Композиционный полимерный материал триботехнического назначения

Авторы патента:

Шаринов Николай Иванович (RU)

Ючюгяева Татьяна Семеновна (RU)

Охлопкова Айталина Алексеевна (RU)

Петрова Павлина Николаевна (RU)

Слепцова Сардана Афанасьевна (RU)

Бельков Игорь Алексеевич (RU)

Сыромятникова Айталина Степановна (RU)

C08L27/16 - гомополимеры или сополимеры винилиденфторида

C08J5/16 - изготовление изделий или материалов с низким коэффициентом трения

Владельцы патента RU 2319713:

Общество с ограниченной ответственностью "Технопласт" (RU)

Композиционный полимерный материал триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена, кокса и активированной шпинели магния может эффективно применяться в тяжелонагруженных узлах трения машин и механизмов. Состав композиционного полимерного материала, мас.%: кокс 13,0-14,5; шпинель магния, активированная в планетарной мельнице АГО-2 в течение 2 мин 0,5-2,0; политетрафторэтилен остальное. Использование заявляемого изобретения позволяет повысить долговечность и работоспособность узлов трения за счет высокой износостойкости, низкого коэффициента трения, которые определяются структурой композита. 1 табл.

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к разработке полимерных композитов триботехнического назначения, которые могут быть использованы для изготовления подшипников скольжения и других элементов узлов трения, эксплуатируемых в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения.

Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцевых уплотнений и других элементов узлов трения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и неорганических наполнителей различной химической природы [Истомин Н.П., Семенов А.П. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторопластов. - М.: Наука, 1987. - 147 с.]. Материалы известны как самосмазывающиеся антифрикционные с малым коэффициентом трения, но не могут эксплуатироваться в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения вследствие недостаточной износостойкости, что снижает ресурс их работы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является промышленно выпускаемый композит марки Ф4К20 на основе ПТФЭ (80 мас.%) и кокса (20 мас.%) (прототип) (Паншин Ю.А. и др. Фторопласты. Л.: Химия, 1978, с.217-219).

Обладая высокой износостойкостью, материал характеризуется повышенным значением коэффициента трения, что существенно ограничивает области применения.

Технической задачей изобретения является снижение коэффициента трения композиционного материала на основе ПТФЭ при сохранении высокой износостойкости.

Достижение положительного эффекта обеспечивается введением в ПТФЭ кокса и активированного наномодификатора - шпинели магния при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кокс	13,0-14,5
Шпинель магния (MgAl₂O₄)	0,5-2,0
Политетрафторэтилен (ПТФЭ)	Остальное

Политетрафторэтилен (фторопласт-4) - промышленный продукт ГОСТ 10007-80, представляющий собой белый, рыхлый порошок со степенью кристалличности до спекания 95-98%, после спекания 50-70% и плотностью 2170-2190 кг/м³, Т_пл 327°С.

Кокс литейный - рассыпчатый порошок углерода черного цвета. Средний размер частиц 10 мкм. Плотность 1730 кг/м³, ГОСТ 3340-80.

Шпинель магния - продукт, полученный путем механохимического синтеза. Средний размер частиц - 80 нм; удельная поверхность - 170 - 200 м²/г [Пат.2078037 РФ, С1 С01В 33/20, 33/26. Способ получения алюмосиликата щелочноземельного металла. Аввакумов Е.Г., Девяткина Е.Т., Косова Н.В., Ляхов Н.З. - №93029074/25. Заявл. 31.05.1993. Опубл. 27.04.1997. Бюл.№ 12].

Для получения композиции в политетрафторэтилен вводили кокс и шпинель магния, подвергнутую механической активации в планетарной мельнице АГО-2 в течение 2 мин [Аввакумов Е.Г. Мягкий механохимический синтез // Химия устойчивого развития. - 1994. -Т.2, №2-3. - С.541-559].

Введение в композиционный материал нанопорошка шпинели магния обусловлено его активным поведением при трении и изнашивании композита. Известно, что наночастицы шпинели магния образуют на поверхностях трения кластерные структуры, ориентированные по направлению скольжения, что приводит к снижению коэффициента трения [Охлопкова А.А., Петрова П.Н., Попов С.Н., Авакумов Е.Г. Композиционные материалы на основе полимеров с добавками дисперсных частиц неорганических соединений // Химия в интересах устойчивого развития. - 2004. - С.627-636].

Механическую активацию наполнителя проводили с целью получения однородного по дисперсности порошка и устранения агломерации частиц.

Предварительная обработка шпинели магния в планетарной мельнице АГО-2 способствовала усреднению дисперсного состава наполнителя, устранению агломерации частиц и повышению их структурной активности. Это привело к образованию более плотной упорядоченной структуры при введении активированной шпинели магния в композит, содержащий 13-15% кокса, и, как следствие, к повышению триботехнических характеристик материала (таблица). Диспергирование частиц шпинели магния и их структурообразующие свойства зарегистрированы методами электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа.

Для получения композиционного материала в ПТФЭ вводили кокс и активированную шпинель магния, помещая расчетную массу полимера и наполнителей в высокооборотный смеситель и смешивая до получения однородной массы. Затем из композиции путем холодного прессования делали заготовки требуемой формы и спекали их в электрической печи при температуре 370±5°С.

Сочетание ПТФЭ, кокса и шпинели магния позволяет получить композиционный материал, обладающий высокой износостойкостью, низким коэффициентом трении, при сохранении прочностных показателей по сравнению с прототипом.

Пример. 85 г политетрафторэтилена, 14 г кокса и 1 г активированной шпинели магния смешивали в лопастном смесителе до получения однородной массы. После смешения композицию сушили в термошкафу при температуре 100-120°С в течение 1 ч. Затем композицию помещали в пресс-форму и прессовали изделие при удельном давлении 50 МПа. Спекание проводили в электрической печи при температуре 370±5°С.Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.

Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице примеров.

Методики определения свойств композита

Прочностные свойства заявляемого антифрикционного материала определены на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Испытания проводили на машине «Инстрон» (Англия) при скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин. Триботехнические параметры определены на машине трения СМЦ-2 по схеме «вал-втулка». Нагрузка 67 Н, скорость скольжения 0,39 м/с, путь трения 7 км. Исследуемый образец - втулка диаметром 32-22 мм, высотой 21 мм, контртело - стальной вал с твердостью 45-50 HRC, шероховатостью 0,06-0,07 мкм.

Технико-экономическая эффективность

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет увеличить износостойкость, что видно по уменьшению скорости убывания массы образца I, а также - снизить коэффициент трения f при сохранении прочностных характеристик σ_сж. Как видно из приведенных данных, износостойкость возросла в 30-50 раз, коэффициент трения снизился в 1,5-3,5 раза по сравнению с прототипом при сохранении прочностных показателей. Оптимальное содержание наполнителей: кокс 13,0-14,5 мас.%, шпинель магния - 0,5-2,0 мас.%. Дальнейшее увеличение содержания наполнителя приводит к снижению прочностных и триботехнических характеристик, повышению коэффициента трения.

Применение антифрикционной композиции заявляемого состава позволит повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования при повышенных нагрузках и скоростях скольжения.

Таблица
Характеристики ПКМ, наполненных коксом и шпинелью магния
№	Состав	Содержание компонентов, мас.%	σ_сж, МПа	I×10^-6, кг/ч	f
при 10%	при 25%
1.	ПТФЭ +	85	16	24	0,15	0,18
	кокс +	14,8
	шпинель магния	0,2
2.	ПТФЭ +	85	19	30	0,03	0,08
	кокс +	14,5
	шпинель магния	0,5
3.	ПТФЭ +	85	19	29	0,05	0,10
	кокс +	14
	шпинель магния	1
4.	ПТФЭ +	85	17	28	0,08	0,13
	кокс +	13
	шпинель магния	2
5.	ПТФЭ +	85	16	27	0,12	0,20
	кокс +	12
	шпинель магния	3
6.	ПТФЭ +	85	16	26	0,15	0,30
	кокс +	10
	шпинель магния	5
7.	Ф4К20	80	18	29	1,0-1,6	0,15-0,30
	(прототип)	20

Композиционный полимерный материал триботехнического назначения, содержащий политетрафторэтилен и кокс, отличающийся тем, что материал содержит наномодификатор - шпинель магния, активированную в планетарной мельнице АГО-2 в течение 2 мин, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кокс	13,0-14,5
Шпинель магния (MgAl₂O₄)	0,5-2,0
Политетрафторэтилен	Остальное

Изобретение относится к полимерной композиции, содержащей один или несколько галогенированных термопластичных полимеров. .

Фторполимеры, содержащие ионные или ионизируемые группы, и продукты, содержащие указанные фторполимеры // 2264420

Изобретение относится к полимерной смеси для применения в производстве мембраны. .

Композиция, экструдируемая совместно с пвф (поливинилиденфторидом) // 2249022

Композиции на основе поливинилиденфторида // 2249021

Изобретение относится к эластичной и упругой композиции, содержащей по меньшей мере один гомополимер (А) фтористого винилидена (VF2) или сополимер (A) VF2 и по меньшей мере одного другого мономера, сополимеризируемого с VF2, в котором количество указанного мономера составляет от 0 до 30 весовых частей на 100 весовых частей VF2, по меньшей мере один фторированный эластомер В, являющийся сополимером VF2 и по меньшей мере одного другого фторированного мономера, возможно пластификатор С, в которой, с одной стороны, указанная композиция содержит от 0,5 до 10 весовых частей В и от 0 до 10 весовых частей С на 100 весовых частей А, при дополнительном условии, что сумма В и С составляет от 0,5 до 10,5 весовых частей, и, с другой стороны, выбирают такой гомополимер или сополимер фторированного винилидена А, что он имеет показатель текучести, измеряемый в соответствии со стандартом ISO 1133 при 230°С под нагрузкой, равной 5 кг, который ниже 5 г/10 мин, и критический модуль GС на пересечении модулей сдвига G’ и G’’ в расплавленном состоянии, измеряемый при 190°С, который составляет от 5 до 22 кПа.

Способ получения покрытия на основе фторкаучука // 2232780

Изобретение относится к способу получения покрытий на основе каучука СКФ-32 для защиты резиновых поверхностей от действия агрессивных сред. .

Резиновая смесь на основе фторкаучука // 2215758

Изобретение относится к резиновой промышленности. .

Гибкие и упругие химические композиции на основе поливинилиденфторида и способ их получения // 2199559

Изобретение относится к композиции на основе фторсодержащих полимеров, а также к способу их получения. .

Винилиденфторид- и гексафторпропиленсодержащие отвержденные сополимеры // 2196146

Изобретение относится к отвержденным фторэластомерам - сополимерам винилиденфторида и гексафторпропилена, которые находят применение для получения промышленных изделий, таких как прокладки, уплотнения для валов, рукавов и прокладок с металлическими вставками.

Полимерная композиция триботехнического назначения // 2177963

Изобретение относится к полимерным композициям триботехнического назначения, предназначенным для эксплуатации в узлах трения машин и оборудования. .

Резиновая смесь на основе фторкаучука // 2164524

Изобретение относится к новой резиновой смеси на основе фторкаучука и может быть использовано в качестве антифрикционных покрытий по металлу и резинам. .

Полиамидный композиционный материал (варианты) // 2316571

Изобретение относится к полимерным материалам класса полиамидов 6-блочных конструкционного и антифрикционного назначения и может найти широкое применение в различных отраслях промышленности для изготовления деталей с низким коэффициентом трения, к которым предъявляются повышенные требования по ударной и термической стойкости.

Полимерный антифрикционный композиционный материал // 2307130

Изобретение относится к антифрикционным полимерным композиционным материалам, предназначенным для изготовления деталей узлов трения машин и агрегатов. .

Способ радиационно-химического модифицирования политетрафторэтилена и материал на его основе // 2304592

Изобретение относится к области радиационно-химических технологий получения полимерных материалов с улучшенным комплексом свойств. .

Композитный наполнитель в виде порошка и способ его получения // 2304155

Изобретение относится к композитному наполнителю в виде порошка и способу его получения для эластомерных материалов, предназначенных для изготовления изделий, работающих в условиях сухого трения или повышенного износа и применяемых в двигателе-, компрессоро-, насосостроении и других отраслях промышленности.

Способ изготовления полимерных деталей трения скольжения из сверхвысокомолекулярного полиэтилена для искусственных эндопротезов // 2300537

Изобретение относится к области химии полимеров, а именно к способам изготовления полимерных деталей трения скольжения из сверхвысокомолекулярного полиэтилена для искусственных эндопротезов.

Антифрикционная полимерная композиция // 2296139

Изобретение относится к конструкционному полимерному композиционному материалу антифрикционного назначения на основе высокомолекулярного полиэтилена, который может быть использован для изготовления элементов узлов трения с повышенной несущей способностью (втулки для подшипников скольжения, сепараторы подшипников качения), уплотнительных элементов пар вращательного и возвратно-поступательного перемещения.

Антифрикционная композиция // 2295546

Изобретение относится к наполненным полимерным композициям, предназначенным для изготовления крупногабаритных изделий антифрикционного назначения. .

Композиционный триботехнический материал // 2293092

Изобретение относится к антифрикционным материалам на основе термопластичных полимеров для изготовления подшипников скольжения, направляющих опор скольжения, работающих без смазки, со смазкой водой и технологическими жидкостями в различных отраслях техники.

Полиуретановая композиция для изделий с антифрикционными свойствами // 2287539

Изобретение относится к полиуретановым композициям, предназначенным для изготовления износостойких изделий, обладающих антифрикционными свойствами. .

Композиция для самоотверждающегося антифрикционного покрытия // 2285019

Изобретение относится к антифрикционным самоотверждающимся покрытиям на полимерном связующем, применяемым в машиностроении для нанесения на детали узлов трения, работающих без смазки.

Композитный наполнитель в виде порошка и способ его получения // 2319718