Papel das nanocargas híbridas GNPs/Al2O3 na melhoria do desempenho mecânico e tribológico do compósito HDPE

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12447 (2023) Citar este artigo

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As propriedades mecânicas exclusivas e a resistência ao desgaste do HDPE conferem-lhe potencial como alternativa ao material de fricção. A pesquisa atual concentra-se no uso de nanopartículas híbridas com vários enchimentos para determinar os melhores teores de aditivos. As características mecânicas e tribológicas foram examinadas e avaliadas. As amostras de nanocompósitos de HDPE contendo 0,5, 1,0, 1,5 e 2,0% em peso de conteúdo de nanopartículas de Al2O3 (NPs) e 0,5 e 1,0% em peso de nanoplacas de grafeno (GNPs) foram fabricadas. Os resultados mostraram um bom aprimoramento nas propriedades mecânicas e tribológicas dos compósitos de HDPE com a presença de nano aditivos. Os nanocompósitos de HDPE registraram o melhor desempenho com uma quantidade de carga de 2,0% em peso com uma proporção igual de nanocargas híbridas Al2O3 NPs e GNPs.

O polietileno (PE) é um dos polímeros mais populares com a singularidade de ser muito útil em uma ampla gama de campos além de sua relação custo-benefício. O polietileno HDPE de alta densidade é produzido em temperaturas e pressões apropriadas para controlar o perfil de formação. A cadeia alvo do HDPE é formada em uma estrutura linear com algumas pequenas ramificações1. Muitos nanomateriais são adotados como enchimentos de polietileno para melhorar a ligação química da estrutura do polímero. Muitos nano-aditivos, como nanofibras de carbono, nanotubos de carbono e nanopartículas de Al2O3, foram realizados para avaliar a resistência ao desgaste e o coeficiente de atrito dos nanocompósitos de PE2. Tanto o polietileno de alta densidade (HDPE) quanto o polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) são amplamente utilizados como materiais de rolamento em muitas indústrias. Isso se deve ao fato de possuir excelente propriedade de resistência e baixo custo efetivo3.

Em muitos campos, como materiais de fricção na indústria automotiva4,5, tubos de pressão6 e rolamentos de baixa velocidade7, é baseado principalmente em HDPE. Por outro lado, indústrias como juntas artificiais e tiras de desgaste adotam o UHMWPE como material base8,9. O nanocompósito UHMWPE foi fabricado com sucesso pela adição de um aditivo ecológico (nanofibras de celulose de palha de arroz), resultando em resistência mecânica preferível, coeficiente de atrito reduzido e taxa de desgaste . Recentemente, o UHMWPE não é mais usado apenas em substituições de quadril, mas também é um material de base para substituições gerais de joelho11,12. O modelo numérico foi construído utilizando ANSYS e MATLAB para avaliar o desgaste da artroplastia de quadril13. No campo dos quadris artificiais, o HDPE foi modificado para apresentar alta resistência ao desgaste e baixas forças de fricção14,15. Além disso, o UHMWPE atinge taxas de desgaste tão baixas quanto 0,25 mm/ano, o que ajuda a controlar problemas de quadril artificial9.

Nas últimas décadas, o mundo tendeu a desenvolver e melhorar as propriedades dos polímeros. Isto levou a que as nanocargas tenham um papel distinto no aumento da resistência ao desgaste e da resistência do material . Vários estudos têm sido feitos para melhorar as propriedades tribológicas e mecânicas do HDPE, incorporando-o com diferentes nanomateriais, como nanotubos de carbono (CNT)20,21, ou óxido de grafeno22,23,24. As nanopartículas de Al2O3 são um excelente elemento de enchimento na matriz de PE, pois são de baixo custo e ajudam a melhorar o desempenho tribológico e mecânico do compósito5,25. Foi relatado que o baixo teor de carga de NPs de Al2O3 foi aplicado como carga para melhorar o desempenho tribológico. O HDPE foi reforçado com 0,1. 0,2, 0,3, 0,4 e 0,5% em peso de NPs de Al2O3. Os nanocompósitos apresentam uma boa reação devido à adição de NPs de Al2O3. Além disso, o coeficiente de atrito foi reduzido em 11%, enquanto a dureza aumentou 9,1%5. A incorporação de NPs de Al2O3 no UHMWPE desempenha um papel vital na inibição da oxidação e no aumento da resistência ao desgaste . Enquanto a rigidez, a resistência ao crescimento de fissuras e a alta resistência ao impacto foram registradas como claramente melhoradas para o HDPE reforçado com NPs de CaCO327. Os MWCNTs são considerados um típico enchimento para matriz polimérica, que desempenha um papel notável na modificação das propriedades mecânicas e tribológicas e contribui para o aumento da vida útil . As composições de 0,2–2,0% em peso de MWCNTs foram adotadas como material de enchimento de HDPE. Os resultados revelaram que a taxa de desgaste dos compósitos diminui com o aumento do teor de MWCNTs20. Além disso, nano-diamantes ND, MWCNTs e nanoplacas de grafeno foram adicionados para modificar o desempenho de fricção de nanocompósitos baseados em HDPE. Os compósitos HDPE/ND apresentam um desempenho de desgaste distinto em comparação com o HDPE30 puro. Pode-se concluir que a reação de ligação entre a carga e a matriz de HDPE leva à melhoria do módulo de cisalhamento e da resistência ao desgaste. Nanocompósitos MWCNTs/HDPE foram adotados com conteúdo de carga de 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 e 2,5% em peso. As propriedades mecânicas dos nanocompósitos aumentam com o aumento do teor de carga em até 2,0% em peso. O nanocompósito MWCNTs / HDPE com composição de 2,0% em peso apresentou o melhor desempenho tribológico .