Effect of ultra-low content of graphite nanoplatelets on tribological properties of composites based on ultra-high molecular weight polyethylene

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

BACKGROUND: Improving ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMW PE) production techniques continues to be a top priority in medical engineering. This is due to the fact that liners are the weakest components of artificial joints, causing the majority of their damage or destruction. Filler reinforcement of UHMW PE improves the durability of UHMW PE products by decreasing the wear rate and coefficient of friction for various friction pairs.

AIM: To assess the effect of ultra-low graphite nanoplate content (0.006–0.307 mass%) on the tribological properties and wear resistance of UHMW PE-based composites.

MATERIALS AND METHODS: UHMW PE synthesized using various technologies was compared to commercial-grade UHMW PE produced by Ticona. The tribological properties were examined using the Nanovea Tribometer, and the wear resistance was assessed according to ISO 15527.

RESULTS: The study identified the range of graphite nanoplate concentrations with the lowest coefficient of friction. The coefficient of friction of UHMW PE without a filler corresponds to that of commercial-grade products GUR 1020 and GUR 1050 of the Chirulen brand, and composites made from it have a lower coefficient of friction. The optimal filler concentration was determined based on tribological and wear test findings.

CONCLUSION: Graphite nanoplates increase wear resistance when exposed to a water-sand suspension.

作者简介

Aleksandr Zabolotnov

Semenov Federal Research Center of Chemical Physics

Email: zabolotnov.ru@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0695-9012
SPIN 代码: 6604-4708

Cand. Sci. (Engineering)

俄罗斯联邦, Moscow

Rostislav Chelmodeev

Priorov Central Institute for Trauma and Orthopedics

Email: cherosz@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0444-9070
SPIN 代码: 2080-5630
俄罗斯联邦, 10 Priorova str., 127299 Moscow

Yulia Lukina

Priorov Central Institute for Trauma and Orthopedics

Email: lukina_rctu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0121-1232
SPIN 代码: 2814-7745

Cand. Sci. (Engineering)

俄罗斯联邦, 10 Priorova str., 127299 Moscow

Sergey Gostev

Semenov Federal Research Center of Chemical Physics

Email: tmush2017@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3754-3872
SPIN 代码: 6943-7507
俄罗斯联邦, Moscow

Dmitriy Smolentsev

Priorov Central Institute for Trauma and Orthopedics

编辑信件的主要联系方式.
Email: SmolentsevDV@cito-priorov.ru
ORCID iD: 0000-0001-5386-1929
SPIN 代码: 3702-1955
俄罗斯联邦, 10 Priorova str., 127299 Moscow

Nikolay Gavryushenko

Priorov Central Institute for Trauma and Orthopedics

Email: testlabcito@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7198-433X
SPIN 代码: 3335-6472

Dr. Sci. (Engineering), professor

俄罗斯联邦, 10 Priorova str., 127299 Moscow

参考

  1. Szarek A, Postawa P, Stachowiak T, et al. The Analysis of Polyethylene Hip Joint Endoprostheses Strength Parameters Changes after Use inside the Human Body. Materials (Basel). 2021;14(22):7091. doi: 10.3390/ma14227091
  2. Singh JA, Yu S, Chen L, Cleveland JD. Rates of total joint replacement in the United States: future projections to 2020–2040 using the national inpatient sample. The Journal of rheumatology. 2019;46(9):1134–1140. doi: 10.3899/jrheum.170990
  3. Wu J, Peng Z. Investigation of the geometries and surface topographies of UHMWPE wear particles. Tribology International. 2013;66:208–218. doi: 10.1016/j.triboint.2013.05.005
  4. Pinchuk LS, Nikolaev VI, Tsvetkova EA, Goldade VA. Tribology and biophysics of artificial joints. In: Briscoe BJ, editor. Tribology and Interface Engineering — Series 50. Oxford: Elsevier; 2006. Р. 1–375.
  5. Niemczewska-Wójcik M, Piekoszewski W. The surface topography of a metallic femoral head and its influence on the wear mechanism of a polymeric acetabulum. Archiv Civ Mech Eng. 2017;17(2):307–317. doi: 10.1016/j.acme.2016.10.010
  6. Miura Y, Hasegawa M, Sudo A, Pezzotti G, Puppulin L. In-vivo degradation of middle-term highly cross-linked and remelted polyethylene cups: modification induced by creep, wear and oxidation. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2015;51:13–24.
  7. Choudhury D, Ranuša M, Fleming RA, et al. Mechanical wear and oxidative degradation analysis of retrieved ultra-high molecular weight polyethylene acetabular cups. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2018;79:314–323. doi: 10.1016/j.jmbbm.2018.01.003
  8. Nabrdalik M, Sobociński M. Modeling of stress and strain distribution in uhmwpe elements of knee and hip human joints. Acta Phys Pol A. 2020;138(2):224–227. doi: 10.12693/APhysPolA.138.224
  9. Patil NA, Njuguna J, Kandasubramanian B. UHMWPE for Biomedical Applications: Performance and Functionalization. European Polymer Journal. 2020;125:109529. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2020
  10. Li S, Xu Y, Jing X, et al. Effect of carbonization temperature on mechanical properties and biocompatibility of biochar/ultra-high molecular weight polyethylene composites. Composites Part B: Engineering. 2020;196(18):108120.
  11. Xu JZ, Muratoglu OK, Oral E. Improved oxidation and wear resistance of ultrahigh molecular weight polyethylene using cross-linked powder reinforcement. J Biomed Mater Res B. 2019;107(3):716–723. doi: 10.1002/jbm.b.34165
  12. Ruggiero A, Gómez E, Merola M. Experimental comparison on tribological pairs UHMWPE/TIAL6V4 alloy, UHMWPE/AISI316L austenitic stainless and UHMWPE/AL2O3 ceramic, under dry and lubricated conditions. Tribology International. 2016;96:349–360.
  13. Hirakawa K, Bauer TW, Stulberg BN, Wilde AH, Secic M. Characterization and comparison of wear debris from failed total hip implants of different types. J BJS. 1996;78(8):1235–1243. doi: 10.2106/00004623-199608000-00014
  14. Massin P, Achour S. Wear products of total hip arthroplasty: The case of polyethylene. Morphologie. 2017;101(17):1–8. doi: 10.1016/j.morpho.2016.06.001
  15. Zeman J, Ranuša M, Vrbka M, et al. UHMWPE acetabular cup creep deformation during the run-in phase of THA’s life cycle. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials. 2018;87:30–39. doi: 10.1016/j.jmbbm.2018.07.015
  16. Affatato S, Freccero N, Taddei P. The biomaterials challenge: A comparison of polyethylene wear using a hip joint simulator. J Mech Behav Biomed Mater. 2016;53:40–48. doi: 10.1016/j.jmbbm.2015.08.001
  17. Verma N, Zafar S, Pathak H. Investigations on thermal damage and surface roughness of laser beam machined nano-hydroxyapatite UHMWPE composites. Manufacturing Letters. 2020;25:81–87.
  18. Senra MR, Marques MFV, Souza DHS. Ultra-high molecular weight polyethylene bioactive composites with carbonated hydroxyapatite. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2020;110:103938. doi: 10.1016/j.jmbbm.2020.103938
  19. Baena JC, Wu J, Peng Z. Wear performance of UHMWPE and reinforced UHMWPE composites in arthroplasty applications: a review. Lubricants. 2015;3(2):413–436. doi: 10.3390/LUBRICANTS3020413
  20. Saravanan P, Melk L, Emami N. Mechanical and thermal properties of vitamin E-doped UHMWPE reinforced with hydroxyapatite. Tribology-Materials, Surfaces & Interfaces. 2021;15(3):193–200. doi: 10.1080/17515831.2020.1830252
  21. Aliyu IK, Azam MU, Lawal DU, Samad MA. Optimization of SiC Concentration and Process Parameters for a Wear-Resistant UHMWPE Nancocomposite. Arabian Journal for Science and Engineering. 2020;45:849–860. doi: 10.1007/s13369-019-04164-3
  22. Chang BP, Akil HM, Nasir RM, Nurdijati S. Mechanical and Antibacterial Properties of Treated and Untreated Zinc Oxide filled UHMWPE Composites. J Thermoplast Compos Mater. 2011;24(5):653–667. doi: 10.1177/0892705711399848
  23. Golchin A, Villain A, Emami N. Tribological behaviour of nanodiamond reinforced UHMWPE in water-lubricated contacts. Tribol Int. 2017;110:195–200. doi: 10.1016/j.triboint.2017.01.016
  24. Wood W, Li B, Zhong W-H. Influence of phase morphology on the sliding wear of polyethylene blends filled with carbon nanofibers. Polym Eng Sci. 2010;50:613–623. doi: 10.1002/pen.21549, 50:613-623
  25. Ruan SL, Gao P, Yang XG, Yu TX. Toughening high performance ultrahigh molecular weight polyethylene using multiwalled carbon nanotubes. Polymer. 2003;44(19):5643–5654. doi: 10.1016/s0032-3861(03)00628-1
  26. Xue Y, Wu W, Jacobs O, Schädel B. Tribological behaviour of UHMWPE/HDPE blends reinforced with multi-wall carbon nanotubes. Polym Test. 2006;25:221–229. doi: 10.1016/j.polymertesting.2005.10.005
  27. Dayyoub T, Maksimkin AV, Kaloshkin S, et al. The structure and mechanical properties of the UHMWPE films modified by the mixture of graphene nanoplates with polyaniline. Polymers. 2018;11(1):23. doi: 10.3390/polym11010023
  28. Aliyu IK, Mohammed AS, Al-Qutub A. Tribological performance of ultra high molecular weight polyethylene nanocomposites reinforced with graphene nanoplatelets. Polym Compos. 2019;40:E1301–E1311.
  29. Zoo Y-S, An J-W, Lim D-P, Lim, D-S. Effect of Carbon Nanotube Addition on Tribological Behavior of UHMWPE. Tribology Letters. 2004;16(4):305–309. doi: 10.1023/b:tril.0000015206.21688.87
  30. Vega JF, Martínez-Salazar J, Trujillo M, et al. Rheology. Processing, Tensile Properties, and Crystallization of Polyethylene/Carbon Nanotube Nanocomposites. Macromolecules. 2009;42(13):4719–4727. doi: 10.1021/ma900645f
  31. Sui G, Zhong WH, Ren X, Wang XQ, Yang XP. Structure, mechanical properties and friction behavior of UHMWPE/HDPE/carbon nanofibers. Materials Chemistry and Physics. 2009;115(1):404–412. doi: 10.1016/j.matchemphys.2008.12.016
  32. Puértolas JA, Kurtz SM. Evaluation of carbon nanotubes and graphene as reinforcements for UHMWPE-based composites in arthroplastic applications: A review. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials. 2014;39:129–145. doi: 10.1016/j.jmbbm.2014.06.013
  33. Somberg J, Gonçalves G, Sánchez MS, Emami N. Chemically expanded graphite-based ultra-high molecular weight polyethylene nanocomposites with enhanced mechanical properties. Materials & Design. 2022;224:111304. doi: 10.1016/j.matdes.2022.111304
  34. Brevnov PN, Kirsankina GR, Zabolotnov AS, et al. Synthesis and properties of nanocomposite materials based on ultra-high-molecular-weight polyethylene and graphite nanoplates. J Polym Sci. 2016;58(1):38–49. doi: 10.1134/S1811238216010021
  35. Zabolotnov AS, Gostev SS, Gudkov MV, Novokshonova LA, Chelmodeev RI. The influence of ultralow content of graphene on wear-resistant properties of composites based on ultra-high molecular weight polyethylene. Polym Sci Series A. 2023;65(3):296–301.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Tribological testing scheme.

下载 (93KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Change in the friction coefficient depending on the wear path length for a sample containing graphite nanoplates with N=0.093 wt.%.

下载 (156KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Dependence of the friction coefficient (smoothed envelopes) on the concentration of graphite nanoplatelets in synthesized UHMWPE composites. Note (here and in Fig. 4, 6). СВМПЭ — ultra-high molecular weight polyethylene.

下载 (250KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Dependence of the friction coefficient (smoothed envelopes) on the wear path length for UHMWPE samples synthesized without nanofiller and various commercial grades.

下载 (203KB)
索引源数据
6. Fig. 5. Comparative wear resistance of synthesized UHMWPE-NPG composites with commercial medical grade UHMWPE GUR 1020. Note. СВМПЭ — ultra-high molecular weight polyethylene, НПГ — graphite nanoplates.

下载 (118KB)
索引源数据
7. Fig. 6. Dependence of the average friction coefficient on the concentration of graphite nanoplatelets in the synthesized UHMWPE composites.

下载 (257KB)
索引源数据

版权所有 © Eco-Vector, 2024

Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名-非商业性使用-禁止演绎 4.0国际许可协议的许可。

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».