ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2024-24-5-751-757ntv-141Research ArticleНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИMATERIAL SCIENCE AND NANOTECHNOLOGIESВлияние качества растворителя на трибологические свойства полимерных щетокImpact of solvent quality on tribological properties of polymer brushesЛукиевИ. В.LukievI. V.

Лукиев Иван Васильевич - аспирант; инженер

Санкт-Петербург, 197101

Санкт-Петербург, 199004

Ivan V. Lukiev - PhD Student; Engineer

Saint Petersburg, 197101

Saint Petersburg, 199004

ivan.lukiev@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5591-1002МихайловИ. В.MikhailovI. V.

Михайлов Иван Викторович - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Санкт-Петербург, 199004

Ivan V. Mikhailov - PhD (Physics & Mathematics), Senior Researcher

Saint Petersburg, 199004

georg_om@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9281-9093БорисовО. В.BorisovO. V.

Борисов Олег Владимирович - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией, ведущий научный сотрудник; профессор

Санкт-Петербург, 197101

Санкт-Петербург, 199004

Oleg V. Borisov - D.Sc. (Physics & Mathematics), Professor, Head of Laboratory, Leading Researcher; Professor

Saint Petersburg, 197101

Saint Petersburg, 199004

oleg.borisov@univ-pau.frУниверситет ИТМО; Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наукРоссияITMO University; Institute of Macromolecular Compounds RASRussian FederationИнститут высокомолекулярных соединений Российской академии наукРоссияInstitute of Macromolecular Compounds RASRussian Federation202413122024245751757Copyright © Лукиев И.В., Михайлов И.В., Борисов О.В., 20242024Лукиев И.В., Михайлов И.В., Борисов О.В.Lukiev I.V., Mikhailov I.V., Borisov O.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/141

Введение. Полимерные щетки, как модифицирующие покрытия, значительно улучшают трибологические свойства различных контактирующих поверхностей. Трение, которое возникает при наложении внешней нагрузки и латеральном сдвиге полимерных щеток друг относительно друга, определяется их энергией взаимодействия и глубиной взаимопроникновения. Если щетки погружены в низкомолекулярный растворитель, силу трения можно регулировать, варьируя качество растворителя за счет изменения внешних условий: температуры, химического состава раствора и т. п. Отметим, что теоретические исследования, посвященные влиянию качества растворителя на трибологические свойства щеток, практически отсутствуют.Метод. Для определения влияния качества растворителя на взаимодействие плоских полимерных щеток использовались два взаимодополняющих подхода: аналитический и численный методы самосогласованного поля. В обоих случаях применялась крупнозернистая модель полимерных щеток. Качество растворителя в модели задавалось через параметр Флори–Хаггинса взаимодействия полимер-растворитель.Основные результаты. Проведена количественная оценка ширины зоны перекрывания, распирающего давления и силы трения, возникающей при сближении щеток друг с другом. Предложено теоретическое описание силы трения в режиме малых скоростей сдвига на основе уравнения Бринкмана для двух сжатых щеток, скользящих друг против друга.Обсуждение. Показано, что при постоянстве общей степени полимеризации, плотности прививки и скорости латерального сдвига щеток относительно друг друга ширина зоны перекрывания одинаково убывает с увеличением межплоскостного расстояния по степенному закону независимо от качества растворителя. В условиях сильного сжатия плоских полимерных щеток сила трения стремится к определенному предельному значению, в то время как коэффициент трения стремится к нулю в независимости от качества растворителя. В области умеренного давления коэффициент трения существенно возрастает с уменьшением растворимости привитых полимеров при одинаковых приложенной внешней нагрузке и составе плоских полимерных щеток. Аналитический метод показал высокую согласованность с данными проведенного численного моделирования. Полученные результаты позволяют прогнозировать трибологические свойства полимерных щеток в зависимости от качества растворителя и, как следствие, предсказывать влияние внешних условий на силу трения между модифицированными поверхностями.

Polymer brushes, as modifying coatings, significantly improve the tribological properties of various contacting surfaces. The friction that arises when an external load is applied and the polymer brushes laterally shift relative to each other is determined by their interaction energy and the depth of interpenetration. If the brushes are immersed in a lowmolecular- weight solvent, the friction force can be controlled by varying the solvent quality through changes in external conditions, such as temperature, chemical composition of the solution, and so on. It should be noted that theoretical studies on the effect of solvent quality on the tribological properties of brushes are practically absent. To determine the influence of solvent quality on the interaction of flat polymer brushes, two complementary approaches were used: analytical and numerical self-consistent field methods. In both cases, a coarse-grained model of polymer brushes was employed. The solvent quality in the model was defined through the Flory-Huggins parameter for polymer-solvent interaction. A quantitative assessment of the overlap zone width, osmotic pressure, and friction force arising when the brushes approach each other was conducted. A theoretical description of the friction force in the low shear rate regime was proposed based on the Brinkman equation for two compressed brushes sliding against each other. It was shown that, with constant total polymerization degree, grafting density, and lateral sliding speed of the brushes relative to each other, the width of the overlap zone decreases following a power law with increasing inter-plane distance, regardless of solvent quality. Under conditions of strong compression of flat polymer brushes, the friction force approaches a certain limiting value, while the friction coefficient tends to zero, independent of solvent quality. In the moderate pressure region, the friction coefficient significantly increases with a decrease in the solubility of the grafted polymers under the same applied external load and the composition of the flat polymer brushes. The analytical method showed high agreement with the data from the numerical simulations. The obtained results allow for predicting the tribological properties of polymer brushes depending on solvent quality and, consequently, predicting the effect of external conditions on the friction force between modified surfaces.

полимерные щеткисила тренияметод самосогласованного поляpolymer brushesfriction forceself-consistent field methodРабота выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант № 23-13-00174.ReferencesKreer T. Polymer-brush lubrication: a review of recent theoretical advances // Soft Matter. 2016. V. 12. N 15. P. 3479–3501. https://doi.org/10.1039/C5SM02919HKreer T. Polymer-brush lubrication: a review of recent theoretical advances. Soft Matter, 2016, vol. 12, no. 15, pp. 3479–3501. https://doi.org/10.1039/C5SM02919HWijmans C.M., Zhulina E.B., Fleer G.J. Effect of free polymer on the structure of a polymer brush and interaction between two polymer brushes // Macromolecules. 1994. V. 27. N 12. P. 3238–3248. https:// doi.org/10.1021/ma00090a017Wijmans C.M., Zhulina E.B., Fleer G.J. Effect of free polymer on the structure of a polymer brush and interaction between two polymer brushes. Macromolecules, 1994, vol. 27, no. 12, pp. 3238–3248. https://doi.org/10.1021/ma00090a017Milner S.T. Hydrodynamic penetration into parabolic brushes // Macromolecules. 1991. V. 24. N 12. P. 3704–3705. https://doi.org/10.1021/ma00012a036Milner S.T. Hydrodynamic penetration into parabolic brushes. Macromolecules, 1991, vol. 24, no. 12, pp. 3704–3705. https://doi.org/10.1021/ma00012a036Harden J.L., Cates M.E. Deformation of grafted polymer layers in strong shear flows // Physical Review E. 1996. V. 53. N 4. P. 3782−3787. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.53.3782Harden J.L., Cates M.E. Deformation of grafted polymer layers in strong shear flows. Physical Review E, 1996, vol. 53, no. 4, pp. 3782−3787. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.53.3782Pelletier E., Stamouli A., Belder G.F., Hadziioannou G. Adsorption kinetics of an asymmetric diblock copolymer: A surface forces apparatus study // Langmuir. 1997. V. 13. N 7. P. 1884–1886. https:// doi.org/10.1021/la960884tPelletier E., Stamouli A., Belder G.F., Hadziioannou G. Adsorption kinetics of an asymmetric diblock copolymer: A surface forces apparatus study. Langmuir, 1997, vol. 13, no. 7, pp. 1884–1886. https://doi.org/10.1021/la960884tDrobek T., Spencer N.D., Heuberger M. Compressing PEG brushes // Macromolecules. 2005. V. 38. N 12. P. 5254–5259. https://doi.org/10.1021/ma0504217Drobek T., Spencer N.D., Heuberger M. Compressing PEG brushes. Macromolecules, 2005, vol. 38, no. 12, pp. 5254–5259. https://doi.org/10.1021/ma0504217Klushin L.I., Skvortsov A.M., Qi S., Kreer T., Schmid F. Polydispersity effects on interpenetration in compressed brushes // Macromolecules. 2019. V. 52. N 4. P. 1810–1820. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.8b02361Klushin L.I., Skvortsov A.M., Qi S., Kreer T., Schmid F. Polydispersity effects on interpenetration in compressed brushes. Macromolecules, 2019, vol. 52, no. 4, pp. 1810–1820. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.8b02361Klushin L.I., Ivanova A.S., Polotsky A.A., Skvortsov A.M. Interpenetration and friction of brush-coated surfaces under external load: analytical theory and SCF calculations // Macromolecules. 2023. V. 56. N 13. P. 5188–5200. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.3c00458Klushin L.I., Ivanova A.S., Polotsky A.A., Skvortsov A.M. Interpenetration and friction of brush-coated surfaces under external load: analytical theory and SCF calculations. Macromolecules, 2023, vol. 56, no. 13, pp. 5188–5200. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.3c00458Fleer G.J., Сohen-Stuart M.A., Scheujtens J.M.H.M., Cosgrove T., Vincent B. Polymers at Interfaces. Chapman & Hall, 1993. 502 p.Fleer G.J., Сohen-Stuart M.A., Scheujtens J.M.H.M., Cosgrove T., Vincent B. Polymers at Interfaces, Chapman & Hall, 1993, 502 p.Wijmans C.M., Scheutjens J., Zhulina E.B. Self-consistent field theories for polymer brushes: lattice calculations and an asymptotic analytical description // Macromolecules. 1992. V. 25. N 10. P. 2657–2665. https://doi.org/10.1021/ma00036a016Wijmans C.M., Scheutjens J., Zhulina E.B. Self-consistent field theories for polymer brushes: lattice calculations and an asymptotic analytical description. Macromolecules, 1992, vol. 25, no. 10, pp. 2657–2665. https://doi.org/10.1021/ma00036a016de Vos W.M., Leermakers F.A.M. Modeling the structure of a polydisperse polymer brush // Polymer. 2009. V. 50. N 1. P. 305–316. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2008.10.025de Vos W.M., Leermakers F.A.M. Modeling the structure of a polydisperse polymer brush. Polymer, 2009, vol. 50, no. 1, pp. 305–316. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2008.10.025Zhulina E.B., Borisov O.V., Priamitsyn V.A. Theory of steric stabilization of colloid dispersions by grafted polymers // Journal of Colloid and Interface Science. 1990. V. 137. N 2. P. 495–511. https://doi.org/10.1016/0021-9797(90)90423-LZhulina E.B., Borisov O.V., Priamitsyn V.A. Theory of steric stabilization of colloid dispersions by grafted polymers. Journal of Colloid and Interface Science, 1990, vol. 137, no. 2, pp. 495–511. https://doi.org/10.1016/0021-9797(90)90423-L

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