Papel del nanorelleno híbrido GNP/Al2O3 en la mejora del rendimiento mecánico y tribológico del compuesto de HDPE

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12447 (2023) Citar este artículo

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Las propiedades mecánicas únicas y la resistencia al desgaste del HDPE le otorgan el potencial como alternativa al material de fricción. La investigación actual se centra en el uso de nanopartículas híbridas con varios rellenos de carga para determinar los mejores contenidos de aditivos. Se examinaron y evaluaron las características mecánicas y tribológicas. Se fabricaron las muestras de nanocompuestos de HDPE que contenían 0,5, 1,0, 1,5 y 2,0% en peso de contenido de relleno de nanopartículas de Al2O3 (NP) y 0,5 y 1,0% en peso de nanoplaquetas de grafeno (GNP). Los resultados mostraron una buena mejora en las propiedades mecánicas y tribológicas de los compuestos de HDPE con la presencia de nanoaditivos. Los nanocompuestos de HDPE registraron el mejor rendimiento con una cantidad de carga del 2,0% en peso con una proporción igual de nanorellenos híbridos Al2O3 NP y GNP.

El polietileno (PE) es uno de los polímeros más populares con la singularidad de ser muy útil en una amplia gama de campos además de su rentabilidad. El polietileno HDPE de alta densidad se produce a temperaturas y presiones apropiadas para controlar el perfil de la formación. La cadena objetivo del HDPE se forma en una estructura lineal con algunas ramificaciones ligeras1. Se adoptan muchos nanomateriales como rellenos del polietileno para mejorar el enlace químico de la estructura del polímero. Se utilizaron muchos nanoaditivos, como nanofibras de carbono, nanotubos de carbono y nanopartículas de Al2O3, para evaluar la resistencia al desgaste y el coeficiente de fricción de los nanocompuestos de PE2. Tanto el polietileno de alta densidad (HDPE) como el polietileno de peso molecular ultraalto (UHMWPE) se utilizan ampliamente como materiales de rodamiento en muchas industrias. Esto se debe a que tiene una excelente propiedad de resistencia y bajos costos efectivos3.

En muchos campos, como los materiales de fricción en la industria automotriz4,5, las tuberías de presión6 y los rodamientos de baja velocidad7, se basa principalmente en HDPE. Por otro lado, industrias como las uniones artificiales y las tiras de desgaste adoptan el UHMWPE como material base8,9. El nanocompuesto de UHMWPE se fabricó con éxito añadiendo un aditivo ecológico (nanofibras de celulosa de paja de arroz), lo que dio como resultado una resistencia mecánica preferible, un coeficiente de fricción reducido y una tasa de desgaste10. Recientemente, el UHMWPE ya no se utiliza sólo en reemplazos de cadera, sino que también es un material base para reemplazos generales de rodilla11,12. El modelo numérico se construyó utilizando ANSYS y MATLAB para evaluar el desgaste del reemplazo de cadera13. En el campo de las caderas artificiales, el HDPE ha sido modificado para ofrecer una alta resistencia al desgaste y bajas fuerzas de rozamiento14,15. Además, el UHMWPE logra tasas de desgaste tan bajas como 0,25 mm/año, lo que ayuda a controlar los problemas de la cadera artificial9.

En las últimas décadas, el mundo ha tendido a desarrollar y mejorar las propiedades de los polímeros. Esto llevó a que los nanorellenos tuvieran un papel destacado en la mejora de la resistencia al desgaste y la resistencia del material16,17,18,19. Se han realizado varios estudios para mejorar las propiedades tribológicas y mecánicas del HDPE incorporándolo con diferentes nanomateriales, como los nanotubos de carbono (CNT)20,21 o el óxido de grafeno22,23,24. Las nanopartículas de Al2O3 son un excelente elemento de relleno en la matriz de PE ya que son de bajo costo y ayudan a mejorar el rendimiento tribológico y mecánico del composite5,25. Se informó que el bajo contenido de carga de las NP de Al2O3 se aplicó como relleno para mejorar el rendimiento tribológico. El HDPE fue reforzado con 0,1. 0,2, 0,3, 0,4 y 0,5% en peso de NP de Al2O3. Los nanocompuestos exhiben una buena reacción debido a la adición de NP de Al2O3. Además, el coeficiente de fricción se redujo un 11%, mientras que la dureza aumentó un 9,1%5. La incorporación de NP de Al2O3 en UHMWPE juega un papel vital en la inhibición de la oxidación y la mejora de la resistencia al desgaste26. Mientras que la rigidez, la resistencia al crecimiento de grietas y la alta resistencia al impacto se registraron como claramente mejoradas para el HDPE reforzado con CaCO3 NP27. Los MWCNT se consideran un relleno típico de la matriz polimérica, que juega un papel notable en la modificación de las propiedades mecánicas y tribológicas y contribuye al aumento de la vida útil28,29. Se adoptaron composiciones de 0,2 a 2,0% en peso de MWCNT como material de relleno de HDPE. Los resultados revelaron que la tasa de desgaste de los compuestos disminuye con el aumento del contenido de MWCNT20. Además, se agregaron GNP de nanodiamantes ND, MWCNT y nanoplaquetas de grafeno para modificar el rendimiento de fricción de los nanocompuestos a base de HDPE. Los compuestos HDPE/ND presentan un comportamiento de desgaste distinto en comparación con el HDPE30 puro. Se puede concluir que la reacción de unión entre el relleno y la matriz de HDPE mejora el módulo de corte y la resistencia al desgaste. Se adoptaron nanocompuestos de MWCNT/HDPE con un contenido de carga de 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 y 2,5% en peso. Las propiedades mecánicas de los nanocompuestos aumentan al aumentar el contenido de carga hasta 2,0% en peso. El nanocompuesto de MWCNT/HDPE con una composición de 2,0% en peso exhibió el mejor rendimiento tribológico31.

El relleno híbrido tiene una característica extra donde es posible conseguir un beneficio extra de ambos materiales, lo que contribuye a mejorar las propiedades de los composites. Los nanorellenos híbridos GNP y polianilina (PANI) se realizaron para preparar compuestos de HDPE. El contenido de carga de relleno fue del 10% en peso con una proporción de GNP/PANI de 1:4. Los resultados evidencian que el nanocompuesto de HDPE exhibe una conductividad eléctrica distinta y una baja resistividad superficial y de volumen32. Además, se fabricó la matriz de HDPE reforzada con nanofibras de carbono (CNF) con recubrimientos de silano y se evaluó el desempeño tribológico. La cantidad de carga del nanorelleno híbrido fue del 0,5%. 1,0% y 3% en peso. Se puede indicar que la baja cantidad de relleno tiene una excelente influencia en el rendimiento tribológico, donde la tasa de desgaste se redujo en aproximadamente un 35% al 0,5% en peso de la cantidad de carga. Además, se observó que los mayores contenidos de nanoaditivos aumentan la tasa de desgaste, lo que puede atribuirse a la presencia de agregados del relleno33. Propiedades mecánicas y tribológicas del HDPE reforzado con circonio endurecido con alúmina (ATZ) con composiciones del 2 al 12 % en peso. Se puede indicar que el módulo de elasticidad y resistencia mejoró debido a la buena dispersión y las bajas aglomeraciones. Además, los nanocompuestos presentan una clara resistencia al desgaste34.

El alcance del trabajo consiste en estudiar el posible efecto potenciador de aditivos híbridos de Al2O3 NPs y GNPs como nanorelleno para matriz de HDPE. Se añadió el contenido de carga de 0,5% en peso, 1,0% en peso, 1,5% en peso y 2,0% en peso de NP Al2O3 y 0,5% y 1,0% en peso de GNP. Las propiedades mecánicas y tribológicas de los nanocompuestos de HDPE se evaluaron en comparación con el HDPE puro.

El material base adoptado en este trabajo actual es polietileno de alta densidad que se compró a Sigma Aldrich Co. El HDPE era un polvo gris claro con un tamaño de partícula de 40:90 μm y una densidad de 0,94 g/cm3. Sin embargo, se agregaron NP de Al2O3 y nanoplaquetas de grafeno (GNP) como nanorellenos híbridos suministrados por US Research Nanoparticles, Inc. La Tabla 1 muestra las propiedades de los nanorellenos. La topografía SEM y el análisis XRD para NP de Al2O3 y nanografeno se ilustraron en las Figs. 1 y 2, respectivamente. La topografía SEM mostró las NP de Al2O3 como partículas esféricas, mientras que las GNP se mostraron como capas. Además, el híbrido de Al2O3 NP/GNP se ha confirmado como un componente de relleno ideal para modificar las características del HDPE. La Figura 2 muestra el patrón XRD para NP y GNP de Al2O3. Se puede indicar que los picos de XRD para las NP de Al2O3 se ubicaron en ángulos de difracción (2θ) de 26,5°, 35°, 38,2°, 43,5°, 51,1°, 58,5°, 65,7° y 78,5°35. Mientras que el análisis XRD para PNB muestra un pico de gran intensidad en un ángulo de difracción de 26,5° y un conjunto de picos de baja intensidad en ángulos de difracción de 42°, 45° y 56°32.

Imágenes SEM de NP y GNP de Al2O3.

Patrones XRD de NP y GNP de Al2O336.

Las muestras de nanocompuestos se prepararon utilizando un mezclador giratorio para obtener una dispersión homogénea. El polvo de HDPE se mezcló con el nanorelleno en un vaso de precipitados y se agitó a 250 rpm durante 30 minutos para incorporar y dispersar el nanorelleno. La mezcla en polvo se introduce en una pieza moldeada de cobre (10 mm de diámetro) bajo una presión de aproximadamente 15 MPa. Luego, las muestras se exponen a temperaturas de hasta 200 °C durante 40 minutos bajo una presión de 25 MPa. El composite se deja enfriar y luego se pule. Al relleno se le añadió composiciones de 0,5%, 1,0%, 1,5% y 2,0% en peso de NP Al2O3 y 0,5% y 1,0% en peso de GNP. Las composiciones de las muestras de nanocompuestos de HDPE se ilustran en la Tabla 2.

El límite elástico a la compresión y el módulo de elasticidad se evaluaron utilizando un sistema hidráulico universal inteligente de alta capacidad (DFM-300KN). Las muestras fueron examinadas según la norma ASTM D1621. Sin embargo, según la norma ASTM D2240, los resultados de dureza se evaluaron utilizando el durómetro Shore D. Todas las muestras se probaron 5 veces en diferentes posiciones y se calcularon los valores promedio.

Se realizó espectroscopia IR para evaluar e identificar la caracterización de muestras de nanocompuestos. La prueba se aplicó mediante un espectrofotómetro, Beckman IR 4250, EE. UU., y los resultados se obtuvieron en un rango de aproximadamente 400 a 2000 cm-1.

Las características tribológicas de las muestras de nanocompuestos se adoptaron utilizando un tribómetro de pasador sobre disco, como se ilustra en la Fig. 3. Se instalaron muestras de nanocompuestos y HDPE puro en el soporte y se utilizaron placas de aleación de acero inoxidable como contracara. superficies. Se utilizó un probador de rugosidad de la superficie para medir con precisión la rugosidad exacta de la placa de acero inoxidable (rugosidad de la superficie de Ra = 0,023 μm, Rq = 0,029 μm y Rz = 0,179 μm). Las muestras se han probado a una temperatura ambiente de 35 °C y una humedad relativa del 60 % en condiciones de deslizamiento seco. El software se proporciona para tomar los datos del coeficiente de fricción y trazar los gráficos de las muestras probadas. Los experimentos se realizaron bajo cinco cantidades diferentes de carga normal de 2, 4, 6, 8 y 10 N a 0,1 m/s de velocidad de deslizamiento. El papel abrasivo con un grano de 1200, según el estándar ANSI grit37, se utilizó como contracara para examinar el comportamiento de desgaste de muestras de nanocompuestos. Las pruebas de desgaste se realizaron cada exactamente 120 s., y la pérdida de peso se consideró pesando las probetas antes y después de la prueba. La tasa de desgaste se determinó de la siguiente manera:

donde la distancia de deslizamiento L, la densidad del material ρ y la carga aplicada Fn, y proporcional a la pérdida de peso Δm.

Montaje del banco de pruebas de fricción.

Después de la prueba de desgaste, se utilizó un microscopio electrónico (OLYMPUS BX53M, EE. UU.) para analizar la topografía de las superficies desgastadas. Las imágenes se confirmaron en 2D y 3D para evaluar la resistencia al desgaste de las muestras. Para obtener más detalles, se utilizó el escaneo de superficies mediante un microscopio SEM (JCM-6000Plus; JEOL, Tokio, Japón). Mientras que los ejemplares necesitan una secuencia de procedimientos. Entonces, las muestras se lavaron y luego se secaron usando un baño de aire, luego las muestras se cubrieron con una fina capa de platino para contribuir a tomar un brote SEM claro.

Este estudio actual se centró en evaluar las características mecánicas y de resistencia al desgaste de muestras de HDPE cargadas con un nanorelleno híbrido de Al2O3 NP y GNP. Los resultados se adoptaron para evaluar el contenido de carga favorable del nanorelleno híbrido. Las muestras se dividieron en dos conjuntos, el primero se reforzó con 0,5% en peso de PNB y el segundo se realizó agregando 1,0% en peso de PNB. La influencia del contenido de carga de nanorellenos en las propiedades mecánicas de los compuestos de HDPE se ilustra en las Figs. 4 y 6. Considerando que, se presentaron los valores del módulo de elasticidad, límite elástico a la compresión y dureza. Los resultados podrían atribuirse a que la dispersión de nanorellenos híbridos Al2O3 NP y GNP contribuye a mejorar las propiedades mecánicas de los nanocompuestos de HDPE. La mejora de las propiedades mecánicas puede atribuirse al Al2O3/PNB que contribuye al fortalecimiento de la matriz38,39. Se puede observar en la Fig. 4a que el módulo de elasticidad y el rendimiento a la compresión mejoran al aumentar la cantidad de carga hasta 1,5% en peso de Al2O3 NP y 0,5% en peso de PNB. Además, el módulo de elasticidad y el límite elástico a la compresión exhiben una clara mejora de aproximadamente 23,4 y 48%, respectivamente. Sólo más allá de ese límite está claro que las propiedades de los nanocompuestos de HDPE se deterioran. La Figura 4b ilustra la relación entre la cantidad de carga y el módulo de elasticidad y el límite elástico a la compresión. En general, se puede indicar que las muestras que contienen 1,0% en peso de PNB exhiben una mejor reacción en comparación con el conjunto anterior. Esto se puede atribuir al aumento del contenido de carga de PNB que juega un papel vital para reducir la agregación de NP, lo que conduce a mejorar la unión entre los nanorellenos y la matriz de HDPE40. El valor máximo de mejora se logró con una muestra reforzada con 1,0% en peso de Al2O3 NP y 1,0% en peso de GNP. El módulo de elasticidad y el límite elástico a la compresión aumentaron hasta un 24% y un 51,8%, respectivamente, en comparación con el HDPE puro. Una de las razones más importantes que afectan la resistencia de la matriz de HDPE y que no puede pasarse por alto es la porosidad. Puede ser evidente que la resistencia de la matriz de HDPE disminuye debido a la presencia de porosidad, lo que reduce su capacidad de carga41,42. Sin embargo, en este estudio, el uso de un relleno híbrido con una mayor área superficial restringe la porosidad de la matriz y mejora la distribución de la matriz de HDPE. En la Fig. 5 se ilustran imágenes SEM de tres muestras de nanocompuestos de HDPE. El análisis SEM de la matriz de HDPE pura, Fig. 5a, reveló una morfología de superficie con surcos y poros. Se puede observar que las muestras de nanocompuestos revelaron una morfología de superficie lisa similar y confirmaron la ausencia de microporos en una superficie lisa de HDPE, como se muestra en las figuras 5b y c. Esto se puede atribuir a que la presencia de contenido de carga de Al2O3/GNP conduce a una distribución uniforme de Al2O3/GNP híbridos en compuestos de HDPE nanoenriquecidos y restringe la porosidad de la matriz.

Módulo de elasticidad y límite elástico a la compresión de nanocompuestos de HDPE/Al2O3 con contenido de carga de GNP NP (a) 0,5 % en peso y (b) 1,0 % en peso.

Imágenes SEM de superficies compuestas: (a) HDPE 00, (b) HDPE 13 y (c) HDPE 21.

Mientras que los valores de dureza de los nanocompuestos de HDPE se muestran en la Fig. 6. Generalmente, la dispersión del nanorelleno híbrido conduce a un aumento en la dureza de los nanocompuestos de HDPE. Esto podría atribuirse al aumento del contenido de nanorellenos que contribuye a fortalecer la unión entre el relleno y la matriz, lo que en consecuencia aumenta la dureza31. Se puede indicar que la muestra reforzada con 2,0% en peso de NP Al2O3 y 0,5% en peso de GNP tiene una dureza de 72,1 Shore D, con un 17,8% más que la muestra pura. Además, se encontró que la dureza de la muestra reforzada con 2,0% en peso de NP Al2O3 y 1,0% en peso de GNP era 74,6 Shore D, aproximadamente un aumento del 22,8%. Según los resultados presentados anteriormente, no hay duda de que el nanorelleno híbrido Al2O3/GNP se considera un material de relleno distinto para la matriz de HDPE, lo que es consistente con resultados anteriores43.

Valores de dureza de nanocompuestos HDPE/Al2O3 con contenido de carga de GNP NP (a) 0,5% en peso y (b) 1,0% en peso.

Se realizó un análisis de espectros IR para evaluar las reacciones de unión entre el relleno y la matriz. El enlace químico del HDPE puro y sus compuestos se muestra en la Fig. 7. Para los espectros de HDPE puro, se pueden asignar muchas posiciones en su banda IR que están almidonadas alrededor de números de onda como 732, 1461, 2873 y 2965 cm-1. . Esto puede deberse a las características del espectro del polietileno, que contiene modos de deformación por fluctuación, estiramiento simétrico y asimétrico y flexión. Además, la difamación por fluctuación de los grupos metileno aparece en 732 cm-1, la deformación por flexión de los grupos metileno se produce en 1461 cm-1, y la unión por estiramiento simétrica y asimétrica de los grupos metileno aparece en bandas de 2873 a 2965 cm-144,45. El análisis del espectro IR para nanocompuestos de HDPE muestra una banda de espectro similar al HDPE puro. La presencia de cargas a través de la matriz de HDPE conduce a un aumento de la intensidad del espectro en comparación con la muestra pura. Estos resultados reflejan una buena reacción al hacer coincidir el relleno con la matriz de HDPE.

Análisis de espectros IR de nanocompuestos HDPE/Al2O3 con contenido de carga de GNP NP (a) 0,5 % en peso y (b) 1,0 % en peso.

El rendimiento tribológico se evaluó examinando el coeficiente de fricción y la tasa de desgaste de los nanocompuestos de HDPE. Además, se realizaron exámenes de la superficie desgastada para identificar el mecanismo de desgaste. El concepto principal de esta sección está dirigido a especificar la cantidad de carga adecuada que tenga el mejor rendimiento tribológico. La relación entre el coeficiente de fricción y el contenido de nanorelleno de Al2O3/PNB se ilustra en la Fig. 8. Se puede observar que el coeficiente de fricción se reduce claramente al agregar el nanorelleno híbrido con diferentes contenidos de carga. En todos los casos de carga, las propiedades tribológicas de los nanocompuestos de HDPE fueron inferiores a las de la muestra pura. Para muestras llenas con 0,5% en peso de PNB, Fig. 8a, el COF disminuye gradualmente debido al aumento del contenido de carga hasta 1,5% en peso de Al2O3 NP, y luego ocurre una reacción inversa. Esto indica claramente una mala unión entre la carga y la matriz, lo que conduce a un rendimiento tribológico indeseable. La muestra de nanocompuesto de HDPE de 1,5% en peso de NP de Al2O3 exhibió el mejor COF con una reducción del 13% en comparación con la muestra pura. Esto puede deberse a que el nanorelleno híbrido contribuye a las características únicas de ambas sustancias. El efecto de rodadura de las NP de Al2O3 y la autolubricación de las NP desempeñan un papel directo en la reducción de la fricción en el área de contacto6,9. La Figura 8b ilustra la influencia del aumento del contenido de carga de PNB a 1,0% en peso en el COF. Generalmente, las muestras de HDPE dispersas con un 1,0% en peso de PNB exhiben un COF más bajo en comparación con el otro conjunto. Esto puede deberse a la propagación del grafeno en la superficie del nanocompuesto46,47. El COF más bajo se logró con la muestra con contenidos de 0,5% en peso de NP Al2O3 y 1,0% en peso de PNB, ya que la relación de reducción alcanzó el 23%. Puede ser obvio que el alto contenido de carga de las NP de Al2O3 conduce a un aumento del COF, esto puede deberse a la aglomeración dentro de la matriz34. Mientras tanto, todos los compuestos de HDPE exhibieron aparentemente el mismo comportamiento de adherencia y deslizamiento como se muestra en la Fig. 8c.

Coeficiente de fricción de nanocompuestos HDPE/Al2O3 con contenido de carga de PNB (a) 0,5% en peso; (b) 1,0% en peso; (c) gráfico de fricción en tiempo real con una carga aplicada de 2 N.

La tasa de desgaste se estimó frente a diferentes distancias de deslizamiento bajo una carga aplicada de 8 N, lubricación en condiciones secas, temperatura de 30 °C y humedad relativa del 60%. La tasa de desgaste de las muestras de HDPE reforzadas con un contenido de carga de GNP de 0,5 y 1,0% en peso se muestra en las figuras 9a yb, respectivamente. La misma tendencia del COF se repite con el estudio de la tasa de desgaste de los nanocompuestos de HDPE. Las muestras llenas con un nanorelleno híbrido exhiben una tasa de desgaste más baja que la muestra pura31. La Figura 9a indicó que la tasa de desgaste mínima se puede obtener cuando se agregó 1,5% en peso de NP de Al2O3 al nanocompuesto de HDPE; esto puede deberse a que las nanoplaquetas de grafeno producen y mejoran el comportamiento autolubricante. La tasa de desgaste disminuyó un 19% menos que la muestra pura. Por otro lado, en la Fig. 9b se muestran las muestras de tasa de desgaste reforzadas con 1,0% en peso de GNP. Por lo tanto, se puede observar que el nanocompuesto de HDPE de 1,0% en peso de NP de Al2O3 exhibió una tasa de desgaste un 26% menor en comparación con la muestra de aditivos libres. Finalmente, la muestra llena con 2,0% en peso de NP/GNP híbridas de Al2O3, con una proporción de 1:1, tiene una resistencia al desgaste favorable entre el contenido de carga completa. Así, el efecto autolubricante del grafeno contribuye a mejorar el rendimiento tribológico de los nanocompuestos de HDPE.

Tasa de desgaste de nanocompuestos HDPE/Al2O3 con contenido de carga de GNP NP (a) 0,5% en peso y (b) 1,0% en peso.

Para aclarar aún más el mecanismo de desgaste, se examinaron las superficies desgastadas de las muestras. Se escanearon imágenes ópticas, topografía 3D y SEM de superficies desgastadas para evaluar y analizar el rendimiento de fricción de las muestras de HDPE. La Figura 10 muestra las imágenes de topografía 2D y 3D. La superficie desgastada de la probeta (00), libre de rellenos, cavidades y grietas aparecen en la pista de desgaste. Mientras que esos defectos se reducen y las superficies de las muestras mejoran como resultado de agregar relleno híbrido a la mezcla, lo que mejoró la resistencia al desgaste48. Es posible observar que el ejemplar (10) tiene una huella clara de arado y desgaste en el área de contacto. Las superficies desgastadas de las muestras continúan mejorando las tasas de desgaste a medida que la profundidad de la pista de desgaste disminuye como se indica en la muestra (02). Es obvio que la muestra (03) tiene una buena rugosidad superficial y una superficie de baja deformación, lo que es evidencia de la mejora de la resistencia y dureza del nanocompuesto. Por el contrario, la muestra (04) muestra un arado en la superficie y una clara huella de desgaste. De lo anterior se puede concluir que la muestra logra el mejor desempeño tribológico en comparación con este conjunto de muestras. Acerca del segundo conjunto de muestras llenas con 1,0% en peso de PNB, se puede observar que la muestra (12) tiene una superficie desgastada más lisa y sin capas deformadas. Los nanocompuestos que contienen 2,0% en peso de NP Al2O3 y GNP con una proporción igual mostraron el efecto más favorable. La Figura 11 muestra la rugosidad de la superficie de las muestras. Se puede observar que la muestra pura tiene la mayor rugosidad superficial. Los resultados revelaron que la carga de nanorrelleno híbrido conduce a una reducción de la rugosidad de la superficie49,50. Se demostró que la muestra con un contenido de carga de 1,0% en peso de Al2O3 NP y GNP exhibe la rugosidad superficial más baja y es más suave. Puede deberse a una distribución uniforme del nanorelleno a través de la matriz de HDPE que contribuye a mejorar la resistencia de la resina y restringir los huecos y surcos.

Imágenes ópticas y topografía 3D de superficies desgastadas de nanocompuestos HDPE/Al2O3/GNPs.

Rugosidad superficial de superficies desgastadas de nanocompuestos HDPE/Al2O3/GNPs.

Para brindar una descripción más detallada de las marcas de desgaste, las superficies desgastadas se examinaron mediante imágenes SEM de muestras, como se muestra en la Fig. 12. La vista pura de la muestra muestra daños obvios en la superficie. Sin embargo, en la superficie desgastada aparecen muchos huecos, flujo de deformación plástica y surcos en la misma dirección de deslizamiento. También se observó que las muestras reforzadas con un nanorelleno híbrido presentan menos capas de plástico y grietas. Estos flujos plásticos no son causados por la fricción con el disco sino que se producen como resultado de la presencia de residuos en el área de contacto. Por tanto, el tamaño de los escombros es un factor activo en la deformación de la superficie. Además, los PNB forman una capa autolubricante que contribuye a reducir la fuerza de fricción51. En base a esto, la muestra (03) exhibe una buena superficie de resistencia al desgaste y los restos de desgaste son más pequeños. Esto podría atribuirse a que el nanorelleno híbrido es compatible con la matriz de HDPE, lo que contribuye a modificar las características de los nanocompuestos. Las mismas observaciones son válidas para los demás especímenes establecidos. Sin embargo, las capas de plástico, las grietas y los surcos son menores que en la muestra pura. Las superficies desgastadas presentaron un área más lisa y menos dañada, esto se refiere a la buena unión entre el relleno y la matriz.

Imágenes SEM de superficies desgastadas de nanocompuestos HDPE/Al2O3/GNPs.

El estudio actual se centró en las contribuciones de las NP y GNP de nanorelleno híbrido Al2O3 en las características mecánicas y tribológicas del HDPE. Se adoptaron dos conjuntos de muestras con un contenido de carga de 0,5% y 1,0% en peso de PNB. Con base en los resultados experimentales, se pueden sacar las siguientes conclusiones:

El análisis de los espectros IR demostró una dispersión distinta del aditivo Al2O3 NP y GNP en la matriz sin ningún problema entre los enlaces.

Se mejoraron las propiedades mecánicas de los nanocompuestos de HDPE, donde el módulo de elasticidad y el límite elástico de compresión se elevaron a 23,4 y 48%, respectivamente, con contenidos de 1,5% en peso de NP Al2O3 y 0,5% en peso de PNB.

La muestra llena con 1,0% en peso de NP Al2O3 y 1,0% en peso de GNP muestra mejores características mecánicas, por lo que el módulo de elasticidad y el límite elástico de compresión lograron una mejora de hasta 24 y 51,8%, respectivamente.

Un contenido de carga elevado conduce a que se registren los valores máximos de dureza, donde la dureza mejora en un 22,8%.

El nanorelleno híbrido contribuye a reducir el coeficiente de fricción en un 13%, ya que el HDPE contiene 1,5% en peso de Al2O3 NP y 0,5% en peso de PNB. Mientras tanto, el 1,0% en peso de NP de Al2O3 y el 1,0% en peso de GNP de compuestos de HDPE mostraron un coeficiente de fricción un 23% menor que el HDPE puro.

La tasa de desgaste mínima se presentó con la muestra llena con 1,0% en peso de NP Al2O3 y 1,0% en peso de GNP, donde la reducción es de aproximadamente 26%.

Un contenido de carga de 1,0 % en peso de NP Al2O3 y 1,0 % en peso de GNP exhibe el mejor rendimiento mecánico y tribológico.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Departamento de Ingeniería de Producción y Diseño Mecánico, Facultad de Ingeniería, Universidad Minia, El-Minia, 61519, Egipto

Nabhan A., Ahmed Mohamed Mahmoud Ibrahim y Ameer AK

Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería y Tecnología, Academia Árabe de Ciencia, Tecnología y Transporte Marítimo, Sadat Road, PO Box 11, Asuán, Egipto

Mohamed Taha

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NA: Conceptualización; Investigación; Metodología; Escritura: borrador original. MT: curación de datos; Visualización; Recursos. AMMI: Supervisión; Análisis formal; Escritura: revisión y edición. AA; Curación de datos; Visualización; Supervisión.

Correspondencia a Ahmed Mohamed Mahmoud Ibrahim.

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A., N., Taha, M., Ibrahim, AMM et al. Papel del nanorelleno híbrido GNP/Al2O3 en la mejora del rendimiento mecánico y tribológico del compuesto de HDPE. Informe científico 13, 12447 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39172-9

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Recibido: 19 de enero de 2023

Aceptado: 20 de julio de 2023

Publicado: 01 de agosto de 2023

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

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