Нанокомпозиционный антифрикционный полимерный материал

Авторы патента:

Чердынцев Виктор Викторович (RU)

Дорофеев Андрей Алексеевич (RU)

Алексенцева Елена Николаевна (RU)

Калошкин Сергей Дмитриевич (RU)

C08L23/12 - полипропен

C08K3/34 - кремнийсодержащие соединения

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

B82B3 - Изготовление или обработка наноструктур

Владельцы патента RU 2414487:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный технологический университет "Московский институт стали и сплавов" (МИСИС) (RU)

Изобретение относится к антифрикционным материалам, применяемым в узлах трения, в подшипниках скольжения, а также в составе конструкционных материалов вращающихся валов турбин, нефтяных буровых системах. Нанокомпозиционный антифрикционный полимерный материал - в виде композиции, включающей 0,2-4,0 мас.ч. концентрата - смесь 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразного полипропилена и 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразной наноглины, взятых в соотношении 1:1, и 100 мас.ч. связующего - порошкообразный полипропилен или полиэтилен. Изобретение позволяет улучшить физико-механические показатели материала, такие как упругость, текучесть и прочность на растяжение, трибологические показатели, а также обеспечивает невысокую хрупкость материала. 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано в качестве антифрикционных материалов в узлах трения, в подшипниках скольжения, в составе конструкционных материалов вращающихся валов турбин, нефтяных буровых системах.

Известен композиционный антифрикционный материал, включающий полимерное связующее - политетрафторэтилен, неорганический порошкообразный мелкодисперсный наполнитель - молотый кварц с дисперсностью 40-60 мкм (патент РФ №2246503, МПК С08J 5/16, публ. 20.02.2005 г.). Однако известный композиционный материал обладает недостаточно высокими физико-механическими показателями - предела прочности при растяжении, упругости и текучести, износостойкостью.

Известен в качестве прототипа предлагаемого состав нанокомпозиционного антифрикционного материала на основе политетрафторэтилена и нанонаполнителя -многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа с размером частиц в диапазоне 20-200 мкм (патент РФ №2237685, МПК С08J 5/16, публ. 10.10.2004 г.).

Однако при использовании известного материла не обеспечиваются одновременно высокие физико-механические показатели, такие как упругость и текучесть, износостойкость, трибологические показатели и низкая хрупкость.

Задачей авторов предлагаемого изобретения является разработка состава нанокомпозиционного материала, обеспечивающего высокие физико-механические показатели, такие как упругость и текучесть, трибологические показатели (износостойкость, коэффициент трения) и низкая хрупкость.

Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого нанокомпозиционного материала, заключается в обеспечении высоких физико-механических показателей, таких как упругость и текучесть, прочность на растяжение, трибологические показатели и невысокая хрупкость.

Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в нанокомпозиционном полимерном антифрикционном материале, выполненном из композиции, включающей концентрат, содержащий смесь 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразного полипропилена и 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразной наноглины, взятых в соотношении 1:1, и связующее в виде порошкообразного полипропилена или полиэтилена, указанные ингредиенты содержатся при следующем соотношении, мас.ч.:

Указанный концентрат	0,2-4,0
Вышеуказанное связующее	100

Сущность предлагаемого нанокомпозиционного антифрикционного материала поясняется следующим образом.

Первоначально готовят концентрат, содержащий смесь 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразного полипропилена и 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразной наноглины, для чего берут навеску порошкообразного полипропилена в качестве первосвязующего, к которому добавляют необходимое количество порошкообразного нанонаполнителя - наноглину с заявленным следующим соотношением компонентов связующее: наполнитель - 1:1:

Полимерное порошкообразное связующее в
виде полипропилена	0,1-2,0
Порошкообразный нанонаполнитель	0,1-2,0

Полученную смесь механоактивируют в шаровой мельнице в течение расчетного времени с получением концентрата. Полученный концентрат выделяют просевом в виде порошкообразной смеси с размерами частиц в нанометровом диапазоне и дозируют эту смесь в заявленном диапазоне соотношений в заранее подготовленный порошкообразный полипропилен в качестве связующего из расчета выбора на каждые 100 мас.ч. связующего 0,1 мас.ч. концентрата. Затем полученную вторую смесь перемешивают в шаровой мельнице в течение расчетного времени, с последующим формованием ее путем термокомпрессии при давлении и температуре начала перехода смеси в текучее состояние с последующей выдержкой ее в указанных условиях до полного отверждения.

Из сформированного пресс-материала вырезают образцы и подвергают их контрольным испытаниям. Результаты измерений сведены в таблицу.

Из таблицы видно, что при повышении относительного содержания нанонаполнителя физико-механические и трибологические показатели готового материала улучшаются, что наблюдается по сравнению с прототипом.

Таким образом, как это экспериментально подтверждено, использование заявленного нанокомпозиционного антифрикционного полимерного материала обеспечивает повышение высоких физико-механических показателей, таких как упругость и текучесть, прочность на растяжение, трибологические показатели и невысокая хрупкость.

Возможность промышленной реализации изобретения подтверждается следующими примерами выполнения.

Пример 1. В лабораторных условиях опробован процесс формования чистого полипропилена (ПП), полученные образцы были подвергнуты испытаниям, результаты которых приведены в таблице.

Пример 2. В лабораторных условиях опробован процесс получения заявленного нанокомпозиционного материала в смесителе типа шаровой мельницы, в которой применен режим механоактивации. В условиях данного примера проводят механоактивацию смеси из G=100 мас.ч. порошкообразного полипропилена и G=100 мас.ч. наноглины. Смесь активируют на механоактиваторе в течение расчетного времени, достаточного для достижения гомогенного состояния смеси, что в условиях данного примера составило 14 часов. Затем полученную композицию просеивают через сито с размером не более 100 нм и засыпают в форму. Затем берут вторую навеску G связующего в виде порошкообразного полипропилена в количестве 100 мас.ч. и в нее добавляют навеску 0,1 мас.ч. концентрата из полученной смеси нанонаполнителя и связующего, помещают в шаровую мельницу и обрабатывают в смесителе с шарами в традиционном режиме смешения. В процессе термокомпрессии применяют традиционный режим, характерный для прессования полипропилена. Из готовой заготовки вырезают образцы и проводят определение физико-механических характеристик.

Пример 3, 4, 5, 6. Выполнены в условиях примера 2, но навеска концентрата составляет соответственно 0,2; 1,0; 2,0 мас.ч., а в примере 6 - в качестве второго связующего взят полиэтилен.

Данные измерений сведены в таблицу.

Из таблицы видно, что экспериментальные исследования подтвердили наличие более высокого результата при использовании предлагаемого способа по сравнению с прототипом, заключающегося в повышении физико-механических показателей, таких как упругость и текучесть, прочность на растяжение, трибологические показатели и невысокая хрупкость.

Примеры реализации	Физико-механические показатели
	Плотность, кг/м³	Предел прочности при растяжении, МПа	Относительное удлинение при растяжении, %	Модуль упругости	Коэффициент трения	Интенсивность износа (убыль массы, г.)* 10^-9
1	2	3	4	5	6
Пример 1 (Аналог для сравнения) Чистый полипропилен	0,915	33,7	4,25	1100	0,47	9,6
Пример 2 (Заявляемый способ) Содержание концентрата - 0,1 мас.ч.	0,916	35,0	6,8	1150	0,46	3,0
Пример 3 (Заявляемый способ) Содержание концентрата - 0,2 мас.ч.	0,916	35,3	6,78	1193	0,46	2,9
Пример 4 (Заявляемый способ) Содержание концентрата - 1,0 мас.ч	0,924	35,4	5,74	1307	0,38	2,0
Пример 5 (Заявляемый способ) Содержание концентрата - 2,0 мас.ч	0,93	35,6	5,5	1350	0,36	2,0
Пример 6 (Заявляемый способ) Содержание концентрата - 2,0 мас.ч. Второе связующее - полиэтилен 100 мас.ч.	0,92	35,8	5,6	1355	0,36	2,0

Нанокомпозиционный полимерный антифрикционный материал, выполненный из композиции, включающей концентрат, содержащий смесь 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразного полипропилена и 0,1-2,0 мас.ч. порошкообразной наноглины, взятых в соотношении 1:1 и связующее в виде порошкообразного полипропилена или полиэтилена при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

указанный концентрат	2,0-4,0
вышеуказанное связующее	100

Изобретение относится к способу зародышеобразования полипропиленовых смол для улучшения их физических, механических и/или оптических свойств. .

Термопластичная резина // 2394855

Изобретение относится к термопластичным резинам, получаемым методом динамической вулканизации, которые могут быть использованы для изготовления различных эластичных резинотехнических изделий, таких как шланги, уплотнения, прокладки, эластичные изделия интерьера и экстерьера автомобиля, различных гофрированных эластичных изделий.

Полиолефиновые композиции, обладающие хорошей сопротивляемостью к обесцвечиванию и ударопрочности, и способ их получения // 2386651

Изобретение относится к полиолефиновой композиции, обладающей хорошими характеристиками сопротивляемости обесцвечиванию и ударопрочности. .

Термопластичная полимерная композиция на основе вторичного сырья, содержащего нефтепродукты // 2378299

Изобретение относится к полимерным изделиям неответственного назначения, получаемым литьем под давлением и экструзией. .

Способ получения термопластичной эластомерной композиции // 2376325

Изобретение относится к способам получения термопластичных эластомерных композиций, осуществляемых путем динамической вулканизации смеси компонентов композиции, предназначенных для изготовления уплотнительных деталей, рукавов, шлангов, изоляции для деталей электроприборов, используемых в авиационной, автомобильной, кабельной и других отраслях промышленности.

Ударопрочные полиолефиновые композиции // 2371458

Изобретение относится к полиолефиновым композициям с хорошим балансом жесткости и ударной прочности и высокой степени удлинения. .

Концентраты добавок для применения в переработке полиолефинов // 2359983

Изобретение относится к концентратам для переработки полиолефинов. .

Полипропиленовая композиция // 2353635

Изобретение относится к полимерным композиция, в частности к полипропиленовым композициям, используемым для получения изделий литьем под давлением. .

Стабилизатор для щебеночно-мастичного асфальтобетона // 2348662

Изобретение относится к получению стабилизаторов, используемых в щебечно-маститочных асфальтобетонных смесях (ЩМАС), предназначенных для дорожного и аэродромного строительства.

Термопластичная эластомерная композиция и изделие, выполненное из нее // 2343170

Изобретение относится к области термопластичных эластомерных полимерных композиций, предназначенных для изготовления гибких деталей, используемых в авиационной, автомобильной, кабельной и других отраслях промышленности.

Полимерная композиция для получения биодеградируемых формованных изделий из расплава // 2408621

Изобретение относится к полимерным композициям, предназначенным для получения биодеградируемых термоформованных изделий и пленок, в том числе коррексы для цветочной и овощной рассады, пленки для мульчирования и уничтожения сорняков с эффектом прогревания.

Термопластичная полимерная композиция, способ ее получения и ее применение // 2406736

Изобретение относится к термопластичным полимерным композициям для изготовления подложек ковров. .

Эпоксидная композиция // 2404213

Изобретение относится к области технологии получения быстроотверждающихся эпоксидных композиций горячего формования, используемых в качестве связующего в производстве армированных пластиков.

Диспергаторы в нанокомпозитах // 2404208

Изобретение относится к нанокомпозитному материалу, предназначенному для изготовления пенопластов, волокон, пленок, лент или формованных изделий, способу его приготовления.

Способ изготовления полимерного нанокомпозиционного материала и материал, изготовленный этим способом // 2403269

Изобретение относится к способу получения композиционных наноматериалов антифрикционного назначения. .

Полимербетонная смесь // 2402501

Изобретение относится к полимерным строительным материалам, применяемым при изготовлении химически стойких, высокопрочных изделий и конструкций. .

Эмаль для нанесения антикоррозионного пожаробезопасного биостойкого покрытия // 2401854

Изобретение относится к лакокрасочным материалам и может быть использовано для получения антикоррозионных пожаробезопасных биостойких покрытий на различных материалах.

Предварительно сформованные композиции в профилированной форме, содержащие полимерные смеси, и способ заделки отверстий // 2399638

Изобретение относится к предварительно сформованным композициям в профилированной форме и применению предварительно сформованных композиций для герметизации отверстий в корпусе оборудования.

Вспенивающиеся гранулированные материалы на основе винилароматических полимеров, имеющие улучшенную вспениваемость, и способ их изготовления // 2399634

Изобретение относится к вспенивающимся гранулированным материалам, имеющим композиции на основе винилароматических полимеров, содержащие: а) 65-99,8% по массе полимера, полученного путем полимеризации 85-100% по массе одного или более винилароматических мономеров, имеющих общую формулу (I) где n представляет собой ноль или целое число, колеблющееся в диапазоне от 1 до 5, и Y представляет собой галоген, такой как хлор или бром, или алкил или алкоксильную радикальную группу, имеющую от 1 до 4 атомов углерода, и 0-15% по массе -алкилстирола, в котором алкильная группа содержит от 1 до 4 атомов углерода; b) 0,01-20% по массе, рассчитанных по отношению к полимеру (а), сажи, имеющей средний диаметр частиц, колеблющийся в диапазоне от 10 до 1000 нм, и площадь поверхности, колеблющуюся в диапазоне от 5 до 200 м2/г; с) по меньшей мере, одну из следующих добавок (с1)-(с3): с1) 0,01-5% по массе, рассчитанных по отношению к полимеру (а), графита, имеющего средний диаметр частиц, колеблющийся в диапазоне от 0,5 до 50 мкм; с2) 0,01-5% по массе, рассчитанных по отношению к полимеру (а), оксидов, и/или сульфатов, и/или пластинчатых дихалькогенидов металлов групп IIA, IIIA, IIB, IVB, VIB или VIIIB; с3) 0,01-5% по массе, рассчитанных по отношению к полимеру (а), неорганических производных кремния пластинчатого типа; d) 0,01-4,5% по массе, рассчитанных по отношению к полимеру (а), агента зародышеобразования и е) 1-6% по массе, рассчитанных по отношению к 100 частям общей массы (a)-(d), одного или более вспенивающих веществ.

Способ получения полимерных нанокомпозитов // 2398732

Изобретение относится к способу получения нанокомпозитов на основе полимеров и наносиликатов, модифицированных органическими соединениями, с улучшенными прочностными характеристиками, предназначенных для изготовления изделий в электротехнике, машиностроении.

Препрег антифрикционного органопластика и изделие, выполненное из него // 2404202

Изобретение относится к области производства металлополимерных антифрикционных материалов и изделий и может быть использовано при изготовлении высоконагруженных подшипников скольжения в машино- и судостроении, авиационной промышленности и других областях техники.