Полимерный нанокомпозиционный материал триботехнического назначения с ориентированной структурой

Изобретение относится к нанокомпозиционному материалу с ориентированной структурой на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, который может быть использован для изготовления триботехнических изделий, таких как подшипники скольжения, втулки, применяемые в слабо- и средненагруженных узлах трения, в том числе в эндопротезах коленных и тазобедренных суставов в качестве полимерного вкладыша. Полимерный материал содержит матрицу из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с ориентированной надмолекулярной структурой с молекулярной массой 5⋅106 г/моль и наполнитель, в качестве которого используют многостенные углеродные нанотрубки, в количестве 0,1-1 мас. %. Причем многостенные углеродные нанотрубки выполнены диаметром 4-15 нм и длиной более 2 мкм. Полученный материал отличается равномерным распределением наполнителя в объеме полимерной матрицы и ориентированной структурой полимерной матрицы, а также обладает повышенным пределом прочности на растяжение и хорошими трибологическими свойствами. 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к композиционным материалам на полимерной основе и представляет собой нанокомпозиционный материал с ориентированной надмолекулярной структурой, наполненный многостенными углеродными нанотрубками. Изобретение может быть использовано для изготовления триботехнических материалов, в том числе подшипников скольжения, втулок и др., применяемых в слабо- и средненагруженных узлах трения, в том числе и в эндопротезировании коленных и тазобедренных суставов.

В качестве матрицы нанокомпозиционного материала выступает сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Данный материал может быть использован в слабо- и средненагруженных узлах трения для изготовления подшипников скольжения и/или качения, втулок и др., способных работать в условиях сухого трения (без использования смазки). Также данный материал может быть использован в качестве полимерного вкладыша (ацетабулярного компонента) эндопротезов тазобедренного или коленного суставов. Разработанный ориентированный полимерный материал обладает пределом прочности на разрыв на 350% выше, чем исходный СВМПЭ. Коэффициент сухого трения полимерного нанокомпозиционного материала с ориентированной структурой составляет 0,13 при нагрузке 19,2 H и скорости скольжения 150 об/мин. Износостойкость выше на 56% по сравнению с исходным СВМПЭ.

Известен способ (RU №2490204, В82В 3/00, C08J 3/205, C08J 7/04, С08К 3/04, C08L 23/00, Способ получения композиций на основе углеродных нанотрубок и полиолефинов) получения нанокомпозитов на основе полиолефинов, используемых при получении различных изделий, таких как пленки, листы, трубы, нити и волокна, армированных углеродными нанотрубками. Способ заключается в механическом растирании нанотрубок в воде с добавлением водорастворимого полимера с концентрацией 0,01-0,1 мас. %. После чего суспензию диспергируют ультразвуком при максимальной температуре среды не выше 70°С. Затем суспензию наносят на поверхность гранул полиолефина и сушат. Полученные гранулы нанокомпозита содержат до 0,5 мас. % углеродных трубок.

Недостатком данного способа является использование трудоемкой операции предварительного растирания и диспергирования нанотрубок в воде с добавлением воднорастворимого полимера. В случае применения нанокомпозитов в медицине использование водорастворимых полимеров может снизить биосовместимость материалов. Достигнутое увеличение механических свойств на 30% является довольно низким показателем по сравнению с заявляемым нами результатом.

Известно изобретение (RU 2347793, C08L 33/12, C08J 5/16, A61L 27/44, Полимерная антифрикционная композиция биомедицинского назначения) композиционного материала, обладающего пониженным коэффициентом трения, например для использования в узле трения височно-нижнечелюстного сустава или нижней челюсти. Предложенная полимерная композиция содержит смесь мономера метилметакрилата, полиметилметакрилата, инициатора - перекиси бензоила в различном соотношении. В данном изобретении СВМПЭ используется в качестве армирующей добавки, а не полимерной матрицы, как было предложено нами.

Недостатком данного изобретения является то, что оно предназначено для восстановления дефектов костей нижней челюсти, в узле трения височно-нижнечелюстного сустава, и не может быть использовано в качестве полимерного вкладыша (ацетабулярного компонента) эндопротезов тазобедренного и коленного суставов.

Известен способ (RU 2300537 Способ изготовления полимерных деталей трения скольжения из сверхвысокомолекулярного полиэтилена для искусственных эндопротезов, C08L 23/06, C08J 5/16, В29С 43/00), в котором исходный порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена подвергают термической обработке в сверхкритическом диоксиде углерода. После чего порошок прессуют при 190-200°С и удельном давлении 10-60 МПа и осуществляют механическую доводку размеров полимерной детали. Кроме того, состав исходного порошка может дополнительно содержать 0,05-0,15 мас. % меди, серебра или железа с размерами их частиц 10-100 нм. Недостатком данного способа получения деталей трения является недостаточная износостойкость материала.

Известен способ (RU 20071417, С08J 57/04, C08J 5/16, C08J 3/20, C08L 23/06, С08К 3/08, В29С 43/00, Способ изготовления полимерных деталей трения скольжения для искусственных эндопротезов), включающий в себя обработку порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена в сверхкритическом диоксиде углерода. После чего в порошкообразный сверхвысокомолекулярный полиэтилен путем смешения вводят органозоли металлов с размерами 100-550 нм, выбранные из группы золота или смеси золота и серебра в количестве 0,15-0,5 мас. %. Затем полученную смесь термообрабатывают при температуре 60-80°С в вакууме в течение 3-5 часов с последующим прессованием из нее полимерной детали при температуре 190-200°С и удельном давлении 10-60 МПа. Недостатком данного способа получения деталей трения является недостаточная износостойкость материала.

Известно изобретение (RU 2281300, C08L 33/12, C08L 33/10, C08J 5/04, A61L 27/44, Композиция для биомедицинского материала, способ его получения и материал биомедицинского назначения). Предложенная композиция содержит полимерное связующее - смесь полиметилметакрилата или сополимера метилметакрилата с метилакрилатом и мономером - метилметакрилатом в различном соотношении, углеродные непрерывные нити по 200-1000 филамент из гидратцеллюлозного волокна или полиакрилонитрильного волокна (2-10 мас.ч.) и наполнитель - гидроксиапатит (25-40 мас.ч.) Недостатком данного изобретения является то, что разработанные материалы не обладают высокой износостойкостью.

Известно изобретение (RU 2540572, C08L 59/04, C08L 59/02, C08L 59/00, С08К 13/02, C08J 5/16, В61Н 1/00, Антифрикционный композиционный полимерный материал), представляющее собой антифрикционный композиционный полимерный материал, выполненный из композиции, содержащей полиоксиметилен и модифицирующие добавки в виде порошкообразной смеси из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой 4500000 у.е. и фторопласта марки Ф4К15М5. Недостатком данного антифрикционного композиционного материала является относительно высокий коэффициент трения по стали.

Известно изобретение (RU 2535216, C08L 23/06, С08К 3/04, C08J 5/16 Антифрикционная полимерная композиция с терморасширенным графитом). Это изобретение относится к антифрикционной полимерной композиции на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Композиция содержит сверхвысокомолекулярный полиэтилен и неорганический модификатор, в качестве которого используется терморасширенный графит в количестве 2 мас. %. Использование лопастного смесителя для введения терморасширенного графита в сверхвысокомолекулярный полиэтилен не позволяет получать качественного распределения наполнителя в полимерной матрице, что негативно отражается на относительном удлинении и пределе прочности композита.

Известен ряд патентов (СА 2526129 Crosslinked ultra-high molecular weight polyethylene (uhmw-pe) containing.alpha.-tocopherol, EP 1624905 CROSSLINKED, ULTRAHIGH MOLECULAR WEIGHT POLYETHYLENE (UHMW-PE), WO 2008113388 A1 Oxidation resistant highly-crosslinked uhmwpe), смысл которых заключается в радиационном сшивании структуры сверхвысокомолекулярного полиэтилена для увеличения износостойкости и жесткости. Недостатком использования этого способа является снижение пластичности (ударной прочности) сверхвысокомолекулярного полиэтилена, которое может привести к разрушению материала при ударных нагрузках.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является изобретение (RU 2381242, C08L 23/26, В82В 1/00, Композиционный износостойкий материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ)). В данном прототипе в качестве матрицы композиционных материалов используются сверхвысокомолекулярный полиэтилен и различные дисперсные наполнители (карбоксил, карбид вольфрама, карбид кремния и др.). В качестве способа введения наполнителя в полимерную матрицу была использована мельница планетарного типа. После чего полученные порошки формовались методом термопрессования. Недостатком данного способа является то, что смешение полимера с дисперсными наполнителями в мельницах планетарного типа приводит к распределению наполнителя только по поверхности частиц полимера, что снижает эффект армирования.

Техническим результатом является нанокомпозиционный материал с ориентированной структурой, содержащий многостенные углеродные нанотрубки. Полученный материал отличается равномерным распределением наполнителя в объеме полимерной матрицы и ориентированной структурой полимерной матрицы, благодаря чему полимерный нанокомпозиционный материал с ориентированной структурой имеет повышенные механические свойства, низкий и стабильный коэффициент трения, высокую стойкость к истиранию.

Технический результат достигается следующим образом.

Полимерный нанокомпозиционный материал триботехнического назначения с ориентированной структурой, включающий матрицу из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с ориентированной надмолекулярной структурой и наполнитель, в качестве которого используют многостенные углеродные нанотрубоки, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Наполнитель 0,1-1
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен остальное.

При этом многостенные углеродные нанотрубки выполнены диаметром 4-15 нм и длиной более 2 мкм.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг 1 показана сканирующая электронная микроскопия полимерного нанокомпозиционного материала с ориентированной структурой, имеющего нанофибриллярную структуру.

В качестве матрицы нанокомпозиционного материала используют сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) с молекулярной массой 5⋅106 г/моль. В качестве наполнителя были использованы многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ) диаметром 4-15 нм и длиной более 2 мкм. Введение МУНТ в СВМПЭ осуществлялось методом твердофазного смешения с использованием мельницы планетарного типа АПФ-3. Концентрация нанотрубок в СВМПЭ составляла 0,1,-1 мас. %.

Получение полимерного нанокомпозиционного материала с ориентированной структурой осуществлялось в несколько этапов.

На первом этапе методом термопрессования были получены монолитные материлы с изотропной структурой.

На втором этапе были получены ориентированные прекурсоры материалов методом одноосной низкоориентационной вытяжки при комнатной температуре.

На третьем этапе ориентированные прекурсоры формовались в ориентированные полимерные нанокомпозиционные материалы методом повторного термопрессования.

За счет использования операции ориентирования наблюдалось улучшение качества распределения углеродных нанотрубок в СВМПЭ и ориентирование макромолекул полимера. Полученные нанокомпозиционные материалы обладают повышенным пределом прочности на растяжение и хорошими трибологическими свойствами.

Пример 1

Полимерный нанокомпозиционный материал с ориентированной структурой имеет нанофибриллярную структуру, которая достигается за счет использования ориентации макромолекул СВМПЭ и присутствия МУНТ, о чем свидетельствует фиг. 1.

Механические свойства на растяжение полимерного нанокомпозиционного материала с ориентированной структурой представлены в таблице 1. Механические испытания на растяжение были проведены согласно стандарту ASTM D638.

Коэффициент сухого трения полимерного нанокомпозиционного материала с ориентированной структурой составляет 0,13 при нагрузке 19,2 Н и скорости скольжения 150 об/мин. Износостойкость выше на 56% по сравнению с исходным СВМПЭ.

Полимерный нанокомпозиционный материал триботехнического назначения с ориентированной структурой, включающий матрицу из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с ориентированной надмолекулярной структурой с молекулярной массой 5⋅106 г/моль и наполнитель, в качестве которого используют многостенные углеродные нанотрубоки при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Наполнитель 0,1-1
Ориентированный сверхвысокомолекулярный полиэтилен остальное,

при этом многостенные углеродные нанотрубки выполнены диаметром 4-15 нм и длиной более 2 мкм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к композиционным противофильтрационным материалам на основе вторичного полиэтилена и может быть использовано для противофильтрационной защиты оросительных каналов, водоемов и накопителей.

Настоящее изобретение относится к многослойной пленке. Описана многослойная пленка с последовательностью из (а) слоя (а) на основе по меньшей мере одного полиэтилена с низкой плотностью (ПЭНП), составляющей от 0,915 до 0,930 г/см3, или на основе смеси из (α) по меньшей мере одного полиэтилена с низкой плотностью (ПЭНП), составляющей от 0,915 до 0,930 г/см3, и (β) по меньшей мере одного гомо- или сополимера нециклического С2-С6 олефина, отличного от полиэтиленового компонента (α), (б) слоя (б) на основе смеси из по меньшей мере одного полиэтилена с низкой плотностью (ПЭНП), составляющей от 0,915 до 0,930 г/см3, и по меньшей мере одного сополимера циклоолефина, представляющего собой сополимер С6-С12 циклоолефина и С2-С4 олефина, и (в) слоя (в) на основе по меньшей мере одного полиэтилена с низкой плотностью (ПЭНП), составляющей от 0,915 до 0,930 г/см3, или смеси из (α) по меньшей мере одного полиэтилена с низкой плотностью (ПЭНП), составляющей от 0,915 до 0,930 г/см3, и (β) по меньшей мере одного гомо- или сополимера нециклического С2-С6 олефина, отличного от полиэтиленового компонента (α), в которой слой (а), соответственно слой (в) имеют толщину от 5 до 25 мкм, а слой (б) имеет толщину от 5 до 30 мкм, при этом усилие раздира многослойной пленки в продольном направлении и в поперечном ему направлении составляет максимум по 1000 мН, а отношение усилия ее раздира в продольном направлении к усилию ее раздира в поперечном ему направлении составляет от 2:1 до 1:2, в каждом случае при испытании по методу Эльмендорфа в соответствии со стандартом DIN EN ISO 6383-2.

Изобретение относится к полиэтиленовой композиции, предназначенной для изготовления экструдированных изделий, в том числе таких как трубы. Композиция имеет плотность от 0,945 до 0,955 г/см3, соотношение MIF/MIP от 30 до 45, индекс кристаллизации при сдвиге SIC от 1,0 до 2,5 и индекс ветвления длинных цепей, равный или превышающий 0,85.
Изобретение относится к композиции для покрытий, нанесенных методом экструзии. Композиция содержит от 50 до 90 мас.% первого полиэтиленового компонента, от 1 до 10 мас.% второго полиэтиленового компонента и от 10 до 50 мас.% третьего полиэтиленового компонента.

Изобретение относится к кабельной промышленности и может быть использовано при изготовлении изоляции и оболочек кабелей и проводов, характеризующихся пониженным выделением дыма при горении.

Изобретение относится к композиции полиэтилена высокой плотности для производства труб или изделий, используемых в системе трубопроводов, обладающей устойчивостью к повреждениям в присутствии хлорированной и нехлорированной воды.

Изобретение относится к конструкции на основе полиэтилена, включающей полимерную композицию, содержащую 60-90 мас.% полиэтилена (А), 5-35 мас.% модифицированного кислотой полиэтилена (В) и 5-35 мас.% содержащего мета-ксилиленовую группу полиамида (С), где содержащий мета-ксилиленовую группу полиамид (С) является диспергированным в форме слоев в конструкции, а кислотное число модифицированного кислотой полиэтилена (В) имеет значение от 10 до 30 мг/г.

Изобретение относится к кабелю, в том числе к сшитому кабелю, также к способу его производства кабеля, более предпочтительно к способу производства силового кабеля.

Изобретение относится к силовому кабелю постоянного тока, который содержит полимерную композицию и, возможно, является сшиваемым и затем сшитым, а также к способу изготовления силового кабеля постоянного тока кабеля, в том числе силового кабеля постоянного тока высокого напряжения.

Изобретение относится к cоставам для производства полиэтилена для формирования экструзией, литьем и раздувом полых изделий и к способу их получения. Состав содержит первый полиэтилен и второй полиэтилен, которые произведены в любом порядке в присутствии катализатора Циглера-Натта в последовательно соединенных газофазных реакторах.

Изобретение относится к композиции, армированной волокнами, предназначенной для применения в изделиях для автомобильной промышленности и во вспененных изделиях, а также способу ее получения.

Изобретение относится к композиции смолы, которая включает два различных соединения магния и является превосходной по механической прочности и внешнему виду. Описана композиция смолы для изготовления формовых изделий, включающая (i) 100 частей по массе смолы (компонент А), (ii) пластинообразный гидроксид магния (компонент В), имеющий толщину кристалла (у) в 0,2 мкм или менее, и отношение ширины к толщине в 20-100, и (iii) иглообразный основный сульфат магния (компонент С), где указанная смола (компонент А) представляет собой по меньшей мере одну смолу, выбранную из группы, состоящей из термопластичных смол, термоотверждающихся смол и каучуков, общее содержание компонентов В и С составляет 1-100 частей по массе, считая на 100 частей по массе смолы, и массовое соотношение компонента В и компонента С составляет 0,1-0,9:0,9-0,1.
Изобретение относится к способу уменьшения выделения формальдегида из минерально-волокнистого изделия и к соединенным минерально-волокнистым изделиям, имеющим низкое выделение формальдегида.

Изобретение относится к огнестойким композициям полиамидной смолы. Предложена огнестойкая композиция полиамидной смолы, включающая в себя: полиамид (А), содержащий единицу, представляющую собой диамин и содержащую не менее 70 мол.% единицы, представляющей собой п-ксилилендиамин, и единицу, представляющую собой дикарбоновую кислоту и содержащую не менее 70 мол.% единицы, представляющей собой линейную алифатическую дикарбоновую кислоту, имеющую от 6 до 18 атомов углерода; галогенорганическое соединение (В), которое служит огнезащитным средством; неорганическое соединение (С), которое служит вспомогательным огнезащитным средством; и неорганический наполнитель (D), где полиамид (A) включает в себя полиамид, имеющий концентрацию атомов фосфора, составляющую от 50 до 1000 м.д., и значение YI, которое, по результатам дифференциального колориметрического анализа согласно JIS-K-7105, не превышает 10, а содержание галогенорганического соединения (В), содержание неорганического соединения (С) и содержание неорганического наполнителя (D) составляет от 1 до 100 частей по массе, от 0,5 до 50 частей по массе и от 0 до 100 частей по массе, соответственно, в расчете на 100 частей по массе полиамида (А).

Изобретение относится к области производства антифрикционных композиционных полимерных материалов и может быть использовано для изготовления вставки опорного скользуна тележки грузового железнодорожного вагона.
Изобретение относится к композиции, предназначенной для получения катионообменного волокнистого материала, используемого в процессах водоподготовки и при очистке промышленных сточных вод.

Изобретение относится к производству термореактивных композиционных материалов, в частности к материалу из эпоксидного полимера, содержащего частицы магнетита и частицы материала, проводящего углерод, действующие как приемники микроволн.
Изобретение может быть использовано в строительстве для армирования бетонных, кирпичных и каменных конструкций. Композиция содержит стеклянный или базальтовый ровинг в количестве 90÷100 вес.ч., пропитанный полимерным связующим на основе эпоксидно-диановой смолы в количестве 18÷20 в.ч.

Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности, может быть использовано в химической промышленности, электронике, медицине, машиностроении для изготовления пластмасс, компонентов топливных ячеек, аккумуляторов, суперконденсаторов, дисплеев, источников электронов, материалов для протезирования, а также в качестве компонента композиционных материалов, применяемых в авто- и/или авиастроении.

Изобретение относится к лакокрасочным композициям, предназначенным для экранирования электромагнитного излучения. .

Изобретение относится к композиционным противофильтрационным материалам на основе вторичного полиэтилена и может быть использовано для противофильтрационной защиты оросительных каналов, водоемов и накопителей.

Изобретение относится к нанокомпозиционному материалу с ориентированной структурой на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, который может быть использован для изготовления триботехнических изделий, таких как подшипники скольжения, втулки, применяемые в слабо- и средненагруженных узлах трения, в том числе в эндопротезах коленных и тазобедренных суставов в качестве полимерного вкладыша. Полимерный материал содержит матрицу из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с ориентированной надмолекулярной структурой с молекулярной массой 5⋅106 гмоль и наполнитель, в качестве которого используют многостенные углеродные нанотрубки, в количестве 0,1-1 мас. . Причем многостенные углеродные нанотрубки выполнены диаметром 4-15 нм и длиной более 2 мкм. Полученный материал отличается равномерным распределением наполнителя в объеме полимерной матрицы и ориентированной структурой полимерной матрицы, а также обладает повышенным пределом прочности на растяжение и хорошими трибологическими свойствами. 1 ил., 1 табл.

Наверх