vuzbiochemiИзвестия вузов. Прикладная химия и биотехнологияProceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology2227-29252500-1558ИРНИТУ10.21285/achb.960PTTHNYvuzbiochemi-1420Research ArticleХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯCHEMICAL TECHNOLOGYСамоармированные полимерные композиты на основе политетрафторэтиленаSelf-reinforced polymer composites based on polytetrafluoroethylenehttps://orcid.org/0000-0003-4772-9133АюроваО. Ж.AyurovaO. Zh.

Аюрова Оксана Жимбеевна, к.т.н., доцент

670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а;

старший научный сотрудник

670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6

Oksana Zh. Ayurova, Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor

24a, Smolin St., Ulan-Ude, 670000;

Senior Researcher

6, Sakh’yanova St., Ulan-Ude, 670047

chem88@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1970-2945КорнопольцевВ. Н.KornopoltsevV. N.

Корнопольцев Василий Николаевич, к.т.н., научный сотрудник

670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6

Vasiliy N. Kornopoltsev, Cand. Sci. (Engineering), Researcher

6, Sakh’yanova St., Ulan-Ude, 670047

kompo@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1301-1983КовтунецЕ. В.KovtunetsE. V.

Ковтунец Евгений Викторович, научный сотрудник

670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6

Evgeny V. Kovtunets, Researcher

6, Sakh’yanova St., Ulan-Ude, 670047

kovtunets@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0002-4318-5423НеводовМ. А.NevodovM. A.

Неводов Михаил Александрович, магистрант

670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а

Mikhail A. Nevodov, Master’s Student

24a, Smolin St., Ulan-Ude, 670000

misha.nevodov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7468-4391ПавловаЭ. Т.PavlovaE. T.

Павлова Эржена Тугденовна, к.х.н., доцент, заведующий кафедрой

670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а

Erzhena T. Pavlova, Cand. Sci. (Chemistry), Associate Professor, Head of the Department

24a, Smolin St., Ulan-Ude, 670000

erzhen@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6086-3658ГармаевБ. З.GarmaevB. Z.

Гармаев Баир Заятуевич, к.ф.-м.н., заведующий лабораторией

670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6

Bair Z. Garmaev, Cand. Sci. (Physics and Mathematics), Head of the Laboratory

6, Sakh’yanova St., Ulan-Ude, 670047

bair.garmaev@gmail.comБурятский государственный университет им. Д. Банзарова; Институт физического материаловедения СО РАНРоссияBanzarov Buryat State University; Institute of Physical Materials Science SB RASRussian FederationБайкальский институт природопользования СО РАНРоссияBaikal Institute of Nature Management SB RASRussian FederationБурятский государственный университет им. Д. БанзароваРоссияBanzarov Buryat State UniversityRussian FederationИнститут физического материаловедения СО РАНРоссияInstitute of Physical Materials Science SB RASRussian Federation202507042025151128136Copyright © Аюрова О.Ж., Корнопольцев В.Н., Ковтунец Е.В., Неводов М.А., Павлова Э.Т., Гармаев Б.З., 20252025Аюрова О.Ж., Корнопольцев В.Н., Ковтунец Е.В., Неводов М.А., Павлова Э.Т., Гармаев Б.З.Ayurova O.Z., Kornopoltsev V.N., Kovtunets E.V., Nevodov M.A., Pavlova E.T., Garmaev B.Z.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vuzbiochemi.elpub.ru/jour/article/view/1420

Перспективным направлением в области переработки полимерных материалов является разработка самоармированных полимерных композитов, представляющих относительно новую группу композиционных материалов. Метод самоармирования позволяет комбинировать материалы одного полимера с различными молекулярными, супрамолекулярными и структурными особенностями. При этом высокие адгезионные и механические свойства самоармированных композитов обусловливаются образованием гомогенной системы с отсутствием межфазной границы. Вместе с тем самоармирование рассматривает возможность использования полимерных отходов для создания высокопрочных композитов, что обеспечивает снижение экологической нагрузки. Целью проведенного исследования являлось изучение фазового состава и свойств самоармированных полимерных композитов на основе политетрафторэтилена. Самоармированные композиты готовили смешением порошков промышленного и переработанного политетрафторэтилена, а затем подвергали компрессионному формованию и свободному спеканию. Методом рентгенофазового анализа рассчитывали степень кристалличности полученных материалов (41–68%). Результаты динамического механического анализа показали, что при введении порошка регенерированного политетрафторэтилена в промышленный политетрафторэтилен модуль упругости значительно увеличивается (до 2,0–3,1 ГПа). Исследование деформационно-прочностных характеристик показало возможность использования до 30 масс.% переработанного политетрафторэтилена, полученного путем механического истирания, для создания композитов с хорошими эксплуатационными свойствами. Итоги работы также иллюстрируют факт того, что фазовое состояние материала зависит от способа переработки полимерных отходов и является определяющим для теплостойкости и механических свойств полученных самоармированных полимерных композитов.

The development of self-reinforced polymer composites, representing a relatively new group of composite materials, is a promising direction in the field of polymer chemistry. The method of self-reinforcement is used to combine the materials of a single polymer possessing different molecular, supramolecular, and structural features. The high adhesion and mechanical properties of such self-reinforced composites are achieved by the formation of a homogeneous system without an interfacial boundary. In addition, self-reinforcement offers the opportunity of using polymer waste for manufacturing high-strength composites, thus contributing to environmental load mitigation. In this work, we investigate the phase composition and properties of self-reinforced polymer composites based on polytetrafluoroethylene. Self-reinforced composites were prepared by mixing powders of industrial and recycled polytetrafluoroethylene followed by compression molding and pressureless sintering. The crystallinity degree of the as-obtained materials calculated by X-ray phase analysis equaled 41–68%. The performed dynamic mechanical analysis showed that the introduction of a powder of regenerated polytetrafluoroethylene into industrial polytetrafluoroethylene increases the elastic modulus of the obtained materials significantly (up to 2.0–3.1 GPa). The study of deformation and strength characteristics confirmed the feasibility of using up to 30 wt% of recycled polytetrafluoroethylene, obtained by mechanical abrasion, for manufacturing composites with good performance properties. The findings also indicate that the phase composition of the material depends on the method of polymer waste processing, determining the heat resistance and mechanical properties of the obtained self-reinforced polymer composites.

политетрафторэтиленсамоармированные композитыструктураполимерные отходытеплофизические свойстваpolytetrafluoroethyleneself-reinforced compositesstructurepolymer wastethermophysical propertiesИсследование проведено в рамках выполнения научно-исследовательской работы «Полимерные системы биомедицинского и конструкционного назначения» Бурятского государственного университета им. Доржи Банзарова, государственного задания Института физического материаловедения СО РАН (проект № 124041100130-3), государственного задания Байкальского института природопользования СО РАН (проекты № 0273-2021-0007 и 0273-2021-0008).The work was carried out within the framework of the research work “Polymer systems for biomedical and structural purposes” of the Banzarov Buryat State University, state assignment of the Institute of Physical Materials Science SB RAS (project no. 124041100130-3), state assignment of the Baikal Institute of Nature Management SB RAS (projects no. 0273-2021-0007 and 0273-2021-0008).ReferencesKeskisaari A., Butylina S., Kärki T. Use of construction and demolition wastes as mineral fillers in hybrid wood–polymer composites // Journal of Applied Polymer Science. 2016. Vol. 133, no. 19. DOI: 10.1002/app.43412.Keskisaari A., Butylina S., Kärki T. Use of construction and demolition wastes as mineral fillers in hybrid wood–polymer composites. Journal of Applied Polymer Science. 2016;133(19). DOI: 10.1002/app.43412.Singh M.K., Mohanty A.K., Misra M. Upcycling of waste polyolefins in natural fiber and sustainable filler-based biocomposites: a study on recent developments and future perspectives // Composites Part B: Engineering. 2023. Vol. 263. P. 110852. DOI: 10.1016/j.compositesb.2023.110852.Singh M.K., Mohanty A.K., Misra M. Upcycling of waste polyolefins in natural fiber and sustainable filler-based biocomposites: a study on recent developments and future perspectives. Composites Part B: Engineering. 2023;263:110852. DOI: 10.1016/j.compositesb.2023.110852.Babu K., Mensah R.A., Shanmugam V., Rashedi A., Athimoolam P., Aseer J.R., et al. Self-reinforced polymer composites: an opportunity to recycle plastic wastes and their future trends // Journal of Applied Polymer Science. 2022. Vol. 139, no. 46. P. e53143 DOI: 10.1002/app.53143.Babu K., Mensah R.A., Shanmugam V., Rashedi A., Athimoolam P., Aseer J.R., et al. Self-reinforced polymer composites: an opportunity to recycle plastic wastes and their future trends. Journal of Applied Polymer Science. 2022;139(46):e53143 DOI: 10.1002/app.53143.Kmetty Á., Bárány T., Karger-Kocsis J. Self-reinforced polymeric materials: a review // Progress in Polymer Science. 2010. Vol. 35, no. 10. P. 1288–1310. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2010.07.002.Kmetty Á., Bárány T., Karger-Kocsis J. Self-reinforced polymeric materials: a review. Progress in Polymer Science. 2010;35(10):1288-1310. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2010.07.002.Swolfs Y., Zhang Q., Baets J., Verpoest I. The influence of process parameters on the properties of hot compacted self-reinforced polypropylene composites // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2014. Vol. 65. P. 38–46. DOI: 10.1016/j.compositesa.2014.05.022.Swolfs Y., Zhang Q., Baets J., Verpoest I. The influence of process parameters on the properties of hot compacted self-reinforced polypropylene composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2014;65:38-46. DOI: 10.1016/j.compositesa.2014.05.022.Ku H., Wang H., Pattarachaiyakoop N., Trada M. A review on the tensile properties of natural fiber reinforced polymer composites // Composites Part B: Engineering. 2011. Vol. 42, no. 4. P. 856–873. DOI: 10.1016/j.compositesb.2011.01.010.Ku H., Wang H., Pattarachaiyakoop N., Trada M. A review on the tensile properties of natural fiber reinforced polymer composites. Composites Part B: Engineering. 2011;42(4):856-873. DOI: 10.1016/j.compositesb.2011.01.010.Andrzejewski J., Przyszczypkowski P., Szostak M. Development and characterization of poly(ethylene terephthalate) based injection molded self-reinforced composites. Direct reinforcement by overmolding the composite inserts // Materials & Design. 2018. Vol. 153. P. 273–286. DOI: 10.1016/j.matdes.2018.04.084.Andrzejewski J., Przyszczypkowski P., Szostak M. Development and characterization of poly(ethylene terephthalate) based injection molded self-reinforced composites. Direct reinforcement by overmolding the composite inserts. Materials & Design. 2018;153:273-286. DOI: 10.1016/j.matdes.2018.04.084.Zhao Z.H., Chen J.N. Preparation of single-polytetrafluoroethylene composites by the processes of compression molding and free sintering // Composites Part B: Engineering. 2011. Vol. 42, no. 5. P. 1306–1310. DOI: 10.1016/j.compositesb.2011.01.005.Zhao Z.H., Chen J.N. Preparation of singlepolytetrafluoroethylene composites by the processes of compression molding and free sintering. Composites Part B: Engineering. 2011;42(5):1306-1310. DOI: 10.1016/j.compositesb.2011.01.005.Törmälä P. Biodegradable self-reinforced composite materials; manufacturing structure and mechanical properties // Clinical Materials. 1992. Vol. 10, no. 1-2. P. 29–34. DOI: 10.1016/0267-6605(92)90081-4.Törmälä P. Biodegradable self-reinforced composite materials; manufacturing structure and mechanical properties. Clinical Materials. 1992;10(1-2):29-34. DOI: 10.1016/0267-6605(92)90081-4.Zhang M., Tian X., Cao H., Liu T., Zia A.A., Li D. 3D printing of fully recyclable continuous fiber self-reinforced composites utilizing supercooled polymer melts // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2023. Vol. 169. P. 107513. DOI: 10.1016/j.compositesa.2023.107513.Zhang M., Tian X., Cao H., Liu T., Zia A.A., Li D. 3D printing of fully recyclable continuous fiber self-reinforced composites utilizing supercooled polymer melts. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2023;169:107513. DOI: 10.1016/j.compositesa.2023.107513.Корнопольцев В.Н., Аюрова О.Ж., Дашицыренова М.С., Ильина О.В., Могнонов Д.М. Получение, исследование и применение композитов на основе фторполимерных отходов // Журнал прикладной химии. 2021. Т. 94. N 7. С. 818–823. DOI: 10.31857/S004446182107001X. EDN: OQUWJS.Kornopol’tsev V.N., Ayurova O.Z., Dashitsyrenova M.S., Il’ina O.V., Mognonov D.M. Preparation, study, and use of composites based on fluoropolymer waste. Zhurnal prikladnoi khimii. 2021;94(7):873-878. (In Russian). DOI: 10.31857/S004446182107001X. EDN: OQUWJS.Ayurova O., Kornopoltsev V., Khagleev A., Kurbatov R., Mishigdorzhiyn U., Dyakonov A., et al. Wear-resistant elasto meric composites based on unvulcanized rubber compound and recycled polytetrafluoroethylene // Lubricants. 2024. Vol. 12, no. 2. P. 29. DOI: 10.3390/lubricants12020029.Ayurova O., Kornopoltsev V., Khagleev A., Kurbatov R., Mishigdorzhiyn U., Dyakonov A., et al. Wear-resistant elastomeric composites based on unvulcanized rubber compound and recycled polytetrafluoroethylene. Lubricants. 2024;12(2):29. DOI: 10.3390/lubricants12020029.Лебедев Ю.А., Королев Ю.М., Ребров А.В., Игнатьева Л.Н., Антипов Е.М. Рентгеновское исследование кристаллической фазы в образцах политетрафторэтилена // Кристаллография. 2010. Т. 55. N 4. С. 657–662. EDN: MSQJUT.Lebedev Yu.A., Korolev Yu.M., Rebrov A.V., Ignat’eva L.N., Antipov E.M. X-ray study of the crystalline phase in polytetrafluoroethylene samples. Kristallografiya. 2010;55(4):657-662. (In Russian). EDN: MSQJUT.Yassien K.M., El-Zahhar A.A. Investigation on the properties of gamma irradiated of polytetrafluoroethylene fibers // Microscopy: Research & Technique. 2019. Vol. 82, no. 12. P. 2054–2060. DOI: 10.1002/jemt.23377.Yassien K.M., El-Zahhar A.A. Investigation on the properties of gamma irradiated of polytetrafluoroethylene fibers. Microscopy: Research & Technique. 2019;82(12):2054-2060. DOI: 10.1002/jemt.23377.Lunkwitz K., Lappan U., Scheler U. Modification of perfluorinated polymers by high-energy irradiation // Journal of Fluorine Chemistry. 2004. Vol. 125, no. 6. P. 863–873. DOI: 10.1016/j.jfluchem.2004.01.020.Lunkwitz K., Lappan U., Scheler U. Modification of perfluorinated polymers by high-energy irradiation. Journal of Fluorine Chemistry. 2004;125(6):863-873. DOI: 10.1016/j.jfluchem.2004.01.020.Brown E.N., Rae P.J., Orler E.B., Gray G.T., Dattelbaum D.M. The effect of crystallinity on the fracture of polytetrafluoroethylene (PTFE) // Materials Science and Engineering: C. 2006. Vol. 26, no. 8. P. 1338–1343. DOI: 10.1016/j.msec.2005.08.009.Brown E.N., Rae P.J., Orler E.B., Gray G.T., Dattelbaum D.M. The effect of crystallinity on the fracture of polytetrafluoroethylene (PTFE). Materials Science and Engineering: C. 2006;26(8):1338-1343. DOI: 10.1016/j.msec.2005.08.009.Henri V., Dantras E., Lacabanne C., Dieudonne A., Koliatene F. Thermal ageing of PTFE in the melted state: Influence of interdiffusion on the physicochemical structure // Polymer Degradation and Stability. 2020. Vol. 171. P. 109053. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2019.109053.Henri V., Dantras E., Lacabanne C., Dieudonne A., Koliatene F. Thermal ageing of PTFE in the melted state: Influence of interdiffusion on the physicochemical structure. Polymer Degradation and Stability. 2020;171:109053. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2019.109053.Holt D.B., Farmer B.L. Modeling of helix reversal defects in polytetrafluoroethylene: II. Molecular dynamics simulations // Polymer. 1999. Vol. 40, no. 16. P. 4673–4684. DOI: 10.1016/S0032-3861(99)00076-2.Holt D.B., Farmer B.L. Modeling of helix reversal defects in polytetrafluoroethylene: II. Molecular dynamics simulations. Polymer. 1999;40(16):4673-4684. DOI: 10.1016/S0032-3861(99)00076-2.Аскадский А.А., Мацеевич Т.А. Влияние степени кристалличности на модуль упругости в высокоэластическом состоянии полимеров // Пластические массы. 2022. N 3-4. С. 11–15. DOI: 10.35164/0554-2901-2022-3-4-11-15. EDN: NJJZWP.Askadskii A.A., Matseevich T.A. Influence of the degree of crystallinity on the elastic modulus in rubbery state of polymers. Plasticheskie massy. 2022;3-4:11-15. (In Russian). DOI: 10.35164/0554-2901-2022-3-4-11-15. EDN: NJJZWP.Blumm J., Lindemann A., Meyer M., Strasser C. Characterization of PTFE using advanced thermal analysis techniques // International Journal of Thermophysics. 2010. Vol. 31. P. 1919–1927. DOI: 10.1007/s10765-008-0512-z.Blumm J., Lindemann A., Meyer M., Strasser C. Characterization of PTFE using advanced thermal analysis techniques. International Journal of Thermophysics. 2010;31:1919-1927. DOI: 10.1007/s10765-008-0512-z.Аюрова О.Ж., Кожевникова Н.М., Корнопольцев В.Н., Могнонов Д.М. Теплофизические свойства полимерного композита политетрафторэтилен/CaF2-оксифторидное стекло // Журнал прикладной химии. 2022. Т. 95. N 3. С. 337–343. DOI: 10.31857/S0044461822030057. EDN: DEWDAL.Ayurova O.Zh., Kozhevnikova N.M., Kornopol’tsev V.N., Mognonov D.M. Thermophysical properties of the polymer composite polytetrafluoroethylene/CaF2-oxyfluoride glass. Zhurnal prikladnoi khimii. 2022;95(3):337-343. DOI: 10.31857/S0044461822030057. EDN: DEWDAL.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.