Композиционный материал с повышенными демпфирующими свойствами на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (свмпэ)

Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано для изготовления элементов спортивных болидов и в машиностроении для изготовления изделий конструкционного назначения, требующих высоких демпфирующих свойств, работающих при высоких давлениях, устойчивых к ударным нагрузкам при низких температурах. Композиционный материал изготовлен из механоактивированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена, содержит армирующий материал, в качестве которого использованы высокопрочные углеродные волокна из фенольного волокна в количестве от 1,2 до 5,5 мас.% от массы сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Материал обладает высокой ударной прочностью, способен поглощать основную часть энергии вибрации и способствует затуханию колебаний, имеет высокую стойкость к истиранию и небольшую деформацию статического сжатия. 1 табл.

 

Изобретение относится к полимерному материаловедению и может быть использовано для изготовления элементов спортивных болидов (спортивных саней для скоростного спуска), а также в машиностроении для изготовления изделий конструкционного назначения, требующих высоких демпфирующих свойств, работающих при высоких давлениях, устойчивых к ударным нагрузкам при низких температурах.

К большинству современных конструкционных материалов на основе полимерных матриц предъявляют комплекс требований к 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 синергетический эффект.

Известна полимерная композиция, содержащая полиформальдегид, модифицированный сернокислым барием, тальком и нитридом бора и сверхвысокомолекулярный полиэтилен (Авторское свидетельство СССР 1670911, C08L 59/02).

Материал имеет высокие физико-механические свойства и эффективен при использовании в качестве конструкционного материала в машиностроении, в частности станкостроении, при изготовлении деталей копировальных устройств отделочнообточных станков.

Недостатком материала является высокое значение износа, низкая морозоустойчивость и высокая текучесть под нагрузкой.

Известен материал «Тинолен» на основе полиэтилена сверхвысокомолекулярного, который обладает высокой морозоустойчивостью. Из Тинолена изготавливают изделия технического назначения: листы, пластины, шестерни, высокопрочные нити, спортивные изделия, хоккейные площадки; медицинские изделия - детали протезирования и ортопедии. Недостатком материала являются невысокие износостойкость и морозостойкость.

Известен однородный композит (RU 2087490 C1, МПК C08L 23/04, 20.08.1997), который включает, масс.%, 25,5-92,0 ультравысокомолекулярного линейного полиэтилена с высокой молекулярной массой и температурой плавления кристаллитов выше 143°C. При этом полиэтилен способен к понижению температуры плавления при повторном плавлении, по меньшей мере, на 3°C и имеет кристаллическую морфологию, проявляющуюся в бимодальном распределении параметра складывания молекулярных цепей в кристаллической решетке.

Использование: для получения пленок, протезов, цилиндрических стержней, листовых материалов, панелей.

Недостатком материала является низкая устойчивость к нагрузкам, невысокая стойкость к истиранию частицами повышенной твердости.

Известен композиционный полимерный материал, характеризующийся высокой теплостойкостью и устойчивостью к деформациям, содержащий сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), модифицированный углеродными нанотрубками в количестве 0,01-5 масс.% (патент CN 1431342 A, 23.07.2003, (D1). Недостатком материала является низкая стойкость к воздействию многократных деформаций.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному материалу и широко применяемый для изготовления деталей, работающих в режиме многократных деформаций является фторопласт Ф-4 полимерный материал, получаемый химическим путем (патент RU(11) 2414488 C2 МПК C09K 11/06 (2006.01)).

Фторопласт Ф-4 содержит атомы фтора, плохо растворяется или не растворяется во многих органических растворителях, не растворим в воде и не смачивается ею. Фторопласты характеризуются широким диапазоном механических свойств, имеют высокую прочность, динамический модуль, высокие диэлектрическими свойствами, низкими значениями износа. Фторопласты стойки к действию различных агрессивных сред при комнатной и повышенной температуре, атмосфере-, коррозионно- и радиационно-стойки, слабо газопроницаемы, не горючи или самозатухают при возгорании. Используются для изготовления уплотнителей, манжет, торцевых уплотнений, шевронных манжет, уплотнений шаровых, уплотнений для работы в особо агрессивных средах.

Однако фторопласт обладает текучестью при больших давлениях (холодной текучестью) и не имеет достаточной стойкости к истиранию и действию вибрационных нагрузок.

Данный материал принят за прототип.

Технической задачей изобретения является разработка износостойкого композиционного материала на основе СВМПЭ для конструкционных изделий, работающий при высоких давлениях, в режиме многократных деформаций и вибрационных нагрузок. Основное требование к заявляемому материалу - он должен обладать высокой ударной прочностью, поглощать основную часть энергии вибрации и способствовать затуханию колебаний, т.е. обладать демпфирующими свойствами. Технологический процесс изготовления изделий из этого материала не требует специального оборудования и дополнительных затрат.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, состоит в получении композиционного материала, имеющего высокие демпфирующие свойства и высокую ударную прочность, обладающего низкой текучестью при высоких давлениях, без потери технических характеристик прототипа, в том числе показателя морозоустойчивости.

Поставленная задача решается тем, что сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) подвергают механоактивации, затем, в качестве армирующего материала вводят высокопрочные углеродные волокна (УВ) из фенольного волокна в количестве от 1,2 до 5,5 масс.%.

В результате чего у полученного композиционного материала значительно снижается текучесть под нагрузкой, повышаются демпфирующие свойства, улучшается ударная прочность как по сравнению с «чистым» СВМПЭ, так и с прототипом. При этом показатель истираемости, коэффициента поглощения колебаний и динамический модуль упругости значительно улучшаются, показатель деформации статического сжатия (при давлении 17 МПа в течение 24 часов), характеризующий текучесть материала под нагрузкой, улучшается в 3-3.5 раза по сравнению с фторопластом марки Ф-4.

В качестве полимера использовали механоактивированный сверхвысокомолекулярный полиэтилен, модифицированный углеродными волокнами, который относится к классу полиэтиленов низкого давления (ПЭНД), но благодаря уникальным структурным и физико-механическим свойствам, выделен в отдельный класс полиэтиленов.

В качестве армирующего материала в композиционный материал вводили углеродные волокна (УВ) от 1,2 до 5,5 масс.%. Применение углеродных волокон из фенольного волокна во многих областях промышленности определяется их высокой динамической стойкостью которая связана с их структурными особенностями.

УВ из фенольного волокна представляют собой химически очень чистое вещество. Химический состав УВ зависит от условия их получения. С повышением температуры термической обработки содержание углерода увеличивается от 80 до 99,5%. По содержанию углерода УВ разделяют на карбонизованые (не более 90% углерода), угольные (от 91 до 98% углерода) и графитовые (свыше 98% углерода). В заявленном композиционном материале применяются высокопрочные угольные УВ, имеющие диаметр от 6 до 10 мкм, площадь внутренней поверхности от 50 до 400 м²/г. Характерной особенностью высокопрочных УВ является высокий модуль Юнга (200-300 ГПа), высокая прочность на разрыв (3000-7000 МПа), низкий коэффициент трения, высокая стойкость к атмосферному влиянию и действию особо агрессивных сред. УВ обладают очень низким, почти нулевым коэффициентом линейного расширения (10^-6 K^-1), что особенно важно для условий эксплуатации предлагаемого материала. УВ используют в различных областях промышленности, в том числе, для термозащиты космических кораблей, самолетов, ракет, изготовления из них носовых обтекателей.

Поставленная задача решается тем, что сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) активируют в механоактиваторе АГО-2С, который позволяет при ускорениях шаров до 60 g развивать удельную мощность до 100 Вт/г, при этом, благодаря водяному охлаждению, температура в барабанах регулируется. В процессе активации молекулярное устройство СВМПЭ изменяется без разрыва внутримолекулярных связей. Благодаря высокой пластичности СВМПЭ величина удельных энергий при механической активации недостаточна для разрыва С-С связей, но достаточна для изменения укладки углеводородных цепей. Вследствие низкой термической стабильности СВМПЭ, процесс реализован при температуре не выше 140°C.

Механоактивация СВМПЭ обеспечивает более эффективное межмолекулярное взаимодействие и, как следствие, повышение прочностных характеристик изделий, улучшение морозостойкости, сопротивления удару материала.

Модификацию механоактивированного СВМПЭ углеродными нанотрубками и углеродными волокнами производили в ультразвуковом активаторе УЗТА-063/22-0 «Волна». Такой способ модификации обеспечивает максимально равномерное распределение модификаторов в СВМПЭ.

Пример получения заявленного композиционного материала. Подготавливали навески ингредиентов композиционного материала по массе, согласно рецепта.

Навеску сверхвысокомолекулярного полиэтилена активируют в механоактиваторе АГО-2С в течение 10 мин при частоте вращения барабанов в переносном движении 1820 об./мин.

Навески углеродных волокнон в количестве от 1,2 до 5,5 масс.% от массы СВМПЭ совместно с механоактивированным СВМПЭ помещали в ультразвуковой активатор УЗТА-063/22-0 «Волна» и перемешивали 1-2 минуты. Испытания проводили следующим образом.

Образцы для испытаний на определение статической деформации сжатия изготавливали на гидравлическом вулканизационном прессе 250×250 в цилиндрической пресс-форме с пуансоном диметром 49,3 мм высотой 90 мм при температуре 195±5°C, давлении 7,0 МПа в течение 15 минут. Образцы для определения истираемости изготавливали на гидравлическом вулканизационном прессе 250×250 в квадратной пресс-форме, при этом испытуемая поверхность образца имеет форму квадрата со стороной 20,0±0,5 мм. Режимы изготовления аналогичны вышеуказанным. Образцы кондиционируют при температуре 23±3°C не менее 12 часов - истираемость по ГОСТ 426-77. Испытания проводили на приборе типа МИ-2 (шлифовальная шкурка №16-Н, количество оборотов диска - n=600, постоянный груз = 3,6 кг);

- деформацию статического сжатия при давлении 17 МПа в течение 24 часов определяли по разработанной авторами методике:

Замеряли высоту образца и устанавливали его в лабораторный пресс 250×250, выдерживали под давлением 17,0 МПа в течение 24 часов при температуре (25±5)°C, после чего через 90 мин «отдыха» вновь замеряли высоту образца. Расчет деформации определяли по формуле, %:

100-h₂/h₁×100

где h₂ - высота образца после испытаний;

h₁ - высота образца до испытаний.

Результаты испытаний полученного композиционного материала и сравнение его свойств с прототипом приведены в таблице.

Предлагаемый композиционный материал превосходит прототип по показателю деформации статического сжатия, характеризующий текучесть материала под нагрузкой, в 2-4 раза; по козффициентй поглащения колебаний до 37%, динамический модуль упругости при средних значениях гармонического цикла нагружения 5,0 МПа при частоте 0,1 Гц на 15%.

Именно эти показатели определяют эксплуатационные характеристики предлагаемого материала и являются наиболее важными для изделий конструкционного назначения, обладающих демпфирующими свойствами.

Эффект достигается путем введения в предварительно механоактивированный СВМПЭ, высокопрочных углеродных волокон из фенольного волокна в количестве от 1,2 до 5,5 масс.%. Увеличение содержания УВ выше заявленных пределов снижает совокупный эффект, а уменьшение не обеспечивает дополнительный эффект. Особенностью полученного композиционного материала является его высокие демпфирующие свойства, высокая ударную прочность, низкая текучесть при высоких давлениях, без потери технических характеристик прототипа, в том числе показателя морозоустойчивости.

Характеристики износостойкого композиционного материала

Композиционный материал с улучшенными демпфирующими свойствами для конструкционных изделий, работающий в режиме многократных деформаций и вибрационных нагрузок при высоких давлениях, из механоактивированного сверхвысокомолекулярного полиэтилена, характеризующийся тем, что в качестве армирующего материала использованы высокопрочные углеродные волокна из фенольного волокна в количествах от 1,2 до 5,5% от массы сверхвысокомолекулярного полиэтилена.