Антифрикционная полимерная композиция

Изобретение относится к конструкционному полимерному композиционному материалу антифрикционного назначения на основе высокомолекулярного полиэтилена, который может быть использован для изготовления элементов узлов трения с повышенной несущей способностью (втулки для подшипников скольжения, сепараторы подшипников качения), уплотнительных элементов пар вращательного и возвратно-поступательного перемещения. Композиция содержит высокомолекулярный полиэтилен и неорганический наполнитель. Неорганический наполнитель представляет собой синтетическую шпинель кобальта или меди, активированную в планетарной мельнице течение 1-2 мин. Композиция по изобретению позволяет повысить деформационно-прочностные характеристики, износостойкость и несущую способность материалов. 1 табл.

 

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к антифрикционным полимерным материалам, которые могут быть использованы для изготовления подшипников скольжения, уплотнительных элементов пар вращательного и возвратно-поступательного перемещения и других элементов узлов трения.

Известны композиционные материалы для изготовления подшипников скольжения, торцовых уплотнений и других элементов узлов трения на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и неорганических наполнителей различной химической природы [Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности. И.Н.Андреева, Е.В.Веселовская, Е.И.Наливайко и др. - Л.: Химия, 1982. - 80 с.]. Однако эти материалы не обладают достаточной износостойкостью и характеризуются низкими прочностными характеристиками.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является малонаполненный композит на основе высокомолекулярного полиэтилена (ВМПЭ) и ультрадисперсного β-сиалона, дисульфида молибдена (прототип) [патент 2126805 РФ, кл. С 08 J 5/16, С 08 L 27:06, 1999. Антифрикционная композиция / О.А.Адрианова, А.В.Виноградов, В.М.Листков и др. - №5068151/04; Заявл. 14.08.1992; Опубл. 27.02.1999; Бюл.№6].

Обладая высокой износостойкостью, материал характеризуется недостаточной прочностью, эластичностью, несущей способностью, вследствие чего может эксплуатироваться только при невысоких нагрузках.

Технической задачей изобретения является повышение деформационно-прочностных характеристик и несущей способности композиционного материала на основе ВМПЭ при сохранении высокой износостойкости и стабильного коэффициента трения.

Достижение положительного эффекта обеспечивается введением в ВМПЭ активированных в течение 2 мин, синтетических шпинели кобальта или меди при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Синтетическая шпинель - 2,0

ВМПЭ - остальное.

Высокомолекулярный полиэтилен - промышленный порошкообразный продукт (ТУ 6-05-18-96-80) с Мм 1,0·10⁺⁶-1,5·10⁶, температурой плавления 135°С, плотностью 936 кг/м³.

Синтетические шпинели меди и кобальта - продукты, полученные путем механохимического синтеза в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН (г. Новосибирск). Физические параметры синтетических шпинелей меди и кобальта: размеры частиц - 0,05 - 0,1 мкм; удельная поверхность - 40-50 м²/г [Пат.2078037 РФ, С1 С 01 В 33/20, 33/26. Способ получения алюмосиликата щелочно-земельного металла / Е.Г.Аввакумов, Е.Т.Девяткина, Н.В.Косова, Н.Э.Ляхов - №93029074/25; Заявл. 31.05.1993; Опубл. 27.04.1997; Бюл.№-12].

Для получения композиции в ВМПЭ вводили синтетические шпинели кобальта или меди, подвергнутые механической активации в течение 1-2 мин в планетарной мельнице АГО-2 [Аввакумов Е.Г. Мягкий механохимический синтез // Химия устойчивого развития. - 1994. - Т.2, №2-3. - С.541-559]. Механическую активацию наполнителя проводили с целью получения однородного по дисперсности порошка и повышения реакционной способности частиц синтетических шпинелей, так как ВМПЭ, как полимерное связующее, характеризуется инертностью, низкой адгезионной способностью, что затрудняет межфазное взаимодействие в композите и, таким образом, сдерживает процессы структурообразования. Помещая расчетную массу полимера и наполнителя в высокооборотный смеситель, смешивали до получения однородной массы. Затем из композиции делали заготовки требуемой формы по технологии холодного прессования с последующим свободным спеканием при температуре 180°С.

Введение в ВМПЭ синтетических шпинелей кобальта или меди, механоактивированных в планетарной мельнице в течение 1-2 мин, позволяет получить композиционный материал, обладающий высокой износостойкостью, несущей способностью, стабильным коэффициентом трения и повышенными деформационно-прочностными показателями.

Подобные свойства композита заявляемого состава обусловлены влиянием активированного наполнителя на процессы формирования структуры композита, и определяются механической активацией наполнителя в процессе обработки в планетарной мельнице. Механическая активация наполнителя заключается в повышении дисперсности и структурной активности. Введение его в полимер приводит к формированию более упорядоченной структуры композита с плотной упаковкой структурных элементов, что подтверждено результатами электронно-микроскопических исследований.

Пример. 98,0 г ВМПЭ и 2,0 г активированного в течение 1-2 мин порошка синтетического шпинели смешивают в лопастном смесителе до получения однородной массы. Затем композицию помещают в пресс-форму и прессуют изделие при удельном давлении 40 МПа, затем спекают при 180°С в течение 2 ч с выдержкой при температуре 80°С в течение 1 ч. Охлаждение спеченных изделий проводят непосредственно в печи.

Остальные примеры получения композиционного материала заявляемого состава приведены в таблице.

Методики определения свойств композита

Физико-механические свойства заявляемого антифрикционного материала определены на стандартных образцах (ГОСТ 11262-80). Испытания проводили на машине «Инстрон» при скорости перемещения подвижных захватов 50 мм/мин.

Триботехнические параметры определены на машине трения СМЦ-2 по схеме «вал-втулка». Нагрузка 67-6700 Н, скорость скольжения 0,39 м/с, путь трения 7 км. Исследуемый образец - втулка диаметром 32-22 мм, высотой 21 мм, контртело - стальной вал. Результаты испытаний представлены в таблице.

Технико-экономическая эффективность

Использование заявляемого изобретения, реализуемого на стандартном оборудовании, позволяет повысить деформационно-прочностные характеристики, несущую способность композиционного материала до 6700 Н, при сохранении высокой износостойкости в сочетании со стабильным коэффициентом трения. Как видно из приведенных данных, прочность при разрыве возросла по сравнению с прототипом на 40-44%, эластичность на 20-25%, износостойкость в 3-5 раз. Оптимальное время активации наполнителя - 1-2 мин, содержание механоактивированного наполнителя - 2,0 мас.%. Дальнейшее увеличение времени активации наполнителя приводит к снижению деформационно - прочностных показателей и износостойкости.

Применение антифрикционной композиции заявляемого состава позволит повысить ресурс работы изделий в узлах трения машин и оборудования, в том числе при повышенных нагрузках.

Таблица примеров
№	Состав		Физико-механические характеристики	Износ (мг) при нагрузке Р (Н)
		Время	Предел прочности при разрыве, σр, МПа	Относит. удлинение при разрыве, εр, %	67	150	6700	Коэффициент трения, f
		активации
		наполнителя,
		мин
1	ВМПЭ	-	31	410	8,0	25,0	587,0	0,15
2	ВМПЭ+CoAl2O4	-	32	390	2,7	8,1	646,0	0,17
3	-″-	1	34	430	2,3	7,0	562,0	0,16
4	-″-	2	38	460	1,5	4,6	482,0	0,13
5	-″-	3	36	420	2,0	6,5	497,0	0,14
6	ВМПЭ+CuAl2O4	-	33	400	2,4	7,1	657,0	0,18
7	-″-	1	35	420	1,8	5,5	483,0	0,17
8	-″-	2	39	470	1,2	3,7	462,0	0,12
9	-″-	3	37	390	1,3	3,8	467,0	0,13
10	ВМПЭ+β-сиалон (прототип)	-	25-27	350-375	6,0	18,0	-	0,15

Антифрикционная композиция, содержащая высокомолекулярный полиэтилен и неорганический наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве неорганического наполнителя содержит синтетическую шпинель кобальта или меди, активированную в планетарной мельнице течение 1-2 мин, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Синтетическая шпинель кобальта или меди	2,0
Высокомолекулярный полиэтилен	остальное