Антифрикционная полимерная композиция

Изобретение относится к полимерным композитным материалам антифрикционного назначения и может быть использовано для изготовления деталей узлов трения машин и техники. Антифрикционная полимерная композиция содержит, мас.%: механоактивированный серпентинит 1-5, политетрафторэтилен - остальное. Серпентинит предварительно активируют в планетарной мельнице в течение 2 мин. После изготовления композицию прессуют и спекают при 375-380°С и получают изделия требуемой формы. Изобретение позволяет повысить долговечность и работоспособность узлов трения за счет высокой износостойкости, низкого коэффициента трения при сохранении деформационно-прочностных свойств. 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к полимерным композитным материалам антифрикционного назначения, которые могут быть использованы для изготовления деталей узлов трения машин и техники: подшипников скольжения, уплотнительных элементов пар вращательного и возвратно-поступательного перемещения и других элементов узлов трения.

Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцовых уплотнений и других элементов узлов трения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и неорганических наполнителей различной химической природы (см. 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 композиция, содержащая политетрафторэтилен (ПТФЭ) (98 мас.%) и в качестве неорганического наполнителя механоактивированный природный цеолит (2,0 мас.%) (прототип, патент RU №2178801 С2). Обладая высокими физико-механическими характеристиками, материал характеризуется недостаточно высокой износостойкостью.

Одним из перспективных методов структурной модификации полимеров является использование слоистых силикатов в качестве наполнителей. Интерес к силикатам как к эффективным модификаторам полимерной матрицы объясняется возможностью образования в композите пространственных непрерывных структур в системе за счет особенностей структурной организации минералов (см. Охлопкова А.А., Адрианова О.А., Попов С.Н. Модификация полимеров ультрадисперсными соединениями. - Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2003. - 224 с.). Модифицирующая способность слоистых силикатов может быть в полной мере реализована в результате интеркаляции макромолекул полимера в межслойные пространства (галереи) частиц наполнителя (см. Chang J.-H., An Y.U., Kim S.J., Im S. // Polymer. 2003. V.44. P.5655-5661, Chang J.-H., Kim S.J., Joo Y.L., Im S. // Polymer. 2004. V.45. P.919-926, Pinnavaia T.J., Baell G.W., editors. Polymer-Clay Nanocomposites. New York: Wiley, 2000, Сергеев Г.Б. Нанохимия. M.: Изд-во МГУ, 2003). В результате последующей эксфолиации (расслоения) наполнителей на единичные слои толщиной 1 нм под действием макромолекул полимера возможно формирование нанокомпозитов, обладающих свойствами, значительно превосходящими свойства исходного полимера. Основными задачами разработки нанокомпозитов «полимер-слоистый силикат» являются улучшение совместимости компонентов композита и обеспечение процесса интеркаляции. Наиболее простым и достаточно эффективным решением этих задач представляется механоактивация слоистых силикатов с определением оптимального режима их обработки.

Технической задачей изобретения является повышение износостойкости, уменьшение коэффициента трения при сохранении деформационно-прочностных свойств композиционного материала на основе ПТФЭ.

Достижение положительного эффекта обеспечивается введением в ПТФЭ серпентинита, предварительно активированного в планетарной мельнице в течение 2 мин, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Серпентинит механоактивированный 1,0-5,0

ПТФЭ остальное.

ПТФЭ - промышленный порошкообразный продукт марки ПН, ГОСТ 10007-80. Средние размеры частиц порошка 50-100 мкм, молекулярная масса 100-500 тыс., степень кристалличности до спекания 95-98%, после спекания 50-70%, плотность 2150-2260 кг/м³, температура плавления кристаллов 327°С, температура стеклования аморфных участков -120°С.

Наполнитель - серпентинит месторождения Мурманской области, представляет собой слоистый гидросиликат магния Mg₆[Si₄O₁₀](OH)₈. Серпентинит - горная порода, возникающая при гидротермальной переработке ультраосновных изверженных пород. Состоит, главным образом, из смеси минералов группы серпентина: волокнистого хризотила, пластинчатого антигорита и массивного лизардита. Физические параметры серпентинита: размеры частиц 0,6-10 мкм, объемная масса 2,6-2,8 кг/дм, прочность на сжатие 8-25 Н/мм, водопоглощение по весу 0,1-1,5%, износостойкость 8-25/50 см (по Беме), плотность 2,2-2,7 г/см³.

Для повышения структурной активности и улучшения адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз «полимер-наполнитель» серпентинит предварительно диспергировали в течение 2 минут в планетарной мельнице типа «Пульверизетте-5» (Fritsch) с центробежным ускорением до 400 м/с, развиваемым мелющими телами. Предварительная обработка дисперсного наполнителя в планетарной мельнице ведет к механической активации, повышающей его структурную активность, и усреднению дисперсного состава наполнителя. Совмещение ПТФЭ с механоактивированным серпентинитом проводили в лопастном смесителе со скоростью 3000 об/мин: поместив расчетную массу полимера и активированного серпентинита в высокооборотный смеситель, смешивали до получения однородной массы. Затем из композиции делали заготовки требуемой формы по технологии холодного прессования. Отпрессованные заготовки спекали при температуре 375-380°С (время выдержки 0,3 ч на 10^-3 м толщины образца). Полученные изделия охлаждали в печи до комнатной температуры.

Введение серпентинита позволило получить композиционный материал, обладающий высокой износостойкостью, пониженным коэффициентом трения при сохранении деформационно-прочностных свойств.

Подобные свойства композиционного материала заявляемого состава обусловлены влиянием активированного серпентинита на процессы формирования структуры композита и определяются высокой дисперсностью, структурной активностью и особенностью строения слоистого силиката. Структурные исследования поверхностей трения композитов выявили существенное влияние активированных силикатов на процессы трибодеструкции и окисления, играющих значительную роль в формировании триботехнических характеристик материала (см. Слепцова С.А., Афанасьева Е.С., Григорьева В.П. Структура и триботехнические свойства политетрафторэтилена, модифицированного слоистыми силикатами. / Трение и износ. - 2009. - Т.30, №6. - С.587-593).

Пример. 98,0 г ПТФЭ и 2,0 г механоактивированного серпентинита смешивают в лопастном смесителе до получения однородной массы. Затем композицию помещают в пресс-форму и прессуют изделия требуемой формы, затем спекают при 375-380°С (время выдержки 0,3 ч на 10^-3 м толщины образца. Охлаждение спеченных изделий проводят непосредственно в печи.

Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице.

Методики определения свойств композита

Физико-механические свойства заявляемого антифрикционного материала определяли на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Относительное удлинение (ε_р) и прочность при растяжении (σ_р) определяли 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, «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 - 65 Н, скорость скольжения - 0,39 м/с) согласно ГОСТ 11629.

Технико-экономическая эффективность

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет снизить массовый износ до 1000 раз, уменьшить коэффициент трения в 1,5 раза, при незначительном снижении деформационно-прочностных характеристик по сравнению с ПТФЭ. Как видно из приведенных данных, оптимальное содержание механоактивированного серпентинита - 2-5 мас.%. Дальнейшее увеличение содержания наполнителя приводит к снижению деформационно-прочностных характеристик.

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

Состав	Содержание компонентов, мас.%	Физико-механические характеристики	Массовый износ (мг)	Коэффициент трения по стали при нагрузке 65 Н
σр, МПа	εр, %
ПТФЭ	-	20-22	300-320	370-375	0,20
ПТФЭ + серпентинит без активации	99	14	132	13	0,14
	1
	98	15	124	9,2	0,18
	2
	95	13	102	5,9	0,29
	5
	93	12	106	7,5	0,2
	7
	90	10	80	12,5	0,2
10
ПТФЭ+ серпентинит активированный в Пульверизетте-5 (Fritsch)	99	22	373	6,2	0,17
	1
	98	20	320		0,15
	2
	95	18	270		0,14
	5
	93	16	220	1,4	0,18
	7
	90	14	180	2,3	0,2
10
ПТФЭ+ цеолит (прототип)	98	18-19	360-370	16-17	-
2

Антифрикционная полимерная композиция, содержащая политетрафторэтилен и наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя содержит серпентинит, предварительно механоактивированный в течение 2 мин в планетарной мельнице, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

механоактивированный серпентинит	1-5
политетрафторэтилен	остальное