Полимерная композиция триботехнического назначения

Описана полимерная композиция триботехнического назначения, содержащая политетрафторэтилен, синтетическую шпинель магния с удельной поверхностью 170-200 м²/г и полимерный наполнитель, причем в качестве наполнителя содержит фторопласт-4 МБ при следующем соотношении компонентов, мас.%: политетрафторэтилен - 93,0-97,0; фторопласт-4 МБ - 2,0-5,0; шпинель магния - 1,0-2,0. 1 табл.

 

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к созданию полимерных материалов триботехнического назначения, которые могут быть использованы для изготовления уплотнительных элементов пар вращательного и возвратно-поступательного движения и узлов трения.

Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцовых уплотнений и других элементов узлов трения на основе политетрафторэтилена 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 имеют низкие деформационно-прочностные характеристики, обладают повышенной жесткостью, что снижает ресурс их работы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является антифрикционная полимерная композиция, содержащая политетрафторэтилен (ПТФЭ) (98-99 мас.%) и в качестве неорганического наполнителя - синтетическую шпинель магния (1,0-2,0 мас.%), (прототип) [Патент РФ 2281960 C1; C08J 5/16, C08L 27/18, С08К 3/22. Антифрикционная полимерная композиция / Охлопкова А.А., Попов С.Н., Слепцова С.А., Аввакумов Е.Г., Винокурова О.Б, Гусев А.А. Заявл. 21.03.2005; Опубл. 20.08.2006; Бюл. №23]. Обладая хорошими физико-механическими характеристиками, материал имеет высокий массовый износ.

Технической задачей изобретения является повышение износостойкости композиционного материала при улучшении деформационно-прочностных характеристик.

Достижение положительного эффекта достигается введением в композиционный материал на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и синтетической шпинели магния (MgAl₂O₄) фторопласта-4 МБ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

ПТФЭ - 93,0-97,0;

MgAl₂O₄ - 1,0-2,0;

Ф-4 МБ - 2,0-5,0.

ПТФЭ (фторопласт-4) - промышленный продукт ГОСТ 10007-80, представляющий собой белый рыхлый порошок со степенью кристалличности до спекания 95-98%, после спекания 50-70%, плотностью 2,17-2,19 г/см³, температурой плавления 327°С.

MgAl₂O₄ - шпинель магния - продукт, полученный путем механохимического синтеза в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН (г.Новосибирск). Физические параметры шпинели магния: размеры частиц - 80 нм; удельная поверхность - 170-200 м²/г [Патент РФ 2078037 C1, C01B 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].

Полимер Ф-4 МБ представляет собой сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом (ТФЭ-ГФП), содержащий боковые группы CF₃, с температурой плавления кристаллитов 270-290°С и плотностью 2,14-2,17 г/см³, имеет высокую химическую стойкость, атмосферостойкость, высокие прочностные характеристики, низкий коэффициент трения (ТУ 301-05-73-90).

Для получения композиции в ПТФЭ вводили фторопласт-4 МБ и синтетическую шпинель магния. Введение шпинели магния в композицию ПТФЭ+Ф-4 МБ привело к образованию более плотной упорядоченной структуры и, как следствие, к повышению триботехнических характеристик материала (табл.1). Структурообразующие свойства частиц шпинели магния зарегистрированы методами электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа.

Для получения композиционного материала в ПТФЭ вводили полимер Ф-4 МБ и шпинель магния, помещая расчетную массу полимеров и наполнителя в высокооборотный смеситель и смешивая до получения однородной массы. Затем из композиции путем холодного прессования делали заготовки требуемой формы и спекали в электрической печи при температуре 370±5°С.

Введение в ПТФЭ фторопласта Ф-4 МБ и синтетической шпинели магния позволяет получить композиционный материал, обладающий высокой износостойкостью и повышенными деформационно-прочностными показателями.

Пример. 94 г ПТФЭ, 5 г Ф-4 МБ и 1 г MgAl₂O₄ 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 холодную пресс-форму и прессовали изделие при удельном давлении 50 МПа. Спекание изделий проводили в электрической печи при температуре 370±5°С (время выдержки 0,3 ч на

10^-3 м толщины образца). Полученные изделия охлаждали в печи до 200°С со скоростью 0,03% с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры. Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.

За пределами заявляемого соотношения компонентов физико-механические свойства композиции ухудшаются.

Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в табл.1.

Методики определения свойств композита

Физико-механические свойства заявляемой полимерной композиции триботехнического назначения определены на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Испытания проводили на испытательной машине "UTS-2" (Германия) при комнатной температуре и скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин на лопатках (количество образцов на одно испытание - 10).

Массовый износ и коэффициент трения определяли на машине трения СМЦ-2 согласно ГОСТ 11629, схема «вал-втулка» (образец - втулка с внешним и внутренним диаметром 34 и 26 мм, соответственно высотой 22 мм, контртело - стальной вал из стали 45 с твердостью 45-50 HRC и шероховатостью 0,06-0,07 мкм, нагрузка - 67 Н, скорость скольжения - 0,39 м/с).

Технико-экономическая эффективность

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет значительно снизить массовый износ в 370 раз по сравнению с ПТФЭ, в 15 раз по сравнению с прототипом при сохранении, а при некоторых соотношениях компонентов и улучшении значений относительного удлинения при разрыве в 1,3-1,5 раза по сравнению с прототипом. Оптимальное содержание наполнителей: фторопласт-4 МБ - 2,0-5,0 мас.%, MgAl₂O₄ - 1-2 мас.%.

Применение полимерной композиции заявляемого состава позволит значительно повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования и расширить их область применения.

Таблица примеров
№	Состав	Содержание компонентов масс.%	Физико-механические характеристики	Массовый износ, мг
Предел прочности при разрыве, σр, МПа	Относительное удлинение при разрыве, εp, %
1	ПТФЭ	-	20-22	300-320	370-375
2	ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl2O4	98	20-21	300-310	25-27
		1
1
3	ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl2O4	98,5	20-21	310-320	20-22
		2
0,5
4	ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl2O4	97	22-23	420-430	11-12
		2
1
54	ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl2O4	96	22-23	390-400	2-3
		2
2
6	ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl2O4	96	24-25	440-450	12-13
		3
1
7	ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl2O4	95	21-22	420-430	3-4
		3
2
8	ПТФЭ+Ф-4 МБ+ MgAl2O4	94	21-22	420-430	7-8
		5
1
9	ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl2O4	93	22-23	360-370	1-2
		5
2
10	ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl2O4	92	20-21	280-290	5-6
		5
3
11	ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl2O4	89	18-19	300-310	8-10
		10
1
12	ПТФЭ + Ф-4 МБ + MgAl2O4	88	17-18	290-300	5-6
		10
2
13	ПТФЭ + MgAl2O4 (прототип)	99	21-23	320-330	23-25
1
14	ПТФЭ + MgAl2O4 (прототип)	98	20-22	300-310	15-17
2

Полимерная композиция триботехнического назначения, содержащая политетрафторэтилен, синтетическую шпинель магния с удельной поверхностью 170-200 м²/г, и полимерный наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя содержит фторопласт-4 МБ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Политетрафторэтилен	93,0-97,0
Фторопласт-4 МБ	2,0-5,0
Шпинель магния	1,0-2,0