Ruolo del nanoriempitivo ibrido GNP/Al2O3 nel miglioramento delle prestazioni meccaniche e tribologiche del composito HDPE

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12447 (2023) Citare questo articolo

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Le proprietà meccaniche uniche e la resistenza all'usura dell'HDPE gli conferiscono il potenziale come alternativa al materiale di attrito. La ricerca attuale si concentra sull'utilizzo di nanoparticelle ibride con vari riempitivi di caricamento per determinare il miglior contenuto di additivi. Le caratteristiche meccaniche e tribologiche sono state esaminate e valutate. Sono stati fabbricati i campioni di nanocompositi HDPE contenenti 0,5, 1,0, 1,5 e 2,0% in peso di contenuto di riempimento di nanoparticelle di Al2O3 (NP) e 0,5 e 1,0% in peso di nanopiastrine di grafene (GNP). I risultati hanno mostrato un buon miglioramento delle proprietà meccaniche e tribologiche dei compositi HDPE con la presenza di nano additivi. I nanocompositi HDPE hanno registrato le migliori prestazioni con una quantità di carico del 2,0% in peso con un rapporto uguale di NP e PNL di nanoriempitivo ibrido Al2O3.

Il polietilene (PE) è uno dei polimeri più popolari con l'unicità di essere molto utile in una vasta gamma di campi diversi dal suo rapporto costo-efficacia. Il polietilene HDPE ad alta densità viene prodotto a temperature e pressioni adeguate per controllare il profilo di formazione. La catena bersaglio dell'HDPE ha una struttura lineare con poche e leggere ramificazioni1. Molti nanomateriali vengono adottati come riempitivi per il polietilene per migliorare il legame chimico della struttura polimerica. Sono stati utilizzati molti nanoadditivi come nanofibre di carbonio, nanotubi di carbonio e nanoparticelle di Al2O3 per valutare la resistenza all'usura e il coefficiente di attrito dei nanocompositi PE2. Sia il polietilene ad alta densità (HDPE) che il polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE) sono ampiamente utilizzati come materiali per cuscinetti in molti settori. Ciò è dovuto al fatto che presenta eccezionali proprietà di resistenza e bassi costi effettivi3.

In molti campi come i materiali di attrito nell'industria automobilistica4,5, i tubi in pressione6 e i cuscinetti a bassa velocità7, si basa principalmente sull'HDPE. D'altro canto, settori come quelli dei giunti artificiali e delle guide antiusura adottano l'UHMWPE come materiale di base8,9. Il nanocomposito UHMWPE è stato fabbricato con successo aggiungendo un additivo ecologico (nanofibre di cellulosa di paglia di riso) con conseguente resistenza meccanica preferibile, coefficiente di attrito ridotto e velocità di usura10. Recentemente, l'UHMWPE non è più utilizzato solo nelle protesi dell'anca ma è anche un materiale di base per le protesi totali del ginocchio11,12. Il modello numerico è stato costruito utilizzando ANSYS e MATLAB per valutare l'usura della protesi d'anca13. Nel campo delle anche artificiali, l'HDPE è stato modificato per garantire un'elevata resistenza all'usura e basse forze di sfregamento14,15. Inoltre, l'UHMWPE raggiunge tassi di usura pari a 0,25 mm/anno, il che aiuta a tenere sotto controllo i problemi dell'anca artificiale9.

Negli ultimi decenni, il mondo ha avuto la tendenza a sviluppare e migliorare le proprietà dei polimeri. Ciò ha portato a ritenere che i nanoriempitivi abbiano un ruolo distinto nel migliorare la resistenza all’usura e la resistenza del materiale16,17,18,19. Sono stati condotti diversi studi per migliorare le proprietà tribologiche e meccaniche dell'HDPE incorporandolo con diversi nanomateriali, come i nanotubi di carbonio (CNT)20,21 o l'ossido di grafene22,23,24. Le nanoparticelle Al2O3 sono un eccellente elemento riempitivo nella matrice PE poiché sono a basso costo e aiutano a migliorare le prestazioni tribologiche e meccaniche del composito5,25. È stato riferito che il basso contenuto di carico delle NP Al2O3 è stato applicato come riempitivo per migliorare le prestazioni tribologiche. L'HDPE è stato rinforzato con 0,1. 0,2, 0,3, 0,4 e 0,5% in peso di NP Al2O3. I nanocompositi mostrano una buona reazione grazie all'aggiunta di NP Al2O3. Inoltre, il coefficiente di attrito è stato ridotto dell'11%, mentre la durezza è aumentata del 9,1%5. L'incorporazione di NP Al2O3 nell'UHMWPE svolge un ruolo fondamentale nell'inibire l'ossidazione e migliorare la resistenza all'usura26. Mentre la rigidità, la resistenza alla crescita delle crepe e l’elevata resistenza all’impatto sono state registrate come chiaramente migliorate per l’HDPE rinforzato con CaCO3 NP27. I MWCNT sono considerati un tipico riempitivo della matrice polimerica, che svolge un ruolo notevole nel modificare le proprietà meccaniche e tribologiche e contribuisce all'aumento della durata di servizio28,29. Le composizioni dello 0,2–2,0% in peso di MWCNT sono state adottate come materiale riempitivo dell'HDPE. I risultati hanno rivelato che il tasso di usura dei compositi diminuisce con l’aumentare del contenuto di MWCNT20. Inoltre, sono stati aggiunti ND di nanodiamanti, MWCNT e nanopiastrine di grafene GNP per modificare le prestazioni di attrito dei nanocompositi a base di HDPE. I compositi HDPE/ND mostrano una prestazione di usura distinta rispetto al puro HDPE30. Si può concludere che la reazione di legame tra il riempitivo e la matrice in HDPE porta ad un miglioramento del modulo di taglio e della resistenza all'usura. Sono stati adottati nanocompositi MWCNT/HDPE con un contenuto di carico di 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 e 2,5% in peso. Le proprietà meccaniche dei nanocompositi aumentano con l'aumentare del contenuto di carico fino al 2,0% in peso. Il nanocomposito MWCNT/HDPE con una composizione del 2,0% in peso ha mostrato le migliori prestazioni tribologiche31.