​​Благодаря исследованию, проведенному сотрудниками Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск), удалось выявить наиболее эффективный с точки зрения сохранения механических и триботехнических свойств композит на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Статья о работе вышла в журнале Advanced Industrial and Engineering Polymer Research

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) сегодня активно используется в различных отраслях промышленности. Этот материал нетоксичен, обладает простым химическим составом и структурой, низким уровнем водопоглощения. Он устойчив к химическим воздействиям, а также к ионизирующему излучению. СВМПЭ демонстрирует низкий коэффициент трения по отношению к стали, износостойкость и хорошую ударную вязкость, что делает его востребованным в биомедицине. Превосходные характеристики несущей способности позволяют использовать материал при производстве эндопротезов суставов в парах трения с металлическими или керамическими элементами.

Чаще всего сверхвысокомолекулярный полиэтилен изготавливается в непрерывных реакторах с мешалкой при содействии гетерогенных катализаторов. При молекулярной массе от трех до девяти углеродных единиц СВМПЭ обладает чрезвычайно высокой вязкостью расплава и не течет при нагревании, поэтому он непригоден для переработки стандартными для полимеров методами, такими как литье под давлением или шнековая экструзия. В случае с последней, к примеру, форма готовых изделий создается в специальной машине, экструдере, путем продавливания расплава полимера через формирующую головку, но вязкость сверхвысокомолекулярного полиэтилена не позволяет ему принять заданные пропорции. Чтобы избавиться от этой особенности материала, ученые исследовали возможность введения пластифицирующих компонентов: полипропилена, полиэтиленгликоля, альфа-токоферола (витамина Е) и некоторых других. Оказалось, что такое решение позволяет улучшить не только технологичность, но и противоизносные, а также связанные с текучестью реологические свойства СВМПЭ, сохраняя на высоком уровне стойкость к истиранию. Тем не менее любой из пластификаторов в той или иной мере способствует ухудшению механических (плотность, твердость, сопротивление деформации) и трибологических (показатели износа при взаимодействии с твердыми телами) характеристик композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, а также отрицательно сказывается на структуре материала.

По словам заведующего лабораторией механики полимерных композиционных материалов, главного научного сотрудника ИФПМ СО РАН профессора Томского политехнического университета, доктора технических наук Сергея Викторовича Панина, в сравнении со всеми опробованными учеными наполнителями-пластификаторами СВМПЭ ряд преимуществ имеет изотактический полипропилен. Он биоинертен, устойчив к высоким температурам и агрессивным средам, обладает отличными показателями прочности и плотности, а также низким уровнем водопоглощения, благодаря чему широко используется в медицинской и фармацевтической областях. Из неполярного полипропилена изготавливают шприцы, оборудование для капельниц, детали для ингаляторов и так далее. 
«Для медицинских приложений, в частности биотрибоузлов, композит из сверхвысокомолекулярного полиэтилена и полипропилена способен решить проблему повышения износостойкости полимерной чашки эндопротеза сустава, он также поможет в изготовлении изделий сложной внутренней геометрии и формы методом 3D-печати за счет изменения ее параметров, состава расходного материала и плотности слоев для формирования оптимальной структуры», — отмечает Сергей Викторович. Однако СВМПЭ и ПП являются несовместимыми полимерами, поэтому получение композитов из их смеси представляет проблему, которую нужно было решить.
Основной задачей для исследователей ИФПМ СО РАН стал выбор оптимального состава композиции, который позволил бы использовать ее в качестве сырья для 3D-печати трибоузлов в ортопедии. Отдельное внимание было уделено определению допустимых нагрузочно-скоростных параметров как при сухом трении скольжения, так и в условиях граничной смазки.

Композиты на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена изготавливались тремя методами. Первый из них заключался в смешении порошков в различных пропорциях для изготовления образцов с помощью компрессионного спекания. Работы проводились в планетарной шаровой мельнице с предварительным диспергированием (измельчением) компонентов в среде этанола. Второй метод позволил повысить эффективность совмещения мелких частиц СВМПЭ с более крупными частицами пластификатора. Ученые провели их смешение в двухшнековом экструдере, а затем путем механического помола получили гранулы со средним размером 3—5 мм. Последние были задействованы для изготовления объемных заготовок посредством горячего прессования. Третий метод состоял в использовании этих же гранул для 3D-печати на лабораторном принтере.

По словам Сергея Панина, СВМПЭ-композиты, полученные методами компрессионного спекания и послойной печати, по трибомеханическим свойствам (износостойкости, коэффициенту трения, упругости и пределу текучести) превзошли материалы, изготовленные горячим прессованием порошков полимерных смесей. Это было обусловлено равномерным распределением полипропилена и формированием более однородной надмолекулярной структуры композита.

Самым эффективным составом с точки зрения сохранения триботехнических и механических характеристик, а также получения необходимой текучести расплава оказался композит «СВМПЭ+20 вес. % ПП». Именно его томские ученые рекомендуют к использованию в качестве сырья для аддитивного производства изделий сложной формы. Этот материал, полученный методом 3D-печати, может применяться в широком интервале нагрузок (от 60 до 140 Н) и скоростей скольжения (от 0,3 до 0,5 м/с) в условиях сухого трения или в смазочной среде.

Разработанный исследователями ИФПМ СО РАН вид двухкомпонентного сырья отлично подходит для 3D-печати. Он позволит получать элементы суставов любой формы для узлов трения в ортопедии. Однако полимер-полимерный композит на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с содержанием 20 % полипропилена может быть использован и для стандартных способов переработки, в частности методом двухшнековой экструзии, что приведет к значительному сокращению энергетических затрат. При этом трибомеханические свойства композитов останутся на уровне ненаполненного СВМПЭ. Благодаря этому «СВМПЭ+20 вес.% ПП» найдет применение в нефтегазовой, химической промышленности и в качестве основы для получения других экструдируемых, многокомпонентных, высокопрочных и износостойких композитов.

Дмитрий Медведев, студент отделения журналистики ГИ НГУ

Похожие новости

  • 09/12/2019

    НГТУ НЭТИ представит свои разработки на «ВУЗПРОМЭКСПО—2019»

    ​11 декабря в Москве стартует Национальная выставка «ВУЗПРОМЭКСПО—2019», которая демонстрирует результаты реализации государственных и федеральных целевых программ в сфере науки и промышленности.  Инженеры и ученые НГТУ НЭТИ представят установку для in-situ исследования эволюции структуры металлов и сплавов в процессе сухого трения скольжения, которая предположительно будет использоваться в работах Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ»).
    1340
  • 25/09/2018

    Ученые ИФПМ СО РАН раскрывают потенциал высокоэнтропийных сплавов

    ​Молодые сотрудники ИФПМ СО РАН участвуют в реализации научного проекта «Роль стехиометрического состава и внутренней структуры в формировании свойств и зарождении пластической деформации в высокоэнтропийных сплавах CoCrFeMnNi» при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 17-79-10108.
    1297
  • 16/02/2021

    День российской науки — 2021

    Традиционно в честь Дня российской науки сибирские институты проводят просветительские мероприятия для студентов, школьников и всех, кто желает узнать чуть больше о большой науке. ​«Этот год был объявлен годом науки и технологий.
    7157
  • 21/09/2020

    Четыре проекта в одном институте: об исследованиях томских учёных

    ​Российский научный фонд подвел итоги четырех конкурсов, включая конкурсы, проводившиеся в соответствии с поручениями президента России Владимира Путина по результатам встречи с учеными в мае 2019 года.
    937
  • 18/05/2021

    Компьютерные эксперименты Александра Корчуганова

     Исследования металлов принесли молодому ученому несколько престижных побед. Прошлый год стал для научного сотрудника лаборатории компьютерного конструирования материалов Института физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАН кандидата физико-математических наук Александра Корчуганова поистине урожайным.
    1613
  • 01/11/2017

    Сибирские ученые в составе международной группы по-новому объяснили левитацию капель над горячими поверхностями

    ​Ученые из Новосибирского госуниверситета, Томского политехнического университета и Южного методистского университета США разработали новую модель для объяснения поведения капель над горячими жидкостями.
    2373
  • 08/07/2021

    7 проектов молодых учёных ИФПМ СО РАН получили поддержку РНФ

    Российский научный фонд подвел итоги двух конкурсов на поддержку фундаментальных и поисковых научных исследований по мероприятиям и «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» и «Проведение инициативных исследований молодыми учеными».
    416
  • 12/01/2017

    ТНЦ СО РАН: Как ракушка материаловедам помогла?

    В течение одиннадцати лет успешно развивается международное сотрудничество между отделом структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН и Харбинским инженерным университетом по направлению, связанному с разработкой многослойных металло-интерметаллидных композиционных материалов и моделированию процессов их разрушения.
    3117
  • 19/02/2021

    «Инженер года»: и.о. зампредседателя ЯНЦ СО РАН Николай Голиков

    По итогам XХI Всероссийского конкурса «Инженер года» и.о. заместителя председателя ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН» по науке и техническим проектам, кандидат технических наук Николай Голиков стал лауреатом конкурса «Инженер года» по версии «Профессиональные инженеры» в номинации «Техника и технологии экстремально холодного климата».
    984
  • 24/12/2020

    Юбилей академика Николая Александровича Ратахина

    ​Николай Александрович Ратахин родился 24 декабря 1950 года в селе Ново-Троицк Тулунского района Иркутской области, у его родителей было пять и семь классов образования. В 1973 году окончил физический факультет Новосибирского государственного университета, в 1978 — аспирантуру Томского института автоматизированных систем управления и радиоэлектроники.
    646