Влияние дисульфида молибдена и углеродных волокон на свойства и структуру полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена

Post Views: 27

А. П. Васильев*, Т. С. Стручкова, Н. Н. Лазарева, А. В. Никитина, А. Г. Алексеев
DOI 10.31242/2618-9712-2022-27-4-618-630

Показать больше

Северо-Восточный федеральный университет им. М. К. Аммосова, г. Якутск, Российская Федерация
*[email protected]

Поступила в редакцию 23.07.2022
Поступила после рецензирования 15.09.2022
Принята к публикации 12.10.2022

УДК 678.073

Для цитирования: Васильев А.П., Стручкова Т.С., Лазарева Н.Н., Никитина А.В., Алексеев А.Г. Влияние дисульфида молибдена и углеродных волокон на свойства и структуру полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена. Природные ресурсы Арктики и Субарктики.2022;27(4):618–630. https://doi.org/10.31242/2618-9712-2022-27-4-618-630

Аннотация. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) представляют большой интерес из-за термической стабильности, высокой химической, коррозионной стойкости и отличных антифрикционных свойств. В работе приведены результаты исследования влияния углеродных волокон (УВ) совместно с дисульфидом молибдена (MoS2) с ультразвуковой обработкой на физико-механические и триботехнические свойства, а также на структуру ПТФЭ. Полимерные композиционные материалы получены по известной технологии переработки ПТФЭ: метод холодного прессования и спекания. Выявлено, что ультразвуковая обработка MoS2 – более эффективный способ активации наполнителя по сравнению с механо-активацией. Результаты физико-механических исследований показали, что прочностные свойства при растяжении ПКМ остаются на уровне ненаполненного ПТФЭ, напряжение при сжатии увеличилось на 75 %, а твердость повысилась на 48 % по сравнению с исходным полимером. Структурными исследованиями показано достаточно равномерное распределение волокон в объеме полимера и изотропное армирование материала. Степень кристалличности ПКМ повысилась на 9–11 % относительно исходного полимера. Разработанные композиционные материалы характеризуются низкой скоростью массового изнашивания композитов и низким значением коэффициента трения. Микроскопическими исследованиями поверхности трения ПКМ выявлено, что УВ и MoS2 локализуются на поверхности трения и защищают материал от изнашивания. Разработанные матери алы могут быть предложены в качестве деталей в узлах трения, где ограничено применение смазочных масел или его использование недопустимо.

Ключевые слова: политетрафторэтилен, полимерные композиционные материалы, углеродные волокна, дисульфид молибдена, структура, коэффициент трения

PDF
Список литературы
  1. Theiler G., Hübner W., Gradt T., Klein P., Friedrich K. Friction and wear of PTFE composites at cryogenic tem peratures. Tribology International. 2002;35(7):449–458. https://doi.org/10.1016/S0301679X(02)00035X
  2. Tanaka K., Kawakami S. Effect of various fillers on the friction and wear of polytetrafluoroethylenebased composites. Wear. 1982;79(2):221–234. https://doi.org/ 10.1016/00431648(82)901703
  3. Khedkar J., Negulescu I., Meletis E.I. Sliding wear behavior of PTFE composites. Wear. 2002;(252)5–6:361– 369. https://doi.org/10.1016/S00431648(01)008596
  4. Zhang F., Zhang J., Zhu Y., Wang X., Jin Y. Mi crostructure and properties of polytetrafluoroethylene composites modified by carbon materials and aramid fibers. Coatings. 2020;10(11):1103. https://doi.org/10.3390/ coatings10111103
  5. Mazur K., GądekMoszczak A., LiberKneć A., Kuciel S. Mechanical behavior and morphological study of polytetrafluoroethylene (PTFE) composites under sta tic and cyclic loading condition. Materials. 2021;14(7): 1712. https://doi.org/10.3390/ma14071712
  6. Bijwe J., Neje S., Indumathi J., Fahim M. Friction and wear performance evaluation of carbon fibre rein forced PTFE composite. Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2002;21(13):1221–1240. https://doi.org/ 10.1177/073168402128987743
  7. Friedrich K., Chang L., Haupert F. Current and future applications of polymer composites in the field of tribology. London: Springer. 2011:129–167. https:// doi.org/10.1007/9780857291660_6
  8. Shelestova V.A., Grakovich P.N., Zhandarov S.F. A fluoropolymer coating on carbon fibers improves their adhesive interaction with PTFE matrix. Compo site Interfaces. 2011;18(5):419–440. https://doi.org/ 10.1163/156855411X595834
  9. Grakovich P.N., Shelestova V.A., Shumskaja V.J., Shylko I.S., Gucev D.M., Bashlakova A.L., Celuev M. J. Influence of the type of carbon fiber filler on the phy sical–mechanical and tribological properties of PTFE composites. Journal of Friction and Wear. 2019;40(1):11– 16. https://doi.org/10.3103/S1068366619010069
  10. Shelestova V.A., Grakovich P.N., Shilko I.S., Brundukov A.S., Stratanovich V.A., Gutsev D.M., Iva nov L.F. The Tribotechnical properties of composites based on different grades of fluoroplastic4 and carbon fibers. Journal of Friction and Wear. 2021;42(2):75–79. https://doi.org/10.3103/S1068366621020094
  11. Song I., Park C., Choi H. C. Synthesis and proper ties of molybdenum disulphide: from bulk to atomic lay ers. RSC Advances. 2015;5(10):7495–7514. https://doi.org/ 10.1039/C4RA11852A
  12. John M., Menezes P. L. Selflubricating materials for extreme condition applications. Materials. 2021;14(19): 5588. https://doi.org/10.3390/ma14195588
  13. Yan F., Xue Q., Yang S. Debris formation pro cess of PTFE and its composites. Journal of Applied Polymer Science. 1996;61(7):1223–1229. https://doi.org/ 10.1002/(SICI)10974628(19960815)61:7<1223::AID APP19>3.0.CO;2Y
  14. Suzuki M., Prat P. Synergism of an MoS2 sput tered film and a transfer film of a PTFE composite. Wear. 1999;225–229:995–1003. https://doi.org/10.1016/ S00431648(99)000733
  15. Aderikha V.N., Krasnov A.P., Shapovalov V.A., Golub A.S. Peculiarities of tribological behavior of low filled composites based on polytetrafluoroethylene (PTFE) and molybdenum disulfide. Wear. 2014;320:135–142. https://doi.org/10.1016/j.wear.2014.09.004
  16. Lv M., Wang L., Liu J., Kong F., Ling A., Wang T., Wang Q. Surface energy, hardness, and tribological prop erties of carbonfiber/polytetrafluoroethylene composites modified by proton irradiation. Tribology International. 2019;132:237–243. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2018. 12.028
  17. Люкшин Б.А. [и др.] Дисперсно-наполненные полимерные композиты технического и медицинского назначения. Новосибирск: Изд-во СО РАН; 2017. 311 с.
  18. Shelestova V.A., Zhandarov S.F., Danchenko S.G., Grakovich P.N. Surface modification of carbon fiber by fluoropolymer in a lowtemperature plasma. Inorganic Materials: Applied Research. 2015;6(3):219–224. https:// doi.org/10.1134/S2075113315030107
  19. Zhang Y., Kou K., Pan C., Li Z., Ji T. Effect of tensile rates on thermal and mechanical properties of po rous PTFE composites. Journal of Applied Polymer Sci ence. 2019;136(44):48175. https://doi.org/10.1002/app. 48175
  20. Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of gra phene. Nanoscale Research Letters. 2014;9(1):167. https:// doi.org/10.1186/1556276X9167
  21. Vasilev A.P., Struchkova T.S., Nikiforov L.A., Okhlopkova A.A., Grakovich P.N., Shim E.L., Cho J.H. Mechanical and tribological properties of polytetrafluor oethylene composites with carbon fiber and layered silicate fillers. Molecules. 2019;24(2):224. https://doi.org/ 10.3390/molecules24020224
  22. Zhao Y., Qi X., Ma J., Dong Y., Yang Y. Effects of polyimide/silica and polyimide/pores fillers on the mor phology, thermal, mechanical, and tribological properties of polytetrafluoroethylene composites. Polymer Com posites. 2019;40(9):3438–3452. https://doi.org/10.1002/ pc.25205
  23. Машков Ю.К. Трибофизика металлов и полимеров: монография. Омск: Изд-во ОмГТУ; 2013. 240 с.
  24. Jiang B., Zhu A., Zhang C., Li Y. Interface en hancement between polytetrafluoroethylene and glass fibers modified with a titanate coupler. Journal of Ap plied Polymer Science. 2017;134(14). https://doi.org/ 10.1002/app.44668
  25. Zhang K., Ji X., Mi Y., Gao L., Wang T. Effects of carbon fibers with different particle sizes on the physical properties of MoS2filled PTFE composites. Philosophi cal Magazine Letters. 2021;101(7):277–286. https://doi. org/10.1080/09500839.2021.1917780
  26. Охлопкова А.А., Васильев А.П., Стручкова Т.С., Алексеев А.Г., Гракович П.Н. Влияние углеродных во локон и дисульфида вольфрама на свойства и структуру политетрафторэтилена. Полимерные материалы и технологии. 2018;4(3):26–34.
  27. Song F., Wang Q., Wang T. Effects of glass fiber and molybdenum disulfide on tribological behaviors and PV limit of chopped carbon fiber reinforced Polytetrafluo roethylene composites. Tribology International. 2016(104): 392–401. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2016.01.015
  28. Homayoun M.R., Golchin A., Emami N. Effect of hygrothermal ageing on tribological behaviour of PTFEbased composites. Lubricants. 2018;6(4):103. https://doi.org/10.3390/lubricants6040103