Rôle de la nanocharge hybride GNPs/Al2O3 dans l'amélioration des performances mécaniques et tribologiques du composite HDPE

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12447 (2023) Citer cet article

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Les propriétés mécaniques uniques et la résistance à l’usure du PEHD lui confèrent le potentiel d’alternative au matériau de friction. La recherche actuelle se concentre sur l’utilisation de nanoparticules hybrides avec diverses charges de chargement pour déterminer les meilleures teneurs en additifs. Les caractéristiques mécaniques et tribologiques ont été examinées et évaluées. Les échantillons de nanocomposites HDPE contenant 0,5, 1,0, 1,5 et 2,0 % en poids de nanoparticules d'Al2O3 (NP) et 0,5 et 1,0 % en poids de nanoplaquettes de graphène (PNB) ont été fabriqués. Les résultats ont montré une bonne amélioration des propriétés mécaniques et tribologiques des composites HDPE grâce à la présence de nano-additifs. Les nanocomposites HDPE ont enregistré les meilleures performances avec une quantité de chargement de 2,0 % en poids avec un rapport égal de nanocharges hybrides Al2O3 NP et GNP.

Le polyéthylène (PE) est l'un des polymères les plus populaires avec la particularité d'être très utile dans un large éventail de domaines autres que sa rentabilité. Le polyéthylène HDPE haute densité est produit à des températures et des pressions appropriées pour contrôler le profil de formation. La chaîne cible du PEHD est formée selon une structure linéaire avec quelques légères ramifications1. De nombreux nanomatériaux sont adoptés comme charges pour le polyéthylène afin d'améliorer la liaison chimique de la structure du polymère. De nombreux nano-additifs tels que des nanofibres de carbone, des nanotubes de carbone et des nanoparticules d'Al2O3 ont été réalisés pour évaluer la résistance à l'usure et le coefficient de frottement des nanocomposites PE2. Le polyéthylène haute densité (HDPE) et le polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé (UHMWPE) sont largement utilisés comme matériaux de roulement dans de nombreuses industries. Cela est dû au fait qu’il possède une propriété de résistance exceptionnelle et de faibles coûts effectifs3.

Dans de nombreux domaines comme les matériaux de friction dans l’industrie automobile4,5, les conduites sous pression6 et les roulements à faible vitesse7, il est principalement à base de PEHD. D’un autre côté, des industries telles que les joints artificiels et les bandes d’usure adoptent l’UHMWPE comme matériau de base8,9. Le nanocomposite UHMWPE a été fabriqué avec succès en ajoutant un additif respectueux de l'environnement (nanofibres de cellulose de paille de riz), ce qui lui confère une résistance mécanique préférable, un coefficient de frottement réduit et un taux d'usure10. Récemment, l'UHMWPE n'est plus utilisé uniquement dans les arthroplasties de la hanche, mais constitue également un matériau de base pour les arthroplasties globales du genou11,12. Le modèle numérique a été construit à l'aide d'ANSYS et MATLAB pour évaluer l'usure de l'arthroplastie de la hanche13. Dans le domaine des hanches artificielles, le PEHD a été modifié pour offrir une résistance élevée à l'usure et de faibles forces de frottement14,15. De plus, l’UHMWPE atteint des taux d’usure aussi faibles que 0,25 mm/an, ce qui permet de contrôler les problèmes de hanche artificielle9.

Au cours des dernières décennies, le monde a eu tendance à développer et à améliorer les propriétés des polymères. Cela a conduit à ce que les nanocharges jouent un rôle important dans l’amélioration de la résistance à l’usure et de la résistance des matériaux16,17,18,19. Plusieurs études ont été réalisées pour améliorer les propriétés tribologiques et mécaniques du PEHD en l'incorporant à différents nanomatériaux, tels que les nanotubes de carbone (CNT)20,21 ou l'oxyde de graphène22,23,24. Les nanoparticules d'Al2O3 constituent un superbe élément de remplissage dans la matrice PE car elles sont peu coûteuses et contribuent à faire progresser les performances tribologiques et mécaniques du composite5,25. Il a été rapporté que la faible teneur en charge des NP Al2O3 était appliquée comme charge pour améliorer les performances tribologiques. Le PEHD a été renforcé à 0,1. 0,2, 0,3, 0,4 et 0,5 % en poids de NP Al2O3. Les nanocomposites présentent une bonne réaction grâce à l’ajout de NP Al2O3. De plus, le coefficient de frottement a été réduit de 11 %, tandis que la dureté a augmenté de 9,1 %5. L'incorporation de NP Al2O3 dans l'UHMWPE joue un rôle essentiel dans l'inhibition de l'oxydation et l'amélioration de la résistance à l'usure26. Tandis que la rigidité, la résistance à la croissance des fissures et la résistance élevée aux chocs ont été enregistrées comme étant clairement améliorées pour le PEHD renforcé avec du CaCO3 NPs27. Les MWCNT sont considérés comme une charge typique de la matrice polymère, qui joue un rôle notable dans la modification des propriétés mécaniques et tribologiques et contribue à augmenter la durée de vie . Les compositions de 0,2 à 2,0 % en poids de MWCNT ont été adoptées comme matériau de remplissage du PEHD. Les résultats ont révélé que le taux d’usure des composites diminue avec l’augmentation de la teneur en MWCNT20. De plus, des nano-diamants ND, des MWCNT et des nanoplaquettes de graphène GNP ont été ajoutés pour modifier les performances de friction des nanocomposites à base de HDPE. Les composites HDPE/ND présentent une performance d'usure distincte par rapport au HDPE30 pur. On peut conclure que la réaction de liaison entre la charge et la matrice HDPE conduit à une amélioration du module de cisaillement et de la résistance à l'usure. Des nanocomposites MWCNT/HDPE ont été adoptés avec une teneur en charge de 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 et 2,5 % en poids. Les propriétés mécaniques des nanocomposites augmentent avec l'augmentation de la teneur en charge jusqu'à 2,0 % en poids. Le nanocomposite MWCNT/HDPE avec une composition de 2,0 % en poids présentait les meilleures performances tribologiques31.