HDPE 복합재의 기계적 및 마찰 성능 향상에 대한 하이브리드 나노필러 GNPs/Al2O3의 역할

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12447(2023) 이 기사 인용

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HDPE의 독특한 기계적 특성과 내마모성은 마찰재를 대체할 수 있는 잠재력을 제공합니다. 현재 연구는 최고의 첨가제 함량을 결정하기 위해 다양한 로딩 필러와 함께 하이브리드 나노입자를 사용하는 데 중점을 두고 있습니다. 기계적 및 마찰학적 특성을 검사하고 평가했습니다. 0.5, 1.0, 1.5 및 2.0 중량%의 Al2O3 나노입자(NPs) 충전 함량과 0.5 및 1.0 중량%의 그래핀 나노판(GNP)을 함유하는 HDPE 나노복합체 샘플을 제조하였다. 결과는 나노 첨가제의 존재로 인해 HDPE 복합재의 기계적 및 마찰학적 특성이 크게 향상되었음을 보여주었습니다. HDPE 나노복합체는 하이브리드 나노필러 Al2O3 NPs와 GNPs의 동일한 비율로 2.0wt.%의 로딩량으로 최고의 성능을 기록했습니다.

폴리에틸렌(PE)은 경제성 외에도 다양한 분야에서 매우 유용하다는 독특함을 지닌 가장 인기 있는 고분자 중 하나입니다. 고밀도 폴리에틸렌 HDPE는 형성 프로파일을 제어하기 위해 적절한 온도와 압력에서 생산됩니다. HDPE의 표적 사슬은 약간의 가지가 있는 선형 구조로 형성됩니다1. 폴리머 구조의 화학적 결합을 향상시키기 위해 많은 나노 물질이 폴리에틸렌의 필러로 채택됩니다. PE 나노복합체의 내마모성과 마찰계수를 평가하기 위해 탄소나노섬유, 탄소나노튜브, Al2O3 나노입자와 같은 많은 나노첨가제가 수행되었습니다2. 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)은 모두 많은 산업 분야에서 베어링 재료로 널리 사용됩니다. 이는 뛰어난 저항 특성과 낮은 유효 비용3을 갖고 있기 때문입니다.

자동차 산업의 마찰재4,5, 압력 파이프6, 저속 베어링7 등 많은 분야에서 주로 HDPE를 기반으로 합니다. 반면, 인공 관절 및 마모 스트립과 같은 산업에서는 UHMWPE를 기본 재료로 사용합니다8,9. UHMWPE 나노복합체는 친환경 첨가제(볏짚 셀룰로오스 나노섬유)를 첨가하여 성공적으로 제조되었으며, 그 결과 우수한 기계적 강도, 낮은 마찰계수 및 마모율을 나타냈습니다10. 최근 UHMWPE는 더 이상 고관절 치환술에만 사용되지 않고 전반적인 무릎 치환술의 기본 재료이기도 합니다11,12. 고관절 치환술의 마모를 평가하기 위해 ANSYS와 MATLAB을 사용하여 수치 모델을 구축했습니다13. 인공 고관절 분야에서 HDPE는 높은 내마모성과 낮은 마찰력을 수행하도록 수정되었습니다14,15. 또한 UHMWPE는 연간 0.25mm의 낮은 마모율을 달성하여 인공 고관절 문제를 제어하는 ​​데 도움이 됩니다9.

최근 수십 년 동안 세계는 폴리머의 특성을 개발하고 개선하는 경향이 있었습니다. 이로 인해 나노필러는 내마모성과 재료 강도를 향상시키는 데 탁월한 역할을 합니다16,17,18,19. HDPE를 탄소 나노튜브(CNT)20,21 또는 그래핀 산화물22,23,24과 같은 다양한 나노물질과 통합하여 HDPE의 마찰공학적 및 기계적 특성을 향상시키기 위한 여러 연구가 수행되었습니다. Al2O3 나노입자는 가격이 저렴하고 복합재의 마찰공학적, 기계적 성능을 향상시키는 데 도움이 되므로 PE 매트릭스의 탁월한 필러 요소입니다5,25. 마찰공학적 성능을 향상시키기 위해 Al2O3 NPs의 낮은 로딩 함량을 충진재로 적용한 것으로 보고되었습니다. HDPE를 0.1로 강화했습니다. Al2O3 NP 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 중량%. 나노복합체는 Al2O3 NP를 첨가하기 때문에 좋은 반응을 나타냅니다. 또한 마찰계수는 11% 감소한 반면 경도는 9.1% 증가했습니다5. Al2O3 NP를 UHMWPE에 포함시키는 것은 산화를 억제하고 내마모성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다26. 강성, 균열 성장 저항성 및 높은 충격 저항성은 CaCO3 NPs27로 강화된 HDPE의 경우 분명히 향상된 것으로 기록되었습니다. MWCNT는 고분자 매트릭스의 전형적인 필러로 간주되며, 이는 기계적 및 마찰학적 특성을 수정하는 데 눈에 띄는 역할을 하고 서비스 수명 연장에 기여합니다28,29. 0.2~2.0wt.%의 MWCNT 조성이 HDPE의 충진재로 채택되었다. 결과는 MWCNT 함량이 증가함에 따라 복합재의 마모율이 감소한다는 것을 보여주었습니다. 또한 HDPE 기반 나노 복합재의 마찰 성능을 수정하기 위해 나노 다이아몬드 ND, MWCNT 및 그래핀 나노판 GNP를 추가했습니다. HDPE/ND 복합재는 순수 HDPE30과 비교할 때 뚜렷한 마모 성능을 나타냅니다. 충전재와 HDPE 매트릭스 사이의 결합 반응이 전단 탄성률과 내마모성을 향상시키는 것으로 결론지을 수 있습니다. MWCNTs/HDPE 나노복합체는 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5wt.%의 로딩 함량으로 채택되었습니다. 나노복합체의 기계적 특성은 로딩 함량이 최대 2.0wt.%까지 증가함에 따라 증가합니다. 2.0wt.% 조성의 MWCNTs/HDPE 나노복합체는 최고의 마찰공학적 성능을 나타냈다31.