Полимерный материал триботехнического назначения
Владельцы патента RU 2664129:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова" (RU)
Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к разработке полимерных композитов триботехнического назначения, которые могут быть использованы для изготовления подшипников скольжения и других элементов узлов трения, эксплуатируемых в условиях средних нагрузок и скоростей скольжения. Полимерный материал триботехнического назначения, содержащий политетрафторэтилен и наполнители, в качестве наполнителей содержит модифицированные углеродные волокна, механоактивированный вермикулит, ультрадисперсный политетрафторэтилен. Использование настоящего изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволит увеличить износостойкость композиционного материала при сохранении деформационно-прочностных характеристик относительно ненаполненного ПТФЭ и повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования. 1 табл.
Полимерный материал триботехнического назначения
Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно, к разработке полимерных композитов триботехнического назначения, которые могут быть использованы для изготовления подшипников скольжения и других элементов узлов трения, эксплуатируемых в условиях средних нагрузок и скоростей скольжения.
Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцевых 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.).
Известные материалы характеризуются недостаточной износостойкостью и, соответственно, малым ресурсом работы в условиях повышенных нагрузок и скоростей скольжения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является антифрикционный полимерный композиционный материал включающий: политетрафторэтилен (86-95 мас. %); дисульфид молибдена (1,0-2,3 мас.%); скрытокристаллический графит (1,5-6,0 мас. %); углеродные нанотрубки (1,0-3,8 мас. %) (см. RU №2525492, МПК C08L 27/18, опубл. 20.08.2014).
Однако, относительно низкие показатели деформационно-прочностных характеристик известного композиционного материала существенно ограничивают области его применения.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение износостойкости композиционного материала на основе ПТФЭ при сохранении деформационно-прочностных свойств на уровне ненаполненного ПТФЭ.
Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в улучшении прочностных свойств полимерного композиционного материала, что позволит использовать изделия на его основе в узлах трения машин и оборудования.
Для решения поставленной задачи полимерный материал триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) дополнительно содержит следующие наполнители (в мас.%): модифицированные углеродные волокна (УВ) 6-10; слоистые силикаты – механоактивированный вермикулит 0,5-1,5; ультрадисперсный политетрафторэтилен (УПТФЭ) 0,8-1,2; политетрафторэтилен – остальное.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают улучшение износостойкости материала и расширение ассортимента полимерных композиционных материалов триботехнического назначения на основе политетрафторэтилена.
Политетрафторэтилен (фторопласт-4) – промышленный продукт марки ПН, получаемый в соответствии с ГОСТ 10007-80, и характеризуется со средним размером частиц 46-135 мкм, степенью кристалличности до спекания 95-98 %, после спекания 50-70 % и плотностью 2170-2190 кг/м3, температурой плавления 327°С.
В качестве углеродного наполнителя используются модифицированные дискретные углеродные волокна, например, марки «Белум». Диаметр волокон составляет 8-11 мкм, длина варьируется от 50-500 мкм. Технология получения промышленного волокна марки «Белум» разработана в ГНУ ИММС им. В.А. Белого НАН Беларуси.
Используемый вермикулит, например, якутского месторождения, представляет собой крупные пластинчатые кристаллы золотисто-жёлтого или бурого цвета. Химический состав отвечает приблизительной формуле (Mg+2,Fe+2,Fe+3)3[(Al,Si)4O10]·(OH)2·4H2O. При этом наполнитель подвергается предварительной механической активации в течение 7 мин на планетарной мельнице, например, типа «Активатор-2S». Предварительная обработка дисперсного наполнителя в планетарной мельнице ведет к механической активации, повышающей его структурную активность и усреднению дисперсного состава.
Также дополнительным наполнителем служит ультрадисперсный ПТФЭ (УПТФЭ), например, марки «Флуралит», получаемый на базе промышленного ПТФЭ методом термокаталитического разложения, и представляет собой мелкий рассыпчатый порошок белого цвета с содержанием частиц размерами менее 3 мкм – 98%, температурой плавления кристаллов – +286˚С, температурой разложения свыше 380˚С, коэффициентом трения по стали – 0,005.
Получение композиционного материала осуществляли известными способами. Смешивание компонентов полимерного композиционного материала проводился в лопастном смесителе со скоростью вращения лопастей 3000 об/мин до получения однородной массы. Образцы после смешивания и просеивания, монолитизировали по технологии холодного прессования в пресс-форме при давлении 50 МПа с последующим свободным спеканием при температуре 370±5°С (время выдержки 0,3 ч на 10-3 м толщины образца). Полученные изделия охлаждали в печи до 200°С со скоростью 0,03°С/сек с последующим свободным охлаждением до комнатной температуры.
Известно, что модифицированные углеродные волокна обладают высоким адгезионным взаимодействием к ПТФЭ (см. Shelestova V. A., Grakovich P. N., Zhandarov S. F. A fluoropolymer coating on carbon fibers improves their adhesive interaction with PTFE matrix // Composite Interfaces. – 2011. – Т. 18. – №. 5. – С. 419-440). Таким образом, введение дополнительных наполнителей в заявленных пределах позволяет сохранить деформационно-прочностные показатели полимерных композиционных материалов на уровне исходного ПТФЭ, при значительном увеличении износостойкости по сравнению с полимерными композиционными материалами без содержания дополнительных наполнителей (см. табл.).
При этом, улучшение износостойкости при сохранении деформационно-прочностных показателей обусловлено тем, что механоактивированный вермикулит и ультрадисперсный политетрафторэтилен в заявленных пределах обладают дополнительным структурирующим действием на полимерную матрицу с углеродными волокнами.
Пример. 90 г политетрафторэтилена, 8 г углеродного волокна, 1 г вермикулита, 1 г УПТФЭ смешивают в лопастном смесителе до получения однородной массы. Затем композицию помещают в пресс-форму и проводят прессование изделия при удельном давлении 50 МПа. Спекание проводят в электрической печи при температуре 370±5°С. Охлаждение спеченных изделий проводили непосредственно в печи.
Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице примеров.
Методики определения свойств композита.
Деформационно-прочностные свойства заявляемого триботехнического материала определены на стандартных образцах по ГОСТ 11262-80. Для этого испытания проводили на универсальной испытательной машине «AUTOGRAF» («Shimadzu AGS-J», Япония) при скорости перемещения подвижных захватов 100 мм/мин.
Массовый износ и коэффициент трения определяли на машине трения UMT-3 (CETR, США) по схеме трения «палец – диск», согласно ГОСТ 11629-75. Исследуемый образец – палец диаметром 10±0,5 мм, высотой 21±1 мм, контртело – стальной диск из стали марки 45 с твердостью 45-50 HRS, шероховатость R=0,06–0,08 мкм. Удельная нагрузка – 2 МПа, линейная скорость скольжения – 0,2 м/с. Время испытания 3 часа.
Результаты испытаний представлены в таблице.
Таким образом, оптимальное суммарное содержание наполнителей составляет 8-12 мас.%, превышение которых может привести к снижению прочностных характеристик вследствие, например, агломерации наполнителей и формирования дефектной структуры.
Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволит увеличить износостойкость до 1000 раз по сравнению с ненаполненным ПТФЭ при сохранении деформационно-прочностных характеристик относительно ненаполненного ПТФЭ и, как практический результат, повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования.
Таблица
Характеристики ПКМ, наполненных комплексным наполнителем
| №№ п/п |
Состав | Содержание компонентов, мас.% | Относительное удлинение при разрыве εр, % | Прочность на разрыв σр, МПа | Интенсивность изнашивания I×10-3, г/ч | Коэффициент трения f |
| 1. | ПТФЭ | 100 | 320 | 21 | 120-160 | 0,22 |
| 2. | ПТФЭ+ УВ |
94 6 |
290 | 22 | 0,50 | 0,27 |
| 3. | ПТФЭ+ УВ |
92 8 |
345 | 21 | 0,35 | 0,30 |
| 4. | ПТФЭ+ УВ |
90 10 |
351 | 20 | 0,35 | 0,39 |
| 5. | ПТФЭ + УВ+ Вермикулит +УПТФЭ |
92,5 6 0,5 1 |
334 | 22 | 0,26 | 0,24 |
| 6. | ПТФЭ + УВ+ Вермикулит +УПТФЭ |
90,5 8 0,5 1 |
264 | 20 | 0,23 | 0,24 |
| 7. | ПТФЭ + УВ+ Вермикулит +УПТФЭ |
88,5 10 0,5 1 |
295 | 20 | 0,22 | 0,25 |
| 8. | ПТФЭ + УВ+ Вермикулит +УПТФЭ |
92 6 1 1 |
343 | 18 | 0,15 | 0,27 |
| 9. | ПТФЭ + УВ+ Вермикулит +УПТФЭ |
90 8 1 1 |
339 | 18 | 0,12 | 0,27 |
| 10. | ПТФЭ + УВ+ Вермикулит +УПТФЭ |
98 10 1 1 |
324 | 17 | 0,12 | 0,29 |
| 11. | ПТФЭ + УВ+ Вермикулит +УПТФЭ |
91,5 6 1,5 1 |
298 | 19 | 0,14 | 0,30 |
| 12. | ПТФЭ + УВ+ Вермикулит +УПТФЭ |
89,5 8 1,5 1 |
266 | 18 | 0,11 | 0,30 |
| 13. | ПТФЭ + УВ+ Вермикулит +УПТФЭ |
87,5 10 1,5 1 |
244 | 18 | 0,13 | 0,31 |
| 14. | ПТФЭ СКГ MoS2 УНТ |
91,7 4,5 1,9 3,7 |
166* | 17* | 0,82 | 0,07 |
Прим.: *[Кропотин О. В., Машков Ю. К., Кургузова О. А. Создание полимерного антифрикционного нанокомпозита на основе политетрафторэтилена с повышенной износостойкостью // Омский научный вестник. – 2013. – №. 2 (120). – C. 86-90].
ПТФЭ – политетрафторэтилен, УПТФЭ – ультрадисперсный политетрафторэтилен, УВ – углеродное волокно, СКГ – скрытокристаллический графит, УНТ – углеродные нанотрубки, MoS2 - дисульфид молибдена.
Полимерный композиционный материал триботехнического назначения, содержащий политетрафторэтилен и наполнители, отличающийся тем, что в качестве наполнителей содержит модифицированные углеродные волокна, механоактивированный вермикулит, ультрадисперсный политетрафторэтилен, при этом соотношение компонентов составляет, в мас.%:
| модифицированные углеродные волокна | 6,0-10,0 |
| механоактивированный вермикулит | 0,5-1,5 |
| УПТФЭ | 1,0 |
| политетрафторэтилен | остальное |
