Композитный наполнитель в виде порошка и способ его получения
Владельцы патента RU 2298571:
Общество с ограниченной ответственностью "РЕАМ-РТИ" (RU)
Изобретение относится к композитному наполнителю в виде порошка и способу его получения для эластомерных материалов, предназначенных для изготовления изделий, работающих в условиях повышенного износа или сухого трения. Частицы наполнителя содержат, по меньшей мере, одно ядро из керамического материала - карбид металла и оболочку из полимера - политетрафторэтилен, причем объемная доля ядер в частице наполнителя составляет от 1 до 10%. Способ получения композитного порошкового наполнителя заключается в том, что частицы карбида металла активируют в механохимическом активаторе с интенсивностью подвода механической энергии от 1 до 5 кВт/кг и дозой от 30 до 1000 кДж/кг в среде, выбранной из ряда: воздух, азот, аргон, вакуум с давлением от 10-2 до 1 атм, до получения частиц со средним размером не более 15 мкм, после чего в механохимический активатор вводят политетрафторэтилен и модифицируют частицы карбида металла с интенсивностью подвода механической энергии от 0,05 до 0,5 кВт/кг и дозой от 3 до 100 кДж/кг в среде, выбранной из ряда: воздух, азот, аргон, вакуум с давлением от 10-2 до 1 атм. Введение композитного порошкового наполнителя в резиновую смесь приводит к снижению коэффициента трения в условиях сухого трения и существенному снижению суммарной скорости изнашивания пары трения в условиях гидроабразивного износа, 2 н. и 2 з.п.ф-лы, 3 табл., 2 ил.
Настоящее изобретение относится к области наполнителей для эластомерных материалов, работающих в условиях повышенного износа или сухого трения.
Известно использование наполнителей в виде порошка из керамических материалов, а именно из карбидов металлов: карбида титана, карбида хрома, карбида вольфрама, в резиновых смесях для получения износостойких изделий (RU 2230077, С08J 7/12, 2002 г.). В связи со слабым сцеплением карбидов металлов с полимерной матрицей карбид металла в резиновой смеси применяется совместно с дисперсией политетрафторэтилена в минеральном масле.
Такой способ введения наполнителя, требующий наличия жидкой фазы, не пригоден для создания многих композиций, желательно износостойкий наполнитель вводить в композиции в виде порошка, обладающего адгезионными свойствами к полимерной матрице.
Известно использование наполнителя в виде порошка из карбида титана в композициях на основе политетрафторэтилена, полиуретана, нитрильного каучука, фторэластомеров, полифениленсульфидов в виде дисперсии в никель-хромовой матрице (US 3713788, С10М 7/28, 1973 г.), в никель-хромовой с добавками молибдена и углерода матрице (US 4432883, С10М 7/28, 1984 г.).
Недостатком известного наполнителя является недостаточно высокое сцепление наполнителя с полимерной матрицей.
Известно использование в эластомерной матрице карбидов металлов в виде частиц с размером 0,1-10 мкм в оболочке из поликарбоксильной или полисилановой композиций или их комбинации. Порошок наполнителя получают путем взаимодействия частиц карбида металла с поликарбоксильными или полисилановыми компонентами в жидкой фазе и последующей сушкой при температуре 80-100°С (US 5527849, С08К 3/14, 1996 г., US 5665807, С08К 3/14, 1997 г.).
В качестве прототипа выбран композитный наполнитель в виде порошка и способ его получения, раскрытые в описании к патенту GB 2244489, С08К 9/06, 1991 г. Наполнитель содержит в одной частице, по меньшей мере, одно ядро из неорганического материала, например из керамического материала, и оболочку из силиконового эластомера, который является продуктом реакции монофункционального силоксана и вторичного мультифункционального силана. Связь ядра с оболочкой - химическая.
Способ получения указанного наполнителя включает приведение во взаимодействие частиц неорганического материала и жидких полисилоксановых и силановых компонентов, нанесение полученной реакционно-способной жидкости на поверхность частиц неорганического материала путем перемешивания в мешалке - смесителе барабанного типа с добавлением растворителя.
Указанный наполнитель хорошо распределяется в полимерной матрице, позволяет получать качественные изделия, но в качестве оболочки содержит оболочку, изготовленную только из полимера, полученного на основе силиконового каучука, и не предполагает изготовления оболочки из других полимерных материалов. Указанный способ предусматривает получение композитного наполнителя в виде порошка в оболочке только из жидкой фазы и не позволяет получать наполнитель в оболочке из твердой фазы.
Задачами настоящего изобретения являются расширение ассортимента наполнителей, обладающих повышенной адгезией к эластомерной матрице, с оболочкой не только из полимеров на основе силиконового каучука, а также способ получения композитного порошкового наполнителя в виде карбида металла в оболочке, которая выполнена из твердой фазы.
Эти задачи решаются путем создания композитного наполнителя в виде порошка, частицы которого содержат, по меньшей мере, одно ядро из керамического материала и оболочку из полимера, в котором в качестве керамического материала он содержит карбид металла, а в качестве полимера оболочки он содержит политетрафторэтилен, причем объемная доля ядер в частице композитного наполнителя составляет от 0,1 до 10%. В качестве карбида металла он может содержать карбид, выбранный из ряда: карбид титана, карбид кремния, карбид вольфрама, карбид тантала, карбид ниобия. Размер частиц композитного наполнителя составляет не более 50 мкм.
Способ получения предлагаемого композитного наполнителя в виде порошка заключается во взаимодействии частиц керамического материала и полимера, в котором частицы керамического материала в виде карбида металла активируют в механохимическом активаторе с интенсивностью подвода механической энергии от 1 до 5 кВт/кг и дозой от 30 до 1000 кДж/кг в среде, выбранной из ряда: воздух, азот, аргон, вакуум с давлением от 10-2 до 1 атм, до получения частиц со средним размером не более 15 мкм. После чего в активатор вводят полимер в виде политетрафторэтилена и модифицируют частицы карбида металла с интенсивностью подвода механической энергии от 0,05 до 0,5 кВт/кг и дозой от 3 до 100 кДж/кг в среде, выбранной из ряда: воздух, азот, аргон, вакуум с давлением от 10-2 до 1 атм.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен композитный наполнитель в виде порошка с одним ядром в оболочке, на фиг.2 - композитный наполнитель в виде порошка с несколькими ядрами в оболочке.
Композитный наполнитель в своем составе содержит, по меньшей мере, одно ядро 1 и оболочку 2. Ядро 1 выполнено из карбида металла, оболочка 2 - из политетрафторэтилена. В качестве карбида металла могут быть использованы карбиды титана, кремния, вольфрама, тантала, ниобия. Объемная доля ядер в частице композитного наполнителя составляет от 0,1 до 10%.
Способ получения предлагаемого наполнителя реализуют следующим образом.
Частицы карбида металла помещают в рабочую камеру механохимического активатора совместно с мелющими телами. Объем камеры, объем мелющих тел, динамические характеристики механохимического активатора подбираются с таким расчетом, чтобы обеспечить интенсивность подвода механической энергии к обрабатываемому материалу. Сам процесс активации проводят при комнатной температуре с интенсивностью подвода механической энергии от 1 до 5 кВт/кг в среде, выбранной из ряда: воздух, азот, аргон, вакуум с давлением от 10-2 до 1 атм. Требуемая доза подведенной механической энергии в пределах от 30 до 1000 кДж/кг достигается длительностью обработки при заданной интенсивности. В результате активации получают частицы карбида металла со средним размером не более 15 мкм.
Затем через загрузочное устройство в рабочую камеру механохимического активатора вводят гранулы политетрафторэтилена со средним размером частиц до 100 мкм. Количество вводимого политетрафторэтилена должно соответствовать объемной доле полимера в конечном продукте. Динамические параметры механохимического активатора (частота и амплитуда) изменяют таким образом, чтобы обеспечить интенсивность подвода механической энергии к обрабатываемому материалу в пределах от 0,05 до 0,5 кВт/кг. Требуемая доза подведенной механической энергии в пределах от 3 до 100 кДж/кг достигается достаточной длительностью обработки при заданной интенсивности. Среда, в которой производится обработка карбида металла, выбирается из ряда: воздух, азот, аргон, вакуум с давлением от 10-2 до 1 атм.
В результате обработки частиц карбида металла получают композитный наполнитель в виде порошка, частицы которого содержат карбид металла в оболочке из политетрафторэтилена.
В качестве матрицы используют композиции на основе бутадиеннитрильного, этиленпропиленового каучуков, бутилкаучука, фторкаучука.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Частицы карбида металла с размером частиц от 10 до 80 мкм и средним размером частиц до 50 мкм помещают в рабочую камеру механохимического активатора совместно с мелющими телами - набором металлических и/или агатовых шаров размером от 3 до 15 мм в диаметре и активируют по режимам (интенсивность подвода механической энергии, состав среды обработки), которые приведены в табл.1. В результате активации получают частицы карбида металла со средним размером, который приведен в табл.1. Через загрузочное устройство в рабочую камеру механохимического активатора дополнительно вводят гранулы политетрафторэтилена, со средним размером частиц до 100 мкм. Характеристики процесса модификации карбида металла (интенсивность, доза подвода механической энергии к обрабатываемому материалу), а также состав среды обработки приведены в табл.1. Размер полученных после обработки частиц и объемная доля ядер в частице наполнителя приведены в табл.1. Размер частиц определяли с помощью седиметрического анализа.
Полученный композитный материал вводили в резиновую смесь на основе бутадиен-нитрильного каучука СКН-26, наполненного техническим углеродом (120 мас.ч.), из нее формовали заготовки и вулканизовали изделия. Образцы, полученные из указанной резиновой смеси, содержащие заявляемый композитный наполнитель и без него (контрольный пример), были исследованы на машине торцевого трения МТТ-2 при скорости скольжения 4,4 м/с, при нормальной нагрузке в 16 и 19,2 Н без смазки (сухое трение) и на установке, имитирующей пару трения осевой опоры ступени погружного насоса ЭЦН. Испытания нижней шайбы рабочего колеса (НШРК) проводили на стенде для ускоренных триботехнических испытаний эластомерных подшипников ступеней с вертикальным расположением сборки насоса. Экспериментальный насос состоял из 5 ступеней ЭЦН 5-50, изготовленных методом порошковой металлургии. Материал ответной НШРК детали - бурта направляющего аппарата (БНА)- порошковая сталь ЖГр1Д15. Концентрация абразива в объеме перекачиваемой жидкости составляла 0,2% (2 г/л). Сравнительные значения скоростей изнашивания испытываемых образцов НШРК получены в режиме подачи 50 м3/сут. Продолжительность испытаний каждой группы образцов НШРК составляла 6 час. Коэффициенты трения в условиях сухого трения приведены в табл.2. Фрикционные свойства образцов в условиях гидроабразивного износа приведены в табл.3.
Из данных, представленных в табл.1, видно, что настоящее изобретение позволяет получить композитный наполнитель в виде порошка, частицы которого содержат, по меньшей мере, одно ядро из карбида металла в оболочке из политетрафторэтилена, которая обладает адгезией к полимерной матрице, предлагаемым способом изготовления композитного порошкового наполнителя путем обработки карбида металла твердым полимером - политетрафторэтиленом.
Из данных, представленных в табл.2 и 3, видно, что введение композитного наполнителя в виде порошка в резиновую смесь приводит к снижению коэффициента трения в условиях сухого трения и существенному снижению суммарной скорости изнашивания пары трения в условиях гидроабразивного износа.
Предлагаемый по настоящему изобретению композитный наполнитель в виде порошка расширяет ассортимент наполнителей, обладающих адгезиеи к полимерной матрице, которые позволяют изготавливать с их использованием износостойкие в условиях сухого трения и абразивного износа изделия из эластомерных материалов, а предлагаемый способ получения указанного наполнителя позволяет получить композитный наполнитель в виде порошка, частицы которого содержат, по меньшей мере, одно ядро из карбида металла и оболочку из полимера, изготовленную из твердой фазы.
| Табл.1. Характеристики способа получения композитного порошкового наполнителя. | ||||||||||||
| Интенсивность подвода механической энергии, кВт/кг | Доза механической энергии, кДж/кг | Давление среды, атм. | Средний размер частиц, мкм | Объемная доля ядер в частице наполнителя, % | Достигаемая структура наполнителя | |||||||
| № примера | Карбид металла | При активации | При модификации | При активации | При модификации | Среда | При активации | При модификации | После активации | После модификации | ||
| 1 | 2 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| 1 | TiC | 2 | 0,05 | 300 | 100 | Вакуум | 10-2 | 10-2 | 15 | 40 | 2,0 | Порошковый наполнитель в оболочке из ПТФЭ |
| 2 | TiC | 2 | 0,2 | 1000 | 30 | Азот | 1 | 1 | 5 | 40 | 8,0 | Порошковый наполнитель в оболочке из ПТФЭ |
| 3 | SiC | 1 | 0,5 | 30 | 3 | Воздух | 1 | 1 | 10 | 50 | 9,6 | Порошковый наполнитель в оболочке из ПТФЭ |
| 4 | WC | 5 | 0,05 | 1000 | 100 | Аргон | 1 | 1 | 5 | 40 | 1,6 | Порошковый наполнитель в оболочке из ПТФЭ |
| 5 | TaC | 5 | 0,05 | 1000 | 100 | Вакуум | 10-2 | 10-2 | 5 | 40 | 0,2 | Порошковый наполнитель в оболочке из ПТФЭ |
| 6 | NbC | 4 | 0,05 | 500 | 50 | Аргон | 1 | 1 | 5 | 40 | 0,2 | Порошковый наполнитель в оболочке из ПТФЭ |
| Табл.2 | ||||
| Коэффициент трения в условиях сухого трения. | ||||
| № примера | Нагрузка | Коэффициент трения | ||
| Без наполнителя | Содержание наполнителя | |||
| 10 мас.ч. | 20 мас.ч. | |||
| Контроль | 16 | 0,25 | ||
| ный | 19,2 | 0,28 | ||
| 2 | 16 | 0,08 | 0,11 | |
| 19,2 | 0,12 | 0,135 | ||
| 3 | 16 | 0,14 | 0,155 | |
| 19,2 | 0,16 | 0,175 | ||
| 4 | 16 | 0,11 | 0,12 | |
| 19,2 | 0,125 | 0,13 |
| Табл.3 | ||||
| Фрикционные свойства в условиях гидроабразивного износа | ||||
| Показатели | Контрольный пример | Пример 2 по изобретению | ||
| Содержание наполнителя | ||||
| 10 мас.ч. | 20 мас.ч. | 30 мас.ч. | ||
| Средняя скорость изнашивания НШРК, мкм/ч. | 3,14 | 0,25 | 0,18 | 0,17 |
| Стандартное отклонение скорости изнашивания НШРК,мкм/ч. | 3,26 | 0,1 | 0,08 | 0,11 |
| Средняя скорость изнашивания БНА, мкм/ч. | 17,1 | 16,7 | 14,3 | 19,4 |
| Стандартное отклонение скорости изнашивания БНА, мкм/ч. | 32,4 | 15,6 | 12,1 | 5,4 |
| Суммарная скорость изнашивания пары НШРК-БНА, мкм/ч. | 20.24 | 16,95 | 14,48 | 19,57 |
1. Композитный наполнитель в виде порошка, частицы которого содержат, по меньшей мере, одно ядро из керамического материала и оболочку из полимера, отличающийся тем, что в качестве керамического материала он содержит карбид металла, а в качестве полимера оболочки он содержит политетрафторэтилен, причем объемная доля ядер в частице наполнителя составляет от 1 до 10%.
2. Композитный наполнитель в виде порошка по п.1, отличающийся тем, что в качестве карбида металла он содержит карбид, выбранный из ряда: карбид титана, карбид кремния, карбид вольфрама, карбид тантала, карбид ниобия.
3. Композитный наполнитель в виде порошка по п.1 или 2, отличающийся тем, что размер частиц наполнителя составляет не более 50 мкм.
4. Способ получения композитного наполнителя в виде порошка, частицы которого содержат, по меньшей мере, одно ядро из керамического материала и оболочку из полимера, заключающийся во взаимодействии частиц керамического материала и полимера, отличающийся тем, что частицы керамического материала в виде карбида металла активируют в механохимическом активаторе с интенсивностью подвода механической энергии от 1 до 5 кВт/кг и дозой от 30 до 1000 кДж/кг в среде, выбранной из ряда: воздух, азот, аргон, вакуум с давлением от 10-2 до 1 атм, до получения частиц со средним размером не более 15 мкм, после чего в активатор вводят полимер в виде политетрафторэтилена и модифицируют частицы карбида металла с интенсивностью подвода механической энергии от 0,05 до 0,5 кВт/кг и дозой от 3 до 100 кДж/кг в среде, выбранной из ряда: воздух, азот, аргон, вакуум с давлением от 10-2 до 1 атм.
