Антифрикционный древесно-полимерный материал
Владельцы патента RU 2383570:
Шаповалов Виктор Михайлович (BY)
Авдашкевич Светлана Викторовна (RU)
Шаповалов Андрей Викторович (BY)
Патякин Василий Иванович (RU)
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия имени С.М. Кирова" (СПбГЛТА) (RU)
Изобретение относится к антифрикционным древесно-полимерным материалам и может быть использовано в машиностроении для изготовления крупногабаритных подшипниковых и скользящих элементов мало- и средненагруженных узлов трения, работающих при органической смазке. Описан антифрикционный древесно-полимерный материал, выполненный из композиции содержащей измельченную древесину, полимерное связующее - смесь полиэтилена и полипропилена, модификатор полимерного связующего малеиновый ангидрид смазку - смесь минерального масла и полиэтиленового воска и дополнительно - золу-унос. Технический результат - повышение ударной прочности и трибостойкости при изнашивании, снижение водопоглощения антифрикционного материала. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к антифрикционным древесно-полимерным материалам и может быть использовано в машиностроении для изготовления крупногабаритных подшипниковых и скользящих элементов мало- и средненагруженных узлов трения, работающих при органической смазке.
Известен антифрикционный материал, включающий, мас.%: моторное масло (17-18), полиэтилен (1,4-1,5), перекись дикумила (0,065-0,070) и цельную древесину (А.С. СССР №582095, В27М 1/2, B27K 3/32, опуб. 30.11.77, БИ №44).
Недостатком известного антифрикционного материала являются невысокие антифрикционные свойства и сложность изготовления из него изделий антифрикционного назначения.
Известен антифрикционный материал, включающий, мас.%: прессованную древесину (72-80), кремнийорганическую жидкость (12-15), минеральное масло (6-9), полиизобутилен (1-3) и графит (1-2) (А.С. СССР №525544, B27K 3/52, опубл. 25.08.76, БИ №31).
Недостатком известного антифрикционного материала является сложность его переработки и высокая горючесть.
Известен также состав для получения антифрикционного материала на основе древесины, включающий, мас.%: минеральное масло (20-80), полиэтилен низкого давления (0,5-5) и гудроны растительных масел и технических жиров (15,0-79,5) (А.С. СССР №1117217, B27K 3/34, опубл. 7.10.84, БИ №37).
Получаемые путем пропитки древесины известным составом материалы обладают повышенной горючестью и невысокими антифрикционными свойствами.
Известна древесная прессовочная масса, используемая для изготовления деталей антифрикционного назначения, содержащая, мас.%: измельченную древесину (48,0-87,0), фенолформальдегидное связующее (10,0-40,0), атактический полипропилен с молекулярной массой 15000-35000 (2,0-10,0) и краситель (1,0-2,0) (А.С. СССР №1199776, C08L 97/02, опубл. 23.12.85, БИ №47).
Недостатком известного материала являются низкие антифрикционные и прочностные свойства.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является антифрикционный материал, содержащий, мас.%: измельченную древесину (60,0-73,0), полимерное связующее - пентапласт (20,5-27,0), модификатор полимерного связующего - ε-капролактам (6,0-12,0) и кремнийорганическую жидкость, выполняющую роль смазки (0,05-1,0) (А.С. СССР №814776, B29J 5/00, опуб. 27.03.81, БИ №11 - прототип).
Недостатком известного антифрикционного материала является невысокая механическая прочность, особенно в условиях ударных нагрузок, высокая плотность, что затрудняет изготовление крупногабаритных деталей, а также высокие горючесть и водопоглощение. Кроме того, к недостаткам известного материала следует отнести очень низкую производительность изготовления из него антифрикционных деталей, что связано с необходимостью нагрева детали в пресс-форме от 60-70°С до 150-170°С с выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением до температуры 120-130°С.
Техническая задача изобретения - повышение ударной прочности и трибостойкости при изнашивании, снижение водопоглощения антифрикционного материала.
Техническая задача достигается тем, что антифрикционный древесно-полимерный материал, выполненный из композиции, содержащей измельченную древесину, полимерное связующее, модификатор полимерного связующего и смазку, содержит в качестве полимерного связующего смесь полиэтилена и полипропилена, в качестве модификатора полимерного связующего - малеиновый ангидрид, в качестве смазки - смесь минерального масла и полиэтиленового воска и дополнительно - золу-унос. Антифрикционный древесно-полимерный материал может иметь следующий количественный состав, мас.%:
| Полиэтилен | 10-15 |
| Полипропилен | 9,5-51,5 |
| Малеиновый ангидрид | 1-3 |
| Полиэтиленовый воск | 0,5-1,5 |
| Минеральное масло | 1-2 |
| Зола-унос | 3-7 |
| Измельченная древесина | Остальное |
Изобретение имеет следующие отличия от прототипа:
- антифрикционный материал содержит в качестве полимерного связующего смесь полиэтилена и полипропилена;
- антифрикционный материал содержит в качестве модификатора полимерного связующего - малеиновый ангидрид;
- антифрикционный материал содержит в качестве смазки - смесь минерального масла и полиэтиленового воска;
- антифрикционный материал содержит дополнительно - золу-унос.
- антифрикционный древесно-полимерный материал может иметь следующий количественный состав, мас.%:
| Полиэтилен | 10-15 |
| Полипропилен | 9,5-51,5 |
| Малеиновый ангидрид | 1-3 |
| Полиэтиленовый воск | 0,5-1,5 |
| Минеральное масло | 1-2 |
| Зола-унос | 3-7 |
| Измельченная древесина | Остальное |
Бинарное связующее полиэтилен-полипропилен обеспечивает взаимную нейтрализацию процессов усадки полимеров и вязкоупругую деформацию древесины. Однако введение полиэтилена в полипропилен способствует их расслоению (фибрилляция) в композиции, в особенности при повышенных и длительных нагрузках. Поэтому для устранения этого недостатка предложено вводить в композит малеиновый ангидрид, который обеспечивает усиление взаимодействия полипропилена и полиэтилена в смеси, а также способствует повышению адгезионного контакта бинарного связующего с древесиной посредством активизации в ней гидроксильных групп, что, в целом, приводит к формированию более однородной структуры композита, а соответственно, к повышению его ударной вязкости и снижению водопоглощения.
Введение в композит полиэтиленового воска совместно с минеральным маслом обеспечивает более равномерное распределение масла по поверхности измельченной древесины без значительного его углубления в древесину вследствие загущения масла воском. Это положительно сказывается на армирующих свойствах древесных частиц, также способствуя повышению ударной прочности. Модифицированнные таким образом частицы древесины проявляют в композиции эффект самосмазывания, создавая смазочный слой с высокими механическими свойствами.
Введение полиэтиленового воска позволяет получить стабильные триботехнические характеристики образцов. С целью придания композиту трибостойкости при длительной его работе в узлах трения эффективно введение в него частиц золы-уноса.
В результате этого достигается реализация механизма стабильного трения в паре композит-сталь, обусловленный возможностью отвода избыточного тепла с поверхности трения частицами золы-уноса, которые аккумулируя тепло, равномерно распределяют его в массе композита с последующим отводом тепла в воздушное пространство.
Это позволит повысить ударную прочность и трибостойкость при изнашивании, снизить водопоглощение антифрикционного материала.
Заявитель считает необходимым сообщить, что заявленный антифрикционный материал находится в настоящее время в стадии исследования, количественный состав композиции может быть лишь примерным и поэтому находится во втором пункте формулы изобретения.
В просмотренном нами патентно-информационном фонде не обнаружено аналогичных технических решений, а также технических решений с указанными отличительными признаками.
Заявленный антифрикционный древесно-полимерный материал применим и будет использоваться в отрасли в 2008 г.
Для изготовления заявленного антифрикционного материала использовали следующие компоненты:
| Полиэтилен высокого давления | ГОСТ 16337-77 |
| Полиэтилен низкого давления | ГОСТ 16338-85 |
| Полипропилен | ГОСТ 26996-86 |
| Малеиновый ангидрит | ГОСТ 11153-75 |
| Минеральное масло | ГОСТ 29174-91 |
| Измельченная древесина | ГОСТ 23246-78 |
Зола-унос - отходы сжигания в тепловых станциях
Полиэтиленовый воск
Антифрикционный древесно-полимерный материал изготавливают следующим образом.
ПРИМЕР.
Все компоненты вводят в количествах, указанных по примерам (см. табл.1). В лопастной смеситель загружают измельченную древесину с влажностью 3-5%, минеральное масло и полиэтиленовый воск и осуществляют смешение в течение 10 минут. Затем в смеситель загружают механическую смесь полиэтилена и полипропилена (в виде порошков или гранул), малеинового ангидрида, золы-уноса и перемешивают до равномерного распределения компонентов в объеме композиции.
Полученную смесь гомогенизируют путем экструзии в червячном экструдере при температуре по зонам: I - 120°С, II - 160°С, III - 180°С, IV - 190°С с последующей грануляцией. Из полученных гранул методом экструзии изготавливают изделия необходимого профиля или образцы для испытаний.
ПРИМЕР (прототип)
Антифрикционный материал по прототипу выполняли следующим образом.
В измельченную древесину дисперсностью 0,2-2 мм, высушенную до влажности 8-10%, добавляли кремнийорганическую жидкость и смесь мелкодисперсного пентапласта с ε-капролактамом и тщательно их перемешивали. Полученную композицию загружали в пресс-форму при температуре 60-70°С и прессовали при давлении 50-70 МПа. Температуру пресс-формы повышали до 150-170°С. Изделие выдерживали под давлением из расчета 1 мин на 1 мм толщины, а затем охлаждали до температуры 120-130°С.
В таблице 1 представлены примеры конкретного выполнения композиций. В таблице 2 представлены сравнительные свойства полученных композиций по примерам, а также по прототипу. Разрушающее напряжение при сжатии определяли по ГОСТ 4651-82, при растяжении - по ГОСТ 11262-80, при изгибе - по ГОСТ 4648-71 на разрывной машине ЦД-10. Ударную вязкость определяли на маятниковом копре КМ-0,5 по ГОСТ 4647-80.
Водопоглощение определяли по величине увеличения массы образцов после их выдержки в дистиллированной воде. Коэффициент трения определяли на машине трения СМТ-1 по схеме «вал - частичный вкладыш» при скорости скольжения 0,5 м/с и нагрузке 2,5 МПа. Вкладыш изготавливали из исследуемого материала. В качестве вала использовали ролик из стали 45, диаметром 40 мм с исходной шероховатостью Ra≤0,32 мкм. Трибостойкость оценивали по изменению температуры в образце при трении (путь трения составляет 4000 м). Плотность определяли методом обмера образцов и взвешивания.
Из таблицы 2 следует, что изготовленный в соответствии с изобретением материал обладает более высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами, чем изготовленный по прототипу. Так, плотность предлагаемого материала на 17-34% ниже, чем у известного, что значительно расширяет возможности использования предлагаемого материала для изготовления крупногабаритных изделий. Разрушающее напряжение при сжатии у обоих материалов находится на одном уровне. Разрушающее напряжение при растяжении у предлагаемого материала на 29-78% выше, чем у прототипа, а разрушающее напряжение при изгибе у предлагаемого материала соответственно выше на 23-47%, чем у прототипа. Коэффициент трения предлагаемого материала характеризуется большей стабильностью, а трибостойкость повышается на 18-32%. Ударная вязкость материала по изобретению в 1,8-3,6 раза выше, чем у прототипа. Водопоглощение разработанного материала в 1.8-3,8 раза ниже, чем у известного.
Кроме того, производительность изготовления изделий из разработанного материала значительно выше, т.к. материал перерабатывают в изделие непрерывной экструзией, а не прессованием, как по прототипу.
Заявленный антифрикционный древесно-полимерный материал был испытан для изготовления подшипников вала соломотряса зерноуборочного комбайна КЗР-10 и показал высокие эксплуатационные свойства, что подтверждает соответствие заявленного технического решения критерию «промышленная применимость».
| Таблица 1 | ||||||
| Составы антифрикционного материала | ||||||
| №№ п/п | Компоненты, мас.% | ПРИМЕРЫ | ||||
| I | II | III | IV | V | ||
| 1. | Полиэтилен высокого давления | 10,0 | - | 12,0 | - | 15,0 |
| 2. | Полиэтилен низкого давления | - | 12,5 | - | 14,5 | - |
| 3. | Полипропилен | 51,5 | 38,3 | 30,5 | 21,0 | 9,5 |
| 4. | Малеиновый ангидрид | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 |
| 5. | Полиэтиленовый воск | 0,5 | 1,0 | 1,0 | 0,7 | 1,5 |
| 6. | Минеральное масло: | |||||
| - марки И-5А | 2,0 | - | 1,5 | - | 1,0 | |
| - марки И 20 А | - | 1,7 | - | 1,3 | - | |
| 7. | Зола-унос | 3,0 | 5,0 | 6,0 | 6,0 | 7,0 |
| 8. | Измельченная древесина: | Остальное | - | Остальное | - | Остальное |
| - древесная мука | ||||||
| - древесные опилки фракции | - | Остальное | - | Остальное | - | |
| 1,0 -0,63 мм |
| Таблица 2 | |||||||
| Сравнительные свойства антифрикционных материалов | |||||||
| №№ п/п | Характеристики | Прототип | Заявляемый состав | ||||
| I | II | III | IV | V | |||
| 1. | Плотность, г/см3 | 1420-1500 | 1180 | 1050 | 1090 | 1080 | 1180 |
| 2. | Разрушающее напряжение, МПа: | ||||||
| - при сжатии | 128-140 | 135 | 135 | 146 | 134 | 138 | |
| - при изгибе | 40-44 | 58 | 57 | 58 | 56 | 55 | |
| 3. | Коэффициент трения | 0,09-0,14 | 0,09 | 0,09 | 0,09 | 0,09 | 0,09 |
| 4. | Ударная вязкость | 3,5-4,0 | 7,0 | 9,5 | 12,5 | 10,5 | 10,0 |
| 5. | Водопоглощение за 24 ч, % | 2,1-2,6 | 0,7 | 1,1 | 0,9 | 1,3 | 0,8 |
| 6. | Температура образца в зоне трения, °С | 90 | 76 | 72 | 68 | 69 | 71 |
1. Антифрикционный древесно-полимерный материал, выполненный из композиции, содержащей измельченную древесину, полимерное связующее, модификатор полимерного связующего и смазку, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего содержит смесь полиэтилена и полипропилена, в качестве модификатора полимерного связующего - малеиновый ангидрид, в качестве смазки - смесь минерального масла и полиэтиленового воска и дополнительно - золу-унос.
2. Антифрикционный древесно-полимерный материал по п.1, отличающийся тем, что он выполнен из композиции содержащей, мас.%:
| Полиэтилен | 10-15 |
| Полипропилен | 9,5-51,5 |
| Малеиновый ангидрид | 1-3 |
| Полиэтиленовый воск | 0,5-1,5 |
| Минеральное масло | 1-2 |
| Зола-унос | 3-7 |
| Измельченная древесина | Остальное |
