Ученые разработали метод производства композитов для создания не требующих смазки подшипников
Фото ориентированной ленты сверхвысокомолекулярного полиэтилена с адгезивом на металлическом цилиндре. Пример формирования цапфы подшипника скольжения.
© Тарек Дайюб
Ученые добились более качественного сцепления между слоями полимерных и металлических материалов, обработав первые кислотами и «пришив» к ним молекулы целлюлозы. Такой подход позволит создавать композитные материалы для различных изделий: от эндопротезов до элементов подвижных металлических конструкций, например автомобильных подшипников. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Composites Science.
В различных композиционных — то есть состоящих из нескольких компонентов — материалах все чаще используют сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Его называют «полимером будущего» за уникальные механические и функциональные свойства: биосовместимость, низкий коэффициент сухого трения, высокую износостойкость и химическую инертность, то есть неспособность реагировать с другими веществами. Благодаря такому набору свойств он применяется в медицине для производства имплантатов и вкладышей эндопротезов, в промышленности — для создания подшипников скольжения, облицовки металлургических ковшей, а также во многих других областях. Кроме того, композиты на основе такого полимера позволяют отказаться от смазочных материалов, загрязняющих окружающую среду.
Ранее ученые из Сеченовского Университета (Москва) и НИТУ «МИСИС» (Москва) разработали технологию получения высокопрочного и износостойкого сверхвысокомолекулярного полиэтилена из коммерчески доступных компонентов с помощью ориентационной вытяжки. Этот процесс позволяет добиться перестроения как самих молекулярных цепочек полимера, так и надмолекулярных структур. Как показали исследования, вытяжка играет важную роль в улучшении скольжения полимера. Однако использовать получаемые таким путем ленты полиэтилена для формирования скользящей поверхности самостоятельно не получится — для этого необходимо крепить их на подложку из других материалов, в том числе металлов.
«Основной метод для соединения сверхвысокомолекулярного полиэтилена с металлами — это термопрессование, то есть сжатие при высоких температурах. Однако нагрев полимера выше 100°С приводит к потере его уникальной структуры, и, соответственно, всех его свойств. Поэтому лучшим решением для скрепления полимерных лент с металлической поверхностью будет склеивание с помощью адгезивов — веществ, обеспечивающих поверхностное сцепление, — без воздействия высоких температур», — рассказывает руководитель проекта Тарек Дайюб, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Сеченовского университета, ассистент кафедры физической химии НИТУ МИСИС.
Теперь исследователи разработали способ модификации поверхности лент сверхвысокомолекулярного полиэтилена, улучшающий способность материала связываться с поверхностью металлов. Процесс включает две стадии. На первой поверхность лент предварительно обрабатывают смесью кислот. На второй — осуществляют прививку целлюлозы с использованием ультрафиолетового излучения.
Механические испытания показали, что прочность на отслаивание обработанных таким образом полимерных лент с металлической подложкой увеличилась в три раза по сравнению с необработанными лентами. Также исследования продемонстрировали, что предел прочности материала на разрыв снизился всего на 6%, а подверженность истиранию и изнашиванию практически не увеличилась.
«Предложенный способ модификации поверхности сверхвысокомолекулярного полиэтилена позволяет повысить его адгезионные свойства в три раза, при этом механические свойства материала снижаются незначительно. Кроме того, прививка целлюлозы с использованием ультрафиолетового излучения перспективна благодаря низкой стоимости процесса и его высокой эффективности», — подчеркнул участник проекта, поддержанного грантом РНФ, соавтор статьи Алексей Максимкин, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией управляемых бионических систем Сеченовского Университета.
Разработанные ленты сверхвысокомолекулярного полиэтилена обладают низким коэффициентом трения, высокими износостойкостью и прочностью. На основе таких лент можно легко формировать скользкую поверхность трения, например, для передвижения металлических конструкций. А нанесение таких полимерных лент на цапфу подшипников скольжения позволит проектировать подшипники, работающие в условиях сухого трения и при высоких нагрузках.