Структура и триботехнические свойства полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена и палыгорскита

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) обладает низким коэффициентом трения и высокой химической инертностью, что делает его востребованным для изготовления триботехнических материалов. Однако его основным недостатком является низкая износостойкость. Для улучшения характеристик ПТФЭ используют наполнители, среди которых перспективными являются природные силикаты, в том числе и палыгорскит, благодаря их доступности, механической прочности и способности улучшать триботехнические характеристики. Таким образом, целью работы является разработка полимерных композиционных материалов на основе ПТФЭ и природного силиката палыгорскита с улучшенными триботехническими характеристиками.

В качестве исходных материалов использовались порошок ПТФЭ марки ПН-90 и природный палыгорскит Уральского происхождения. Структурный анализ образцов выполняли с помощью ИК-спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионным анализом, твёрдость измеряли по методу Шора А. Результаты показали значительное улучшение триботехнических характеристик композитов с палыгорскитом по сравнению с исходным ПТФЭ. При добавлении 5 мас. % механоактивированного палыгорскита скорость изнашивания снижалась с 120 мг/ч до 0,36 мг/ч, износостойкость возросла в 330 раз. Коэффициент трения при этом немного повышается, но остаётся на достаточно низком уровне, что связано с изменениями микроструктуры поверхности трения. Результаты проведенных исследований поверхности трения образцов композитов подтверждают формирование прочного износостойкого поверхностного слоя (вторичной структуры).

Полученные композиты перспективны для применения в узлах трения техники и оборудования промышленности, где требуется высокая износостойкость при низком коэффициенте трения.

1. Deshwal D., Belgamwar S.U., Bekinal S.I., and Doddamani M. Role of Reinforcement on the Tribological Properties of Polytetrafluoroethylene Composites: A Comprehensive Review // Polymer Composites. — 2024 (45), 14475—14497 https://doi.org/10.1002/pc.28802

2. Ebnesajjad S. Introduction to Fluoropolymers: Materials, Technology, and Applications. — Amsterdam: Elsevier. — 2020. https://doi.org/10.1016/C2018-0-04702-7

3. Dhanumalayan E. and Girish M.J. Performance Properties and Applications of Polytetrafluoroethylene (PTFE). A Review // Advanced Composites and Hybrid Materials. — 2018 (1), 247—268. https://doi.org/10.1007/s42114-018-0023-8

4. Xia Y., Yang K., Feng X., and Wang Y. Tribological Properties of Modified Kaolin Doped Polymer as Polytetrafluoroethylene Grease Additive // Tribology International. — 2022 (173), 107612. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2022.107612

5. Jia Z., Yan Y., Chen X., and Han G. Tribological Behaviors of PTFE Composites Filled with Surface-Modified Nano-Serpentine under Natural Seawater Lubrication // International Journal of Simulation: Systems, Science and Technology. — 2016 (17), 36.1—36.9. https://doi.org/10.5013/IJSSST.a.17.31.36

6. Лазарева Н.Н., Охлопкова А.А., Капитонова Ю.В., Тарасова П.Н., Васильев А.П., Данилова С.Н., Волнянко Е.Н. Технологические особенности создания полимер-силикатных композитов триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена (обзор) // Полимерные материалы и технологии. — 2025 (11), 6—21. https://doi.org/10.32864/polymmattech-2025-11-2-6-21

7. Kapitonova Iu., Lazareva N., Tarasova P., Okhlopkova A., Laukkanen S., and Mukhin V. Morphology Analysis of Friction Surfaces of Composites Based on PTFE and Layered Silicates // Polymers. — 2022 (14), 4658. https://doi.org/10.3390/polym14214658

8. Vasilev A.P., Struchkova T.S., Nikiforov L.A., Okhlopkova A.A., Grakovich P.N., Shim E.L., and Cho J.H. Mechanical and Tribological Properties of Polytetrafluoroethylene Composites with Carbon Fiber and Layered Silicate Fillers // Molecules. — 2019 (24),224. https://doi.org/10.3390/molecules24020224

9. Wang C., Wang Z., Li C., Zhen W., Wang S., and Huang S. Effects of Modified Palygorskite on Performance, Crystallization and Rheology of Polyphenylene Sulfide // Applied Clay Science. — 2023 (240), 106967. https://doi.org/10.1016/j.clay.2023.106967

10. Rusmin R., Sarkar B., Mukhopadhyay R., Tsuzuki T., Liu Y., and Naidu R. Facile One Pot Preparation of Magnetic Chitosan-Palygorskite Nanocomposite for Efficient Removal of Lead from Water // Journal of Colloid and Interface Science. — 2022 (608), 575—587. https://doi.org/10.1002/pc.24427

11. Sun X., Chen Y., Liang L., Xie G., and Peng Y. Research on Hydrocyclone Separation of Palygorskite Clay // Minerals. — 2023 (13), 1264. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.09.109

12. Berladir K., Gusak O., Demianenko M., Zajac J., and Ruban A. Functional Properties of PTFE-Composites Produced by Mechanical Activation // Advances in Design, Simulation and Manufacturing II. DSMIE 2019. Lecture Notes in Mechanical Engineering. — Cham: Springer International Publishing. — 2020, 391—401. https://doi.org/10.1007/978-3-030-22365-6_39

13. Rao G.R., Srikanth I., and Reddy K.L. Effect of Organo-Modified Montmorillonite Nanoclay on Mechanical, Thermal and Ablation Behavior of Carbon Fiber/Phenolic Resin Composites // Defence Technology. — 2021 (17), 812—820. https://doi.org/10.1016/j.dt.2020.05.012

14. Kapitonova Iu.V., Tarasova P.N., Okhlopkova A.A., and Lazareva N.N. Influence of a Hybrid Complex of Fillers Including Olivinite and Magnesium Spinel on the Structure and Properties of Polytetrafluoroethylene // Journal of Polymer Research. — 2023 (30), 328. https://doi.org/10.1007/s10965-023-03710-w

15. Meirelles L.M.A., Barbosa R.M., Sanchez-Espejo R., Garcia-Villen F., Perioli L., Viseras C., Moura T.F.A., and Raffin F.N. Investigation into Brazilian Palygorskite for Its Potential Use as Pharmaceutical Excipient: Perspectives and Applications // Materials. — 2023 (16), 4962. https://doi.org/10.3390/ma16144962

16. Ломова О.С. Палыгорскиты и сепиолиты, как индикаторы геологических обстановок. — М.: Наука. — 1979

17. Охлопкова А.А. Виноградов А.В., Пинчук Л.С. Пластики, наполненные ультрадисперсными неорганическими соединениями. — Гомель: ИММС НАНБ. — 1999

18. Aly A.A., Zeidan E.B., Alshennawy A.A., El-Masry A.A., and Wasel W.A. Friction and Wear of Polymer Composites Filled by Nano-Particles: A Review // World Journal of Nano Science and Engineering. — 2012 (2), 32—39. http://dx.doi.org/10.4236/wjnse.2012.21006

19. Fu S.Y., Feng X.Q., Lauke B., and Mai Y.W. Effects of Particle Size, Particle/Matrix Interface Adhesion and Particle Loading on Mechanical Properties of Particulate–Polymer Composites // Composites Part B: Engineering. — 2008 (39), 933—961. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2008.01.002

20. Охлопкова А.А., Лазарева Н.Н., Капитонова Ю.В., Тарасова П.Н., Васильев А.П., Данилова С.Н., Борисова Р.В. Полимер-силикатные композиты на основе политетрафторэтилена (обзор) // Полимерные материалы и технологии. — 2024 (10), 6—19. https://doi.org/10.32864/polymmattech-2024-10-4-6-19

21. Бузник В.М., Игнатьева Л.Н., Кайдалова Т.А., Ким А.П., Кирюхин Д.П., Курявый В.Г., Савченко Н.Н., Слободюк А.Б. Строение фторполимерных продуктов, полученных из растворов теломеров тетрафторэтилена // Высокомолекулярные соединения. Серия А. — 2008 (50), 1641—1647

22. Белый В.А., Егоренков Н.И., Плескачевский Ю.М. Термо- и трибоокислительные процессы. — М.: Химия. — 1987