Rolle des Hybrid-Nanofüllstoffs GNPs/Al2O3 bei der Verbesserung der mechanischen und tribologischen Leistung von HDPE-Verbundwerkstoffen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12447 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die einzigartigen mechanischen Eigenschaften und die Verschleißfestigkeit von HDPE verleihen ihm das Potenzial als Alternative zu Reibungsmaterialien. Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Verwendung von Hybrid-Nanopartikeln mit verschiedenen Füllstoffen, um die besten Additivgehalte zu ermitteln. Die mechanischen und tribologischen Eigenschaften wurden untersucht und bewertet. Es wurden HDPE-Nanokompositproben hergestellt, die 0,5, 1,0, 1,5 und 2,0 Gew.-% Füllgehalt an Al2O3-Nanopartikeln (NPs) sowie 0,5 und 1,0 Gew.-% Graphen-Nanoplättchen (GNPs) enthielten. Die Ergebnisse zeigten eine gute Verbesserung der mechanischen und tribologischen Eigenschaften von HDPE-Verbundwerkstoffen durch die Anwesenheit von Nanoadditiven. Die HDPE-Nanokomposite verzeichneten die beste Leistung mit einer Beladungsmenge von 2,0 Gew.-% und einem gleichen Verhältnis von Hybrid-Nanofüllstoff-Al2O3-NPs und GNPs.

Polyethylen (PE) ist eines der beliebtesten Polymere mit der Besonderheit, dass es neben seiner Kosteneffizienz auch in vielen anderen Bereichen sehr nützlich ist. HDPE aus hochdichtem Polyethylen wird bei geeigneten Temperaturen und Drücken hergestellt, um das Formationsprofil zu steuern. Die Zielkette von HDPE hat eine lineare Struktur mit einigen leichten Verzweigungen1. Viele Nanomaterialien werden als Füllstoffe für Polyethylen eingesetzt, um die chemische Bindung der Polymerstruktur zu verbessern. Viele Nanoadditive wie Kohlenstoffnanofasern, Kohlenstoffnanoröhren und Al2O3-Nanopartikel wurden durchgeführt, um die Verschleißfestigkeit und den Reibungskoeffizienten von PE-Nanokompositen zu bewerten2. Sowohl Polyethylen hoher Dichte (HDPE) als auch Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) werden in vielen Branchen häufig als Lagermaterialien verwendet. Dies liegt an der Tatsache, dass es eine hervorragende Widerstandseigenschaft und niedrige effektive Kosten aufweist3.

In vielen Bereichen wie Reibmaterialien in der Automobilindustrie4,5, Druckrohren6 und langsam laufenden Lagern7 basiert es hauptsächlich auf HDPE. Andererseits verwenden Branchen wie künstliche Gelenke und Verschleißstreifen UHMWPE als Basismaterial8,9. UHMWPE-Nanokomposit wurde erfolgreich durch Zugabe eines umweltfreundlichen Zusatzstoffs (Reisstroh-Zellulose-Nanofasern) hergestellt, was zu einer besseren mechanischen Festigkeit, einem niedrigeren Reibungskoeffizienten und einer höheren Verschleißrate führte10. Neuerdings wird UHMWPE nicht mehr nur für Hüftprothesen verwendet, sondern ist auch ein Basismaterial für Knieprothesen11,12. Das numerische Modell wurde mit ANSYS und MATLAB erstellt, um den Verschleiß des Hüftgelenkersatzes zu bewerten13. Im Bereich künstlicher Hüften wurde HDPE so modifiziert, dass es eine hohe Verschleißfestigkeit und geringe Reibungskräfte aufweist14,15. Darüber hinaus erreicht UHMWPE Abnutzungsraten von nur 0,25 mm/Jahr, was dabei hilft, künstliche Hüftprobleme in den Griff zu bekommen9.

In den letzten Jahrzehnten hat die Welt die Tendenz, die Eigenschaften von Polymeren weiterzuentwickeln und zu verbessern. Dies führte dazu, dass Nanofüllstoffe eine herausragende Rolle bei der Verbesserung der Verschleißfestigkeit und Materialfestigkeit spielen16,17,18,19. Es wurden mehrere Studien durchgeführt, um die tribologischen und mechanischen Eigenschaften von HDPE durch den Einbau verschiedener Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren (CNT)20,21 oder Graphenoxid22,23,24 zu verbessern. Al2O3-Nanopartikel sind ein hervorragendes Füllelement in der PE-Matrix, da sie kostengünstig sind und zur Verbesserung der tribologischen und mechanischen Leistung des Verbundwerkstoffs beitragen5,25. Es wurde berichtet, dass der geringe Beladungsgehalt von Al2O3-NPs als Füllstoff zur Verbesserung der tribologischen Leistung eingesetzt wurde. Das HDPE wurde mit 0,1 verstärkt. 0,2, 0,3, 0,4 und 0,5 Gew.-% Al2O3-NPs. Die Nanokomposite zeigen aufgrund der Zugabe von Al2O3-NPs eine gute Reaktion. Darüber hinaus wurde der Reibungskoeffizient um 11 % reduziert, während die Härte um 9,1 % zunahm5. Der Einbau von Al2O3-NPs in UHMWPE spielt eine entscheidende Rolle bei der Hemmung der Oxidation und der Verbesserung der Verschleißfestigkeit26. Während die Steifigkeit, der Widerstand gegen Risswachstum und die hohe Schlagfestigkeit für mit CaCO3-NPs27 verstärktes HDPE deutlich verbessert wurden. MWCNTs gelten als typischer Füllstoff für die Polymermatrix, der eine wesentliche Rolle bei der Modifizierung der mechanischen und tribologischen Eigenschaften spielt und zur Erhöhung der Lebensdauer beiträgt28,29. Als Füllmaterial aus HDPE wurden Zusammensetzungen von 0,2–2,0 Gew.-% MWCNTs übernommen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Verschleißrate der Verbundwerkstoffe mit zunehmendem MWCNT-Gehalt abnimmt20. Darüber hinaus wurden Nanodiamant-ND, MWCNTs und Graphen-Nanoplättchen-GNPs hinzugefügt, um die Reibungsleistung von HDPE-basierten Nanokompositen zu modifizieren. Die HDPE/ND-Verbundwerkstoffe weisen im Vergleich zum reinen HDPE30 ein deutliches Verschleißverhalten auf. Daraus kann geschlossen werden, dass die Bindungsreaktion zwischen dem Füllstoff und der HDPE-Matrix zu einer Verbesserung des Schermoduls und der Verschleißfestigkeit führt. MWCNTs/HDPE-Nanokomposite wurden mit Beladungsgehalten von 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 und 2,5 Gew.-% eingesetzt. Die mechanischen Eigenschaften von Nanokompositen nehmen mit zunehmendem Beladungsgehalt bis zu 2,0 Gew.-% zu. MWCNTs/HDPE-Nanokomposit mit einer Zusammensetzung von 2,0 Gew.-% zeigte die beste tribologische Leistung31.

Der Hybridfüller verfügt über eine zusätzliche Funktion, die es ermöglicht, einen zusätzlichen Nutzen aus beiden Materialien zu ziehen, der zur Verbesserung der Eigenschaften der Verbundwerkstoffe beiträgt. Die Hybrid-Nanofüllstoffe GNPs und Polyanilin (PANI) wurden zur Herstellung von HDPE-Verbundwerkstoffen eingesetzt. Der Füllstoffgehalt betrug 10 Gew.-% bei einem Verhältnis von GNPs/PANI von 1:4. Die Ergebnisse belegen, dass das HDPE-Nanokomposit eine ausgeprägte elektrische Leitfähigkeit und einen geringen Oberflächen- und Volumenwiderstand aufweist32. Außerdem wurde die durch Kohlenstoffnanofasern (CNFs) mit Silanbeschichtungen verstärkte HDPE-Matrix hergestellt und die tribologische Leistung bewertet. Die Beladungsmenge des Hybrid-Nanofüllstoffs betrug 0,5 %. 1,0 % und 3 Gew.-%. Es kann darauf hingewiesen werden, dass die geringe Füllmenge einen hervorragenden Einfluss auf die tribologische Leistung hat, wobei die Verschleißrate bei 0,5 Gew.-% der Füllmenge um etwa 35 % reduziert wurde. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass höhere Gehalte an Nanoadditiven die Verschleißrate erhöhen, was auf das Vorhandensein von Aggregaten des Füllstoffs zurückzuführen sein kann33. Mechanische und tribologische Eigenschaften von HDPE, verstärkt durch Aluminiumoxid-gehärtetes Zirkonoxid (ATZ) mit Zusammensetzungen von 2–12 Gew.-%. Es kann darauf hingewiesen werden, dass der Elastizitätsmodul und die Festigkeit aufgrund der guten Dispersion und geringen Agglomerationen verbessert wurden. Darüber hinaus weisen die Nanokomposite eine ausgeprägte Verschleißfestigkeit auf34.

Der Umfang der Arbeit besteht in der Untersuchung der möglichen verstärkenden Wirkung von Hybridadditiven aus Al2O3-NPs und GNPs als Nanofüllstoff für die HDPE-Matrix. Der Beladungsgehalt betrug 0,5 Gew.-%, 1,0 Gew.-%, 1,5 Gew.-% und 2,0 Gew.-% Al2O3-NPs sowie 0,5 % und 1,0 Gew.-% GNPs. Die mechanischen und tribologischen Eigenschaften von HDPE-Nanokompositen wurden im Vergleich mit reinem HDPE bewertet.

Das in dieser aktuellen Arbeit verwendete Basismaterial ist hochdichtes Polyethylen, das von Sigma Aldrich Co. gekauft wurde. HDPE war ein hellgraues Pulver mit einer Partikelgröße von 40:90 μm und einer Dichte von 0,94 g/cm3. Allerdings wurden Al2O3-NPs und Graphen-Nanoplättchen (GNPs) als Hybrid-Nanofüllstoffe hinzugefügt, die von US Research Nanoparticles, Inc. geliefert wurden. Tabelle 1 zeigt die Eigenschaften von Nanofüllern. Die SEM-Topographie und die XRD-Analyse für Al2O3-NPs und Nanographen sind in den Abbildungen dargestellt. 1 bzw. 2. Die SEM-Topographie zeigte Al2O3-NPs als kugelförmige Partikel, während die GNPs als Schichten dargestellt wurden. Darüber hinaus wurde der Hybrid aus Al2O3-NPs/GNPs als ideale Füllstoffkomponente zur Modifizierung der HDPE-Eigenschaften bestätigt. Abbildung 2 zeigt das XRD-Muster für Al2O3-NPs und GNPs. Es kann darauf hingewiesen werden, dass XRD-Peaks für Al2O3-NPs bei Beugungswinkeln (2θ) von 26,5°, 35°, 38,2°, 43,5°, 51,1°, 58,5°, 65,7° und 78,5°35 lokalisiert waren. Während die XRD-Analyse für GNPs einen großen Intensitätspeak bei einem Beugungswinkel von 26,5° und eine Reihe von Peaks geringer Intensität bei Beugungswinkeln von 42°, 45° und 56° zeigt32.

REM-Bilder von Al2O3-NPs und GNPs.

XRD-Muster von Al2O3-NPs und GNPs36.

Die Nanokompositproben wurden mit einem rotierenden Mischer hergestellt, um eine homogene Dispersion zu erhalten. Das HDPE-Pulver wurde mit dem Nanofüllstoff in einem Becherglas vermischt und 30 Minuten lang bei 250 U/min gerührt, um den Nanofüllstoff einzuarbeiten und zu dispergieren. Die Pulvermischung wird unter einem Druck von ca. 15 MPa in eine Kupferform (10 mm Durchmesser) gefüllt. Anschließend werden die Proben 40 Minuten lang Temperaturen bis zu 200 °C unter einem Druck von 25 MPa ausgesetzt. Der Verbundwerkstoff wird abkühlen gelassen und anschließend poliert. Der Füllstoff wurde mit Zusammensetzungen von 0,5 %, 1,0 %, 1,5 % und 2,0 Gew.-% Al2O3-NPs und 0,5 % und 1,0 Gew.-% GNPs hinzugefügt. Die Zusammensetzungen der HDPE-Nanokompositproben sind in Tabelle 2 dargestellt.

Die Druckstreckgrenze und der Elastizitätsmodul wurden mithilfe einer intelligenten Universalhydraulik mit hoher Kapazität (DFM-300KN) bewertet. Die Proben wurden auf Basis der ASTM-Norm D1621 untersucht. Basierend auf der ASTM-Norm D2240 wurden die Härteergebnisse jedoch mit dem Durometer Shore D bewertet. Alle Proben wurden fünfmal an verschiedenen Positionen getestet und die Durchschnittswerte berechnet.

IR-Spektroskopie wurde durchgeführt, um die Charakterisierung von Nanokompositproben zu bewerten und zu identifizieren. Der Test wurde mit einem Spektrophotometer, Beckman IR 4250 – USA, durchgeführt und die Ergebnisse wurden im Bereich von etwa 400–2000 cm−1 angegeben.

Die tribologischen Eigenschaften von Nanokompositproben wurden mit einem Stift-auf-Scheibe-Tribometer ermittelt, wie in Abb. 3 dargestellt. Nanokompositproben und reine HDPE-Proben wurden in den Halter eingebaut und als Gegenfläche wurden Platten aus Edelstahllegierungen verwendet Oberflächen. Ein Oberflächenrauheitsmessgerät wurde verwendet, um die genaue Rauheit der Edelstahlplatte genau zu messen (Oberflächenrauheit von Ra = 0,023 μm, Rq = 0,029 μm und Rz = 0,179 μm). Die Proben wurden bei einer Raumtemperatur von 35 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60 % unter trockenen Gleitbedingungen getestet. Die mitgelieferte Software ermöglicht die Erfassung der Reibungskoeffizientendaten und die grafische Darstellung der getesteten Proben. Die Experimente wurden unter fünf verschiedenen Werten der Normallast von 2, 4, 6, 8 und 10 N bei einer Gleitgeschwindigkeit von 0,1 m/s durchgeführt. Das Schleifpapier mit einer Körnung von 1200, entsprechend der Standard-ANSI-Körnung37, wurde als Gegenfläche verwendet, um das Verschleißverhalten von Nanokomposit-Proben zu untersuchen. Verschleißtests wurden alle genau 120 Sekunden durchgeführt und der Gewichtsverlust wurde durch Wiegen der Proben vor und nach dem Test berücksichtigt. Die Verschleißrate wurde wie folgt ermittelt:

wobei die Gleitstrecke L, die Materialdichte ρ und die aufgebrachte Last Fn proportional zum Gewichtsverlust Δm sind.

Aufbau eines Reibungsprüfstands.

Nach dem Verschleißtest wurde ein elektronisches Mikroskop (OLYMPUS BX53M, USA) verwendet, um die Topographie der verschlissenen Oberflächen zu analysieren. Die Bilder wurden in 2D und 3D bestätigt, um die Verschleißfestigkeit der Proben zu bewerten. Für weitere Einzelheiten wurde das Scannen der Oberflächen mit einem REM-Mikroskop (JCM-6000Plus; JEOL, Tokio, Japan) verwendet. Während die Proben eine Abfolge von Verfahren benötigen. Daher wurden die Proben gewaschen und anschließend in einem Luftbad getrocknet. Anschließend wurden die Proben mit einer dünnen Platinschicht überzogen, um zu einer klaren REM-Aufnahme beizutragen.

Diese aktuelle Studie konzentrierte sich auf die Bewertung der mechanischen und Verschleißfestigkeitseigenschaften von HDPE-Proben, die mit einem Hybrid-Nanofüllstoff aus Al2O3-NPs und GNPs beladen wurden. Die Ergebnisse wurden übernommen, um den günstigen Beladungsgehalt des Hybrid-Nanofüllstoffs zu bewerten. Die Proben wurden in zwei Sätze aufgeteilt, der erste wurde mit 0,5 Gew.-% BSP verstärkt und der zweite wurde durch Zugabe von 1,0 Gew.-% BSP verstärkt. Der Einfluss des Nanofüllstoffgehalts auf die mechanischen Eigenschaften von HDPE-Verbundwerkstoffen wurde in den Abbildungen dargestellt. 4 und 6. Dagegen wurden die Werte für Elastizitätsmodul, Druckstreckgrenze und Härte angegeben. Die Ergebnisse lassen sich darauf zurückführen, dass die Dispersion der hybriden Nanofüllstoffe Al2O3 NPs und GNPs zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von HDPE-Nanokompositen beiträgt. Die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften kann auf die Al2O3/GNPs zurückgeführt werden, die zur Stärkung der Matrix beitragen38,39. Aus Abb. 4a ist ersichtlich, dass sich der Elastizitätsmodul und die Druckausbeute mit zunehmender Beladungsmenge auf bis zu 1,5 Gew.-% Al2O3-NPs und 0,5 Gew.-% GNPs verbessern. Darüber hinaus zeigen der Elastizitätsmodul und die Druckstreckgrenze eine deutliche Verbesserung um etwa 23,4 bzw. 48 %. Erst ab dieser Grenze ist davon auszugehen, dass sich die Eigenschaften der HDPE-Nanokomposite verschlechtern. Abbildung 4b veranschaulicht den Zusammenhang zwischen der Belastungsmenge und dem Elastizitätsmodul und der Druckstreckgrenze. Generell lässt sich sagen, dass die Proben mit 1,0 Gew.-% GNPs im Vergleich zum vorherigen Satz eine bessere Reaktion zeigen. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass der Anstieg des BSP-Beladungsgehalts eine entscheidende Rolle bei der Verringerung der Aggregation von NPs spielt, was zu einer Verbesserung der Bindung zwischen Nanofüllstoffen und der HDPE-Matrix führt40. Der maximale Verbesserungswert wurde mit einer Probe erreicht, die mit 1,0 Gew.-% Al2O3-NPs und 1,0 Gew.-% GNPs verstärkt war. Der Elastizitätsmodul und die Druckstreckgrenze wurden im Vergleich zum reinen HDPE um bis zu 24 % bzw. 51,8 % erhöht. Einer der wichtigsten, nicht zu übersehenden Gründe für die Festigkeit der HDPE-Matrix ist die Porosität. Es ist ersichtlich, dass die Festigkeit der HDPE-Matrix aufgrund der vorhandenen Porosität abnimmt, was ihre Tragfähigkeit verringert41,42. Allerdings schränkt in dieser Studie die Verwendung eines Hybridfüllstoffs mit größerer Oberfläche die Porosität der Matrix ein und verbessert die Verteilung der HDPE-Matrix. REM-Bilder von drei HDPE-Nanokompositproben sind in Abb. 5 dargestellt. Die REM-Analyse der reinen HDPE-Matrix, Abb. 5a, ergab eine Oberflächenmorphologie mit Furchen und Poren. Es ist zu beobachten, dass Nanokompositproben eine ähnliche glatte Oberflächenmorphologie aufwiesen und das Fehlen von Mikroporen auf einer glatten HDPE-Oberfläche bestätigten, wie in Abb. 5b und c dargestellt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Al2O3/GNP-Beladungsgehalt zu einer gleichmäßigen Verteilung hybrider Al2O3/GNPs in nanoangereicherten HDPE-Verbundwerkstoffen führt und die Matrixporosität einschränkt.

Elastizitätsmodul und Druckstreckgrenze von HDPE/Al2O3-Nanokompositen mit einem Beladungsgehalt an GNPs NPs (a) 0,5 Gew.-% und (b) 1,0 Gew.-%.

REM-Bilder von Verbundwerkstoffoberflächen: (a) HDPE 00, (b) HDPE 13 und (c) HDPE 21.

Während die Härtewerte der HDPE-Nanokomposite in Abb. 6 dargestellt sind, führt die Dispersion des Hybrid-Nanofüllstoffs im Allgemeinen zu einer Erhöhung der Härte der HDPE-Nanokomposite. Dies könnte auf einen zunehmenden Nanofüllstoffgehalt zurückzuführen sein, der zur Festigkeit der Füllstoff-Matrix-Bindung beiträgt, was folglich die Härte erhöht31. Es kann angegeben werden, dass die mit 2,0 Gew.-% Al2O3-NPs und 0,5 Gew.-% GNPs verstärkte Probe eine Härte von 72,1 Shore D aufweist, was 17,8 % höher ist als die reine Probe. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Härte der Probe, die mit 2,0 Gew.-% Al2O3-NPs und 1,0 Gew.-% GNPs verstärkt war, 74,6 Shore D betrug, was einer Steigerung von etwa 22,8 % entspricht. Den zuvor präsentierten Ergebnissen zufolge besteht kein Zweifel daran, dass der Hybrid-Nanofüllstoff Al2O3/GNPs als eigenständiges Füllmaterial für die HDPE-Matrix gilt, was mit früheren Ergebnissen übereinstimmt43.

Härtewerte von HDPE/Al2O3-Nanokompositen mit einem Beladungsgehalt an GNPs NPs (a) 0,5 Gew.-% und (b) 1,0 Gew.-%.

Zur Bewertung der Bindungsreaktionen zwischen dem Füllstoff und der Matrix wurde eine IR-Spektrenanalyse durchgeführt. Die chemische Bindung von reinem HDPE und seinen Verbundwerkstoffen ist in Abb. 7 dargestellt. Für die Spektren von reinem HDPE können die vielen Positionen auf seiner IR-Bande um Wellenzahlen wie 732, 1461, 2873 und 2965 cm−1 herum verstärkt werden . Dies kann auf die Merkmale des Polyethylenspektrums zurückzuführen sein, das Schwankungsverformungen, symmetrische und asymmetrische Dehnungs- und Biegemodi enthält. Darüber hinaus tritt die Fluktuation der Methylengruppen bei 732 cm-1 auf, die Biegeverformung der Methylengruppen erfolgt bei 1461 cm-1 und die symmetrische und asymmetrische Streckbindung der Methylengruppen tritt bei Banden von 2873 bis 2965 cm-144,45 auf. Die IR-Spektrenanalyse für HDPE-Nanokomposite zeigt ein ähnliches Spektrumband wie reines HDPE. Das Vorhandensein von Füllstoffen durch die HDPE-Matrix führt zu einer Intensitätssteigerung des Spektrums im Vergleich zur reinen Probe. Diese Ergebnisse spiegeln eine gute Reaktion auf die Abstimmung des Füllstoffs mit der HDPE-Matrix wider.

IR-Spektrenanalyse von HDPE/Al2O3-Nanokompositen mit einem Beladungsgehalt an GNPs NPs (a) 0,5 Gew.-% und (b) 1,0 Gew.-%.

Die tribologische Leistung wurde durch Untersuchung des Reibungskoeffizienten und der Verschleißrate der HDPE-Nanokomposite bewertet. Darüber hinaus wurden Untersuchungen der abgenutzten Oberfläche durchgeführt, um den Verschleißmechanismus zu identifizieren. Das Hauptkonzept dieses Abschnitts besteht darin, die geeignete Belastungsmenge anzugeben, die die beste tribologische Leistung bietet. Der Zusammenhang zwischen Reibungskoeffizient und Al2O3/GNPs-Nanofüllstoffgehalt ist in Abb. 8 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der Reibungskoeffizient durch Zugabe des Hybrid-Nanofüllstoffs mit unterschiedlichen Beladungsgehalten deutlich reduziert wird. In allen Belastungsfällen waren die tribologischen Eigenschaften der HDPE-Nanokomposite geringer als die der reinen Probe. Bei Proben, die mit 0,5 Gew.-% GNPs gefüllt sind, Abb. 8a, nimmt der COF aufgrund des zunehmenden Beladungsgehalts bis zu 1,5 Gew.-% Al2O3-NPs allmählich ab, und dann findet eine Rückreaktion statt. Dies weist eindeutig auf eine schlechte Bindung zwischen dem Füllstoff und der Matrix hin, was zu einer unerwünschten tribologischen Leistung führt. Die HDPE-Nanokompositprobe mit 1,5 Gew.-% Al2O3-NPs zeigte den besten COF mit einer Reduzierung von 13 % im Vergleich zur reinen Probe. Dies könnte daran liegen, dass der Hybrid-Nanofüllstoff zu den einzigartigen Eigenschaften beider Substanzen beiträgt. Der Rolleffekt der Al2O3-NPs und die Selbstschmierung der GNPs spielen eine direkte Rolle bei der Verringerung der Reibung im Kontaktbereich6,9. Abbildung 8b veranschaulicht den Einfluss des erhöhten Beladungsgehalts von GNPs auf 1,0 Gew.-% auf den COF. Im Allgemeinen weisen die HDPE-Proben mit einer Dispersion von 1,0 Gew.-% des BSP im Vergleich zum anderen Satz einen niedrigeren COF auf. Dies kann auf die Ausbreitung von Graphen auf der Oberfläche des Nanokomposits zurückzuführen sein46,47. Der niedrigste COF wurde mit der Probe mit einem Gehalt von 0,5 Gew.-% Al2O3-NPs und 1,0 Gew.-% GNPs erreicht, da das Reduktionsverhältnis 23 % erreichte. Es kann offensichtlich sein, dass der hohe Beladungsgehalt von Al2O3-NPs zu einem Anstieg des COF führt, was möglicherweise auf die Agglomeration innerhalb der Matrix zurückzuführen ist34. Mittlerweile zeigten alle HDPE-Verbundwerkstoffe offenbar das gleiche Stick-Slip-Verhalten, wie in Abb. 8c dargestellt.

Reibungskoeffizient von HDPE/Al2O3-Nanokompositen mit einem Gehalt an GNPs (a) 0,5 Gew.-%; (b) 1,0 Gew.-%; (c) Echtzeit-Reibungsdiagramm bei einer aufgebrachten Last von 2 N.

Die Verschleißrate wurde anhand unterschiedlicher Gleitstrecken unter einer aufgebrachten Last von 8 N, Trockenschmierung, einer Temperatur von 30 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60 % geschätzt. Die Verschleißrate von HDPE-Proben, die mit einem GNP-Beladungsgehalt von 0,5 bzw. 1,0 Gew.-% verstärkt wurden, ist in Abb. 9a bzw. b angegeben. Der gleiche COF-Trend wiederholt sich bei der Untersuchung der Verschleißrate von HDPE-Nanokompositen. Die mit einem Hybrid-Nanofüllstoff gefüllten Proben weisen eine geringere Verschleißrate auf als die reine Probe31. Abbildung 9a zeigt, dass die minimale Verschleißrate erreicht werden kann, wenn 1,5 Gew.-% Al2O3-NPs zum HDPE-Nanokomposit hinzugefügt werden. Dies kann auf die Bildung und Verbesserung des Selbstschmierverhaltens durch die Graphen-Nanoplättchen zurückzuführen sein. Die Verschleißrate verringerte sich um 19 % weniger als bei der reinen Probe. Auf der anderen Seite sind in Abb. 9b die mit 1,0 Gew.-% des BSP verstärkten Proben mit Verschleißrate dargestellt. Daher kann beobachtet werden, dass das HDPE-Nanokomposit mit 1,0 Gew.-% Al2O3-NPs im Vergleich zur Probe mit freien Additiven eine um 26 % geringere Verschleißrate aufwies. Schließlich weist die Probe, die mit 2,0 Gew.-% hybriden Al2O3-NPs/GNPs im Verhältnis 1:1 gefüllt ist, eine günstige Verschleißfestigkeit unter allen Ladungsträgern auf. Somit trägt die selbstschmierende Wirkung von Graphen zur Verbesserung der tribologischen Leistung von HDPE-Nanokompositen bei.

Verschleißrate von HDPE/Al2O3-Nanokompositen mit einem Beladungsgehalt an GNPs NPs (a) 0,5 Gew.-% und (b) 1,0 Gew.-%.

Um den Verschleißmechanismus weiter zu klären, wurden die verschlissenen Oberflächen der Proben untersucht. Optische Bilder, 3D-Topographie und SEM von verschlissenen Oberflächen wurden gescannt, um die Reibungsleistung von HDPE-Proben zu bewerten und zu analysieren. Abbildung 10 zeigt die 2D- und 3D-Topographiebilder. Die abgenutzte Oberfläche der Probe (00), frei von Füllstoffen, Hohlräumen und Rissen, erscheint auf der Verschleißspur. Durch die Zugabe von Hybridfüllstoff zur Mischung werden diese Mängel reduziert und die Oberflächen der Proben verbessert, was die Verschleißfestigkeit erhöht48. Es ist zu erkennen, dass Probe (10) im Kontaktbereich eine deutliche Pflug- und Verschleißspur aufweist. Die abgenutzten Oberflächen der Proben verbessern weiterhin die Verschleißraten, da die Tiefe der Verschleißspur abnimmt, wie in der Probe (02) angegeben. Es ist offensichtlich, dass Probe (03) eine gute Oberflächenrauheit und eine Oberfläche mit geringer Verformung aufweist, was ein Beweis für die Verbesserung der Festigkeit und Härte des Nanokomposits ist. Im Gegensatz dazu zeigt Probe (04) ein Pflügen an der Oberfläche und eine deutliche Verschleißspur. Aus dem oben Gesagten lässt sich schließen, dass die Probe im Vergleich zu diesem Probensatz die beste tribologische Leistung erzielt. Beim zweiten Probensatz, der mit 1,0 Gew.-% GNPs gefüllt ist, kann man feststellen, dass Probe (12) eine glattere, abgenutzte Oberfläche und keine deformierten Schichten aufweist. Den günstigsten Effekt zeigten Nanokomposite, die 2,0 Gew.-% Al2O3-NPs und GNPs im gleichen Verhältnis enthalten. Abbildung 11 zeigt die Oberflächenrauheit von Proben. Es ist zu erkennen, dass die reine Probe die höchste Oberflächenrauheit aufweist. Die Ergebnisse zeigten, dass die Beladung mit Hybrid-Nanofüllstoffen zu einer Verringerung der Oberflächenrauheit führt49,50. Es wurde gezeigt, dass die Probe mit einem Beladungsgehalt von 1,0 Gew.-% Al2O3-NPs und GNPs die geringste Oberflächenrauheit aufweist und glatter ist. Dies kann auf eine gleichmäßige Verteilung des Nanofüllstoffs in der HDPE-Matrix zurückzuführen sein, die zur Erhöhung der Festigkeit des Harzes und zur Begrenzung von Hohlräumen und Furchen beiträgt.

Optische Bilder und 3D-Topographie abgenutzter Oberflächen von HDPE/Al2O3/GNPs-Nanokompositen.

Oberflächenrauheit abgenutzter Oberflächen von HDPE/Al2O3/GNPs-Nanokompositen.

Um einen detaillierteren Überblick über die Verschleißspuren zu erhalten, wurden die verschlissenen Oberflächen anhand von REM-Bildern der Proben untersucht, wie in Abb. 12 dargestellt. Die reine Probenansicht zeigt offensichtliche Schäden an der Oberfläche. Dennoch treten auf der verschlissenen Oberfläche viele Hohlräume, plastischer Verformungsfluss und Furchen in der gleichen Gleitrichtung auf. Es wurde außerdem beobachtet, dass mit einem Hybrid-Nanofüllstoff verstärkte Proben weniger Kunststoffschichten und Risse aufweisen. Diese plastischen Strömungen werden nicht durch Reibung mit der Scheibe verursacht, sondern entstehen durch das Vorhandensein von Schmutz auf der Kontaktfläche. Daher ist die Trümmergröße ein aktiver Faktor bei der Verformung der Oberfläche. Darüber hinaus bilden die GNPs eine selbstschmierende Schicht, die zur Reduzierung der Reibungskraft beiträgt51. Demnach weist Probe (03) eine gute Verschleißfestigkeit der Oberfläche auf und die Verschleißrückstände sind geringer. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass der Hybrid-Nanofüllstoff mit der HDPE-Matrix kompatibel ist, was zur Veränderung der Eigenschaften der Nanokomposite beiträgt. Die gleichen Beobachtungen gelten auch für die anderen Probensätze. Allerdings sind die Kunststoffschichten, Risse und Furchen geringer als beim Reinexemplar. Die abgenutzten Oberflächen zeigten einen glatteren und weniger beschädigten Bereich, was auf die gute Verbindung zwischen Füllstoff und Matrix zurückzuführen ist.

REM-Bilder abgenutzter Oberflächen von HDPE/Al2O3/GNPs-Nanokompositen.

Die aktuelle Studie konzentrierte sich auf die Beiträge der hybriden Nanofüllstoffe Al2O3 NPs und GNPs zu den mechanischen und tribologischen Eigenschaften von HDPE. Es wurden zwei Probensätze mit einem Beladungsgehalt von 0,5 % und 1,0 Gew.-% des BSP verwendet. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen können die Schlussfolgerungen gezogen werden:

Die Analyse der IR-Spektren zeigte eine deutliche Verteilung der Al2O3-NPs und GNPs als Additiv in der Matrix ohne Probleme zwischen den Bindungen.

Die mechanischen Eigenschaften von HDPE-Nanokompositen wurden verbessert, wobei der Elastizitätsmodul und die Druckfließspannung bei Gehalten von 1,5 Gew.-% Al2O3-NPs und 0,5 Gew.-% GNPs auf 23,4 bzw. 48 % angehoben wurden.

Proben, die mit 1,0 Gew.-% Al2O3-NPs und 1,0 Gew.-% GNPs gefüllt sind, weisen bessere mechanische Eigenschaften auf, so dass der Elastizitätsmodul und die Druckfließgrenze eine Verbesserung von bis zu 24 bzw. 51,8 % erreichten.

Hochbeladener Inhalt führt zur Aufnahme maximaler Härtewerte, wobei sich die Härte um 22,8 % verbessert.

Der Hybrid-Nanofüllstoff trägt zur Reduzierung des Reibungskoeffizienten um 13 % bei, denn HDPE enthält 1,5 Gew.-% Al2O3-NPs und 0,5 Gew.-% BNPs. Unterdessen zeigten HDPE-Verbundwerkstoffe mit 1,0 Gew.-% Al2O3-NPs und 1,0 Gew.-% GNPs einen um 23 % geringeren Reibungskoeffizienten als reines HDPE.

Die minimale Verschleißrate zeigte sich bei Proben, die mit 1,0 Gew.-% Al2O3-NPs und 1,0 Gew.-% GNPs gefüllt waren, wobei die Reduzierung etwa 26 % betrug.

Ein Beladungsgehalt von 1,0 Gew.-% Al2O3-NPs und 1,0 Gew.-% GNPs weist die beste mechanische und tribologische Leistung auf.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Mohamed Taha

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NA: Konzeptualisierung; Untersuchung; Methodik; Schreiben – Originalentwurf. MT: Datenkuration; Visualisierung; Ressourcen. AMMI: Aufsicht; Formale Analyse; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. AAK; Datenkuration; Visualisierung; Aufsicht.

Korrespondenz mit Ahmed Mohamed Mahmoud Ibrahim.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

A., N., Taha, M., Ibrahim, AMM et al. Rolle des Hybrid-Nanofüllstoffs GNPs/Al2O3 bei der Verbesserung der mechanischen und tribologischen Leistung von HDPE-Verbundwerkstoffen. Sci Rep 13, 12447 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39172-9

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Eingegangen: 19. Januar 2023

Angenommen: 20. Juli 2023

Veröffentlicht: 01. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39172-9

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