Композиционный резинополимерный износостойкий материал для гидравлических устройств


 


Владельцы патента RU 2425850:

Институт химии и химической технологии СО РАН (RU)
Министерство промышленности и торговли РФ (RU)

Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в машиностроении для изготовления износостойких уплотнений штоков и цилиндров гидравлических устройств вместо шевронных резинотканевых манжет, а также для изделий конструкционного назначения в горнодобывающей, нефтегазодобывающей и химической промышленности. В резиновую смесь на основе цис-изопренового каучука СКИ-3 - 100 мас.ч. вводят, мас.ч.: сверхвысокомолекулярный полиэтилен, модифицированный 7 мас.% углеродсодержащего материала, - карбосила - 170, вискозный волокнистый наполнитель, пропитанный латексно-резорцин-формальдегидным составом - банавис - 80, активный технический углерод П-234 - 30, нефтяное масло-мягчитель - нетоксол - 5, окись цинка - 5, стеариновую кислоту - 1,серу - 3, сульфенамид Ц - 1,6, противостаритель - диафен ФП-1, антиозонант - ацетонанил Н - 1. Полученные из резинополимерного материала изделия обладают чрезвычайной жесткостью, каркасностью, стойкостью к действию фрикционных сил, слабых растворов кислот и щелочей, частично сохраняя при этом эластичность, повышенной твердостью в режиме интенсивного износа. 1 табл.

 

Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано в машиностроении для изготовления износостойких уплотнений штоков и цилиндров гидравлических устройств вместо шевронных резинотканевых манжет, а также для изделий конструкционного назначения в горнодобывающей, нефтегазодобывающей и химической промышленности для изготовления подшипников, шестерней, дисков, скользящих пластин, рычагов, работающих в широком температурном интервале в условиях интенсивного изнашивания, в среде воздуха, минеральных масел, водных эмульсий, слабых растворов кислот и щелочей.

К большинству современных конструкционных материалов на основе полимерных матриц предъявляют комплекс требований по стойкости к действию масел, физико-механическим, морозоустойчивым, износостойким, теплофизическим и другим характеристикам. В связи с этим, при создании композитов необходимо подобрать компоненты, которые оказывают комплексное воздействие на полимерную матрицу, обеспечивая синергический эффект. К числу таких компонентов относится сверхвысокомолекулярный полиэтилен.

Известна термопластическая самосмазывающаяся полимерная композиция с улучшенной износостойкостью, включающая смесь в виде расплава из термопластичного полимера полиолефинов ультравысокого молекулярного веса (Патент РФ 97115931 C08L 23/02). Материал предназначен для изготовления формованных изделий - подшипников, шестерней, дисков, скользящих пластин, рычагов. Однако этот материал обладает недостаточной жесткостью и каркасностью, что не позволяет использовать его в машиностроении для изготовления ответственных конструкционных изделий.

Известна полимерная антифрикционная композиция, содержащая полиформальдегид, модифицированный сернокислым барием, тальком и нитридом бора, и сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) (Авторское свидетельство СССР 1670911 C08L 59/02). Материал имеет высокие физико-механические свойства и эффективен при использовании в качестве конструкционного материала для машиностроения, в частности станкостроения, при изготовлении деталей копировальных устройств отделочно-обточных станков. Однако материал характеризуется низкими морозоустойчивостью и показателем истираемости.

Известен композиционный материал на основе переработанных полимерных материалов или резины и скелетного корпуса для шестиугольных панелей для дорожного покрытия площадок, дорог, пешеходных дорожек (Патент РФ 2310032). Материал может нести существенные нагрузки в диапазоне температур от минус 30°С до плюс 60°С. Недостатком материала является низкая морозостойкость и стойкость к истиранию, которые являются определяющими для изделий подобного типа.

Известен износостойкий, кислотощелочностойкий, маслобензостойкий композиционный материал на основе полиуретанов, из которого на предприятии ООО «Уралполимеркомплект» изготавливается широкий ассортимент изделий для горнодобывающей, нефтегазодобывающей и химической промышленности, в том числе манжеты полиуретановые шевронные по ГОСТ 22704. Материал обладает достаточно высокой стойкостью к действию масел, смазок, нефти, топлива, имеет высокие упругопрочностные свойства и повышенную твердость. Однако композиционный материал на основе полиуретанов имеет склонность к гидролизу, разрушению под действием водяного пара и горячей воды, повышенное теплообразование при многократных деформациях, невысокую теплостойкость и очень высокую стоимость.

Исходя из результатов патентного поиска, предлагаемый материал не имеет прототипа, поскольку не описан композиционный материал на основе СВМПЭ, в состав которого входят ингредиенты, характерные для резиновых смесей (каучук, вулканизующая группа, противостарители и т.д.), с применением в качестве наполнителя вискозного тканевого волокна.

Задача изобретения состоит в разработке дешевого износостойкого конструкционного резинополимерного материала с физико-механическими характеристиками, отвечающими требованиям материалов, применяемых для изготовления деталей для горнодобывающей, нефтегазодобывающей и химической промышленности, а именно уплотнений штоков и цилиндров гидравлических устройств, вместо шевронных резинотканевых манжет, для подшипников, шестерней, дисков, скользящих пластин, рычагов, работающих в среде воздуха, воды, слабых растворов кислот и щелочей в условиях интенсивного изнашивания при температуре от минус 50 до плюс 80°С.

Для решения поставленной задачи разработан резинополимерный композиционный материал на основе моифицированного СВМПЭ и доступного и недорогого синтетического цис-изопренового каучука СКИ-3 отечественного производства с введением в него вискозного волокнистого наполнителя - банависа. За счет этого повышается твердость, жесткость и каркасность полученных изделий при сохранении некоторой эластичности. Одновременно на поверхности изделий формируется износостойкий слой, способный выдержать действие интенсивного изнашивания в среде воздуха, минеральных масел, воды, водных эмульсий, слабых растворов кислот и щелочей.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, состоит в получении резинополимерного композиционного материала, имеющего высокие триботехнические характеристики, стойкого к воздействию воды, слабых растворов кислот и щелочей, минеральных масел, водных эмульсий, способного также заменить промазанную резиновой смесью ткань при изготовлении шевронных манжет; при этом значительно сокращаются трудозатраты.

Поставленная задача решается тем, что композиционный материал содержит модифицированный сверхвысокомолекулярный полиэтилен, цис-изопреновый каучук СКИ-3, вискозный волокнистый наполнитель - банавис, активный технический углерод П-234, масло-мягчитель для резиновой технической промышленности - нетоксол, неорганический ускоритель вулканизации - окись цинка (цинковые белила), органический активатор вулканизации - стеариновую кислоту, основное вулканизующее вещество - серу, ускоритель вулканизации N-циклогексил-2-бензтиазолилсульфенамид (Сульфенамид Ц), противостарители - N-фенил-N'-изопропилпарафенилендиамин (диафен ФП) и полимеризованный 2,2,4'-триметил-1,2-дигидрохинолин (ацетонанил Н).

Использовали модифицированный сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), который относится к классу полиэтиленов низкого давления (ПЭПД); благодаря своей уникальной структуре, гигантской молекулярной массе СВМПЭ имеет более высокие физико-механические характеристики, стойкость к агрессивным средам, улучшенные триботехнические и морозоустойчивые свойства, чем остальные полиэтилены класса ПЭПД. СВМПЭ модифицировали нанодисперсным модификатором - углеродсодержащим материалом - карбосилом в количестве 7%. Это - природный материал, насыщенный углеродным веществом в некристаллизующемся состоянии, содержащий большое количество метаморфизованного органического вещества. Он обладает повышенной химической стойкостью, достаточно высоким сопротивлением истиранию и морозостойкостью. В качестве эластической составляющей применяли цис-изопреновый каучук СКИ-3, представляющий собой стереорегулярный цис-1,4-полиизопрен с содержанием звеньев цис-1,4 не менее 96%.

В качестве наполнителей композиционного материала применяли активный технический углерод П-234 и вискозный волокнистый наполнитель - банавис, который представляет собой вискозную некрученую нить длиной 4±2 мм, пропитанную латексно-резорцин-формальдегидным составом (ТУ 6-06-11-129-87) Поскольку банавис является тканевым наполнителем, он придает готовым изделиям особую жесткость и каркасность.

Пластификатором служит высокоочищенное депарафинизированное нефтяное масло-мягчитель для резиновой технической промышленности - нетоксол (ТУ 38.101999-84).

Вулканизующая группа для СКИ-3 содержит неорганический ускоритель вулканизации - окись цинка (цинковые белила), органический активатор вулканизации - стеариновую кислоту, основное вулканизующее вещество - серу, ускоритель вулканизации N-циклогексил-2-бензтиазолилсульфенамид (Сульфенамид Ц), противостаритель - N-фенил-N'-изопропилпарафенилендиамин ((диафен ФП) и антиозонант- полимеризованный 2,2,4'-триметил-1,2-дигидрохинолин (ацетонанил Н).

Состав резинополимерного композиционного материала согласно изобретению, следующий, мас.ч. / мас.%:

- сверхвысокомолекулярный полиэтилен, модифицированный в смесителе ударного действия 7 мас.% углеродсодержащего материала - карбосила с размером фракции не более 50 мкм - 170,0/42,76;

- цис-изопреновый каучук СКИ-3 -100,0 / 25,15;

- вискозная некрученая нить длиной 4±2 мм, пропитанная латексно-резорцин-формальдегидным составом (банавис) - 80,0 /20,12;

- активный технический углерод П-234 -30,0 / 7,55;

- высокоочищенное депарафинизированное нефтяное масло-мягчитель для резиновой технической промышленности - нетоксол - 5,0 /1,26;

- неорганический ускоритель вулканизации - окись цинка (цинковые белила) - 5,0 / 1,26;

- органический активатор вулканизации - стеариновая кислота - 1,0/0,25;

- основное вулканизующее вещество - сера - 3,0 / 0,75;

- ускоритель вулканизации М-циклогексил-2-бензотиазолил сульфенамид (Сульфенамид Ц) -1,6 / 0,40;

- противостаритель - N-фенил-N'-изопропилпарафенилендиамин (диафен ФП) - 1,0 /0,25;

антиозонант - полимеризованный 2,2,4'-триметил-1,2-дигидрохинолин (ацетонанил Н)-1,0 / 0,25.

Пример получения заявленного композиционного материала

Модификацию СВМПЭ производили в смесителе ударного действия. Такой способ модификации обеспечивает максимально равномерное распределение модификатора в СВМПЭ. Навеску природного углеродсодержащего материала - карбосила с размером фракции не более 50 мкм в количестве 7% от массы СВМПЭ совместно с СВМПЭ помещали в барабан смесителя ударного типа и перемешивали при скорости вращения барабанов 450 об/мин в течение 5-7 мин.

Смешение резинополимерного материала производили в две стадии:

1-я стадия смешения. Подготавливали навески каучука и ингредиентов композиционного материала по весу согласно рецепту. Смешение композиционного материала производили на вальцах ПД 320160/160 при начальной температуре поверхности валков 30±5°С. Последовательность ввода ингредиентов: вальцевали каучук СКИ-3 при зазоре между валками 1±0,5 мм, затем вводили стеариновую кислоту, сульфенамид Ц, цинковые белила, диафен ФП, ацетонанил Н; регулировали величину зазора вальцев так, чтобы между валками находился хорошо обрабатываемый запас смеси, вводили модифицированный СВМПЭ, вводили технический углерод П-234 совместно с нетоксолом, перемешивали не менее 15 мин, доводя при этом температуру валков вальцев до 80-90°С. Снимали смесь с вальцев охлаждали в воде до полного охлаждения и складывали на стеллажи для «вылежки» не менее чем на 24 часа.

2-я стадия смешения. Загружали смесь 1-й стадии на вальцы ПД 320 160/160 при начальной температуре поверхности валков 30±5°С и вводили серу. Регулировали величину зазора вальцев до минимального и вводили банавис при постоянном охлаждении валков, при этом температура валков не должна превышать 55°С. Общее время смешения 45-55 мин. Вулканизацию лабораторных образцов проводили на вулканизационном прессе 800×800 при температуре 165°С в течение 10 мин при удельном давлении не менее 70 МПа.

Характеристики износостойкого резинополимерного композиционного материала приведены в таблице 1.

Как следует из данных таблицы 1, материал обладает очень низкой, уникальной для резинополимерных композиций истираемостью, а изделия из него чрезвычайно жесткостные, каркасные и сохраняют некоторую эластичность. Эффект жесткости и каркасности достигается за счет модифицированного СВМПЭ в количестве 42,76% и банависа в количестве 20,12%, а эффект эластичности - за счет циc-изопренового каучука СКИ-3 с соответствующей вулканизующей и защитной группой. Увеличение содержания модифицированного СВМПЭ и банависа выше заявленного снижает совокупный эффект, а уменьшение не обеспечивает дополнительный эффект.Особенностью заявленного резинополимерного композиционного материала является повышенная каркасность, жесткость полученных из него изделий, их высокие триботехнические свойства за счет применения модифицированного СВМПЭ и тканевого наполнителя.

Использование данного изобретения позволит существенно повысить рабочий ресурс уплотнительных устройств гидравлических манжет за счет высокой износостойкости, жесткости и каркасности композиционного материала.

Разработанный материал может быть использован для изготовления подшипников, шестерней, дисков, скользящих пластин, рычагов, работающих в широком температурном интервале в условиях интенсивного изнашивания, в среде воздуха, минеральных масел, водных эмульсий, слабых растворов кислот и щелочей, а также для уплотнений штоков и цилиндров гидравлических устройств вместо шевронных резинотканевых манжет.

Таблица 1
Характеристика резинополмерного композиционного материала
Наименование показателей
Условная прочность при растяжении, МПа 10.3
Относительное удлинение при разрыве, % 66
Остаточное удлинение, % 18
Относительная остаточная деформация сжатия в воздухе, 30% при 70°C за 22 час, % 40
Истираемость, см3/кВт·час 32.28
Коэффициент старения по относительному удлинению, при 70°C за 144 час в воздухе, % -6,13
Твердость, усл.ед. 89
Плотность, г/см3 1,00

Композиционный резинополимерный износостойкий материал для уплотнений гидравлических устройств, характеризующийся тем, что он изготавливается на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, модифицированного 7 мас.% углеродсодержащего материала - карбосила, с размером фракции не более 50 мкм в смесителе ударного действия и содержит цис-изопреновый каучук СКИ-3, вискозный волокнистый наполнитель - вискозную некрученую нить длиной 2-6 мм, пропитанную латексно-резорцин-формальдегидным составом - банавис, активный технический углерод П-234, высокоочищенное депарафинизированное нефтяное масло-мягчитель для резиновой технической промышленности - нетоксол, неорганический ускоритель вулканизации - окись цинка (цинковые белила),органический активатор вулканизации -стеариновую кислоту, основное вулканизующее вещество - серу, ускоритель вулканизации циклогексил-2-бензтиазолилсульфенамид-сульфенамид Ц, противостаритель - N-фенил-N'-изопропил-парафенилендиамин - диафен ФП, антиозонант - полимеризованный 2,2,4'-триметил-1,2-дигидрохинолин - ацетонанил Н при следующем соотношении компонентов, мас.ч./мас.%:

сверхвысокомолекулярный полиэтилен, модифицированный 7 мас.%
углеродсодержащего материала - карбосила, с размером фракции не более
50 мкм в смесителе ударного действия 170/42,6
цис-изопреновый каучук СКИ-3 100/25,15
вискозный волокнистый наполнитель -
вискозная некрученая нить длиной 2-6 мм,
пропитанная латексно-резорцин-формальдегидным составом - банавис 80/20,12
активный технический углерод П-234 30/7,55
высокоочищенное депарафинизированное нефтяное
масло-мягчитель для резиновой технической промышленности - нетоксол 5/1,26
неорганический ускоритель вулканизации - окись цинка (цинковые белила) 5/1,26
основное вулканизующее вещество - сера 3/0,75
ускоритель вулканизации -
циклогексил-2-бензтиазолилсульфенамид-сульфенамид Ц 1,6/0,4
противостаритель - N-фенил-N'-изопропил-парафенилендиамин - диафен ФП 1/0,25
антиозонант - полимеризованный 2,2,4'-триметил-1,2-дигидрохинолин - ацетонанил Н 1/0,25


 

Похожие патенты:

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к производству ряда резиновых смесей, имеющих в своем составе минеральные наполнители. .

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к производству ряда резиновых смесей, имеющих в своем составе минеральные наполнители. .

Изобретение относится к модифицированному полимеру сопряженного диена, каучуковой композиции и шине. .
Изобретение относится к угольной промышленности, в частности к получению связующего для брикетирования бурых углей. .

Изобретение относится к автомобильной шине. .

Изобретение относится к способу получения целлюлозосодержащегополимерного суперконцентрата и композиционным материалам на его основе. .

Изобретение относится к способу получения целлюлозосодержащегополимерного суперконцентрата и композиционным материалам на его основе. .

Изобретение относится к способу получения композиции модифицированного асфальтового связующего, который включает: перемешивание асфальтового связующего, ненасыщенного полимера и пентасульфида фосфора до получения модифицированной асфальтовой композиции, в котором количество полимера составляет от около 0,5 до около 10 массовых частей на 100 массовых частей асфальтового связующего, количество пентасульфида фосфора составляет от около 0,001 до около 10 массовых частей на 100 массовых частей асфальтового связующего, при подборе вышеуказанных количеств, обеспечивающих упругое восстановление композиции модифицированного асфальтового связующего больше чем 72,5% при 25°С, при этом ненасыщенный полимер и пентасульфид фосфора добавляют непосредственно к асфальтовому связующему без предварительного смешения ненасыщенного полимера и пентасульфида фосфора.

Изобретение относится к вяжущим материалам для производства асфальтобетонных смесей различного типа, широко применяемых для дорожного строительства. .
Изобретение относится к асфальтобетонной смеси для применения в составе дорожного покрытия. .
Изобретение относится к резинотехнической промышленности, в частности к резиновым смесям для изготовления морозостойких прокладок-амортизаторов рельсовых скреплений железнодорожного пути.

Изобретение относится к области получения высокопрочных термостойких негорючих композиционных материалов - стекло и углепластиков на основе полимерного связующего, которые могут быть использованы для изделий авиационной техники - лопаток компрессоров, огнезащитных экранов, теплоизолирующих прокладок, воздухозаборников и т.п.

Изобретение относится к смеси блок-олигомеров, содержащей по меньшей мере три разных соединения формулы (I), отличающихся значением n, где n=3-15, R1 означает водород или C1-C8 алкил, R2 означает C2-C12 алкилен, А означает -N(R4)(R5) или группу формулы (II), R4 и R5 означают водород, C1-C18 алкил или C2-C4 алкил, замещенный группой OH-, C1-C8 алкокси, или -N(R4)(R5) означает группу формулы (III); Y означает -O-; X означает >N-R6, R6 означает C1-C18 алкил или группу формулы (IV), R=R6, B=A, в индивидуальных структурных единицах соединения формулы (I) радикалы B, R, R1 и R2 имеют одинаковые или разные значения.

Изобретение относится к области технической химии, а точнее к полимерным антифрикционным материалам, используемым в машиностроении и приборостроении в качестве антифрикционных покрытий.

Изобретение относится к химии и технологии высокомолекулярных соединений, в частности к композиционным полимерным материалам, которые могут быть использованы в различных отраслях народного хозяйства, где к этим материалам предъявляются высокие требования к таким свойствам, которые позволяют композиционным материалам выдерживать длительное воздействие жестких факторов холодного климата и глубокой солнечной УФ-радиации с минимальными потерями физико-механических показателей.

Изобретение относится к формуемой композиции на основе полиэтилена, предназначенной для получения пленок. .
Наверх