Полимерная фрикционная композиция

Изобретение относится к автотранспортной технике и подъемно-транспортным машинам, а также смежным областям техники, там, где используется явление трения для достижения положительного эффекта. Готовят композицию, содержащую, мас.%, связующее на основе каучуков СКИ-3 и СКД - 11,5-13,0, волластонит - 50,0-54,5, барит - 23,5-24,5, графит - 3,0-3,7, углерод технический - 1,5-1,9, серную систему вулканизации: серу - 3,5-4,5, каптакс - 0,2-0,5, тиурам - 1,2-1,7, оксид цинка - 0,3-0,7 и сверх 100 мас.% модификатор из расчета, мас.ч. на 100 мас.ч. смеси каучуков: модификатор, выбранный из группы: стеариновая кислота, олеиновая кислота, смесь стеариновой и олеиновой кислот в соотношении 40:60 - 0,02-0,5, или указанный смесевой модификатор: терефталевая кислота - 3, стеариновая кислота - 0,02-0,5. Технический результат состоит в повышении физико-механических свойств и снижении реологических показателей композиции. 2 табл.

 

Изобретение относится к автотранспортной технике и подъемно-транспортным машинам, а также смежным областям техники там, где используется явление трения для достижения положительного эффекта.

С развитием техники растут средние скорости движения и частота торможения, все это предъявляет все более жесткие требования к материалам, работающим в узлах трения.

Для достижения необходимого торможения автотранспортных средств и иных объектов достаточно давно используется эффект трения поверхностей. В большинстве случаев это достигается путем прижатия специально сконструированных композиций к металлической поверхности. При этом к фрикционным композициям предъявляют ряд требований, в частности: 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, который характеризуется канцерогенными свойствами. В связи с этим в большинстве промышленно развитых стран использование асбеста запрещено. Указанное обстоятельство побудило к поиску других микроармирующих наполнителей. При этом было найдено, что минерал волластонит может быть полезной альтернативой асбесту в некоторых областях техники.

Применительно к композициям фрикционных материалов волластонит входит в ряд композиций, которые запатентованы.

Так, в патенте №2090578 RU [1] рассмотрены варианты полимерной фрикционной композиции, которая включает, мас.%: резольная фенолформальдегидная смола 13-15; бутадиеннитрильный каучук 3-5; арамидное волокно 2,5-3,0; базальтовое волокно, поверхность которого модифицирована 3-4 мас.% полиорганогидридсилаксана, 8-10; волластонит, поверхность которого модифицирована 2-10 мас.% 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% полигидридсилаксана. Композиции готовят в резиносмесителе смешением при 90°С в течение 15-18 минут. После вылежки в течение 1-7 суток материал измельчают и формуют сначала в холодной, а затем в горячей пресс-форме при 190°С, давлении 30-40 МПа, готовое изделие термообрабатывают в течение 2-3 ч при 200°С.

Существенным недостатком указанного технического решения является:

- применение токсичного фенольно-каучукового связующего;

- использование волластонита, содержащего на поверхности углеводородный модификатор, поскольку модификация поверхности волластонита является самостоятельной дорогостоящей научно-технической задачей.

В патенте №2119511 RU [2] описывается полимерная фрикционная композиция следующего состава: связующее из группы фенолоформальдегидных смол, волокнистый наполнитель, металлосодержащие соединения, органический, фрикционный и неорганический модификаторы. В качестве волокнистого наполнителя композиция содержит смесь стеклянной нити и минеральной ваты, в качестве металлсодержащих наполнителей - латунь, бронзовая стружка, микропорошок, медный порошок, свинцовый порошок, феррофосфор, железнорудный концентрат или их смесь, в качестве органического модификатора - бутадиеннитрильный каучук, в качестве фрикционного модификатора - смесь порошка графита и сурьмы трехсернистой, в качестве неорганического модификатора - вещества из группы: баритовый концентрат, оксид алюминия, вермикулит и игольчатый волластонит или их смесь, и дополнительно содержит в качестве агента вулканизации - смесь серы, волластонита и цинковых белил, а в качестве наполнителя фенольного связующего - игольчатый волластонит. Смешение компонентов осуществляется в две стадии: на первой - готовится смесь фенольного связующего с игольчатым волластонитом, на второй смесь из волокнистого наполнителя, агента вулканизации, органического и фрикционного модификаторов, полученные смеси перемешивают с оставшимися компонентами.

К недостаткам указанного технического решения можно отнести:

- использование в качестве связующих фенолформальдегидных смол, отличающихся высокой токсичностью;

- использование металлической стружки, которая в процессе эксплуатации фрикционного материала обеспечит повышенный износ тормозных колодок.

Патент RU 2275394 [3], прототип, предлагает полимерную фрикционную композицию, включающую волокнистый безасбестовый наполнитель, неорганический модификатор - барит, фрикционный модификатор - графит, вулканизующую группу. В качестве связующего содержит каучуки из группы высокомолекулярных непредельных каучуков: смесь СКИ-3 и СКД; пластификатор полимерного связующего - индустриальное масло И-20; в качестве вулканизующей группы содержит серу, каптакс, тиурам, оксид цинка; в качестве фрикционного модификатора - технический углерод; модификатор из группы двухосновных органических кислот - ортофталевую, изофталевую, терефталевую кислоты (сверх 100%). Смешение компонентов осуществляется в две стадии: на первой - готовится смесь непредельного связующего с игольчатым волластонитом, на второй - смесь из волокнистого наполнителя, агента вулканизации, органического и фрикционного модификаторов, полученные смеси перемешивают с оставшимся компонентами.

Недостатком указанного технического решения является высокая вязкость данной композиции и неравномерное распределение компонентов по объему материала.

Предлагаемое техническое решение направлено на создание полимерной фрикционной композиции, обладающей повышенными физико-механическими свойствами и сниженными реологическими показателями. В предлагаемом составе в качестве связующего используют смесь высокомолекулярных непредельных углеводородных каучуков СКИ-3 и СКД, пластифицированных индустриальным маслом И-20. Кроме того, в состав фрикционной композиции входят волокнистый безасбестовый наполнитель волластонит, неорганический модификатор барит, фрикционноый модификатор графит, углерод технический, серная система вулканизации, содержащая серу, оксид цинка, каптакс, тиурам, модификатор связующего, отличающийся тем, что в качестве модификатора связующего композиция содержит модификатор, выбранный из группы: стеариновая кислота, олеиновая кислота, смесь стеариновой и олеиновой кислот в соотношении 40:60 или смесевой модификатор из терефталевой и стеариновой кислот.

Вопреки ожидаемому снижению физико-механических характеристик отвержденных фрикционных композиций выяснилось, что введение вышеупомянутого модификатора связующего приводит не только к снижению вязкости композиции в 5-7 раз, но и в ряде случаев к существенному улучшению физико-механических характеристик (таблица 2, состав 11). В целом можно констатировать, что улучшение физико-механических характеристик таких деталей, как фрикционные накладки тормозов для автомобилей «Жигули», достигается примерно до 19,5 раз.

Механизм действия модификаторов до конца не изучен, вместе с тем можно полагать, что он связан с их свойствами как веществами, обладающими поверхностно-активными свойствами, а также с их способностью оказывать активирующее влияние на процессы вулканизации (4-9).

Примеры осуществления изобретения

Пример 1

Берутся навески каучуков СКД 85 г, СКИ-3 85 г, масло индустриальное И-20 30 грамм и проводится пластификация каучуков на лабораторных вальцах. При включенных вальцах в зазор между валками помещают СКД до образования ровного «чулка» и затем вводят частями СКИ-3 и индустриальное масло. По мере увеличения доли пластификатора в смеси каучуков увеличивают зазор между валками и число оборотов валков. Вальцевание заканчивают после введения всей навески индустриального масла. Общее время вальцевания смеси каучуков 30 минут.

Полученную пластифицированную смесь каучуков снимают с валка с помощью ножа, предварительно уменьшив число оборотов валков.

От полученной смеси каучуков отбирают навеску 26 г, которую помещают в зазор между валками предварительно включенных вальцов. После образования ровного «чулка» из смеси каучуков начинают вводить компоненты фрикционной композиции в установленном порядке.

Порядок введения компонентов представлен в табл.1.

Модификатор вводится на стадии образования «чулка» из полимерного связующего.

Таблица 2
Результаты физико-механических испытаний
Состав	Характеристики
Модуль упругости Еупр, МПа	Эффективная плотность сшивки υe/υ, моль/см3	Модуль сдвига, Есдв, МПа
1	2	4	5
1	200	0,0034	11,5
2	108,2	0,0108	4,06
3	54,2	0,0078	2,9
4	200	0,0034	11,5
5	128	0,0086	2,6
6	17,8	0,0062	1,79
7	200	0,0034	11,5
8	167	0,0077	3,37
9	92	0,0078	2,44
10	200	0,0034	11,5
11	313	0,0103	5,51
12	198	0,0095	4,58

Пример 2

Берутся навески каучуков СКД 85 г, СКИ 85 г, масло индустриальное И-20 30 и проводится пластификация каучуков в лопастном смесителе. После загрузки навески каучуков в смеситель заливают пластификатор и помещают в него вставку, которую затем поджимают крышкой смесителя. Таким образом, удается в течение 35-40 минут получить однородную запластифицированную смесь каучуков, которую вводят в смеситель, а затем оставшиеся порошкообразные компоненты (см. табл.1). Время смешения компонентов в смесителе 12 минут.

После смешения фрикционную массу выгружают из смесителя, охлаждают и помещают в молотковую дробилку для измельчения, а затем помещают в пресс-форму для вулканизации. Режим вулканизации осуществляется 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 образам, полученным по примеру 1.

Представленные композиции в дальнейшем планируется внедрить при производстве фрикционных материалов на Барнаульском заводе асбестовых-технических изделий в середине 2007 г.

Список литературы

1. Патент РФ 2090578 от 20.09.1997.

2. Патент РФ 21195511 от 21.02.1996.

3. Патент РФ 2275394 от 10.01.2006, прототип.

4. Наполнители для полимерных композиционных материалов (Справочное пособие). Под. ред. Г.С.Каца и Д.В.Милевски; пер. с англ. под. ред. П.Г.Бабаевского. М.: Химия, 1981, с.37.

Полимерная фрикционная композиция, включающая связующее на основе смеси высокомолекулярных непредельных углеводородных каучуков СКИ-3 и СКД, пластифицированных индустриальным маслом И-20, волокнистый безасбестовый наполнитель волластонит, неорганический модификатор барит, фрикционный модификатор графит, углерод технический, серную систему вулканизации, содержащую серу, оксид цинка, каптакс, тиурам, модификатор связующего, отличающаяся тем, что в качестве модификатора связующего композиция содержит модификатор, выбранный из группы: стеариновая кислота, олеиновая кислота, смесь стеариновой и олеиновой кислот в соотношении 40:60 или смесевой модификатор из терефталевой и стеариновой кислот при следующем соотношении компонентов композиции, мас.%:

указанное связующее	11,5-13
волластонит	50,0-54,5
барит	23,5-24,5
графит	3,0-3,7
углерод технический	1,5-1,9

серная система вулканизации:

сера	3,5-4,0
каптакс	0,2-0,5
тиурам	1,2-1,7
оксид цинка	0,3-0,7

и сверх 100 мас.% - модификатор из расчета мас.ч. на 100 мас.ч. смеси каучуков:

модификатор, выбранный из группы:
стеариновая кислота, олеиновая кислота,
смесь стеариновой и олеиновой кислот в соотношении 40:60	0,02-0,5

или указанный смесевой модификатор:

терефталевая кислота	3
стеариновая кислота	0,02-0,5.