Полимерные материалы на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена: структура и свойства

Post Views: 36

С. Н. Данилова*, А. В. Оконешникова, А. А. Охлопкова
DOI 10.31242/2618-9712-2022-27-4-631-642

Показать больше

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

Поступила в редакцию 14.08.2022
Поступила после рецензирования 28.09.2022
Принята к публикации 19.10.2022

УДК 691.175.2

Для цитирования: Данилова С.Н., Оконешникова А.В., Охлопкова А.А. Полимерные материалы на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена: структура и свойства. Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2022;27(4):631–642. https://doi.org/10.31242/2618-9712-2022-27-4-631-642

Аннотация. Представлены результаты исследования свойств и структуры сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) в зависимости от марок и молекулярной массы. Проведено сравнение марок СВМПЭ 510 и 517, синтезированных в Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, и GUR марок 4022, 4130 и 4150 фирмы «Celanese» (Германия и Китай). Порошки перерабатывались по технологии горячего прессования в вулканизационном прессе в соответствии с ГОСТ 1633777 с получением образцов для исследований. Изучение структуры поли меров проведено методами рентгеноструктурного анализа и сканирующей электронной микроскопии. Результаты исследования морфологии порошков свидетельствуют, что порошки СВМПЭ состоят из кластеров более мелких субчастиц, связанных между собой фибриллами полимера. В то же время надмолекулярная структура СВМПЭ характеризуется формированием сферолитов, размеры которых уменьшаются с увеличением молекулярной массы. Рентгенограммы СВМПЭ показывают, что с увеличением молекулярной массы формируется более дефектная структура. Данное явление подтверждается методом дифференциально сканирующей калориметрии. Выявлено уменьшение значений энтальпии плавления и степени кристалличности с увеличением молекулярной массы. Установлено, что значения степени кристалличности и плотности у СВМПЭ марки 517 российского производства сопоставимы с иностранными марками. При этом по физико-механическим и трибологическим параметрам данная марка не уступает иностранным аналогам: зарегистрированы повышение прочности при растяжении, которое достигает 45 МПа, и низкое значение скорости массового изнашивания, равное 0,07 мг/ч.

Ключевые слова: полимерный материал, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, износостойкость, прочность

PDF
Список литературы
  1. Kurdi A., Chang L. Recent advances in high perfor mance polymerstribological aspects. Lubricants. 2018; 7(1): 2. DOI: 10.3390/lubricants7010002.
  2. Склифос В.О., Рыжко А.А., Щеглов Д.П. Наночастицы для полимерных композиционных материалов в строительстве. Перспективы науки. 2021;5: 123–125.
  3. Шерстюков Б.Г. Климатические условия Арктики и новые подходы к прогнозу изменения климата. Арктика и Север. 2016;24:39–67.
  4. Selyutin G.E., Gavrilov Y.U., Voskresenskaya E.N., Zakharov V.A., Nikitin V.E., Poluboyarov V.A. Compos ite materials based on ultrahigh molecular polyethylene: properties, application prospects. Chemistry for sustain able development. 2010;18(3):301–314.
  5. Abdul Samad M. Recent Advances in UHMWPE/ UHMWPE nanocomposite/UHMWPE hybrid nanocom posite polymer coatings for tribological applications: a comprehensive review. Polymers. 2021;13(4): 608. https://doi.org/10.3390/polym13040608.
  6. Chen X., Wang X., Feng Y., Qu J., Yu D., Cao C., Chen X. Enhancing chain mobility of ultrahigh molecu lar weight polyethylene by regulating residence time un der a consecutive elongational flow for improved pro cessability. Polymers. 2021;13(13):2192. DOI: 10.3390/ polym13132192.
  7. Андреева И.Н., Веселовская Е.В., Наливайко Е.И., Печенкин А.Д., Бухгалтер В.И., Поляков А.В. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности. Л.: Химия; 1982. 80 с.
  8. Галибеев С.С., Хайруллин Р.З., Архиреев В.П. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Тенденции и перспективы. Вестник Казанского технологического университета. 2008;2:50–55.
  9. Peacock A.J. Handbook of polyethylene: structures: properties, and applications. CRCpress; 2000. 544 p.
  10. Охлопкова А.А., Охлопкова Т.А., Борисова Р.В. Управление процессами структурообразования в полимерных композиционных материалах на основе СВМПЭ. Наука и образование. 2015;2(78):85–90.
  11. Kossack W., Seidlitz A., ThurnAlbrecht T., Kre mer F. Molecular order in cold drawn, strainrecrystal lized poly(εcaprolactone). Macromolecules. 2017;50(3): 1056–1065. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.6b02714.
  12. Hu X.P., Hsieh Y.L. Crystallite sizes and lattice distortions of gelspun ultrahigh molecular weight poly ethylene fibers. Polymer journal. 1998; 30(10): 771–774. DOI: 10.1295/polymj.30.771.
  13. Joo Y.L., Han O.H., Lee H.K., Song J.K. Charac terization of ultra high molecular weight polyethyelene nascent reactor powders by Xray diffraction and solid state NMR. Polymer. 2000;41(4):1355–1368. https:// doi.org/10.1016/S00323861(99)002724.
  14. Zamfirova G., Perena J.M., Benavente R., Pé rez E., Cerrada M.L., Nedkov E. Mechanical properties of ultrahigh molecular weight polyethylene obtained with different cocatalyst systems. Polymer journal. 2002; 34(3):125–131. https://doi.org/10.1295/polymj.34.125.
  15. Федоров Л.Ю., Карпов И.В., Ушаков А.В., Лепешев А.А., Иваненко А.А. Структурное состояние сверхвысокомолекулярного полиэтилена при одно стадийном осаждении наночастиц из плазмы дугового разряда. Письма в ЖТФ. 2017;43(21):24–32. https:// doi.org/10.21883/PJTF.2017.21.45158.16747.
  16. Аулов В.А., Кучкина И.О. Проявление моно клинной фазы в ИК-спектрах сверхвысокомолеку лярного полиэтилена. Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2009;51(8):1440–1443.
  17. Bracco P., Bellare A., Bistolfi A., Affatato S. Ultra high molecular weight polyethylene: influence of the chemical, physical and mechanical properties on the wear behavior. A review. Materials. 2017;10(7):791. https:// doi.org/10.3390/ma10070791.
  18. Ней З.Л. Технологические и эксплуатацион ные свойства наномодифицированного полиэтилена: дис.… канд. тех. наук.: 05.17.06 Москва: 2017. 163 с.
  19. Galitsyn V., Gribanov S., Kakiage M., Uehara H., Khizhnyak S., Pakhomov P., Moeller E., Nikitin V., Zakharov V., Tshmel A. Straightchain segment length distributions in UHMWPE reactor powders of different morphological types. International Journal of Polymer Analysis and Characterization. 2007; 12(3):221–230. https://doi.org/10.1080/10236660701245264.
  20. Vadivel H.S., Bek M., Šebenik U., Perše L.S., Kádár R., Emami N., Kalin M. Do the particle size, mo lecular weight, and processing of UHMWPE affect its thermomechanical and tribological performance? Journal of Materials Research and Technology. 2021;12:1728– 1737. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.03.087.
  21. Лебедев Д.В., Иванькова Е.М., Марихин В.А., Мясникова Л.П., Seydewitz V. Строение поверхности насцентных частиц реакторных порошков сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Физика твердого тела. 2009;51(8):1645.
  22. Khalil Y., Hopkinson N., Kowalski A., Fair clough J.P.A. Characterisation of UHMWPE polymer powder for laser sintering. Materials. 2019;12(21):3496. https://doi.org/10.3390/ma12213496.
  23. Michler G.H., Seydewitz V., Buschnakowski M., Myasnikowa L.P., Ivan’Kova E.M., Marikhin V.A., Boi ko Y.M., Goerlitz S. Correlation among powder morpho logy, compactability, and mechanical properties of con solidated nascent UHMWPE. Journal of applied polymer science. 2010;118(2):866–875. https://doi.org/10.1002/ app.32346.
  24. Rimell J.T., Marquis P.M. Selective laser sinter ing of ultrahigh molecular weight polyethylene for clini cal applications. Journal of Biomedical Materials Re search. 2000;53(4):414–420. https://doi.org/10.1002/ 10974636(2000)53:4<414::AIDJBM16>3.0.CO;2M.
  25. Охлопкова Т.А., Борисова Р.В., Охлопкова А.А., Дьяконов А.А., Васильев А.П., Миронова С.Н. Микроскопические исследования деформации растяжения сферолитных структур в полимерных композиционных материалах. Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. 2015;3(47):75–87.
  26. Галицын В.П. Физикохимические свойства и строение реакторных порошков, гелей и ориенти рованных волокон из сверхвысокомолекулярного по лиэтилена: дис.… дра хим. наук: 02.00.04 Тверь: 2012. 339 c.
  27. Liu Y.X., Chen E.Q. Polymer crystallization of ultrathin films on solid substrates. Coordination Chemis try Reviews. 2010;254(910):1011–1037. https://doi.org/ 10.1016/j.ccr.2010.02.017.
  28. Dingler C., Dirnberger K., Ludwigs S. Semicon ducting polymer spherulitesFrom fundamentals to poly mer electronics. Macromolecular Rapid Communications. 2019; 40(1): 1800601. https://doi.org/10.1002/marc. 201800601.
  29. Cook J.T.E., Klein P.G., Ward I.M., Brain A.A., Farrar D.F., Rose J. The morphology of nascent and moulded ultrahigh molecular weight polyethylene. In sights from solidstate NMR, nitric acid etching, GPC and DSC. Polymer. 2000;41(24):8615–8623. https://doi.org/ 10.1016/S00323861(00)002548.
  30. Жорник В.И., Ковалева С.А., Григорьева Т.Ф., Киселева Т.Ю., Белоцерковкский М.А., Таран И.И., Валькович И.В., Витязь П.А., Ляхов Н.З. Формиро вание структуры высоконаполненных композитов на основе СВМПЭ в условиях интенсивной механиче ской активации для получения радиационнозащит ных материалов. Механика машин, механизмов и ма териалов. 2019;4:70–78.
  31. Bergström J.S., Kurtz S.M., Rimnac C.M., Edi din A.A. Constitutive modeling of ultrahigh molecular weight polyethylene under largedeformation and cyc lic loading conditions. Biomaterials. 2002;23(11):2329– 2343. https://doi.org/10.1016/S01429612(01)003672.
  32. Sobieraj M.C., Rimnac C.M. Ultra high molecu lar weight polyethylene: mechanics, morphology, and cli nical behavior. Journal of the mechanical behavior of bio medical materials. 2009;2(5):433–443. https://doi.org/ 10.1016/j.jmbbm.2008.12.006.
  33. Galeski A., Bartczak Z., Vozniak A., Pawlak A., Walkenhorst R. Morphology and plastic yielding of ul trahigh molecular weight polyethylene. Macromole cules. 2020;53(14):60636077. https://doi.org/10.1021/ acs.macromol.9b02154.
  34. Danilova S.N., Yarusova S.B., Kulchin Y.N., Zhevtun I.G., Buravlev I.Y., Okhlopkova A.A., Gordien ko P.S., Subbotin E.P. UHMWPE/CaSiO3 nanocom posite: mechanical and tribological properties. Polymers. 2021;13(4):570. https://doi.org/10.3390/polym13040570.
  35. Way J.L., Atkinson J.R., Nutting J. The effect of spherulite size on the fracture morphology of polypro pylene. Journal of Materials Science. 1974;9(2):293–299. https://doi.org/10.1007/BF00550954.