Способ получения полимерных композиций на основе политетрафторэтилена, содержащих минеральный наполнитель

Изобретение относится к способу получения композиционных полимерных материалов, которые могут быть использованы для изготовления уплотнительных деталей. Способ получения полимерных композиций на основе политетрафторэтилена включает предварительное диспергирование минерального наполнителя флогопита и шпинели магния в планетарной мельнице. Далее осуществляют последующую ультразвуковую обработку в среде этилового спирта при объемной мощности ультразвука 3000 Вт в течение 15 мин. Затем осуществляют изготовление изделий путем холодного прессования с последующим свободным спеканием и охлаждением. Использование изобретения позволит снизить скорость массового изнашивания композиционного материала до 370 раз и повысить относительное удлинение на 36%, а изделий на его основе -ресурс работы машин и оборудования. 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к способу получения композиционных полимерных материалов, которые могут быть использованы для изготовления уплотнительных деталей.

Одним из перспективных методов структурной модификации полимеров является использование слоистых силикатов в качестве наполнителей. Флогопит, используемый в материале в качестве наполнителя, относится к слоистым силикатам (слюдам). При этом значительно улучшаются механические, теплофизические, барьерные и другие функциональные свойства полимеров.

Однако известны проблемные задачи при совмещении флогопита с политетрафторэтиленом (ПТФЭ) из-за низкой адгезии ПТФЭ. В настоящее время ведутся поиски новых технологических приемов создания полимерных композиционных материалов на его основе. К числу таких приемов совмещения относится, например, предварительная механическая активация наполнителей и внешнее энергетическое воздействие, в частности ультразвуковая модификация.

Известен способ получения антифрикционной композиции на основе политетрафторэтилена и ультрадисперсных неорганических наполнителей (см. RU №2178801, кл. C08J 5/16, C08L 27/18, B29B 13/10, опубл. 27.01.2002), заключающийся в смешении компонентов композиции в лопастном смесителе. При этом ультрадисперсный наполнитель дополнительно подвергают активации в планетарной мельнице АГО-2 с частотой вращения водила 730 об/мин и частотой вращения барабанов 1780 об/мин в течение 1-3 мин.

Недостатком известного способа является получение композиций с неравномерным распределением наполнителя, наличием в композиции включений относительно крупных размеров за счет агломерации ультрадисперсных частиц наполнителя, что снижает его структурную активность по отношению к полимерной матрице и ведет к снижению прочностных характеристик материала.

Известен способ изготовления изделий из ПТФЭ и полимерного композиционного материала (ПКМ) на его основе (см. Д.Д. Чегодаев, З.К. Наумова, И.С. Дунаевская. Фторопласты. Л.: Изд-во Химической литературы, 1960), при котором порошок ПТФЭ засыпают в пресс-форму и равномерно распределяют по всему объему, прессуют при комнатной температуре под давлением 35 МПа, спекают в свободном состоянии при температуре 360-380°C и охлаждают вместе с печью.

Основной недостаток известного способа заключается в том, что получаемые изделия и заготовки имеют недостаточный уровень механической прочности, высокий и нестабильный уровень усадки.

Известен способ изготовления изделий из композиционных материалов на основе ПТФЭ (см. RU №2324708, кл. C08J 5/14, C08J 5/16, опубл. 20.05.2008), при котором прессование композиционной смеси осуществляется при непрерывном воздействии энергии ультразвуковых колебаний частотой 20±3 кГц и амплитудой колебаний в пределах 8÷12 мкм в течение 2÷3 минут. Предварительно проводят смешивание порошков смеси в смесителе с частотой вращения ножей не менее 2800 мин-1. Холодное прессование композиции производят в закрытой пресс-форме под давлением 50±5 МПа. Отпрессованную заготовку нагревают в печи до температуры 360±5°C со скоростью 1,5-2,0 град/мин. Затем выдерживают при этой температуре 8÷9 мин на 1 мм толщины стенки изделия и охлаждают до температуры 327°C со скоростью 0,3-0,4 град/мин и от 327°C до комнатной температуры вместе с печью.

К недостаткам известных решений следует отнести то, что при смешении в лопастном смесителе невозможно достичь достаточно однородного распределения компонентов в полимерной матрице. Кроме того, сложность технологического процесса, заключающаяся в использовании специально изготовленного волновода-инструмента для передачи энергии ультразвуковых колебаний прессуемой композиции, представляющего собой полуволновой стержень с заданным законом изменения площади поперечного сечения и выполненного заодно с прессующим пуансоном.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является получение однородного по составу и структуре полимерного композиционного материала.

Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в улучшении прочностных свойств полимерного композиционного материала, что позволит использовать изделия на его основе в качестве уплотнительных деталей в машинах и оборудовании.

Для решения поставленной задачи способ получения полимерных композиций на основе политетрафторэтилена, включающий предварительное диспергирование минерального наполнителя флогопита и шпинели магния в планетарной мельнице в течение 2 мин, последующее их смешивание с полимером в лопастном смесителе при частоте оборота лопастей 3000 об/мин, холодное прессование изделий с последующим свободным спеканием при температуре 375-380°С и охлаждение до 200°С со скоростью 0,03°С/с, отличается тем, что получаемая полимерная смесь дополнительно подвергается ультразвуковой обработке в среде этилового спирта при объемной мощности ультразвука 3000 Вт в течение 15 мин.

Влияние ультразвуковой модификации на деформационно-прочностные характеристики композитов предположительно объясняется кристаллографическими свойствами самих наполнителей, имеющих минеральную природу. Ультразвуковые колебания, в первую очередь, оказывают влияние в местах дефектов кристаллической решетки и других структурных несовершенств, сообщая им акустическую энергию. В результате этого происходит локальный нагрев материала вокруг дефектных частиц и увеличивается молекулярная подвижность. Известно, что в применении ультразвуковой обработки в твердофазной технологии синтеза полимерных композитов показано повышение их прочностных характеристик после ультразвукового воздействия вследствие равномерного распределения частиц наполнителя в объеме полимера (см. Еремин Е.Н., Негров Д.А. Структурная модификация дисперсно-наполненного политетрафторэтилена ультразвуковым воздействием при синтезе композиционного материала // Физическая мезомеханика. 2013. - Т 16. - №5. - С. 95-101).

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают улучшение характеристик относительного удлинения полимерного композиционного материала.

ПТФЭ - промышленный порошкообразный продукт марки ПН-90 (ГОСТ 10007-80) с молекулярной массой 100-500 тыс., степенью кристалличности до спекания 95-98%, после спекания 50-70%, плотностью 2150-2260 кг/м3, температурой плавления 327°С.

Наполнитель - флогопит Эмельджакского месторождения Алданского района Республики Саха (Якутия), представляет собой минерал подкласса слоистых силикатов, магнезиальную маложелезистую слюду общей формулы KMg3[Si3AlO10](F, OH)2. Флогопит относится к группе слоистых алюмосиликатов, особенностью строения которых является связность и непрерывность основных структурных элементов [AlSi3O10].

Шпинель магния (полученная механохимическим синтезом) MgO⋅Al2O3. Особенностью наполнителя являются высокая дисперсность (размер частиц порядка 70-80 нм) и развитая удельная поверхность (170 м2/г), плотность 3580 кг/м3, температура плавления 2135°С.

Для повышения структурной активности и улучшения адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз «полимер-наполнитель» флогопит с наношпинелью магния диспергировали в планетарной мельнице типа «Активатор 2S», в течение 2 мин. Предварительная обработка дисперсного наполнителя в планетарной мельнице ведет к механической активации, повышающей его структурную активность, и усреднению дисперсного состава наполнителя. Предварительная механоактивация слоистых силикатов способствует не только диспергированию и повышению реакционной способности поверхности твердых частиц, но и разрыхлению слоев и частичному разделению частиц на отдельные силикатные пластинки, увеличению удельной поверхности для взаимодействия с макромолекулами полимера.

Совмещение ПТФЭ с механоактивированным флогопитом и с наношпинелью магния проводили в лопастном смесителе при скорости вращения лопастей 3000 об/мин: для этого поместили расчетную массу полимера и активированного наполнителя в высокооборотный смеситель, смешивали до получения однородной массы.

Ультразвуковое модифицирование проводилось воздействием ультразвукового диспергатора типа ИЛ100-6/3 на компоненты смеси в среде этилового спирта при объемной мощности ультразвука 3000 Вт в течение 15 мин. После ультразвуковой обработки полученную суспензию отфильтровали. Полученный осадок сушили при 80-100°С в течение 3 ч в сушильном шкафу. Из композиции изготавливаются заготовки требуемой формы по технологии холодного прессования с последующим свободным спеканием при температуре 375-380°С (из расчета время выдержки 0,3 ч на 10-3 м толщины образца). Полученные изделия охлаждают до 200°С со скоростью 0,03°С/с, далее охлаждают до комнатной температуры вместе с печью.

Пример

98,0 г ПТФЭ и 1,0 г механоактивированного флогопита с 1 г наношпинели магния смешивают в лопастном смесителе до получения однородной массы и проводят ультразвуковую обработку в среде этилового спирта. Затем композицию помещают в пресс-форму и прессуют изделия требуемой формы, далее спекают при 375-380°С (из расчета время выдержки 0,3 ч на 10-3 м толщины образца). Полученные изделия охлаждают в печи до 200°C со скоростью 0,03°С/с с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры. Охлаждение спеченных изделий проводят непосредственно в печи.

Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице.

Из приведенных данных следует, что при изготовлении образцов по заявляемому способу с использованием УЗ-обработки предел прочности повышается до 21% в зависимости от содержания наполнителей, относительное удлинение увеличивается до 18%. При этом массовый износ повышается, но значения коэффициента трения снижаются.

Физико-механические свойства заявляемого антифрикционного материала определяли на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Относительное удлинение (εр) и прочность при растяжении (σр) определяли на испытательной машине «AGS-J Autograph» (Shimadzu, Япония) при комнатной температуре и скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин на лопатках (количество образцов на одно испытание - 5).

Скорость массового изнашивания и коэффициент трения определяли на машине трения UMT-2 (CETR, США), схема «палец-диск» (образец - цилиндр с диаметром 10 мм, высотой 20 мм, контртело-стальной диск из стали марки 40Х с твердостью 48-52 HRC и шероховатостью 0,06-0,07 мкм, нагрузка - 160 Н, скорость скольжения - 0,2 м/с).

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет снизить скорость массового изнашивания до 370 раз и повышение относительного удлинения на 36%. Применение полимерной композиции заявляемого состава позволит повысить ресурс работы изделий в технике и оборудованиях и расширить их область применения.

Таблица примеров

Состав Содержание компонентов, мас. % Физико-механические характеристики Массовый износ, мг Коэффициент трения по стали при нагрузке 65 Н
σр, МПа εр, %
ПТФЭ - 20-22 300-320 460-480 0,2
ПТФЭ +
активированный флогопит
без УЗ-обработки
99,5
0,5
17,7 297,3 67,2 0,22
99
1
15,9 347,8 43,8 0,26
98
2
16,2 354,2 19,3 0,30
ПТФЭ +
активированный флогопит с наношпинелью магния
без УЗ-обработки
99
0,5
0,5
16,8 357,7 14,8 0,25
98,9
1
0,1
18,5 301,2 16,4 0,26
98,5
1
0,5
16,5 354,0 18,6 0,27
97,9
2
0,1
17,1 350,1 8,0 0,27
97,5
2
0,5
15,9 332,7 9,3 0,27
ПТФЭ +
активированный флогопит с наношпинелью магния
с УЗ-обработкой
99
0,5
0,5
20,3 421,7 19,2 0,19
98,9
1
0,1
18,9 347,8 18,9 0,20
98,5
1
0,5
18,0 390,9 9,9 0,21
97,9
2
0,1
17,3 387,1 16,6 0,23
97,5
2
0,5
17,1 368,3 8,9 0,22

Способ получения полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена, включающий предварительное диспергирование в планетарной мельнице флогопита и шпинеля магния, последующее смешение указанных наполнителей с полиэтилентерефталатом в лопастном смесителе, последующую ультразвуковую обработку полученной смеси в среде этилового спирта при объемной мощности ультразвука 3000 Вт в течение 15 мин, изготовление изделий путем холодного прессования с последующим свободным спеканием и охлаждением.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к смешанным композициям фторполимеров, используемым для получения покрытий. В состав композиции входят: низкомолекулярный политетрафторэтилен (LPTFE), имеющий среднечисловую молекулярную массу (Mn) менее 500000 и начальную температуру плавления (Tm) 332°C или менее, в виде жидкой дисперсии частиц со средним размером 1,0 мкм или менее, где жидкая дисперсия включает менее 1,0 вес.% поверхностно-активного вещества от массы дисперсии LPTFE, при этом дисперсию получают эмульсионной полимеризацией и ее не подвергают агломерации, деградации при воздействии температуры, или облучению, и перфторалкокси (PFA) в форме жидкой дисперсии частиц со средним размером частиц 1,0 мкм или менее и имеющий скорость течения в расплаве (MFR) по меньшей мере 4,0 г/10 мин, где содержание PFA в вышеуказанной композиции составляет от 37 до 65 вес.%, а содержание LPTFE составляет от 35 до 63 вес.% от общего содержания твердых веществ вышеуказанных LPTFE и PFA.

Настоящее изобретение относится к способу получения формовочного порошка политетрафторэтилена, а также к способу получения агломерированного продукта из политетрафторэтилена.

Изобретение относится к антифрикционным материалам. Антифрикционный композиционный материал на основе бронзофторопласта с наполнителем состоит из оловянно-свинцовистой бронзы, фторопласта и ультрадисперсных алмазов при следующем соотношении компонентов масс.%: фторопласт - 5-6; ультрадисперсные алмазы - 0,065-0,187; оловянно-свинцовистая бронза - остальное.

Изобретение относится к полимерной композиции конструкционного назначения на основе фторопласта и порошковых наполнителей и может быть использовано при изготовлении уплотнений для фланцевых соединений ёмкостей, содержащих агрессивные вещества, и устройств, работающих в агрессивной среде.

Изобретение относится к области получения резиновых смесей на основе перфторированных соединений, такие композиции предназначены для использования в качестве уплотнительных материалов в химической, нефтеперерабатывающей промышленности и микроэлектронике.

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано для получения дисперсных низкомолекулярных фторуглеродных материалов при создании химически стойких и антикоррозийных покрытий.

Изобретение относится к эластомерным композициям на основе сополимера тетрафторэтилена и перфторалкилвиниловых эфиров и может применятся в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

Изобретение относится к получению синтетических формованных изделий, например, для изготовления снижающих трение лент, используемых в качестве промежуточного слоя гибких жидкостных трубопроводов, например, для транспортирования нефти.

Изобретение относится к отверждаемой ультрафиолетовым излучением полимерной композиции для формирования самосмазывающейся прокладки. Отверждаемая ультрафиолетовым излучением полимерная композиция для самосмазывающейся прокладки включает: (мет)акрилатное соединение, имеющее цикл изоциануровой кислоты, описываемое формулой (1): в которой «X» представляет группу, которая содержит акрилоильную группу и состоит только из С, Н и О, а «Y» и «Z» представляют группы, каждая из которых состоит только из С, Н и О, и политетрафторэтиленовую смолу в качестве твердого смазочного материала, причем (мет)акрилатное соединение, имеющее цикл изоциануровой кислоты, содержится в количестве от 20% по весу до 90% по весу, и политетрафторэтиленовая смола содержится в количестве от 10% по весу до 50% по весу относительно общего количества отверждаемой ультрафиолетовым излучением полимерной композиции.

Изобретение относится к получению радиационно-сшиваемой композиции на основе фторуглеродного полимера и предназначено для создания однородной в объеме композиции с высокими вязкоупругими свойствами, обладающей высокой технологичностью и термической стойкостью без сшивок с однородной ровной поверхностью гранул и способной перерабатываться в тонкостенную изоляцию проводов.

Изобретение относится к светопреобразующему силиконовому изделию для осветительного прибора, содержащему его осветительному прибору и к способу производства указанного изделия.

Изобретение может быть использовано в производстве модифицированных глинистых материалов. Для изготовления высокодисперсных гидрофобных магниточувствительных глинистых материалов готовят суспензию глинистых материалов в воде в реакторе с помощью механического перемешивания.

Изобретение относится к кабельной технике, а именно к полимерным композициям на основе пластифицированного поливинилхлорида (ПВХ) с пониженной горючестью, выделением дыма и хлористого водорода при горении, предназначенным для изоляции внутренних и наружных оболочек проводов и кабелей, эксплуатирующихся в условиях повышенной пожароопасности.

Изобретение относится к технологии получения композитных полимерных упаковочных материалов и может быть использовано в пищевой промышленности, а также в сельском хозяйстве и в быту.

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к производству резиновых смесей, и может быть использовано в производстве резинотехнических изделий.

Изобретение относится к области производства модификаторов для резиновых смесей и резинотехнических изделий на их основе. Модификатор получают путем взаимодействия фуллеренов фракции С50-С92, индолил-3-масляной кислоты, метилбензола, диметилкетона, серной кислоты, параформа.

Изобретение относится к области получения композитных материалов с применением нанотехнологии, а именно касается технологии получения нанокомпозитов на основе наноструктурированного карбида кремния с полиимидной матрицей, которые могут быть применены в различных областях техники, в частности при изготовлении конструкционных материалов, используемых в авиационной и космической отрасли, в ракетостроении, электротехнике, в кабельной промышленности и микроэлектронике.

Группа изобретений относится к резино-технической промышленности и может быть использована для изготовления формованных изделий, применяемых в деталях и элементах пневматических подвесок, шинах, протекторах шин, оболочках кабелей, шлангах, приводных ремнях, конвейерных лентах, покрышках, обувных подошвах и в амортизирующих элементах.

Изобретение может быть использовано в производстве красок, пластиков, косметических средств, керамики, стекла, в текстильной промышленности. Для получения чешуек перлита с покрытием сначала наносят слой оксида олова на чешуйки перлита.

Изобретение относится к резиновой смеси на основе термоэластопластов бутадиенстирольного класса, которые могут использоваться в конструкциях бортовых кабельных систем ракетно-космической техники.

Изобретение относится к теплозащитным материалам на основе этиленпропилендиеновых каучуков, которые могут использоваться в авиа- и ракетостроении. Теплозащитный материал состоит из, мас.ч.: этиленпропилендиенового каучука - 100, серы - 2, оксида цинка - 5, стеарина - 1, технического углерода П-324 - 2, тетраметилтиурамдисульфида - 0,75, 2-меркаптобензотиазола - 1,5 , дитиодиморфолина - 2, канифоли сосновой - 3, белой сажи БС-120 - 27 и модифицирующей добавки - фосфорборазотсодержащего олигомера - 6.

Изобретение относится к способу получения композиционных полимерных материалов, которые могут быть использованы для изготовления уплотнительных деталей. Способ получения полимерных композиций на основе политетрафторэтилена включает предварительное диспергирование минерального наполнителя флогопита и шпинели магния в планетарной мельнице. Далее осуществляют последующую ультразвуковую обработку в среде этилового спирта при объемной мощности ультразвука 3000 Вт в течение 15 мин. Затем осуществляют изготовление изделий путем холодного прессования с последующим свободным спеканием и охлаждением. Использование изобретения позволит снизить скорость массового изнашивания композиционного материала до 370 раз и повысить относительное удлинение на 36, а изделий на его основе -ресурс работы машин и оборудования. 1 табл., 1 пр.

Наверх