4 5 6 7 8 9 101112 131415

(а) (б)

Рис. 5. Интенсивность изнашивания (а) и шероховатость дорожки трения (б) чистого СВМПЭ (1), смеси «СВМПЭ+10 мас.% СВМПЭ-прив-СМА» (2), «100 мас.% СВМПЭ-прив-СМА» (3) и нанокомпозитов на их основе, содержащих 0.5 мае. %: 8Ю2 (4, 5, б), А1203 (7, 8, 9), Си (10, 11, 12) и УНВ (13, 14, 15). показана шероховатость поверхностей дорожек трения нанокомпозитов. Видею, что шероховатость для нанокомпозитов на основе чистого СВМПЭ и условно химически модифицированного СВМПЭ практически одинаковая, в то время как в нанокомпозитах на основе привитого СВМПЭ она несколько меньше (столбцы 6, 9, 12, 15). Более того, величина шероховатости дорожек трения пропорциональна значению интенсивности износа всех исследованных в данном разделе композиций.

Для выяснения характера структурных изменений в нанокомпозитах на основе условно химически модифицированного СВМПЭ проведены исследования структуры методами растровой электронной микроскопии, дифференциальной сканирующей калориметрии и ИК-спектроскопии. В табл. 6 представлены результаты измерения степени кристалличности для образцов исходного СВМПЭ, а также смесей «СВМПЭ+10 мае. % СВМПЭ-прив-СМА», «СВМПЭ+10 мас.% ПЭНД-прив-СМА» и нанокомпозитов на их основе. Показано (табл. 6), что кристалличность нанокомпозитов на основе смесей СВМПЭ с компатибилизатором выше в сравнении с исходным полимером и сопоставима с кристалличностью нанокомпозитов на основе чистого СВМПЭ. ИК-спектры этих композитов идентичны спектрам образцов смесей с компатибилизатором (рис. 6). Отсюда следует, что химической связи между нанопаполнителями и привитыми полярными группами не возникает. Подтверждением этому являются и ИК-спектры образцов «СВМПЭ+ 10 мае. % СВМПЭ-прив-СМА» и соответствующих нанокомпозитов (рис.7). Для сравнения на рис. 7 приведен спектр чистого СВМПЭ (кривая 1). Интенсивности С-О пиков в области 1100 см"1 для привитого СВМПЭ и нанокомпозитов на его основе совпадают.

Таблица 6. Кристалличность % образцов нанокомпозитов на основе СВМПЭ

Образец чистый 0,5 % БЮ2 0,5 % А1203 0,5 % Си 0,5 % УНВ

СВМПЭ 48,6 53,3 55,8 53,5 50,1

СВМПЭ+ 10 мас.% СВМПЭ-прив-СМА 56,5 50,7 54,5 52,8 49,3

СВМПЭ+10 мас.% ПЭНД-прив-СМА 68,0 56,0 58,0 55,5 52,4

100 мае. % СВМПЭ-прив-СМА 63,5 55,5 57,0 54,3 51,9

Рис. 8. РЭМ-фотографии надмолекулярной структуры нанокомпозитов: СВМПЭ + 0,5 мае. % УНВ (а) и СВПМЭ+10 мас.% СВМПЭ-прив-СМА + 0,5 мае. % УНВ (б).

Это подтверждает микроанализ неоднородностей поверхности разрушения композитов. Для обоих типов композитов кристаллизация полимера из расплава инициируется прежде всего нанонаполнителями. Следовательно, износостойкость нанокомпозитов на основе как химически модифицированного СВМПЭ, так и на основе исходного полимера в значительной степени определяется той структурой (укладкой молекул), которая формируется в

4000 3000

Рис. 6. ИК-спектры образцов смеси СВМПЭ+10 мас.% СВМПЭ-прив-СМА (1) и нанокомпозитов на ее основе, наполненных 0,5 мае. %: 8Ю2 (2), А12Оз (3), Си (4) и УНВ (5).

Рис. 7. ИК-спектры образцов чистого СВМПЭ (1), смеси СВМПЭ + 10 мас.% СВМПЭ-прив-СМА (2) и нанокомпозитов на ее основе наполненных 0,5 мае. %: БЮ2 (3), АЬ03 (4), Си (5) и УНВ (6).

Если в смесях наличие привитых полярных групп вызывало повышение кристалличности по сравнению с исходным СВМПЭ (см. табл. 6) и, как следствие, рост износостойкости полимера, то при введении нанонаполнителей кристаллизация в полимере определяется присутствием и равномерностью распределения последних в матрице. В результате износостойкость нанокомпозитов на основе условно химически модифицированного СВМПЭ близка износостойкости нанокомпозитов на основе исходного сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

На рис. 8 представлены РЭМ-фотографии, иллюстрирующие надмолекулярную структуру нанокомпозитов на основе исходного (рис. 8,а) и условно химически модифицированного СВМПЭ (рис. 8,6). Видно, что в композитах обоих типов формируется подобная сферолитная структура. В центре сферолитов, как правило, наблюдаются включения в виде агломератов наночастиц. ___

процессе кристаллизации. Условия кристаллизации расплава СВМПЭ, помимо термодинамики, определяются присутствием нано- или микронаполнителей и несвязанных полярных групп. Сформировавшаяся структура определяет степень деструкции матрицы при трении, и, соответственно, сопротивление изнашиванию.

В пятом разделе для сравнительного анализа влияния различного типа компатибилизаторов на механические и триботехнические характеристики смесей на основе СВМПЭ добавляли различное количество привитого компонента (3-20 мас.%) ПЭНД-прив-ВТМС. В качестве нанонаполнителей также использовали нановолокпа углерода С и АЬОз, наночастицы меди Си и БЮг с содержанием 0,5 мае. %. В табл. 7 приведены деформационно-прочностные характеристики при растяжении СВМПЭ, модифицированного ПЭНД-прив-ВТМС.

Таблица 7. Механические характеристики СВМПЭ, модифицированного ПЭНД-прив-ВТМС

Доля Плотность Модуль Твердость Предел Предел Удлинение

ПЭНД-прив, d, г/см3 упругости по текучести прочности при разрыве

масс.% Е, МПа ШоруД ао.2, МПа ав, МПа е,%

0 0,93+0,01 549,4±18,4 56,7+0,7 20,0+1,1 34,3± 1,8 474,3+10,1

3 0,94+0,01 471,5+20,0 54,6±0,4 19,5+1,0 29,7±1,5 476,3+12,4

5 0,93+0,01 453,9+16,7 56,6±0,5 19,5+0,8 29,4±1,6 483,5+11,3

10 0,94+0,01 468,4±14,9 56,8±0,5 16,4+1,0 27,0+0,9 493,6±16,2

20 0,94±0,01 454,9±16,4 56,8±0,3 16,8+1,2 27,4+1,2 512,5+14,4

Показано, что как и при введении ПЭНД-прив-СМА модуль упругости, предел текучести, предел прочности уменьшаются с увеличением содержания компатибилизатора, а удлинение до разрушения немного возрастает. Оптимальным содержанием компатибилизатора в блок-сополимере следует принять 10 мас.%. Показано, что интенсивность изнашивания (У), измеренная на стадии установившегося износа, для образцов порошковой смеси с данным содержанием компатибилизатора минимальна.

На рис. 9 приведены фотографии разрушенных образцов чистого (исходного) СВМПЭ (а) и смеси СВМПЭ-10 мас.% ПЭНД-прив-ВТМС (б), на которых видна неоднородность распределения полимерного модификатора. Полученные ИК-спектры подтверждают это (рис. 10). На спектре наблюдаются пики в области 1100-1200 см"1, соответствующие 81-0 связям [Смит А.1982]. Однако компонент, соответствующий привитому сложным мономером полиэтилену, деформируется совместно с матрицей СВМПЭ: следов нарушения адгезии между компонентами смеси не наблюдается.

Анализ триботехнических свойств нанокомпозитов на основе смесей СВМПЭ+10 мае. %ПЭНД-прив-ВТМС показал следующее. Как и для нанокомпозитов па основе смеси с ПЭНД, привитым малеиновым ангидридом, нановолокна и наночастицы примерно в равной степени повышают износостойкость композиций (рис. 1 1).

■Мм!

2000 СМ"'

Рис. 10. ИК-спектры исходного СВМПЭ (1) и образца смеси СВМПЭ + 10 мае. % ПЭНД-прив-ВТМС (2).

Рис. 9. Фотографии разрушенных образцов; чистый СВМПЭ (а), СВМПЭ + 10 мас.% ПЭНД-прив-ВТМС (б), нанокомпозитов СВМПЭ+10 мас.% ПЭНД-прив-ВТМС+0.5 мае. % С (в), СВМПЭ+10 мае. % ПЭНД-прив-ВТМС+ 0.5% Си (г).

Механические характеристики нанокомпозитов на основе смеси СВМПЭ + 10 мас.% ПЭНД- прив -ВТМС представлены в табл. 8. Срав-нительный анализ механических и триботехнических свойств наноком-позитов на основе смеси СВМПЭ + 10 мае. % ПЭНД-прив-ВТМС и СВМПЭ+10 мае. % ПЭНД-прив-СМА показал, что они близки друг другу.

Это наглядно иллюстрирует рис.11, на котором приведены интенсивности изнашивания трех типов нанокомпозитов на стадии установившегося износа. Показано (рис. 11), что интенсивность износа нанокомпозитов на основе условно химически модифицированного СВМПЭ близка таковой для нанокомпозитов на основе исходного высокомолекулярного полимера. Шероховатость поверхностей дорожек трения всех трех типов нанокомпозитов на стадии установившегося изнашивания также примерно одинакова.

Анализ надмолекулярной структуры нанокомпозитов на основе смеси СВМПЭ+10 мае. % ПЭНД-прив-ВТМС показал, что она подобна надмолекулярной структуре нанокомпозитов на основе СВМПЭ + 10 мае. % ПЭНД-прив-СМА (сфе-ролитная).

0.06

0.02

101112 131415

Рис. 11. Интенсивность изнашивания образцов чистого СВМПЭ (1), смесей СВМПЭ + 10 мас.% ПЭНД -прив-ВТМС (2), СВМПЭ + 10 мае. % ПЭНД-прив-СМА (3) и нанокомпозитов на их основе, содержащих: 0,5 мае. % ЯЮг (4,5,6), 0,5 мае. % А1203 (7,8,9) 0,5" мае. % Си (10,11,12) и 6,5 мае. %УНВ (13,14,15).

Таблица 8. Механические характеристики нанокомпозитов на основе смеси СВМПЭ+10 мае. %ПЭНД-прив-ВТМС с добавлением 0,5 мае. % нанонаполнителя

Наполнитель Плотность с!, г/см3 Модуль упругости Е, МПа Твердость по ШоруД Предел текучести Оо2, МПа Предел прочности ав, МПа Удлинение при разрыве е,%

нет 5Ю2 А1203 Си УНВ 0,93+0,01 0,93+0,01 0,93+0,01 0,94±0,01 0,93±0,01 549,4±18,4 512.6+20,1 534.1 ± 15,8 489.7±23,3 480.4±19,0 56,7+0,7 58,0±0,4 56,4+0,6 58,1±0,5 57,7+0,5 20,0±1,1 20.9+1,1 21.5+1,6 20.8±0,9 22.3+1,4 34.311,8 31.3+1,4 29.4±0,6 26.4±1,9 22.7+2,6 474,3+9,1 442.1 + 12,2 430.3+13,2 451.7+10,4 374.3+18,7

Следует отметить одну особенность в формировании надмолекулярной структуры исследованных композитов с добавлением ПЭНД-прив-ВТМС. Как было отмечено выше, в образцах на основе смеси СВМПЭ с ПЭНД, привитым винилтриметоксисиланом, наблюдается неравномерность (расслоение) полимера.

В нанокомпозитах на его основе картина подобна (рис. 9,в и г). При этом неравномерность в формировании сферолитной структуры заметна на картинах поверхности скола (рис. 12).

Рис. 12. РЭМ-фотографии надмолекулярной структуры нанокомпозитов на основе СВМПЭ+10 мае.% ПЭНД-прив-ВТМС с 0,5 мас.% УНВ (а) и 0,5 мас.% А1203 (б)

ИК-спектры нанокомпозитов на основе данной смеси идентичны спектрам матрицы СВМПЭ+10 мае. % ПЭНД-прив-ВТМС (рис.13). Другими словами, дополнительных связей свободных радикалов с частицами нанонаполнителя не возникает. Хотя неравномерность распределения модификатора ПЭНД-прив-ВТМС в СВМПЭ несколько понижает кристалличность композиций, но она не столь существенна, чтобы понизить триботехнические свойства композитов на основе указанной матрицы (табл. 7 и табл. 9).

Таблица 9. Кристалличность %,% композитов СВМПЭ+10 мас.%ПЭНД-прив-ВТМС

Образец исходный 0,5% 8102 0,5% А1203 0,5% Си 0,5% УНВ

СВМПЭ 48,6 53,3 55,8 53,5 50,1

СВМПЭ+10%ПЭНД-прив-ВТМС 53,5 52,5 51,0 50,3 50,9

В работе обсуждается, что тип сформировавшейся надмолекулярной структуры (укладка молекул) играет важную роль при изнашивании поверхностных слоев высокомолекулярной матрицы. На основе литературных

данных и результатов наших исследований предлагается следующий механизм изнашивания полимерных нанокомпозитов на основе СВМПЭ. В мягкой, дес-труктурированной в зоне трибо-контакта матрице твердые частицы нанонаполнителя с одной сто-роны передают нагрузку в полимерное связующее, с другой стороны играют роль твердой ультрадисперсной смазки. Одновременно происходит выглаживание поверхности контртела в результате заполнения впадин микрорельефа продуктами деструкции пластичной матрицы [Купер Дж, 1993].

Можно также предположить, что частицы наполнителя наноразмера, имеющие крайне низкую адгезию к полимерной матрице, способствуют полировке поверхности контртела, способствуя снижению интенсивности изнашивания. В дальнейшем частицы наполнителя, «качаясь» подобно закрепленным пружинам в среде деструктурированной матрицы, обеспечивают высокую износостойкость и низкий коэффициент трения полимерного композита. Степень деструкции поверхностного слоя композита определяется типом сформировавшейся укладки молекул.

Поэтому надмолекулярная структура имеет определяющее значение в формировании триботехнических свойств нанокомпозитов на основе высокомолекулярной матрицы. Проведенный комплекс исследований триботехнических свойств композитов на основе химически модифицированного СВМПЭ показывает, что для получения высоких триботехнических характеристик композитов на основе высокомолекулярной матрицы необходимо, прежде всего, подобрать оптимальные условия кристаллизации с целью формирования упорядоченной (кристаллизованной) надмолекулярной структуры.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На основании полученных результатов были сформулированы следующие выводы:

1. Установлено, что условная химическая модификация СВМПЭ введением привитых сополимеров повышает износостойкость образцов смеси по сравнению с чистым СВМПЭ в 2,5-3 раза. Увеличение износостойкости связывается с повышением степени кристалличности, что обусловлено влиянием на процесс образования и роста сферолитов привитых полярных групп различной химической природы (СМА, ВТМС).

Рис. 13. ИК-спектры блок-сополимера СВМПЭ+10 мас.% ПЭНД-прив-ВТМС (1) и наноком-позитов на его основе с 0,5 мас.% БЮ2 (2), А1203 (3), Си (4) и УНВ (5).

для нанокомпозитов на основе чистого СВМПЭ, что обусловлено конкурирующим влиянием на процесс формирования надмолекулярной структуры наночастиц и привитых полярных групп. Последнее может сопровождаться частичной агломерацией наночастиц наполнителя, ростом размеров сферолитов, снижением степени кристалличности.

3. Установлено, что условная химическая модификация СВМПЭ введением привитых сополимеров не сопровождается существенным изменением вида ИК-спектра, что свидетельствует о неизменности адгезионной связи между полимерной матрицей и частицами нанонаполнителя. Показано, что введение компонентов, привитых малеиновым ангидридом, является более эффективным способом повышения комплекса механических и триботехнических свойств смесей на основе СВМПЭ-матрицы по сравнению с ВТМС, что связано с более высокой реакционной способностью СМА.

4. Показано, что условная химическая модификация СВМПЭ путем наполнения привитым ПЭНД обеспечивает формирование межфазной связи между частицами СВМПЭ и привитого ПЭНД, в результате чего прочность и пластичность образцов смесей может превосходить таковые для чистого СВМПЭ. С точки зрения практического использования, предлагаемый способ условной химической модификации может быть рекомендован как эффективный и экономичный способ повышения технологических свойств высокомолекулярного полимера (например, экструдируемости).

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

В рецензируемых журналах:

I.S. Wannasri, S.V. Panin, L.R. Ivanova, L.A. Kornienko, S. Piriyayon. Increasing wear resistance of UHMWPE by mechanical activation and chemical modification combined with addition of nanofibers. Procedia Engineering (July 2009) Mesomechanics 2009, Edited by A. Korsunsky, D. Dini and G.C. Sih. Volume 1, Issue 1, P. 67-70.

2.C.B. Панин, Л.А. Корниенко, С. Ваннасри, С. Пирияон и др. Сравнение эффективности модифицирования СВМПЭ нановолокнами (С, А1203) и наночастицами (Си, Si02) при получении антифрикционных композитов. // Трение и износ, 2010, Т. 31, № 6, С. 603-611.

3.Панин C.B., Корниенко Л.А., Пирияон С. и др. Антифриционные нано-композиты на основе химически модифицировашшого СВМПЭ. Часть 1, Механические и триботехнические свойства химически модифицированнного СВМПЭ // Трение и износ, 2011, Т. 32, № 3, С. 271-276.

4. C.B. Панин, Л. А. Корниенко, С. Пирияон и др. Разработка антифрикционных нанокомпозитов на основе химически модифицированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Часть II. Влияние нано-наполнителей на механические и триботехнические свойства химически модифицированного СВМПЭ. Трение и износ, 2011, Т. 32, № 4, С. 233-239.

5.С.В. Панин, Л.А. Корниенко, С. Ваннасри, С. Пирияон и др. Влияние механической активации, ионной имплантации и типа наполнителей на формирование пленки переноса при трибосопряжении композитов на основе СВМПЭ. // Механика композитных материалов, 2011, Т. 47 № 5. С. 727-738.

6.Панин C.B., Панин В.Е., Корниенко Л.А., Пирияон С. и др. Модифицирование сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) нано-наполнителями для получения антифрикционных композитов. Известия ВУЗов. Химия и химическая технология // 2011. - Т. 54, вып. 7. С. 102-106.

7.С.В. Панин, Л.А. Корниенко, С. Пирияон и др. Разработка антифрикционных нанокомпозитов на основе химически модифицированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Часть 3: Сравнение модифицирующего действия компатибилизаторов на механические и трибо-технические свойства. Трение и износ, 2012, Т. 33, № 1, С. 62-68.

В других научных изданиях:

1. S. Piriyayon, Panin S.V., Ivanova L.R., Kornienko L.A. Composite polymeric materials based on uhmwpe modified with nano-sized fillers. // Proceedings of the 3rd International Conference of Deformation & Fracture of Materials and Nanomaterial. (DFMN 2009), Moscow, Russia, 12-15 October 2009. P. 598-599.

2. S.V. Panin, B.B. Ovechkin, S. Wannasri, S. Ptrtyayon, et al. Increasing wear resistance of UHMW-PE based composite materials by adding micro and nanomodifiers, mechanical activation, chemical modification and ion implantation. // Proceedings of the Sino-Russia International Conference on Material science 2009, Shenyang, China, 24-26 September 2009 -(CD) 6 p.

3. S. Piriyayon, S.V. Panin, L.R. Ivanova, L.A. Kornienko. Effect of Grafting on Hardness and Wear Resistance of UHMW-PE and HDPE-grafting Compounds. // Proceedings of the 4th International Forum on Strategic Technologies (IFOST'2009), 21-23 October, 2009, Ho Chi Min, Vietnam, Volume 3, P. 15-19.

4. S. Panin, L. Kornienko, S. Wannasri, S. Piriyayon, et al. Influence of mechanical activation, ion implantation and type of filler on formation of transfer film in tribounits of UHMWPE-based composites. // Book of abstracts of the 12* International Conference on Mechanics of composite materials, 24-28 May, 2010, Riga, Latvia, P. 149.

5. S.V. Panin, S. Wannasri, S. Piriyayon, et al. Influence of nanofillers, mechanical activation, chemical modification and ion implantation on structure and wear resistance of UHMW-PE based composite materials. // Proceedings of the 12' International Congress on Mesomechanics, Taipei, Taiwan, 21-25 June, 2010. P. 185-188.

6. Панин В.E., Панин С.В., Корниенко Л.А., Пирияон С. и др. Методы модификации сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) для создания антифрикционных композитов на его основе. // Сборник трудов VI Международного симпозиума по трибофатике, Беларусь, Минск 25 октября-1 ноября 2010 г. С. 335-341.

7. S.V. Panin, L.A Kornienko, L.R. Ivanova, S. Piriyayon et al. Design of Polymeric UHMWPE-based composite with increased Tribotechnical properties by Mechanical activation, ion implantation, Chemical modification and Nanofiller enforcement. // Proceedings of the 3rd International Conference on heterogeneous material mechanics (ICHMM-2011) 22-26 May, 2011 Shanghai (Chong Ming Island), China. P. 612-615.

8. S.V. Panin, L.A Kornienko, S. Piriyayon, et. al. Influence of chemical modification and high-energy irradiation on physical-mechanical and tribotechnical properties of UHMWPE-based nanocomposites. // Proceedings of the 13th International Conference on Mesomechanics, 6-8 July, 2011, Vicenza, Italy. P. 114-117.

9. S. Piriyayon, S.V. Panin, L.R. Ivanova. Influence of Adding Graft UHMWPE and Nanofillers onto Wear Resistance of Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) Mixture. // Proceedings of the 7 International Forum on Strategic Technologies (IFOST'2012), 17-21 September, 2012, Tomsk, Russia, Volume 1, P. 344-348.

Подписано к печати 24.09.2012. Формат 60*84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 1,1. Уч.-изд. л. 1,0.

_Заказ 1061 -12. Тираж 100 экз._

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Система менеджмента качества Издательства Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008

изшньство^тпу. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел/факс: +7 (3822) 56-35-35, www.tpu.ru

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Сомпонг Пирияон

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Структура и свойства полиэтилена и сверхвысокомолекулярного полиэтилена

1.2. Модификация полимеров

1.2.1. Блок-сополимеры и привитые сополимеры

1.2.2. Силановые аппреты в полимерах

1.3. Метод компрессионного спекания

1.4. Полимерные композиты

1.5. Характеристики трения и износа полимерных композитов

1.6. Формулировка задачи исследований

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Состав и методы получения нанокомпозитов на основе СВМПЭ при помощи ультразвукового диспергирования и компрессионного спекания

2.2. Состав и методика получения сополимера СВМПЭ + ПЭНД-прив-СМА и нанокомпозитов на их основе

2.3. Состав и методика получения сополимера СВМПЭ + СВМПЭ-прив-СМА и нанокомпозитов на их основе

2.4. Состав и методика получения сополимера СВМПЭ + ПЭНД-прив-ВТМС и нанокомпозитов на их основе

2.5. Методики экспериментальных исследований

2.5.1. Механические свойства

2.5.2. Анализ микроструктуры

2.5.3. Анализ шероховатости поверхности

2.5.4. Анализ химического состава

2.5.5. Оценка триботехнических характеристик

3. СТРУКТУРА, ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СМЕСЕЙ СВМПЭ И СВМПЭ, ПРИВИТОГО СТИРОЛ-МАЛЕИНОВЫМ АНГИДРИДОМ (СВМПЭ-ПРИВ

4. СТРУКТУРА, ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СМЕСЕЙ СВМПЭ И СВМПЭ, ПРИВИТОГО СТИРОЛ-МАЛЕИНОВЫМ АНГИДРИДОМ (СВМПЭ-ПРИВ-СМА) И НАНОНАПОЛНИТЕЛЕЙ, А ТАКЖЕ ПЭНД-ПРИВ-СМА И НАНОНАПОЛНИТЕЛЕЙ

4.1. Смесь СВМПЭ с добавлением СВМПЭ-прив-СМА и нанонаполнителей

4.1.1. Образцы смеси СВМПЭ + п мае. %СВМПЭ-прив-СМА 0,5 мае. % 8Ю2.

4.1.2. Образцы смеси СВМПЭ + п мае. %СВМПЭ-прив-СМА 0,5 мае. % А

4.1.3. Образцыв смеси СВМПЭ + п мае. %СВМПЭ-прив-СМА 0,5 мае. % Си

4.1.4. Образцы смеси СВМПЭ + п мае. %СВМПЭ-прив-СМА 0,5 мае. % УНВ

4.2. Смесь СВМПЭ с добавлением ПЭНД-прив-СМА и нанонаполнителей

4.2.1. Образцы смесей СВМПЭ + п мае. % ПЭНД-прив-СМА +

0,5 мае. % БЮг

4.2.2. Образцы смеси СВМПЭ + п мае. % ПЭНД-прив-СМА +

0,5 мае. % А

СМА), А ТАКЖЕ ПЭНД-ПРИВ-СМА

3.1. Смесь СВМПЭ с п вес. % СВМПЭ-прив-СМА

3.2. Смесь СВМПЭ с п вес. % ПЭНД-прив-СМА

Выводы по разделу

4.2.3. Образцы смеси СВМПЭ + п мае. %ПЭНД-прив-СМА +

0,5 мае. % Си

4.2.4. Образцы смеси СВМПЭ + п мае. %ПЭНД-прив-СМА +

0,5 мае. % УНВ

Выводы по разделу

5. СТРУКТУРА, ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ СМЕСЕЙ СВМПЭ С ДОБАВЛЕНИЕМ

ПЭНД-ПРИВ-ВТМС И НАНОНАПОЛНИТЕЛЕЙ

5.1. Образцы смесей СВМПЭ с п мае. % ПЭНД-прив-ВТМС

5.2. Смесь СВМПЭ с добавлением 10 масс. % ПЭНД-прив-ВТМС и 0.5 мас.% нанонаполнителей

Выводы по разделу

Введение 2012 год, диссертация по металлургии, Сомпонг Пирияон

Актуальность темы диссертации. Полимерные композиты, обладающие низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью в сочетании с приемлемыми деформационно-прочностными характеристиками и хорошей технологичностью, являются объектом активных научных исследований в приложении к созданию полимерных композиционных материалов для машиностроения. Вид используемых наполнителей определяется областью применения и условиями эксплуатации подобных антифрикционных материалов. Новые возможности открывает применение нанокомпозитов, поскольку уменьшение размеров армирующих частиц приводит к существенному изменению практически всех физических и химических свойств исходных компонентов и композита в целом [Галец М.К., 2007, Жиансонг Жу, 2005, Руан С.Л., 2003, Жу Ваобауг, 2004].

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) в ряду полимерных связующих занимает особое место благодаря высокой коррозионной и химической стойкости [Синха С.Р., 2009, Ши В., 2004], а также биосовместимости, открывая возможности применения этого полимера в медицине, в первую очередь, при создании эндопротезов. Основной проблемой при разработке антифрикционных композитов на основе СВМПЭ является его низкая адгезия к нанонаполнителям из-за отсутствия полярных групп. Поиск путей повышения адгезии сверхвысокомолекулярного полиэтилена к нанонаполнителям является актуальной научно-технической задачей [Бузник В.М., 2005, Купер Дж., 1993]. В настоящей работе сделана попытка повышения адгезии СВМПЭ к нанонаполнителям путем химической модификации полимера введением привитых стиролом малеинового ангидрида (СМА) и более сложным многополярным компонентом -винилтриметоксисиланом (ВТМС - СзН^ОзБ!) СВМПЭ и полиэтилена низкого давления (ПЭНД) в целях создания на его основе антифрикционных нанокомпозитов. Привитые сополимеры с функциональными группами являются эффективными компатибилизаторами (совместителями), улучшающими межфазную адгезию [Прут Э.В., 2001]. Механизм действия компатибилизатора заключается в том, что привитые сополимеры на основе СВМПЭ и ПЭНД имеют термодинамическое сродство с наполняемым неполярным полимером того же типа и хорошо совмещаются с ним. В то же время, компатибилизатор за счет активных функциональных групп может образовать прочные химические связи с наполнителем, что позволяет реализовать усиливающий эффект нанонаполнителей в плане физико-механических и триботехнических свойств СВМПЭ [Прут Э.В., 2001, Краснов А.П., 2007 и др.]. Подход, основанный на модификации материала путем образования более прочных связей на границе раздела фаз «полимер-нанонаполнитель», может оказаться эффективным и перспективным на пути расширения номенклатуры полимерных материалов и улучшения их технологических и эксплуатационных свойств.

Целью настоящей работы разработка новых композиционных материалов на основе СВМПЭ, модифицированных введением привитых сополимеров и нанонаполнителей; исследование структуры, механических и триботехнических свойств СВМПЭ, модифицированного введением различных по природе компатибилизаторов (малеиновый ангидрид - СМА и винилтриметоксисилан - ВТМС), а также нанокомпозитов на их основе.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи.

2. Изучить влияние нанонаполнителей (ЗЮг, АЬОз, Си и углеродных нановолокон - УНВ) на структуру, механические и триботехнические свойства композиционных материалов на основе СВМПЭ, условно химически модифицированного введением привитых малеиновым ангидридом СВМПЭ и ПЭНД (СВМПЭ-прив-СМА и ПЭНД-прив-СМА). 6

3. Исследовать влияние введения ПЭНД, привитого триви-нилметаксисила-ном (ПЭНД-прив-ВТМС) и нанонаполнителей (8102, А^Оз, Си и УНВ) на структуру, механические и триботехнические свойства композиционных материалов на основе СВМПЭ.

Научная новизна. В работе впервые: Показано, что условная химическая модификация СВМПЭ введением полимерных порошков СВМПЭ-прив-СМА, ПЭНД-прив-СМА, ПЭНД-прив-ВТМС при компрессионном спекании повышает степень кристалличности композита при сохранении сферолитной надмолекулярной структуры, что обеспечивает заметное повышение предела прочности на растяжение, а также возрастание в несколько раз сопротивления изнашиванию при сухом трении скольжения.

Работа выполнялась в рамках следующих грантов, договоров и программ: РФФИ 10-08-90011-Бела «Разработка, диагностика и аттестация наноструктурированных полимерных композиционных материалов для имплантатов»; РФФИ 09-08-00752-а «Научные основы повышения механических характеристик композиционных материалов на основе СВМПЭ с наномодификаторами путем активации межфазных взаимодействий на интерфейсах "полимер-наполнитель"; Государственный контракт № П1913 от 29 октября 2009 г. «Исследование основных электрофизических и физико-механических характеристик новых твердых полимерных нанодиэлектриков»; Государственный контракт № П407 от 30 июля 2009 г. «Разработка, создание и исследование микро- и наноструктурированных полимерных композиционных материалов с повышенными физико-механическими характеристиками для электроразрядных и пучково-плазменных технологий»; совместный проект фундаментальных исследований НАНБ и ИФПМ СО РАН №8 «Создание отечественных биосовместимых нанокомпозитов на основе СВМПЭ и ПТФЭ для эндо- и кардиопротезов»; проект программы ОЭМППУ РАН №13.2 «Разработка многоуровневой гибридной модели пластической деформации и разрушения в условиях трибосопряжения».

Достоверность определяется применением комплекса современных методов исследований, систематическим характером проведения экспериментов и их обработки, согласованностью с результатами подобных исследований других авторов.

Вклад автора: Вклад автора состоит в приготовлении порошковых смесей для компрессионного спекания образцов; проведении испытаний образцов на износ, растяжение; подготовке образцов для определения их структуры на ИК-спектрометре и степени кристалличности на дифференциальном сканирующем калориметре (в рамках НАЦ ТПУ); подготовке сколов образцов для исследования надмолекулярной структуры на растровом электронном микроскопе (в рамках ЦКП «Нанотех» ИФПМ СО РАН); определении твердости образцов по Шору Д; измерении интенсивности изнашивания, механических свойств, анализа шероховатости дорожек трения на оптическом профилометре; обработке результатов экспериментов, совместном участии в написании текста статей.

Положения, выносимые на защиту.

• rd •

Material science, Shenyang, China, 2009; The 3 International Conference on Deformation & Fracture of Materials and Nanomaterials (DFMN-2009), Moscow, Russia, 2009; XVI International Conference on Mechanics of Composite Materials (MCM-2010), Riga, Latvia, 2010; The 12th International Conference on

Mesomechanics, Taipei, Taiwan, 2010; International conference on Strength of j

Materials and Structure Elements, Kyiv, Ukraine. 2010; The 3 International Conference on heterogeneous material mechanics (ICHMM-2011), Shanghai (Chong Ming Island), China, 2011; The 13th International Conference on Mesomechanics, Vicenza, Italy, 2011; III Всероссийская конференция по наноматериалам (НАНО-2009), Международной конференции (Поликомтриб-2009), Гомель, Беларусь, 2009; III Всероссийской конференции по наноматериалам (НАНО-2009) ИФМ УрО РАН, г.Екатеринбург, 2009; Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, г. Томск, 2009; IX, X Всероссийских школах-семинарах «Новые материалы. Создание, структура, свойства», г. Томск, 2009, 2010; VI Международном симпозиуме по трибофатике, Минск, Беларусь, 2010; Всероссийской научно-технической конференции «Трибология - Машиностроению, г. Москва, 2010; IV Всероссий-ская конференция по наноматериалам (НАНО-2011), г.Москва, 2011; Между-народной конференции по физической мезомеханике

-ц материалов, Томск, 2011, The 7 International Forum on Strategic Technologies (IFOST'2012), Tomsk, 2012.

Публикации. Результаты работы изложены в 17 публикациях (в том числе 7 статей в рецензируемых журналах).

В первом разделе приводится обзор литературы по механизмам изнашивания СВМПЭ, описываются основные подходы, используемые для повышения его износостойкости. Приведены данные по реализованным подходам к химической модификации полимеров (прежде всего, термопластов), а также типичным компатибилизаторам, обеспечивающим формирование межфазной связи полимерного связующего и наполнителя. Представлен анализ работ, посвященных повышению триботехнических свойств СВМПЭ введением микро- и нанонаполнителей различной природы. В завершении первого раздела на основе проведенного литературного обзора приводится постановка задачи исследований.

Во втором разделе описываются материалы и экспериментальные методы, использованные в работе. Для химической модификации СВМПЭ матрицы применяли порошки СВМПЭ и ПЭНД, привитые СМА и ВТМС. Прививку порошка СВМПЭ проводили в твердой фазе в атмосфере озона с использованием реакционных газов. Степень прививки была значительно меньше 1 %. ПЭНД прививали в расплаве в шнековом экструдере с последующим формированием гранулята размером несколько миллиметров. Последующее измельчение в порошок дисперсностью несколько сотен мкм проводили путем механического помола при комнатной температуре. Степень прививки составляла ~1.5 %. Для аттестации структуры использовали дифференциальную сканирующую колориметрию, сканирующую электронную микроскопию, ИК-спектрометрию. Механические испытания проводили на электромеханической машине Instron 5582, испытания по схеме вал-колодка проводили на машине СМТ-1. Шероховатость дорожек трения оценивали с помощью оптического интерференционного профилометра New View 6200. Твердость по Шору Д оценивали с использованием прибора Instron 902 (Duro 2000).

Третий раздел посвящен исследованиям механических и триботехнических характеристик композиций на основе СВМПЭ с различным содержанием 3-20 мае. % СВМПЭ-прив-СМА и ПЭНД-прив-СМА, введенного в исходную порошковую смесь. Описаны способы химической модификации материала, результаты экспериментов и проведено их обсуждение.

В четвертом разделе исследованы наполненные нанопорошками и нановолокнами композиты на основе смесей, механические и триботехнические свойства которых представлены в предыдущем разделе. Анализировали механические и фрикционные характеристики нано-композитов на основе смесей «СВМПЭ+СВМПЭ-прив-СМА» и «СВМПЭ+ПЭНД-прив-СМА» с различным содержанием привитых комопнентов (3-20 мае. %). Использовали нановолокна углерода УНВ (внешний 0 60 нм, длина 2-3 мкм) и А120з (0 1-10 нм), а также наночастицы Си (0 ~90 нм) и Si02 (0 20-30 нм) с содержанием 0,5 мае. %. Дополнительно для целей сравнения были изготовлены образцы только из привитого СВМПЭ, модифицированного введением нанонаполнителей (100 мае. % СВМПЭ-прив-СМА). Излагаются и обсуждаются причины изменения структуры и свойств химической модификации ованных образцов и нанокомпозитов.

В пятом разделе для сравнительного анализа влияния различного типа компатибилизаторов на механические и триботехнические характеристики смесей на основе СВМПЭ добавляли различное количество привитого компонента (3-20 мае. %) в виде ПЭНД-прив-ВТМС. В качестве нанонаполнителей также использовали нановолокна углерода С и AI2O3, наночастицы меди Си и SiC>2 с содержанием 0,5 мае. %. В разделе излагаются данные анализа изменений структуры, произошедших в результате облучения а также их обсуждение.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях в рецензируемой литературе.

1. S. Wannasri, S.V. Panin, L.R. Ivanova, L.A. Kornienko, S. Piriyayon. Increasing wear resistance of UHMWPE by mechanical activation and chemical modification combined with addition of nanofibers. Procedia Engineering (July 2009) Mesomechanics 2009, Edited by A. Korsunsky, D. Dini and G.C. Sih. Vol. 1, Is. 1, P. 67-70.

2. C.B. Панин, JI.A. Корниенко, С. Ваннасри, С. Пирияон и др. Сравнение эффективности модифицирования СВМПЭ нановолокнами (С, AI2O3) и наночастицами (Си, Si02) при получении антифрикционных композитов. //Трение и износ, 2010, Т. 31, № 6, С. 603-611.

3. Панин С.В., Корниенко JI.A., Пирияон С. и др. Антифриционные нанокомпозиты на основе химически модифицированнного СВМПЭ. Часть 1, Механические и триботехнические свойства химически модифицированнного СВМПЭ // Трение и износ, 2011, Т. 32, № 3, С. 271276.

4. С.В. Панин, JI.A. Корниенко, С. Пирияон и др. Разработка антифрикционных нанокомпозитов на основе химически модифицированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Часть II. Влияние нанонаполнителей на механические и

13 триботехнические свойства химически модифицированного СВМПЭ. Трение и износ, 2011, Т. 32, №4, с. 233-239.

5. C.B. Панин, JI.A. Корниенко, С. Ваннасри, С. Пирияон и др. Влияние механической активации, ионной имплантации и типа наполнителей на формирование пленки переноса при трибосопряжении композитов на основе СВМПЭ. // Механика композитных материалов, 2011, Т. 47 №5. С. 727-738.

6. Панин C.B., Панин В.Е., Корниенко JI.A., Пирияон С. и др. Модифицирование сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) нанонаполнителями для получения антифрикционных композитов. Известия ВУЗов. Химия и химическая технология // 2011. - Т. 54, вып. 7. С.102-106.

7. C.B. Панин, JI.A. Корниенко, С. Пирияон и др. Разработка антифрикционных нанокомпозитов на основе химически модифицированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Часть 3 : Сравнение модифицирующего действия компатибилизаторов на механические и триботехнические свойства. Трение и износ, 2012, Т. 33, №1, с. 62-68.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Приводится обзор литературы по механизмам изнашивания СВМПЭ, описываются основные подходы, используемые для повышения его износостойкости. Приведены данные по реализованным подходам к химической модификации полимеров (прежде всего термопластов), а также типичным компатибилизаторам, обеспечивающим формирование межфазной связи полимерного связующего и наполнителя. Представлен анализ работ, посвященных повышению триботехнических свойств СВМПЭ введением микро- и нанонаполнителей различной природы. В завершение первого раздела на основе проведенного литературного обзора приводится постановка задачи исследований.

Заключение диссертация на тему "Структура, механические и триботехнические свойства нанокомпозитов на основе условно химически модифицированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена"

Выводы к разделу 4

Исследования физико-механических и триботехнических характеристик, а также структуры нанокомпозитов на основе условно химически модифицированного СВМПЭ, показали:

• нанокомпозиты на основе условно химически модифицированного СВМПЭ (СВМПЭ + п масс. % СВМПЭ -прив- СМА и СВМПЭ + п масс. % ПЭНД-прив-СМА) имеют физико-механические и триботех-нические свойства близкие к нанокомпозитам на основе исходного СВМПЭ;

• надмолекулярная структура нанокомпозитов на основе условно химически модифицированного СВМПЭ идентична структуре композитов на основе исходного СВМПЭ (сферолитная); износостойкость нанокомпозитов на основе СВМПЭ в значительной степени определяется характером сформировавшейся надмолекулярной структуры.

5. СТРУКТУРА, ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ СМЕСЕЙ СВМПЭ С ДОБАВЛЕНИЕМ ПЭНД-ПРИВ-ВТМС И НАНОНАПОЛНИТЕЛЕЙ

В Главе 4 настоящей работы были рассмотрены вопросы повышения триботехнических и физико-механических свойств композитов (смесей) на основе СВМПЭ путем добавления ПЭНД, привитого стиролом малеинового ангидрида (СМА), а также наноразмерных наполнителей. В данной главе представлены результаты экспериментов по улучшению триботехнических и механических свойств модифицированного полимера на основе СВМПЭ при добавлении ПЭНД, привитого более сложным компонентом - винилтри-метоксисиланом (ПЭНД-прив-ВТМС).

5.1. Образцы смесей СВМПЭ с п мае. % ПЭНД-прив-ВТМС

Триботехнические характеристики. На рис. 5.1.1 приведен график изменения пощади дорожки трения образцов по мере испытаний на сухое трение скольжения. Видно, что износостойкость образцов смесей повышалась при добавлении СВМПЭ-прив-ВТМС к чистому СВМПЭ в исследованном диапазоне содержания привитого компонента. Максимальное сопротивление изнашиванию показал образец, содержащий 5 мае. % ПЭНД-прив-ВТМС. На рис. 5.1.1 видны два хорошо различимых участка, при этом стадия установившегося износа соответствует времени испытаний (=60-180 мин. На рис. 5.1.2 приведена диаграмма интенсивности изнашивания всех исследованных композиций. Видно, что максимальное сопротивление изнашиванию соответствует образцам с содержанием привитого компонента 5-10 мас.% (соответствует 0,015 мм /мин.), после чего наблюдается повышение интенсивности износа. Таким образом, сопротивление изнашиванию таких образцов увеличивается примерно в 3 раза по сравнению с таковым для образца чистого СВМПЭ. Данные результаты хорошо согласуются с данными триботехнических испытаний смесей СВМПЭ +п мае. % ПЭНД-прив-СМА, что свидетельствует об аналогии воздействия введения привитого ПЭНД на изменение сопротивления изнашиванию при сухом трении скольжения. U н 2 л g — 3 с

0.06 * i i ill* <

UHMWPE - HDPEgVTMS 3 -A HDPEgVTMS 5 т HDPEgVTMS 10 -4- HDPEgVTMS 20

60 120 Время (мин)

180 г ¿г ^ J

4? #

Рис. 5.1.1. Изменение площади дорожки трения при испытаниях по схеме «вал-колодка» образцов СВМПЭ и его смесей с различной объемной долей ПЭНД-прив-ВТМС

Рис. 5.1.2. Диаграмма интенсивности изнашивания образцов СВМПЭ и его смесей с ПЭНД-прив-ВТМС

Оптические изображения дорожек трения после проведения испытаний в течение 180 минут приведены на рис. 5.1.3. На краях дорожки трения всех исследованных образцов наблюдается формирование пленки (накопление продуктов) износа, сформировавшейся вследствие постепенного удаления продуктов изнашивания из зоны трибоконтакта и свидетельствующее о преимущественном деформационном характере изнашивания. Также видно, что на дорожке трения образца чистого СВМПЭ (рис. 5.1.3, а) видны царапины, которые сильнее выражены по сравнению с образцами остальных смесей (рис. 5.1.3, (2-7)), что хорошо коррелирует с результатами более высокой износостойкости последних. а) " (в)

Рис. 5.1.3. Оптические изображения дорожки трения после окончания испытаний на сухое трение скольжения: (а) СВМПЭ, и СВМПЭ с добавлением ПЭНД-прив-ВТМС в количестве (Ь) 3, (с) 5, (с!) 10 и (е) 20 мае. %

Структура и химический состав. На РЭМ-изображениях на рис. 5.1.4, б представлена надмолекулярная структура образца смеси СВМПЭ + 10 мае. % ПЭНД-прив-ВТМС. Как уже неоднократно отмечалось выше в образце чистого СВМПЭ надмолекулярная структура имеет сферолитный характер. После добавления привитого компонента сферолитная структура сохраняется (см. рис. 5.1.4, Ь). Средний диаметр сформировавшихся сферолитов можно оценить как равный -100 мкм - 300 мкм. а) (Ь)

Рис. 5.1.4. РЭМ-изображения надмолекулярной структуры а) СВМПЭ, и Ь) СВМПЭ с добавлением 10 мае. % ПЭНД-прив-ВТМС

На приведенном на рис. 5.1.5 ИК Фурье-спектре видно, что добавление в СВМПЭ 10 мае. % ПЭНД-прив-ВТМС практически не изменяет вид ИК Фурье-спектра, в котором присутствуют следующие максимумы: 720,2 см"1 (деформационные С-Н колебания), 1467,3 см"1 (ножничные СН2 колебания), 2851,5 и 2927,3 см"1 (ассиметричные валентные СН2 колебания), и 1067,3 см"1 (валентные С-О колебания). Установлено, что интенсивности большинства пиков в спектре смеси СВМПЭ+10 мае. % ПЭНД-прив-ВТМС выше, чем таковые у образца чистого СВМПЭ.

О 8

О 4

0 2

О О

- СВМПЭ

НОРЕвУТМв 10

1 >1,:Й Т '|\ N * Л1»/

I---1---1—

3000 2000 1 000

Длина волны, см'1)

Рис. 5.1.5. Инфракрасный Фурье-спектр СВМПЭ с добавлением 5 и 10 мае. % ПЭНД-прив-ВТМС

Степень кристалличности. Добавление в СВМПЭ 10 мае. % ПЭНД-прив-ВТМС вызывает повышение степени кристалличности композита на основе СВМПЭ. Если степень кристалличности чистого СВМПЭ составляет 48,6% (см. рис. 5.1.6, а), то при введении привитого компонента она возрастает до 53,5 % (см. рис. 5.1.6, Ь).

ОвС-ТвА Оператор Мо'о«»4 Т

Дате 27-Мо»-г009 10 44 Прибор ЗОТ ОвОО VI и! С \ТЛ*>в1ультжты1Кор.4«(и«о .

ОБС-ЮА Оператор Мо'огоуа Т

Дж» 1в-Алр-2011 14 03 - " * ЗОТ ОвОО У20 В Ви|Ц 20

50 100 150 200 250 300 Эоо «вер* Температура (*С)

Ь)

Рис. 5.1.6. Термограммы, полученные методом дифференциальной сканирующей калориметрии для образцов (а) СВМПЭ и (Ь) СВМПЭ с добавлением 10 мае. % ПЭНД-прив-ВТМС

Механические характеристики. Влияние добавления различного содержания ПЭНД-прив-ВТМС на физико-механические свойства композитов на основе СВМПЭ иллюстрируется данными, приведенными на рис. 5.1.7 и в Таблице 5.1.1. Видно, что плотность композитов на основе СВМПЭ не меняется при добавлении ПЭНД-прив-ВТМС, и составляет приблизительно 0,94 г/ем . Увеличение содержания ПЭНД-прив-ВТМС от 3 до 20 мае. % приводит к незначительному снижению предела прочности (ниже 30 МПа), в то время как удлинение до разрушения образцов всех смесей по сравнению с чистым СВМПЭ несколько возрастает. Максимальное изменение механических характеристик наблюдалось при добавлении 20 мае. % ПЭНД-прив-ВТМС: предел текучести равен 16,8 МПа, предел прочности - 27,4 МПа, а удлинение при разрыве составило 512,5%, что примерно на 40 % больше, чем для чистого СВМПЭ.

30 ей

Предел прочность ^ ^ Л*

600

400

200

Удлинение

А? ¿р /$> / ^ ^

Л* Л* ^ ^ а) (Ь)

Рис. 5.1.7. Результаты испытания на растяжение образцов СВМПЭ с добавлением п мае. % ПЭНД -прив- ВТМС (а) предел прочности и (Ь) удлинение до разрушения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании полученных результатов были сформулированы следующие выводы:

2. Показано, что нанокомпозиты на основе условно химически модифицированного СВМПЭ (смеси СВМПЭ+п мае. % СВМПЭ-прив-СМА, СВМПЭ+п мае. % ПЭНД-прив-СМА, СВМПЭ+п мае. % ПЭНД-прив-ВТМС) имеют механические и триботехнические свойства несколько меньше таковых для нанокомпозитов на основе чистого СВМПЭ, что обусловлено конкурирующим влиянием на процесс формирования надмолекулярной структуры наночастиц и привитых полярных групп. Последнее может сопровождаться частичной агломерацией наночастиц наполнителя, ростом размеров сферолитов, снижением степени кристалличности.

3. Установлено, что условная химическая модификация СВМПЭ введением привитых сополимеров не сопровождается существенным изменением вида ИК-спектра, что свидетельствует о неизменности адгезионной связи между полимерной матрицей и частицами нанона-полнителя. Показано, что введение компонентов, привитых малеиновым ангидридом, является более эффективным способом повышения комплекса механических и триботехнических свойств смесей на основе СВМПЭ-матрицы по сравнению с ВТМС, что связано с более высокой реакционной способностью СМА.

Автор выражает благодарность Л.А. Корниенко, Л.Р. Ивановой за помощь в приготовлении образцов и проведении ряда экспериментов, а также академику В.Е. Панину за помощь в организации и проведении исследований, ценные замечания, пожелания, сделанные при обсуждении работы. Исследования надмолекулярной структуры проводили в Центре коллективного пользования «Нанотех» в ИФПМ СО РАН.

Библиография Сомпонг Пирияон, диссертация по теме Материаловедение (по отраслям)

1. Mossman, S. Т. I. and Morris, P. J. T. eds (1994) The Development of Plastics. Royal Society of Chemistry, Cambridge.

2. Seymour, R. B. ed (1989) Pioneers in Polymer Science. Kulwer Academic Publishers, Dordrecht.

3. I. L. Levowitz, Modern Plastic Encyclopedia'99, McGraw-Hill, New York, 1999, vol. 75, pp. B3-B6.

4. Baker, A.-M. M. and Mead, J. (1999) Thermoplastics. In Modern Plastics Handbook, Harper, C. ed. McGraw-Hill.

5. Howmedica, Inc. Facts on UHMWPE: Part One of a Series on Ultra-High Molecular Weight Polyethylene, "Overview and Fundamentals of UHMWPE, (1994) pp. 1-8

6. Li, S. and Burstein, A. H. (1994) Ultra-high molecular weight polyethylene. The material and its use in total joint implants. Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume 76 (7), 1080-1090.

7. Domininghaus, H. (1993) Plastics for Engineers: Materials, Properties and Applications. Hanser, Munich.

8. Osswald, T. A. and Menges, G. (1995) Materials Science of Polymers for Engineers. Hanser, Munich.

9. Shackelford, J. F. (1996) Introduction to Materials Science for Engineers. Prentice Hall, New Jersey.

10. Askeland, D. R. (1994) The Science and Engineering of Materials. PWS, Boston.

11. Lin, L. and Argon, A. S. (1994) Structure and plastic deformation of polyethylene. Journal of Materials Science 29 (2), 294-323.

12. Fettes, E.M., Ed., Chemical Reactions of Polymers, Interscience, New York, 1964.

13. Mark, H., Gaylord, N.G., and Bikales, N.M., Eds., Encyclopedia of Polymer Science and Technology, Interscience, New York, 1976.

14. Ceresa, R.J., Block and graft copolymers, in Encyclopedia of Polymer Science and Technology, Mark, H., Gaylord, N.G., and Bikales, N.M., Eds., Interscience, New York, 1976.

15. Kelly A. Davis and Krzysztof Matyjaszewski; Statistical, Gradient, Block, and Graft Copolymers by Controlled/Living Radical Polymerizations; Advances in Polymer Science, 2002, Volume 159, 107-152

16. Z. Yao, Z. Yin, G. Sun, C. Liu, J. Tong, L. Ren, J. Yin, Morphology, thermal behavior, and mechanical properties of PA6/UHMWPE blends with HDPE-g-MAH as a compatibilizing agent. Journal of Applied Polymer Science. 2000, 75, 232-238.

17. Landry C.J.T., Coltrain B.K., Teegarden D.M., Long T.E & Long V.K. (1996): Use of Organic Copolymers as Compatibilizers for Organic-Inorganic Composites. Macromolecules, vol. 29, pp. 4712-4721.

18. Plueddemann E.P. (1982): Silane Coupling Agents. Plenum Press, New York.

19. Paul J.T. (1969): Glass Fiber Reinforced Crystalline Polypropylene Composition and Laminate. U.S. Patent # 3437550.

20. Plank D.A. (1974): Grafted Polyolefins as Stabilizer Components in Polyolefms. U.S. Patent # 3849516.

21. Steinkamp R.A. & Grail T.J. (1975): Polymers with Improved Properties and Process Therefor. U.S. Patent # 3862265.

22. McConnell R.G. (1975): Polypropylene/Acrylic Acid Graft Copolymers. U.S. Patent # 3862266.

23. Stralin A. & Hjertberg T. (1993): Adhesion between Hydrated Aluminium and Ethylene Copolymers Contaning Methoxy Silane Groups. Journal of Adhesion, vol. 41, pp. 51-80.

24. Yamamoto M. & Ohata M. (1996): New molecular silane coupling agents synthesized by living anionic polymerization; grafting of these polymers onto inorganic particles and metals. Progress in Organic Coatings, vol. 27, pp. 277285.

25. Feller J.F., Chabert B., Guyot A., Spitz R., Wagner H.D. & Gerard J.F. (1996): Silane grafted isotactic polypropylene as a coupling agent on glass. Consequence on the interfacial adhesion. Journal of Adhesion, vol 58, pp. 299313.

26. Gonon L., Chabert B., Bernard A., van Hoyweghen D. & Gérard J.F. (1997): New coupling agents as Adhesion Promoters at the Poly (Phenylene Sulfide)/Glass Interface Studies with Micro and Macro Composites. Journal of Adhesion, vol. 61, pp.271-292.

27. Wu S. (1982): Polymer interface and adhesion Marcel Dekker Inc. New York.

28. P. J. James, Isostatic Pressing Technology, p. 221, Applied Science Publishers, London (1983).

29. P. Jarvela, V. Heponen, P. Tormala, and P. Jarvela, Hot Isostatic Pressing of Plastics. Polymer Communications., 27, 180-181 (1986).

30. Z. Tadmor and C. G. Gogos, Principles of Polymer Processing, p. 305, John Wiley & Sons (1979).

31. E. R. Baumgaertner, U.S. Patent 3,847,888 (1974).

32. K. S. Han, J. F. Wallace, R. W. Truss, and P. H. Geil, Powder compaction sintering and rolling of UHMWPE and its composites, Journal of Macromolecular Science: Physics., B19, 313-349 (1981).

33. D. M. Bigg and M. M. Epstein, Proceedings of the International Conference on Polymer Processing, N. P. Suh and N.-H. Sung, eds., The MIT Press, Cambridge, Massachusetts (1977).

34. A. Barnetson and P. R. Hornsby, Observations on the sintering of ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) powders., Journal of Materials Science Letters, 14, 80-84 (1995).

35. G. W. Halldin and I. L. Kamel, Powder processing of ultra-high molecular Weight Polyethylene. I. Powder Characterization and Compaction., Polymer Engineering and Science., 17, 21-26 (1977).

36. R. W. Truss, K. S. Han, J. F. Wallace, and P. H. Geil, Cold compaction molding and sintering of ultra-high molecular weight polyethylene Polymer Engineering and Science., 20, 747-755 (1980).

37. G. L. England and J. C. Higgins, U.S. Patent 5,466,530 (1995).

38. S. M. Kurtz, O. K. Muratoglu, M. Evans, and A. A. Edidin, Advances in the processing, sterilization and crosslinking of ultra-high molecular weight polyethylene for total joint arthroplasty. Biomaterials, 20, 1659-1688 (1999).

39. R. M. Gul, Improved UHMWPE for Use in Total Joint Replacement, PhD Thesis, Department of Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology (1997).

40. D. F. Farrar and A. A. Brain, The microstructure of ultra-high molecular weight polyethylene used in total joint replacements. Biomaterials, 18, 16771685 (1997).

41. J. J. Wu, C. P. Buckley, and J. J. O'Connor, Mechanical integrity of compression-moulded ultra-high molecular weight polyethylene: effects of varying process conditions. Biomaterials, 23, 3773-3783 (2002).

42. R. H. Olley, I. L. Hosier, D. C. Bassett, and N. G. Smith, On morphology of consolidated UHMWPE resin in hip cups., Biomaterials, 20, 2037-2046 (1999).

43. Chronakis, I. S. (2005). "Novel nanocomposites and nanoceramics based on polymer nanofibers using electrospinning process a review." Journal of Materials Processing Technology 167(2 3):283 - 293.

44. Huang D, Yang Y, Li B, Impact behavior of phenolphthalein poly(ether sulfone)/ultrahigh molecular weight polyethylene blends., (1998) Journal of Applied Polymer Science. 67:113-118

45. Lim K.L.K, Mohd Ishak Z.A, Ishiaku U.S, Fuad A.M.Y, Yusof A.H, Czigany T,Pukanszky B, Ogunniyi D.S, High density polyethylene/ultra-high molecular weight polyethylene blend (2005) Journal of Applied Polymer Science., 97: 413-425

46. Tincer T, Coskun M, Melt blending of ultra-high molecular weight and high density polyethylene : the effect of mixing rate on thermal, mechanical, and morphological properties (1993) Polymer engineering and science 33:12431250

47. Suwanprateeb J, Binary and ternary particulated composites: UHMWPE/CaC03/HDPE., (2000) Journal of Applied Polymer Science., 75:1503-1513

48. Boscoletto B.A, Franco R, Scapin M, An investigation on rheological and impact behaviour of high density and ultra-high molecular weight polyethylene mixtures., (1997) European Polymer Journal. 33:97-105

49. B. Larin, A. Y. Feldman, H. Harel, G. Marom, Morphology and mechanical properties of melt drawn chopped UHMWPE fibers/HDPE blends., Polymer Engineering and Science. 2006, 46, 807-811.

50. H. Unal, U. Sen, and A. Mimaroglu, Abrasive behavior of polymeric materials Materials and Design., 26,705-710 (2005).

51. J.J. Rajesh and J.Bijwe, Abrasive wear performance of various polyamides Wear, 252, 769-776 (2002).

52. J.J. Rajesh and J. Bijwe, "Investigations on Scratch Behavior of Various Polyamides" Wear, 259, 661-668 (2005).

53. H. Unal and A. Mimaroglu, Friction and wear behaviour of unfilled engineering thermoplastics Materials and Design., 24, 183-187 (2003).

54. Z. H. Yao and Z. H. Yin. "Morphology thermal behavior, and mechanical properties of PA6/UHMWPE blends with HDPE-g-MAH as a compatibilizing agent," Journal of Applied Polymer Science, 75, 232-238 (2000).

55. Ruan SL, Gao P, Yang XG, Yu TX. Toughening high performance ultrahigh molecular weight polyethylene using multiwalled carbon nanotubes. Polymer 2003; 44:5643-5654.

56. Ruan S, Gao P, Yu TX. Ultra-strong gel-spun UHMWPE fibers reinforced using multiwalled carbon nanotubes. Polymer 2006; 47: 1604-1611.

57. Alexandre,M.;Dubois, Polymer-layered silicate nanocomposites: preparation, properties and uses of a new class of materials, Materials Science and Engineering: R: Reports 2000, 28, 1-63.

58. Ray,S.S.;Okamoto, "Polymer/Layered Silicate Nanocomposites: A Review from Preparation to Processing" Progress in Polymer Science. 2003, 28, 15391641.

59. E. Manias, A. Touny, L. Wu, K. Strawhecker, B. Lu, T.C. Chung, "Polypropylene/Montmorillonite Nanocomposites: A Review of Synthetic Routes and Materials Properties". Chemistry Materials 2001, 13, 3516-3532.

60. Ahmadi,S.J.;Huang,Y.D.; Li, W. Review, synthesis routes, properties and future application of polymer-layered silicate nanocomposites. Journal of Materials Science 2004, 39, 1919-1925

61. Sza'zdi L.; Puka'nszky B., Vancso G.J.; Quantitative estimation of the reinforcing effect of layered silicates in PP nanocomposites. Polymer 2006, 47, 4638-4648.

62. López-Quintanilla, M., Sánchez-Valdés, S., Ramos de Valle, L., Guedea Miranda, R., Preparation and Mechanical Properties of PP/PP-g-MA/Org-MMT. Nanocomposites with Different MA Content R.G. Polymer Bulletins 2006, 57, 385-393.

63. Dennis, H. R.; Hunter, D. L.; Chang, D.; Kim, S.; White, J. L.; Cho, J. W.;. Paul, D. R. Effect of melt processing conditions on the extent of exfoliation in organoclay-based nanocomposites Polymer 2001,42,9513-9522.

64. Chen-Yang,Y.W.;Yang,H.C.;Li,GJ.;Li,Y.K Thermal and anticorrosive properties of polyurethane/clay nano- composites. Journal of Polymer Research 2004, 11,275-283.

65. Pegoretti, A.; Kolarik, J.; Peroni,C.;Migliaresi, C. Recycled poly (ethylene terephthalate)/layered silicate nanocomposites: morphology and tensile mechanical properties, Polymer 2004, 45, 2751-2759.

66. C.I.W. Calcagno, C.M. Mariani, S.R. Teixeirad and R.S. Mauler, The effect of organic modifier of the clay on morphology and crystallization properties of PET nanocomposites Polymer2007, 48, 966-974.

67. Gahleitner, M.; Kretzschmar, B.; VanVliet, G.; Devaux, J.; Pospiech, D.; Bernreitner,K.; Ingolic, E. Rheology/morphology interactions in polypro-pylene/polyamide-6 nanocomposites. RHEOLOGICA ACTA 2006, 45, 322330.

68. Zaragoza, M.V.;'Vargas,E.R.;Rodn 'guez,F.J.M.;Marti 'nez,

69. B.M.H. Thermal stability and flammability properties of heterophasic PP-EP/EVA/organoclay nanocomposites., Polymer Degradation and Stability 2006,91, 1319-1925.

70. Ray,S.S.;Pouliot,S.;Bousmina,M.;Utracki,L.A. Role of organically modified layered silicate as an active interfacial modifier in immiscible polystyrene/polypropylene blends Polymer 2004, 45, 8403-8413.

71. Neogi, S.; Hashmi, S.A.R.; Chand, N. Role of PET in Improving Wear properties of PP in Dry Sliding Condition, Bulletin of Materials Science 2003,26, 579-583.

72. Ding, C.; Jia, D.; He, H.; Guo,B.; Hong, H. How organo-montmorillonite truly affects the structure and properties of polypropylene Polymer Testing 2005, 24, 94-100.

73. Lertwimolnun, W.;Vergnes, Influence of compatibilizer and processing conditions on the dispersion of nanoclay in a polypropylene matrix., Polymer 2005,46, 3462-3471.

74. Modesti,M.;Lorenzetti,A.;Bon,D.;Besco,S. Thermal behaviour of compatibilised polypropylene nanocomposite: Effect of processing conditions Polymer Degradation and Stability 2006, 91, 672-680.

75. Bertin,F.;Canetti,M.;Audisio,G.;Costa,G.;Falqui,L. Characterization and thermal degradation of propylene-montmorillonite nanocomposites, Polymer Degradation and Stability. 2006,91,600-6005.

76. Laszlo Szazdi, Bela Pukanszky Jr., Eniko Foldes, and Bela Pukanszky. Possible mechanism of interaction among the components in MAPP modified layered silicate PP nanocomposites. Polymer, 2005, 46, 8001-8010.

77. A. SHI and Y. GONG, "Engineering Plastic Properties, Processing, and Applications" Shanghai Science and Technology Press, Shanghai, China, 1986.

78. J. TONG, L. REN, B. CHEN and A. R. QAISRANI, Characteristics of adhesion between soil and solid surfaces. Journal of Terramechanics. 32 (1994) 93-105.

79. J. TONG, L. REN, J. YAN, Y. MA and B. CHEN., Adhesion and Abrasion of several materials against soil, International Agricultural Engineering Journal. 8 (1999) 1-22

80. B. J. Briscoe, S. K. Sinha, Wear of polymers. Proceedings of the Institution of. Mechanical Engineers Part J-Journal of Engineering Tribology 216 (J6) (2002). 401-413

81. Klaus Friedrich and Alois K. Schlarb, Tribology and Interface Engineering Series, 55; Elsevier, 2008

82. Pascaud RS, Evans WT, McCullagh PJJ, FitzPatrick DP. Influence of gammairradiation sterilization and temperature on the fracture toughness of ultra-high-molecular-weight polyethylene. Biomaterials 1997; 18:727-735.

83. Wang A, Polineni VK, Stark C, Dumbleton JH. Effect of femoral head surface roughness on the wear of ultrahigh molecular weight polyethylene acetabula cups. Journal of Arthroplasty 1998; 6:615-620.

84. Turell ME, Friedlaender GE, Wang A, Thornhill TS, Bellare A. The effect of counterface roughness on the wear of UHMWPE for rectangular wear paths. Wear 2005; 259: 984-991.

85. Lancaster JG, Dowson D, Isaac GH, Fisher J. The wear of ultrahigh molecular weight polyethylene sliding on metallic and ceramic counterfaces representative of current femoral surfaces in joint replacement. Proc Inst Mech EngH 1997;211:17-24.

86. Hall RM, Basnkes MJK, Blunn G. Biotribology for joint replacement. Current

87. Orthop. Journal of Biomedical Materials Research, 2001; 15:281-290.

88. Hutchings IM. Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials.

89. Oxford: Butterworth Heinemann; 2001.

90. Hall RM, Siney P, Unsworth A, Wroblewski BM. The effect of surface topography of retrieved femoral heads on the wear of UHMWPE sockets. Med EngPhys 1997;19:711-719.

91. J. Tong, Y. Ma, M. Jiang, Effects of the wollastonite fiber modification on the sliding wear behavior of the UHMWPE composites., Wear 2003, 255, 734741.

92. B. C. Anderson, P. D. Bloom, K. G. Baikerikar, V. V. Sheares, S. K. Mallapragada, Biomaterials 2002, 23, 1761.

93. Hong-Jo Park, 1 Seung-Yeop Kwak,l Soonjong Kwak, Wear-Resistant Ultra High Molecular Weight Polyethylene/Zirconia Composites Prepared by in situ Ziegler-Natta Polymerization, Macromol. Chem. Phys. 2005, 206, 945 -950

94. Q. WANG, C. LIU and Y. CHEN, Studies on PA6-PP-wollastonite composite Compatibilised by PP-g-maleic anhydride prepared via pan milling Plastics, Rubber and Composites. 30 (2001) 363-369.

95. R. K. HANUMAN THA, K. S. E. FORSSBERG and W. FROSLING, Interfacial interactions and mechanical properties of mineral filled polymer composites: wollastonite in PMMA polymer matrix. Colloids and Surfaces. Aspect 133 (1998) 107-117.

96. G. ZHUANG, Y. YANG and B. LI, Reinforced effect of wollastonite on phenolphthalein poly (ether ketone) Journal of Applied Polymer Science. 65 (1997) 649-653.

97. J.TONG, Y. MA and M. JIANG, Effects of the wollastonite fiber modification on the sliding wear behavior of the UHMWPE composites., Wear 255 (2003), 734-741

98. Y. MA, Biomimetic Anti-Wear UHMWPE Matrix Composites and Their Tribology, Ph.D. Dissertation, Jilin University (2002) p. 102.

99. Simis, K. S.; Bistolfi, A.; Bellare, A.; Pruitt, L. A., The combined effects of crosslinking and high crystallinity on the microstructural and mechanical properties of ultra-high molecular weight polyethylene. Biomaterials 2006, 27, 1688-1694.

100. Gaussens, G.; Haudin, J. M.; Monasse, B. Process of making a high molecular weight polyolefin part. U.S. Patent # 4747990 (1988).

101. A. Wang, D.C. Sun, C. Stark, J.H. Dumbleton, Wear mechanisms of

102. UHMWPE in total joint replacements, Wear 181-183 (1995) 241-249.

103. A. Wang, V.K. Polineni, A. Essner, et al., The significance of nonlinear motion in the wear screening of orthopedic implant materials, Journal of Testing and Evaluation.25, 1997, 239-245

104. M.J. Griffith, M.K. Seidenstein, D. Williams, et al., Socket wear in Chamley low friction arthroplasy of the hip, Clinical Orthopedic and Related Research. 137(1978)37-47.

105. I.C. Clarke, Wear of artificial joint materials, hip joint simulator studies, Engineering in Medicine. 10(1981) 189-198.

106. H.A. Mckellop, vP. Campbell, S.-H. Park, et al., The origin of submicron polyethylene wear debris in total hip arthroplasty, Clin. Orthopaed. Relat. Res. 311 (1995)3-20.

107. A. Essner, A. Wang, C. Stark, et al., A simulator for the evaluation of total knee replacement component wear, in: Proceedings of the 5th World Biomaterials Congress, Toronio, Canada, May 28-June 2, 1996, p. 580.

108. H.A. Mckellop, Comparison between laboratory wear tests and clinical performance of past bearing materials, in: ASTM Workshop on Characterization and Performance of Articuclar Surface, ASTM, Denver, CO, May 17, 1995.

109. C.R. Bragdon, M. Jasty, J.D. Lowenstein, et al., Mechanism of wear of retrieved polyethylene acetabular components, in: Proceedings of the 63rd Annual Meeting, Paper No. 376, American Academy of Orthopedic Surgeons, Atlanta, GA, February 22-26, 1996.

110. A. Wang, C. Stark, J.H. Dumbleton, Mechanistic and morphological origins of ultra-high molecular weight polyethylene wear debris in total joint replacement prostheses, Proc. Inst. Mech. Eng. Part H: J. Eng. Med. 210 (1996) 141-155.

111. A. Wang, D.C. Sun, B. Edwards, M. Sokol, A. Essner, V.K. Polineni, C. Stark, J.H. Dumbleton, Orientation softening in the deformation and wear of ultra-high polyethylene, Journal of Wear 203/204 (1997) 230-241.

112. C.R. Bragdon, D.O. O'Connor, J.D. Lowenstein, M. Jasty, W.D. Syniuta, The importance of multidirectional motion on the wear of polyethylene, Proc. Inst. Mech. Eng. Part H: J. Eng. Med. 210 (1996) 157-166.

113. A. Wang, A. Essner, V.K. Polineni, C. Stark, J.H. Dumbleton, Lubrica- tion and wear of ultra-high molecular weight polyethylene in total joint replacements, Tribol. Int. 31 (1-3) (1998) 17-33.

114. C.C. Hsio, Flow orientation and fracture strength of a model linear hard polymer solid, Journal of Polymer Science 44 (1960) 71-79

115. B.S. Ramamurti, C.R. Bragdon, D.O. O'Connor, J.D. Lowenstein, M. Jasty, D.M. Estok, W.H. Harris, Loci of movement of selected points on the femoral head during normal gait, Journal of Arthroplasty 11 (7) (1996) 852-855.

116. J. M. Challen and D. Dowson, The calculation of interfacial temperatures in the pin-on-disc machine, Proceeding of the 3rd Leeds-Lyon Symposium, on Tribology, Leeds, September 7-10. 1976

117. J. K. Lancaster, Dry bearings: a survey of materials and factors affecting their performance, Tribology, 6 (1973) 219-251.

118. Samyn P, Quintelier J, Ost W, De Baets P, Schoukens G. Sliding behaviour of pure polyester and polyester-PTFE filled bulk composites in overload conditions. Polymer Testing 2005; 24:588-603.

119. Bahadur S. The development of transfer layers and their role in polymer tribology. Wear 2000; 245:92-9.

120. Gao J, Mao S, Liu J, Feng D. Tribochemical effects of some polymers / stainless steel. Wear 1997; 212: 238-43.

121. Pooley CM, Tabor D. Friction and molecular structure: the behaviour of some thermoplastics. Proceedings of the Royal Society London 1972; A329: 251-274.

122. Barrett TS, Stachowiak GW, Batchelor AW. Effect of roughness and sliding speed on the wear and friction of ultra-high molecular weight polyethylene. Journal of Wear 1992; 153: 331-350.

123. Zsidai L, De Baets P, Samyn P, Kalacska G, Van Peteghem AP, Van Parys F. The tribological behaviour of engineering plastics during sliding friction investigated with small-scale specimens. Journal of Wear 2002; 253:673-688.

124. Tanaka K, Yamada Y. Influence of counterface roughness on the friction and wear of polytetrafluoroethylene- and polyacetal-based composites. JOURNAL OF SYNTHETIC LUBRICATION 2006; 5:115-31.

125. Alison C. Dunn, Friction and Wear of Polyethylene in Multidirectional Motion Quantitative Descriptions of Current Theory, Master Degree Thesis, University of Florida, 2006

126. Hoffmann, A., Gonzalez-Mora, V., Chiesa, R., Cigada, A., Stroosnijder, M., Screening of Stabilized Crosslinked Polyethylene Using a Novel Wear Tester. Journal of Biomedical Materials and Engineering, 2002. 12(4): p. 387-395.

127. Shen, F., McKellop, H., Salovey, R., Morphology of Chemically Crosslinked Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene. Journal of Biomedical Materials Research, 1998. 41(1): p. 71-78.

128. Turell, M., Bellare, A., A Study of the Nanostructure and Tensile Properties of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene. Journal of Biomaterials, 2004. 25(17): p. 3389-3398.

129. Yao, J., Blanchet, T., Murphy, D., Laurent, M., Effect of Fluid Absorption on the Wear Resistance of UHMWPe Orthopedic Bearing Surfaces. Journal of Wear, 2003. 255: p. 1113-1120.136. http://en.wikipedia.Org/wiki/File:Styrenemaleicanhydride.png

130. Dow Corning Corporation, USA 2005, A Guide to Silane Solution from Dow Corning, http://www.dowcorning.com/content/silanes/default.asp

131. S. Spiegelberg. Analytical Techniques for assessing the Effects of Radiation on UHMWPE. Cambridge Polymer Group, Inc., (2002). P. 1-10.139. http://www.zygo.com/?sup=/resource/manuals.cgi?type=newview

132. S. M. Kurtz, С. L. Muhlstein and A. A. Edidin. Surface morphology and wear mechanisms of four clinically relevant biomaterials after hip simulator testing. Journal of Biomedical Materials Research. 52 (2000). P. 447-459.

133. M. Veres, M. Fule, S. Toth, I. Pocsik, M. Koos, A. Toth, M. Mohai and I. Bertoti. Raman scattering of ultra high molecular weight polyethylene treated by plasma-based ion implantation. Thin Solid Films 482 (2005). P. 211-215.

134. Машков Ю.К., Кропотин O.B. Трибофизика и структурная модификация материалов трибосистем. Омск: Издательство ОмГТУ, 2009.- 322 с.

135. Песецкий С.С., Богданович С.П., Мышкин Н.К. Триботехнические свойства нанокомпозитов, получаемых диспергированием наполнителей в расплавах полимеров// Трение и износ.- 2007(28), № 5, 500-524

136. Myshin N.K., Petrokovets M.I., Kovalev A.V. Tribology of polymers: Adhesion, friction, wear and mass-transfer//Tribology International. -2005 (38), 910-921

137. Бузник B.M., Фомин B.M., Алхимов А.П. и др. Металлополимерные нанокомпозиты: получение, свойства, применение.- Новосибирск: Изд-во СО РАН.- 2005, вып.2, 258с.

138. Sinha S.R., Briscoe B.J. Polymer Tribology// Imperial college Press,-2009, London, 689p.

139. Shi W. Preliminary investigation into the load bearing capacity of ion beam surface modified UHMWPE// Journal of materials science letters.-2004, №39, 3183-3186

140. Прут Э.В., Зеленецкий A.H. Химическая модификация и смешение полимеров в экструдере-реакторе// Успехи химии,- 2001 (70), №1, 72-87

141. Прут Э.В., Зеленецкий А.Н. Химическая модификация и смешение полимеров в экструдере-реакторе// Успехи химии.- 2001 (70), №1, 72-87.

142. Барамбойм Н.К. Механохимия высокомолекулярных соединений. М.: Химия, 1978.-380 с.

143. Зеленецкий А.Н., Сизова М.Д., Волков В.П. и др. Механохимическая модификация полиолефинов в твердом состоянии//Высокомолекулярные соединения.-1999 (А), Т. 41, № 5, с. 798-804.

Похожие работы

Металлургия
05.16.00