Фрикционная полимерная композиция
Владельцы патента RU 2275394:
Общество с ограниченной ответственностью "Минерал-Сервис" (RU)
Изобретение относится к полимерным композициям фрикционного назначения и может быть использовано в производстве тормозных колодок и накладок тормозов транспортных средств и других механических объектов. Фрикционная полимерная композиция включает связующее, выбранное из группы высокомолекулярных непредельных углеводородных каучуков: смесь СКД и СКИ-3 с добавлением индустриального масла - И-20 - 10,0-13,0 мас.%, волокнистый безасбестовый наполнитель - волластонит - 50,0-55,0 мас.%, неорганический модификатор - барит - 19,0-25,0 мас.%, фрикционный модификатор - графит - 2,0-4,0 мас.%. В качестве вулканизующей группы она содержит серу - 3,0-4,0 мас.%, каптакс - 0,2-0,5 мас.%, тиурам - 1,2-1,7 мас.%, оксид цинка - 0,3-0,7 мас.%. Дополнительно она содержит технический углерод 1,5-1,9 мас.% и модификатор связующего, выбранный из группы двухосновных органических кислот: ортофталевая, изофталевая и терефталевая кислоты - 0,1-5,0 мас.%. Фрикционная полимерная композиция позволяет обеспечить стабильность коэффициента трения изготовленных на основе композиции изделий и снизить выделение вредных веществ, в частности фенола, в окружающую среду при формовании изделий. 2 табл.
Изобретение относится к полимерным композициям фрикционного назначения и может быть использовано в производстве тормозных колодок и накладок тормозов транспортных средств и других механических объектов.
Основные требования, которые предъявляются к полимерным фрикционным изделиям, - высокий коэффициент трения, прочность, хорошая теплопроводность, малое изменение коэффициента трения в широком диапазоне температур, низкая стоимость, малая токсичность компонентов.
Длительное время в качестве фрикционных композиций использовались составы на основе асбеста.
Известна, например, полимерная композиция для фрикционного материала, содержащая, мас. ч.: фенолформальдегидную смолу 20-35, волокнистый наполнитель в виде асбеста 30-45, барит 2,0-18,0, волластонит 15-33,0, смазывающие вещества 1,0-2,0 (см. описание изобретения к а.с. СССР №648584, по кл. С 08 L 81/10, 1979 г.).
Фрикционный материал, приготовленный на основе этой композиции, имеет удовлетворительные физико-механические показатели, но содержит асбест, что составляет повышенную вредность при производстве изделий и их последующей эксплуатации. Недостатком композиции является и то, что в ней использовано токсичное фенольное связующее.
Однако, в настоящее время в промышленно развитых странах применение асбеста запрещено. Одним из микроармирующих наполнителей, заменителей асбеста, является волластонит.
Так в описании изобретения к патенту России №2090578 от 20.09.1997 г. рассмотрены варианты полимерной фрикционной композиции, включающей в мас.%: резольную бутадиеновую смолу 13-15; бутадиеннитрильный каучук 3-5; арамидное волокно 2,5-3,0; базальтовое волокно, поверхность которого модифицирована 3-5% масс. полиорганогидридсилаксана 8-10; волластонит, поверхность которого модифицирована 2-10% масс. углеродного модификатора 10-12; глинозем 4-8; графит 1-2; порошок меди 10-15; бронзовая стружка 10-15; барит - остальное до 100.
Второй вариант композиции аналогичен первому, но используют волластонит, поверхность которого модифицирована 3-4% масс. полигидридсилаксана.
Недостатком известного технического решения является то, что в составе композиции содержится токсичное финольно-каучуковое связующее, а нанесение на поверхность волластонита углеводородного модификатора является дорогостоящим процессом.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемому (прототипом) является фрикционная полимерная композиция, включающая, в мас.%: фенолформальдегидную смолу 10-14 в качестве связующего, волокнистый безасбестовый наполнитель 20-24 в виде смеси базальтовых и стеклянных волокон, металлосодержащий наполнитель 30-36 в виде порошка и стружки металлов из группы медь, бронза, бутадиеннитрильный каучук 4-5, фрикционный модификатор 10-13 в виде смеси графита кристаллического и сурьмы трехсернистой, неорганический модификатор 18-21 в виде веществ из группы, включающей барит и глинозем, а также вулканизующую группу 1-2 на основе серы (см. описание изобретения к патенту №2119511, по кл. С 08 L 61/10, С 08 К 13/00, С 08 J 5/14, заявл. 21.02.96, опубл. 27.09.98).
Признаки: фрикционная полимерная композиция; связующее, волокнистый безасбестовый наполнитель, неорганический модификатор - барит, фрикционный модификатор - графит, и вулканизующая группа - являются общими существенными признаками с заявляемым объектом.
Отрицательными свойствами прототипа являются недостаточная стабильность коэффициента трения, из-за резкого падения его величины при температуре в зоне трения выше 200°С, а также выделение свободного фенола в окружающую среду в процессе вулканизации при формовании изделия.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в том, чтобы создать такую фрикционную полимерную композицию, которая обеспечила бы повышение стабильности коэффициента трения изготовленных на ее основе изделий и позволила бы снизить выделение вредных веществ, в частности фенола, в окружающую среду при формовании изделий.
Поставленная задача решается тем, что в фрикционной полимерной композиции, включающей связующее, волокнистый безасбестовый наполнитель, неорганический модификатор - барит, фрикционный модификатор - графит, и вулканизующую группу, согласно изобретению, в качестве связующего взяты каучуки из группы высокомолекулярных непредельных углеводородных каучуков: смесь СКД и СКИ-3, индустриальное масло - И-20, в качестве волокнистого наполнителя использован волластонит, в качестве вулканизующей группы содержит серу, каптакс, тиурам, оксид цинка, дополнительно содержит технический углерод и модификатор связующего из группы двухосновных органических кислот, включающий ортофталевую, изофталевую и терефталевую кислоты при следующем соотношении компонентов композиции, мас.%:
| связующее из группы непредельных | |
| углеводородных каучуков: | |
| смесь СКД, СКИ-3, индустриальное масло И-20 | |
| волокнистый наполнитель - | 10,0-13,0 |
| волластонит | 50,0-55,0 |
| неорганический модификатор - барит | 19,0-25,0 |
| фрикционный модификатор - графит | 2,0-4,0 |
| углерод технический | 1,5-1,9 |
| вулканизующая группа: | |
| сера | 3,0-4,0 |
| каптакс | 0,2-0,5 |
| тиурам | 1,2-1,7 |
| оксид цинка | 0,3-0,7 |
| модификатор связующего из группы двухосновных органических кислот: | |
| ортофталевая, изофталевая и | |
| терефталевая кислоты | 0,1-5,0 |
Использование в качестве связующего каучуков из группы высокомолекулярных непредельных углеводородных каучуков: смесь СКД, СКИ-3 с добавлением индустриального масла И-20 позволяет при изготовлении изделий значительно снизить выделение вредных веществ в атмосферу, использование волластонита в качестве волокнистого наполнителя, заменяющего асбест, снижает вредность при производстве изделий и их последующей эксплуатации, а введение в состав фрикционной полимерной композиции модификатора связующего из группы двухосновных органических кислот, включающего ортофталевую, изофталевую и терефталевую кислоты, позволяет значительно улучшить физико-механические характеристики готового изделия.
Каучук СКД марки м.1м.11 содержит 87-93% 1,4-цис звеньев и 3-6% 1,2-звеньев, вязкость по Муни МБ 1+4 (100°С), ГОСТ 14924-75.
Каучук СКИ-3 содержит 96% 1,4-цис звеньев, пластичность 0,30-0,35, пластическое восстановление 2 мм, вязкость по Муни МБ 1+4 (100°С), 75-85 ГОСТ 14925-79.
Индустриальное масло И-20 ГОСТ 17479.4-87 использовано в качестве пластификатора полимерного связующего. И-20 вводится в связующее в количестве 15% от общего количества связующего.
Сопоставительный анализ заявляемой фрикционной полимерной композиции с известными показал, что данное техническое решение является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо, т.е. отвечает всем критериям изобретения.
Способ реализуется следующим образом.
Пример 1.
Брали навески каучуков СКД, СКИ-3, масло индустриальное И-20 в количестве 30 г и проводили пластификацию каучуков на лабораторных вальцах. Для этого, при включенных вальцах в зазор между валками помещали СКД до образования ровного "чулка". Затем добавляли частями СКИ-3 и индустриальное масло И-20. По мере увеличения доли пластификатора в смеси каучуков, увеличивали зазор между валками и число оборотов валков. Вальцевание закончили после введения всей навески индустриального масла И-20. Общее время вальцевание смеси каучуков 30 минут.
Полученную пластифицированную смесь каучуков снимали с валка с помощью ножа, предварительно уменьшив число оборотов валков.
От полученной смеси каучуков отобрали навеску, которую поместили в зазор между валками предварительно включенных вальцев. После получения из смеси каучуков ровного "чулка" ввели компоненты фрикционной композиции в установленном порядке в соответствии с таблицей 1. Модификатор связующего из группы двухосновных органических кислот вводили на 10 минут при общем времени вальцевания 20 минут.
В примерах 1, 2 и 3 в качестве модификатора связующего использована ортофталевая кислота, в примерах 4, 5 и 6 в качестве модификатора связующего использована изофталевая кислота, а в примерах 7, 8 и 9 - терефталевая кислота.
Составы предлагаемой композиции
| Таблица 1 | |||
| Компоненты | Состав композиции, мас.% | ||
| По примерам | |||
| 1 | 2 | 3 | |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Связующее - каучуки СКД и СКИ + индустриальное масло И-20 | 10,0 | 11,5 | 13,0 |
| модификатор связующего из группы двухосновных органических кислот - ортофталевая кислота | 0,1 | 3,0 | 4,0 |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| волокнистый наполнитель - волластонит | 53,8 | 50,9 | 49,9 |
| неорганический модификатор - барит | 25,6 | 24,1 | 22,6 |
| фрикционный модификатор - графит | 3,0 | 3,0 | 3,0 |
| фрикционный модификатор - углерод | 1,7 | 1,7 | 1,7 |
| вулканизующая группа - сера | 3.5 | 3,5 | 3,5 |
| вулканизующая группа - каптакс | 0,3 | 0,3 | 0,3 |
| вулканизующая группа - тиурам | 1,5 | 1,5 | 1,5 |
| вулканизующая группа - оксид цинка | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
| Компоненты | Состав композиции, мас.% | ||
| По примерам | |||
| 4 | 5 | 6 | |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Связующее - каучуки СКД и СКИ + индустриальное масло И-20 | 10,0 | 11,5 | 13,0 |
| модификатор связующего из группы двухосновных органических кислот - ортофталевая кислота | 0,1 | 3,0 | 4,0 |
| волокнистый наполнитель - волластонит | 53,8 | 50,9 | 49,9 |
| неорганический модификатор - барит | 25,6 | 24,1 | 22,6 |
| фрикционный модификатор - графит | 3,0 | 3,0 | 3,0 |
| фрикционный модификатор - углерод | 1,7 | 1,7 | 1,7 |
| вулканизующая группа - сера | 3,5 | 3,5 | 3,5 |
| вулканизующая группа - каптакс | 0,3 | 0,3 | 0,3 |
| вулканизующая группа - тиурам | 1,5 | 1,5 | 1,5 |
| вулканизующая группа - оксид цинка | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
| Компоненты | Состав композиции, мас.% | ||
| По примерам | |||
| 7 | 8 | 9 | |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Связующее - каучуки СКД и СКИ + индустриальное масло И-20 | 10,0 | 11,5 | 13,0 |
| модификатор связующего из группы двухосновных органических кислот - ортофталевая кислота | 0,1 | 3,0 | 4,0 |
| волокнистый наполнитель - волластонит | 53,8 | 50,9 | 49,9 |
| неорганический модификатор - барит | 25,6 | 24,1 | 22,6 |
| фрикционный модификатор - графит | 3,0 | 3,0 | 3,0 |
| фрикционный модификатор - углерод | 1,7 | 1,7 | 1,7 |
| вулканизующая группа - сера | 3,5 | 3,5 | 3,5 |
| вулканизующая группа - каптакс | 0,3 | 0,3 | 0,3 |
| вулканизующая группа - тиурам | 1,5 | 1.5 | 1,5 |
| вулканизующая группа - оксид цинка | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
Далее проводили вулканизацию фрикционной композиции следующим образом.
Смесь поместили в предварительно прогретую фторопластовую форму и провели холодную подпрессовку композиции в прессе, создавая усилие Р=255 кгс/см2 (25,5 МПа). Холодная подпрессовка проводилась с целью удаления воздушных включений. Далее форму вместе с композицией поместили в муфельную печь. Процесс вулканизации вели при температуре 185-190°С, продолжительностью 30 минут. По истечении времени образцы остудили до комнатной температуры. Затем отвержденные образцы поместили на испытание в разрывную машину Р-05.
Результаты физико-механических испытаний образцов приведены в таблице 2.
| Таблица 2 | |||||
| Составы композиции | Показатели | ||||
| σизг. МПа | σсжатия МПа | Коэффициент трения по стали | Линейный износ | Твердость по Бриннелю, усл. ед. | |
| 1 | 21,3 | 180 | 0,46 | 0,08 | 19,4 |
| 2 | 33,1 | 200 | 0,54 | 0,2 | 41,5 |
| 3 | 28,8 | 166 | 0,52 | 0,17 | 30,9 |
| 4 | 23,2 | 190 | 0,48 | 0,2 | 35,2 |
| 5 | 30,0 | 263 | 0,54 | 0,16 | 42,7 |
| 6 | 27,1 | 220 | 0,52 | 0,10 | 40,1 |
| 7 | 32,5 | 195 | 0,49 | 0,18 | 38,6 |
| 8 | 37,0 | 263 | 0,55 | 0,15 | 43,2 |
| 9 | 34,3 | 230 | 0,53 | 0,11 | 41,3 |
Пример 2
Брали навески каучуков СКД, СКИ-3, масло индустриальное И-20 и провели пластификацию каучуков в лопастном смесителе. Для этого, после загрузки навески каучуков в смеситель залили масло индустриальное И-20 и поместили в него вставку, которую затем поджали крышкой смесителя. Это позволило в течение 35-40 минут получить однородную запластифицированную смесь каучуков.
Далее ввели в смеситель все оставшиеся порошкообразные компоненты (см. табл.1). Время смешения компонентов в смесителе - 12 минут.
После смешения фрикционную массу выгрузили из смесителя, охладили и поместили в молотковую дробилку для измельчения. Измельченную массу поместили в пресс-форму для вулканизации, которая была осуществлена следующим образом:
- холодная подпрессовка при давлении до 4 МПа;
- горячее прессование при давлении 20 МПа, температуре 185-200°С и выдержке в течение 5 минут;
- снятие давления и выдержка 5 минут;
- окончательное прессование при давлении 20 МПа и температуре 185-200°С в течение 7 минут.
Свойства образцов идентичны образцам, полученным по примеру 1.
Заявляемая композиция позволяет обеспечить стабильность коэффициента трения изготовленных на ее основе изделий и снизить выделение вредных веществ, в частности фенола, в окружающую среду при формовании изделий.
Фрикционная полимерная композиция, включающая связующее, волокнистый безасбестовый наполнитель, неорганический модификатор - барит, фрикционный модификатор - графит и вулканизующую группу, отличающаяся тем, что в качестве связующего взяты каучуки из группы высокомолекулярных непредельных углеводородных каучуков: смесь СКД и СКИ-3, с добавлением индустриального масла И-20, в качестве волокнистого наполнителя использован волластонит, в качестве вулканизующей группы содержит серу, каптакс, тиурам, оксид цинка, дополнительно содержит технический углерод и модификатор связующего из группы двухосновных органических кислот, включающий ортофталевую, изофталевую и терефталевую кислоты при следующем соотношении компонентов композиции, мас.%:
| Связующее из группы непредельных | |
| углеводородных каучуков: | |
| смесь СКД, СКИ-3, индустриальное масло И-20 | 10,0-13,0 |
| Волокнистый наполнитель - | |
| волластонит | 50,0-55,0 |
| Неорганический модификатор-барит | 19,0-25,0 |
| Фрикционный модификатор - графит | 2,0-4,0 |
| Углерод технический | 1,5-1,9 |
| Вулканизующая группа: | |
| сера | 3,0-4,0 |
| каптакс | 0,2-0,5 |
| тиурам | 1,2-1,7 |
| оксид цинка | 0,3-0,7 |
| Модификатор связующего из группы | |
| двухосновных органических кислот: | |
| ортофталевая, изофталевая и терефталевая кислоты | 0,1-5,0 |
